汽车单片机第1章

汽车单片机与车载网络学习情境１点亮汽车上的单个信号灯1.1概述单片机(SingleChipMicroComputer)也称为微控制器MCU(MicroControllerUnit)，它是在一块芯片上集成了中央处理器(CPU)、一定容量的存储器(RAM/ROM等)、定时计数器及多种输入/输出(I/O)接口的比较完整的数字处理系统。它具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低等优点。因而被广泛应用在工业控制、智能化仪器仪表、通信、家电、汽车等领域中。1）、单片机：在一块硅片上集成了CPU、RAM与ROM、输入/输出端口的数字处理系统。2）、MPU:微型计算机中的核心芯片。3）、MCU:主要用于控制目的的一种专业微处理器。CPU输入设备输出设备软件系统+微型计算机系统硬件系统输入接口设备输出接口设备运算器控制器存储器单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机，简称单片机——单片机实质上就是一个芯片2、单片微型计算机单片机内部结构示意图CPU存储器定时器/计数器中断系统P0-P3TxDRxDTINT并行I/O口串行I/O口返回单片机与计算机之异同组成：CPU(进行运算、控制)RAM(数据存储器)I/O口(串口、并口等)ROM(程序存储器)PC机：上述部件以芯片形式安装在主板上。单片机：上述部件被集成到单芯片中。通用PC包括：键盘、显示器、鼠标、硬/软/光驱、音箱、打印机、扫描仪…等外设。单片机则只是一片集成电路。（……100、48、40、32、28、20、16、8条引脚）。功能：PC机：数据运算、采集、处理、存储、传输；单片机：控制（或受控于）外设。（或受控于）外设.通用计算机擅长于数据运算、采集、处理、存储和传输；单片机的专长则是测控，往往嵌入某个仪器/设备/系统中，使其达到智能化的效果。1.1.1单片机及其应用1、单片机芯片技术的发展概况单片机的发展主要经历了四个阶段：第一阶段（1971——1974年）：初级单片机阶段。第二阶段（1974——1978年）：低性能单片机阶段。第三阶段（1978——1981年）：高性能8单片机阶段。第四阶段（1983年到现在）：单片机的发展、巩固、提高阶段。２、单片机的特点（１）体积小（２）接线简单（３）价格低廉（４）简单易学可以嵌入到电子产品中——嵌入式应用系统3、单片机的应用（１）主要应用领域１）智能产品２）智能仪表３）测控系统４）数控机床５）智能接口（２）单片机在各个控制领域中的典型应用举例单片机应用工业方面民用方面仪表方面电讯方面数据处理方面汽车方面悬架控制ABS/ASR/VDC控制系统发动机集中控制自动变速器控制系统巡航控制SRS系统自动空调控制4、主流单片机的简介（１）80C51系列单片机产品80C51的系统结构合理、技术成熟，因此，许多单片机芯片厂商倾力于提高80C51单片机产品的综合功能，从而形成了80C51的主流产品地位。（２）非80C51结构单片机不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间一些单片机厂商推出了一些非80C51结构的产品，影响比较大的有：Motorol单片机（世界最大的单片机厂商）、Microchip推出的PIC系列RISC结构单片机、ATMEL推出的AVR系列RISC结构单片机5、微型计算机及微型计算机系统计算机由运算器、控制器、存储器、接口、输入设备和输出设备六个部分组成。计算机的结构（冯.诺伊曼）接口接口（1）运算器:是计算机的运算部件，用于实现算术和逻辑运算。（2）控制器:是计算机的指挥控制部件，它控制计算机各部分自动、协调地工作。运算器和控制器常合在一起称为中央处理器，简称CPU。（3）存储器:是计算机的记忆部件，用于存放程序和数据。按功能分为只读和随机存取存储器：１）RAM——随机存储器，存储的信息可以随时更改２）ROM——只读存储器，微处理器只能读，不能写，用于存永久的程序和数据，因此又叫程序存储器。程序存储器的类型：PROM——可编程程序只读存储器EPROM——紫外线擦除的可编程只存储器EEPROM——电可擦除的可编程只读存储器FlashROM——闪速存储器串行EEPROM——IC接口存储器（４）接口一种在微处理器和外围设备之间控制数据流动和数据格式的电路称为接口。简单地说，接口就是连接两个电子设备单元的部件。接口为并行和串行接口两种：１）串行接口一次只能传输一位数据。串行接口由接收器、发送器和控制器三部分组成。２）并行接口同时可以传输两位或两位以上数据串行和并行接口统称为输入、输出接口。（５）输入设备:用于将程序和数据输入到计算机中，如键盘等。（６）输出设备:把计算机数据计算或加工的结果，以用户需要的形式显示或打印出来，如显示器、打印机等。６、单片机微型计算机单片机微型计算机简称单片机，又称为微控制器或嵌入式计算机，是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把CPU、RAM、ROM、I/O接口、定时器/计数器等部件制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机，从而实现微型计算机的基本功能。单片机应用系统是以单片机为核心，配以输入、输出、显示、控制等外围电路和软件，能实现一种或多种功能的实用系统。1.1.2MCS-51系列单片机MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751通用产品。1、51子系列和52子系列MCS-51系列又分为51和52两个子系列，并以芯片型号的最末位数字作为标志。其中51子系列是基本型，而52子系列则属增强型。52子系列功能增强的具体方面如下：１）片内ROM从４KB增加到８KB.