1、单片机原理与应用课程简介,1、什么是单片机？,单片机原理与应用课程简介,计算机模型：五大部件、二进制、程序存储,单片机原理与应用课程简介,5mm2 (2.17mm2.32mm),2、单片机的应用,单片机原理与应用课程简介,单片机原理与应用课程简介,2、单片机的应用,3、单片机系统开发过程硬件开发,单片机原理与应用课程简介,单片机系统,PCB印刷电路图,原理图,3、单片机系统开发过程软件开发,单片机原理与应用课程简介,原理图,IDE,编程语言,3、单片机系统开发过程系统调试,单片机原理与应用课程简介,单片机系统,IDE,Hex文件+编程器,在线调试,软件仿真,4、单片机系统开发基本技能,单片机原
2、理与应用课程简介,编程语言,IDE,软件仿真,教材： 单片机原理及接口技术（C语言版）陈连坤，北京交通大学出版社，2010年2月 参考：单片机原理与实践陈连坤，北京交通大学出版社，2009年11月 其他： MCS-51单片机说明书 C8051FXXX单片机说明书 C51和A51说明书 Vision IDE说明书,单片机原理与应用课程简介,学 时 数：32（26+4+2） 主讲教师：陈连坤 办公地点：YF112 电 话：13701118314E_mail ： 微 信 号：lkchen_bjtu,单片机原理与应用课程简介,教学网站：教务处教学平台（http:/）相关课程： C语言程序设计大学计算机
3、基础,单片机原理与应用课程简介,数字电路基础（与、或、非）,计算机组成原理,讲课内容分为四大部分 单片机的组成、系统设计及开发的相关知识（第1章第3章） 微机系统、嵌入式系统与单片机（微控制器） 嵌入式系统的特点及开发方法 Vision的应用,单片机原理与应用课程简介,51单片机的基本模块的应用四大模块 I/O（第4章） 中断系统（第5章） 定时器（第6章） UART（第9章）,单片机原理与应用课程简介,51单片机的其他模块简介 时钟系统 WDT I2C和SPI FLASH 模拟模块 USB 人机交互 输出LED、LCM 输入专用键盘、PC键盘,单片机原理与应用课程简介,实验 开发环境Visi
4、on 软件仿真 习题/实验 硬件调试（在线调试）简介 简易ICE的应用 OCD（C8051F320微控制器）的应用,单片机原理与应用课程简介,基本要求 系统设计开发的基本概念 单片机的基本原理及应用 用C语言进行编程 软、硬件调试的基本方法,单片机原理与应用课程简介,课程的考核方法 课后作业与听课考勤（30%） 实验、实验报告（30%） 期末考试（开卷笔试，40%）独立完成作业和实验,单片机原理与应用课程简介,1.1 计算机系统的组成 硬件系统 + 软件系统 硬件系统（五大部件） 运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备,1.单片机原理及单片机系统的开发方法,CPU 常见的种类 微处理器(M
5、PU) 单片机(MCU) 数字信号处理器(DSP),1.1 计算机系统的组成,重要部件 控制器、运算器 寄存器 通用寄存器 专用寄存器 PSWCPU的运行状态 PC（IP）CPU执行的指令地址 SP 堆栈指针,1.1 计算机系统的组成,软件 系统软件、应用软件（用户软件） 指令系统 二进制编码 操作码 + 操作数 指令类型 数据传送 运算：数值运算+逻辑运算 程序控制 处理器控制,1.1 计算机系统的组成,寻址方式4个基本寻址方式、3个数据存储区域 立即数寻址，ROM 寄存器寻址，CPU 直接寻址，RAM 寄存器间接寻址，RAM,1.1 计算机系统的组成,1.2 嵌入式系统与单片机系统,1.2
6、 嵌入式系统与单片机系统,单片：片上系统（SOC）,单片：微控制器 (MCU),*微控制器：国内多称单片机,微处理器 MPU,单片机的发展历程 第一阶段（1976年1978年） 单片机的探索阶段，MCS-48 第二阶段（1978年1982年） 单片机的完善阶段，MCS-51 第三阶段（1982年1990年） 8位单片机巩固发展、16位单片机推出、向微控制器发展的阶段，80C51、MCS-96 第四阶段（1990年） 微控制器的全面发展、32位机的推出阶段,1.2 嵌入式系统与单片机系统,单片机的特点 集成度高、体积小和具有很高的可靠性 电磁干扰小 接口芯片少 电路板简单 低功耗、低电压 易于开
7、发 硬件设计的的难度降低、调试也相对容易 开发的主要精力可以集中在软件上,1.2 嵌入式系统与单片机系统,可供选择的种类较多 通用型和专用型 字长、性能 性能价格比高 开发成本 生产管理成本 产品维护成本,1.2 嵌入式系统与单片机系统,1.2 嵌入式系统与单片机系统,振荡器 内部 外部 频率切换 CPU51内核 特殊功能寄存器（SFR，Special Function Register） 单片机内部所集成部件的控制命令字、状态字和数据缓存 完成软件与硬件的交互作用,1.2 嵌入式系统与单片机系统,存储器 程序存储器：ROM、OTP ROM、EPROM和FLASH 数据存储器：SRAM，有些单
