南京信息工程大学数理学院

2019/8/7南京信息工程大学数理学院MCS-51系列单片微型计算机及其应用主讲：宋标南京信息工程大学数理学院2019/8/7南京信息工程大学数理学院1绪论2019/8/7南京信息工程大学数理学院一、什么是单片机1.计算机冯.诺依曼提出的电子计算机结构：运算器（ALU）控制器（Controller)存储器(Memory)输入设备(Input)输出设备(Output)CPUROMRAM时钟电路I/OI/OI/OT/C总线2019/8/7南京信息工程大学数理学院1946年2月15日，第一台电子数字计算机ENIAC问世，这标志着计算机时代的到来。（CALCULATOR）2019/8/7南京信息工程大学数理学院存储器输出设备输入设备控制器运算器2019/8/7南京信息工程大学数理学院这种计算机系统通常由多块印刷电路板制成：多板机主板内存条CPU2019/8/7南京信息工程大学数理学院电子计算机技术的发展，相继经历了五个时代：﹡电子管计算机；﹡晶体管计算机；﹡集成电路计算机；﹡大规模集成电路计算机；﹡超大规模集成电路计算机。光子计算机计算机的结构仍然没有突破冯·诺依曼提出的计算机的经典结构框架。2019/8/7南京信息工程大学数理学院1.1.2微型计算机的组成及其应用形态一、微型计算机的组成1971年1月，INTEL公司的特德·霍夫在与日本商业通讯公司合作研制台式计算器时，将原始方案的十几个芯片压缩成三个集成电路芯片。其中的两个芯片分别用于存储程序和数据，另一芯片集成了运算器和控制器及一些寄存器，称为微处理器（即Intel4004）。2019/8/7南京信息工程大学数理学院微处理器、存储器加上I/O接口电路组成微型计算机。各部分通过地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）相连。微处理器存储器I/O接口I/O设备地址总线AB数据总线DB控制总线CB2019/8/7南京信息工程大学数理学院二、微型计算机的应用形态从应用形态上，微型计算机可以分成三种：（1）多板机（系统机）将CPU、存储器、I/O接口电路和总线接口等组装在一块主机板（即微机主板）上，再通过系统总线和其它多块外设适配板卡连接键盘、显示器、打印机、软/硬盘驱动器及光驱等设备。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软/硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机）。工业PC机也属于多板机。2019/8/7南京信息工程大学数理学院这种计算机系统通常由多块印刷电路板制成：多板机主板内存条CPU2019/8/7南京信息工程大学数理学院（2）单板机将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备（小键盘、LED显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在ROM中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。单板机图片2019/8/7南京信息工程大学数理学院单板机CPUCPU芯片内存条存储器芯片输入输出接口芯片定时计数器芯片A/D、D/A芯片2019/8/7南京信息工程大学数理学院单板机的I/O设备简单，软件资源少，使用不方便。早期主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统，现在已很少使用。2019/8/7南京信息工程大学数理学院（3）单片机在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。三种应用形态的比较：单板机单片机系统机（多板机）2019/8/7南京信息工程大学数理学院单硅晶片CPU存储器控制电路定时器时钟电路I/O口单片机2019/8/7南京信息工程大学数理学院单片机内部结构示意图CPU存储器并行I/O接口定时器/计数器中断系统P0～P3TXDRXDTINT并行I/O接口2019/8/7南京信息工程大学数理学院系统机（桌面应用）属于通用计算机，主要应用于数据处理、办公自动化及辅助设计。单片机（嵌入式应用）属于专用计算机，主要应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统。单片机体积小、价格低、可靠性高，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。2019/8/7南京信息工程大学数理学院2019/8/7南京信息工程大学数理学院P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST/VPD9RXDP3.010TXDP3.111INT0P3.212INT1P3.313T0P3.414T1P3.515WRP3.616RDP3.717XTAL218XTAL119VSS20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC408031805187512019/8/7南京信息工程大学数理学院2019/8/7南京信息工程大学数理学院总结:单片机的概念•何为单片机:将计算机的基本组成部分集成到一个芯片上或一个完全封装的器件内，一块芯片构成一台计算机，故称单晶片微型计算机（简称单片机、嵌入式微控制器）。有一些单片机中除了上述部份外，还集成了其它功能部件如A/D，D/A等。•单片机系统：单片机系统是在单片机芯片的基础上扩展其他电路构成的具有一定功能的计算机应用系统。它是以单片机为核心的系统。亦称嵌入式系统。•单片机的特点：结构简单，体积小性价比高可靠性高，功耗小应用范围广泛，开发方便2019/8/7南京信息工程大学数理学院1.2单片机的发展过程及产品近况1.2.1单片机的发展过程单片机技术发展过程可分为三个主要阶段：（1）单芯片微机形成阶段1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机。