第1章单片机基础知识-张兰红主编-机械工业出版社

22:481第一章单片机基础知识第一章单片机基础知识22:482内容单片机概述1.1微型计算机系统组成1.2微型计算机的运算基础知识1.322:4831.1单片机概述1.1.1什么是单片机?单片机是指在一块半导体芯片上，集成了微处理器、存储器、输入/输出接口、定时器/计数器以及中断系统等功能部件，构成一台完整的微型计算机。单片机实物图122:484单片机实物图(2)单片机芯片AT89C51AT89S51AT89S52AT89C2051双列直插式DIP40(DualIn-linePackage)封装22:485单片机实物图(3)单片机芯片STC89C52塑料扁平式PQFP/TQFP(PlasticQuadFlatPackage)封装带引线的塑料芯片封装PLCC44(PlasticLeadedChipCarrier)22:4861.1.2单片机与微型计算机的关系计算机的发展经历了从电子管、晶体管、集成电路到大规模集成电路四代的演变。微型计算机属于第四代计算机。微型计算机的发展以微处理器的发展为特征，主要表现：芯片集成度的提高(从最初的约2000个晶体管/片发展到目前的几百万个晶体管/片)；处理器位数的增加（从4位增加到64位）；时钟频率的加快(从1MHz到约几个GHz)；价格的逐渐降低等方面。22:4871.1.2单片机与微型计算机的关系微型计算机有两个主要发展方向：一是向高速度、高性能、大容量的高档微型计算机方向发展；二是向稳定可靠、小而廉、能适应各种控制领域需要的单片机方向发展。单片机是微型计算机发展的一个重要分支！22:4881.1.3常用的单片机系列MCS-51系列及与之兼容的80C51系列单片机Atmel公司的AVR系列Microchip公司的PIC系列Motorola公司的单片机TI公司MSP430系列单片机基干ARM核的32位单片机22:489MCS-51系列及与之兼容的80C51系列单片机MCS-51系列单片机是美国Intel公司在1980年推出的高性能单片机。型号：8051、8751、8031、8032、8052等。其中8051是最典型的产品，其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS-51系列单片机。20世纪80年代中期Intel公司将MCS-51的核心技术授权给了很多其他公司，如：Atmel、Philips、STC、Siemens、Winbond等，这些厂商生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机，这些单片机的系统结构与8051相同，并且都采用CHMOS工艺，因而常用80C51系列来称呼它们。22:4810Atmel公司的AVR系列AVR系列单片机是1997年Atmel公司为了充分发挥其Flash的技术优势，而推出的全新配置的精简指令集(ReducedInstructionSetComputer，简称RISC)单片机。该系列单片机一进入市场，就以其卓越的性能而大受欢迎。通过这几年的发展，AVR单片机已形成系列产品，其Attiny系列、AT90S系列与Atmega系列分别对应为低、中、高档产品(高档产品含JTAGICE仿真功能)。22:4811Microchip公司的PIC系列Microchip单片机是市场份额增长最快的单片机。它的主要产品是PIC系列8位单片机，它的CPU采用了精简指令集(RISC)结构的嵌入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势。PIC8位单片机产品共有3个系列，即基本级、中级和高级。用户可根据需要选择不同档次和不同功能的芯片。22:4812Motorola公司的单片机(现在的飞思卡尔公司)Motorola公司是世界上最大的单片机厂商，该公司的特点是品种全、选择余地大、新产品多，在8位机方面有68HC05和升级产品68HC08，68HC05有30多个系列，200多个品种，产量已超过20亿片。8位增强型单片机68HC11也有30多个品种，年产量在1亿片以上。升级产品有68HC12。16位机68HC16也有10多个品种。32位单片机的683XX系列也有几十个品种。Motorola单片机特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低很多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强，更适合用于工控领域及恶劣的环境。Motorola8位单片机过去的策略是以掩膜为主，最近推出了OTP计划以适应单片机发展新趋势。在32位机上，M.CORE在性能和功耗方面都胜过ARM7。由于Motorola单片机产品以前主要是以掩膜为主，不太适合于教学，所以没有被选做教学用机型。22:4813TI公司MSP430系列单片机TI公司MSP430系列单片机是超低功耗Flash型单片机，有“绿色微控制器(GreenMCUs)”称号，是目前单片机业界所有内部集成闪速存储器(FlashROM)产品中功耗最低的，消耗功率仅为其他闪速微控制器(FlashMCUs)的1/5。在3V工作电压下其耗电电流低于350μA/MHz，待机模式仅为1μA/MHz，具有5种节能模式。该系列产品的工作温度范围为-40oC～85oC，可满足工业应用要求。MSP430微控制器可广泛地应用于煤气表、水表、电子电度表、医疗仪器、火警智能探头、通信产品、家庭自动化产品、便携式监视器及其他低耗能产品。由于MSP430微控制器的功耗极低，可设计出只需一块电池就可以使用长达10年的仪表应用产品。MSP430Flash系列的确是不可多得的高性价比单片机。22:4814基于ARM核的32位单片机ARM(AdvancedRISCMachine)是一种通用的32位RISC处理器。32位是指处理器的外部数据总线是32位的，与8位和16位的相同主频处理器相比性能更强大。