8、片机集成EEPROM、铁电存储器 总线地址总线、数据总线和控制总线 包括片内总线和片外总线 有些单片机不再提供片外总线 扩展外部器件可采用串行总线接口，如，I2C、SPI、USB等,1.2 嵌入式系统与单片机系统,1.2 嵌入式系统与单片机系统,ROM操作和RAM操作不能同时进行,ROM操作和RAM操作可同时进行,定时器计数器标准部件 计数器外部信号作为输入 定时器系统时钟作为输入 有些单片机还集成了可编程计数器阵列（ PCA，Programmable Counter Array）,1.2 嵌入式系统与单片机系统,各种输入输出接口 通用输入输出端口（GI/O）标准部件 准双向接口，数据通过引脚
9、直接输入 输出一般采用漏极开路，输出的高电平由上拉电阻实现 双向驱动能力的推拉（Push-Pull，也称推挽）输出方式，即，图腾柱（Totem Pole）输出方式 绝大多数单片机的通用输入输出端口引脚与其他内部器件的引脚复用,1.2 嵌入式系统与单片机系统,各种串行通信接口和总线接口 通用异步收发器UART标准部件 同步传输时，UART是主设备，半双工 异步传输时，全双工 异步传输经电平转换可用于实现RS-232的通信 异步传输经电平转换和收发控制，可用于实现RS-485的通信,1.2 嵌入式系统与单片机系统,I2C 二线同步半双工串行接口，一根串行数据和一根串行时钟。 每个从器件都有一个唯一
10、的地址，支持一主多从工作方式。 SPI 三线同步全双工串行接口，一根串行时钟线和两根单向数据线 支持是一对一的主从工作方式 增强型SPI可I实现处理器间的相互通信,1.2 嵌入式系统与单片机系统,USB 二线异步半双工串行接口，支持即插即用（Plug and Play，PnP）功能 USB接口（USB2.0及以下标准）共有四根线，两根电源线，两根构成双绞线用于传输一个信号,采用的是平衡传输方式 分为USB主设备和USB外设 CAN 属现场总线（Field bus）,1.2 嵌入式系统与单片机系统,其他类型的接口 模数转换器（ADC） 数模转换器（DAC） 红外线接口 LCD控制模块 强电控制模
11、块,1.2 嵌入式系统与单片机系统,单片机的工作过程 固化程序 程序以机器码形式存储在程序存储器中 常见的类型 掩膜ROM型大批量生产 OTP型小批量生产 EPROM型开发 FLASH型开发、小批量生产,1.2 嵌入式系统与单片机系统,程序下载方法 无JTAG接口单片机编程器（烧写器、烧录器） 实物照片在线编程特殊端口和特殊工作状态有JTAG接口单片机 FLASH型，直接通过JTAG接口下载程序,1.2 嵌入式系统与单片机系统,1.2 嵌入式系统与单片机系统,返回,复位向量（复位地址） 程序的第一条代码在程序存储器的地址必须与复位向量相同 51系列单片机的复位向量是“0000” 工作过程：根据
12、程序计数器（PC）读取和执行程序 取指：按一定的顺序将程序读入控制器的指令寄存器（Instruction Register，IR） 译码：由指令译码器（Instruction Decoder，ID）将指令转换为对应的控制信号 执行：在控制信号的控制下完成指令所规定的操作,1.2 嵌入式系统与单片机系统,1.2 嵌入式系统与单片机系统,与机器指令 一一对应,CPU,机器指令,1100011011001101,所有机器指令 构成指令系统,汇编语言 .ASM/.A51,伪指令操作指令,汇编器,如何汇编,C语言 .C,非操作语句操作语句,与机器指令无 特定的对应关系,编译器,如何编译,.obj,连接器
13、,1.2 嵌入式系统与单片机系统,1.2 嵌入式系统与单片机系统,1. 模拟器ROM调试 在PC机上运行模拟器/仿真软件进行软件调试 将软件下载至系统进行实际运行 判断程序的问题进行修改,1.2 嵌入式系统与单片机系统,网络接口， 支持远端调试,RS232接口， 支持仿真终端,支持调试的DEB下载至目标板，,2. 调试器调试,1.2 嵌入式系统与单片机系统,DEB（Debugger，调试器）下载至目标板中 要求与DEB有关部分的硬件电路（通信、CPU、程序存储器）能正常工作 硬件排错较弱 软件下载至CPU或ROM中（FLASH/RAM）进行调试,1.2 嵌入式系统与单片机系统,DEB是与应用无
14、关的特殊软件 如：MON51、ISD51等（表1-1） 占用系统额外的资源 RAM ROM 定时器 UART,1.2 嵌入式系统与单片机系统,接PC， 运行IDE,ICE,仿真头,CPU插座,目标板,3. 在线仿真器,1.2 嵌入式系统与单片机系统,ICE（In-Circuit Emulator）的仿真头取代目标板上的CPU 使用ICE中的ROM（通常为RAM），可使用ICE中或目标板上的RAM 硬件排错能力强 受物理/时序/工作频率限制 软件开发完成将程序烧录至CPU或ROM中（OPT、EPROM、EEPROM、FLASH） 通用性差,1.2 嵌入式系统与单片机系统,接PC， 运行IDE,ICD,接CPU的OCD接口,CPU的OCD接口， JTAG,OCD CPU内部,目标板,4. 片上调试器与在线调试器,1.2 嵌入式系统与单片机系统,ICD（In-Circuit Debugger，在线调试器） OCD（On-Chip Debugger，片上调试器），集成在CPU内部的硬件和软件 通用性强 要求与OCD有关部分的硬件电路正常 硬件排错一般 软件下载至CPU或ROM（FLASH）进行调试,第一章作业,PP.1617：一、二、三 （1、3、5）,