8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。特点是：存储器容量较小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强。2019/8/7南京信息工程大学数理学院（2）性能完善提高阶段1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机：8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。特点是：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种。2019/8/7南京信息工程大学数理学院（3）微控制器化阶段1982年，Intel推出MCS-96系列单片机。芯片内集成：16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。特点是：片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。2019/8/7南京信息工程大学数理学院1.2.2单片机产品近况（1）80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成，近年来推出的与80C51兼容的主要产品有：﹡ATMEL公司融入Flash存储器技术的AT89系列；﹡Philips公司的80C51、80C552系列；﹡华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列；﹡ADI公司的ADμC8xx高精度ADC系列；﹡LG公司的GMS90/97低压高速系列；﹡Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列；﹡Cygnal公司的C8051F系列高速SOC单片机。2019/8/7南京信息工程大学数理学院（2）非80C51结构单片机新品不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间，近年来推出的非80C51系列的主要产品有：﹡Intel的MCS-96系列16位单片机；﹡Microchip的PIC系列RISC单片机；﹡TI的MSP430F系列16位低功耗单片机。2019/8/7南京信息工程大学数理学院1.3单片机的特点及应用领域1.3.1单片机的特点（1）控制性能和可靠性高实时控制功能特别强，其CPU可以对I/O端口直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。另外，由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。近期推出的单片机产品，内部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式（如在系统编程ISP）等方面都有了进一步的增强。2019/8/7南京信息工程大学数理学院（2）体积小、价格低、易于产品化单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择，同时还可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系。在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少，从而使应用系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。具有控制性能和可靠性高良好的性能价格比。这是单片机得以广泛应用的重要原因。2019/8/7南京信息工程大学数理学院1.3.2单片机的应用领域（1）智能仪器仪表单片机用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度，使仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。如各种智能电气测量仪表、智能传感器等。2019/8/7南京信息工程大学数理学院（2）机电一体化产品机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。2019/8/7南京信息工程大学数理学院（3）实时工业控制单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产线等。2019/8/7南京信息工程大学数理学院（4）分布式系统的前端模块在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块，系统具有运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一系列优点。2019/8/7南京信息工程大学数理学院（5）家用电器家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等。2019/8/7南京信息工程大学数理学院1.4单片机应用系统开发简介1.4.1单片机应用系统的开发正确无误的硬件设计和良好的软件功能设计是一个实用的单片机应用系统的设计目标。完成这一目标的过程称为单片机应用系统的开发。单片机作为一片集成了微型计算机基本部件的集成电路芯片，与通用微机相比，它自身没有开发功能，必须借助开发机（一种特殊的计算机系统）来完成如下任务：﹡排除应用系统的硬件故障和软件错误；﹡程序固化到内部或外部程序存储器芯片中。2019/8/7南京信息工程大学数理学院（1）指令的表示形式指令是让单片机执行某种操作的命令。在单片机内部，指令按一定的顺序以二进制码的形式存放于程序存储器中。二进制码是计算机能够直接执行的机器码（或称目标码）。为了书写、输入和显示方便，人们通常将机器码写成十六进制形式。如二进制码00000100B可以表示为04H。04H所对应的指令意义是累加器A的内容加1。若写成INCA则要清楚得多，这就是该指令的符号表示，称为符号指令。2019/8/7南京信息工程大学数理学院（2）汇编或编译符号指令要转换成计算机所能执行