ARM是一种功耗很低的高性能处理器，如ARM7TDMI具有每瓦生产690MIPS(MillionsInstructionPerSecond，百万条指令/秒)的能力，已被证明在工业界处于领先水平。ARM公司并不生产芯片，而是将ARM的技术授权其他公司生产。ARM本质并不是一种芯片，而是一种芯片结构技术，不涉及芯片生产工艺。授权生产ARM结构芯片的公司采用不同的半导体技术，面对不同的应用进行扩展和集成，标有不同的系列号。目前可以提供含ARM核CPU芯片的著名半导体公司有：Intel、TI、三星半导体、摩托罗拉、飞利浦半导体、意法半导体、亿恒半导体、科胜讯、ADI公司、安捷伦、高通公司、Atmel、Intersil、Alcatel、Altera、CirrusLogic、Linkup、Parthus、LSILogic、Micronas等。ARM的应用范围非常广泛，如嵌入式控制—汽车、电子设备、保安设备、大容量存储器、调制解调器、打印机，数字消费产品—数码相机、数字式电视机、游戏机、GPS、机顶盒、便携式产品—手提式计算机、移动电话、PDA、灵巧电话。22:48151.1.4单片机的应用单片机属于控制类数字芯片，目前其应用领域已非常广泛，典型应用如下：1.工业自动化。如数据采集、测控技术。2.智能仪器仪表。如数字示波器、数字信号源、数字万用表、感应电流表等。3.消费类电子产品。如洗衣机、电冰箱、空调机、电视机、微波炉、IC卡、汽车电子设备等。4.通信方面。如调制解调器、程控交换技术、手机、小灵通等。5.武器装备。如飞机、军舰、坦克、导弹、航天飞机、鱼雷制导、智能武器等。22:4816(1)单片机(2)电源(3)晶振(4)复位电路就构成了真正可使用的单片机最小应用系统1.1.5一个简单的单片机控制系统实例系统硬件设计点亮一个发光二极管的单片机控制系统22:4817系统软件设计/*点亮一个发光二极管的程序*/#includereg52.h//包含52系列单片机头文件sbitled1=P1^0;//声明单片机P1口的第一位，P1.0的位名称位led1voidmain()//主程序{led1=0;//*P1.0口输出低电平，点亮LED发光二极管while(1);//程序运行到此处停止}22:4818配套教材《单片机原理及应用》张兰红等编机械工业出版社2012.722:4819预备知识：元器件实物图单片机芯片AT89C51AT89S51AT89S52AT89C205122:4820通信芯片MAX232CPE时钟芯片DS130222:4821EEPROM24C02温度传感器18B20AD变换器0832稳压片78L0522:4822晶振电阻和排电阻22:4823瓷片小电容零压力插座万用焊接板仪器盒22:4824步进电机22:4825液晶字符显示屏液晶图形点阵显示屏22:4826拨动开关22:4827红外遥控用发射接受一体管继电器22:482822:4829单片机控制的GPS定位信息显示器系统22:4830单片机控制的超声波测距器22:4831单片机控制的交通灯系统22:4832单片机控制的步进电机系统22:4833单片机课程设计作品22:48341.2微型计算机系统组成计算机的基本结构微型计算机系统组成微型计算机硬件微型计算机软件22:48351.2微型计算机系统组成1.2.1计算机的基本结构计算机的基本结构运算器：是计算机处理信息的主要部件。控制器：产生一系列控制命令，控制计算机各部件自动地、协调一致地工作。存储器：是存放程序与数据的部件。输入设备：用来输入程序与数据，常用的输入设备有键盘、鼠标、光电输入机等。输出设备：将计算机的处理结果用数字、图形等形式表示出来。常用的输出设备有显示终端、数码管、打印机、绘图仪等。22:48361.2微型计算机系统组成1.2.1计算机的基本结构计算机的基本结构中央处理单元CPU：运算器、控制器合称为中央处理单元CPU(CentralProcessingUnit)。主机：通常把运算器、控制器、存储器这三部分称为计算机主机。外设：输入、输出设备称为计算机的外围设备(简称“外没”)。22:48371.2.2微型计算机的结构随着大规模集成电路技术的发展，已经将运算器、控制器集成在一块硅片上，成为独立的器件，该芯片称为微处理器或微处理机(Micro-processor)。存储器(Memory)也已经成为一块独立的芯片。微处理器芯片、存储器芯片与输入／输出接口(Input/Output，简称I／O接口)电路芯片构成了微型计算机(Micro-computer)，芯片之间用总线(Bus)连接。ABI/OI/ODBDB微型计算机结构22:48381.微处理器微处理器是微型计算机的核心，它通常包括3个部分：(1)算术逻辑部件(ArithmeticLogicUnit，简称ALU)：对传送到微处理器的数据进行算术运算或逻辑运算，如执行加法、减法运算，逻辑与、逻辑或运算等。(2)工作寄存器组。CPU中有多个工作寄存器，用来存放操作数及运算的中间结果等。(3)控制部件：包括时钟电路和控制电路。时钟电路产生时钟脉冲，用于计算机各部分电路的同步定时。控制电路产生完成各种操作所需的控制信号。22:48392.存储器介绍存储器有关概念之前，先介绍微型计算机中的几个常用术语：(1)位（bit）是计算机所能表示的最小的数据单位，即1位二进制数。它有两种状态：0和1。(2)字节（Byte）一个连续的8位二进制数称为一个字节，即1Byte＝8bit。(3)字（Word）通常把16位二进制数称为一个字，32位二进制数称为一个双字。(4)字长CPU一次能够处理二进制信息的位数称为字长，通常也指CPU与输入/输出设备或内存储器之间一次传送二进制数据的位数。22:4840计算机的字长与处理能力和计算精度有关。(1)字长越长，计算精度越高，处理能力越强，但计算机的结构也变得更复杂。(2)CPU的字长有1位、4位、8位、16位、32位和64位，对应的计算机就是1位机、4位机、8位机、16位机、32位机和64位机。本书所介绍的80C51系列单片机就是8位机，这意味着如果要