２）片内RAM从128B增加到256B.３）定时器/计数器从２个增加到３个。４）中断源从５个增加到６个。２、单片机芯片半导体工艺MCS-51系列单片机采用两种半导体工艺生产。一种是HMOS工艺，即高速度高密度短沟道MOS工艺。另外一种是CHMOS工艺，即互补金属氧化物的HMOS工艺。CHMOS是CMOS和HMOS的结合，除保持了HMOS高速度和高密度的特点外，还具有CMOS低功耗的特点。例如8051的功耗为630mW，而80C51的功耗只有120mW。在便携式、手提式或野外作业仪器设备上低功耗是非常有意义的。因此，在这些产品中必须使用CHMOS的单片机芯片。３、80C51系列单片机80C51是MCS-51系列单片机的典型品种，所有生产厂商以80C51为核开发出的CHMOS工艺单片机产品称为80C51系列单片机。80C51系列单片机基本组成虽然相同，但不同型号的产品在某些方面仍会有一些差异。典型的单片机产品资源配置如表1-1所示。1.2MCS-51单片机结构和工作原理1.2.1MCS-51单片机的内部组成及信号引脚MCS-51单片机的典型芯片是8031、8051、8751。8051内部有4KBROM，8751内部有4KBEPROM，8031片内无ROM；除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。１、8051单片机的基本组成（１）中央处理器（CPU）中央处理器是单片机的核心，完成运算和控制功能。MCS-51的CPU能处理8位二进制数或代码。图1-38051单片机结构图（２）内部数据存储器（内部RAM）8051芯片中共有256个RAM单元，但其中后128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128单元，用于存放可读/写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是指前128单元，简称内部RAM。（３）内部程序存储器（内部ROM）8051共有4KB掩膜ROM，用于存放程序和原始表格常数。因此称之为程序存储器，简称内部ROM。（４）定时器/计数器8051共有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数功能，定时/计数器产生溢出时，可用中断方式控制程序转向。（５）并行输入输出（I/O）接口MCS-51共有四个8位的并行I/O接口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入输出。在项目实践中我们使用了P1口，通过P1口P1.0连接１个汽车信号灯。（６）全双工串行接口MCS-51单片机有一个全双工的串行接口，以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。该串行接口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。（７）中断控制系统MCS-51单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。8051共有５个中断源，即外中断２个，定时/计数中断２个，串行中断１个。全部中断分为高级和低级二个优先级别。（８）时钟电路MCS-51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的晶振频率一般为6MHz和12MHz。２、MCS-51的信号引脚图1-4MCS-51引脚图（１）电源及时钟引脚（４个）Vss(20)：地线Vcc(40)：+５Ｖ电源XTAL1(19)和XTAL2(18)：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。（２）控制线引脚（４个）ALE(30):地址锁存控制信号在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低８位地址锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外由于ALE是以晶振六分之一的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。:外部程序存储器读选通信号。在读外部ROM时有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。：访问程序存储控制信号。信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器：而当信号为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。RST(9)：复位信号。当输入的复位信号延续２个机器周期以上高电平即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。（３）并行I/O引脚（３２个，分成４个８位接口）P0.0～P0.7：通用I/O引脚或数据/低位地址总线利用引脚．P1.0～P1.7：通用I/O引脚．P2.0～P2.7：通用I/O引脚或数据/高位地址总线利用引脚．P3.0～P3.7：通用I/O引脚或第二功能引脚．PSENPSEN(29)EA(31)EAEA1.2.2MCS-51单片机的数据存储器MCS-51单片机的数据存储器分为内部RAM和外部RAM，RAM的配置图如图1-5所示。8051片内RAM共有128B，分成工作寄存器、位寻址区、通用RAM区三个部分。基本型单片机内RAM地址范围是00H~7FH。增强型单片机（如80C52）片内除地址范围在00H~7FH的128BRAM外，又增加了80H~FFH的高128B的RAM。增加的这部分RAM仅能采用间接寻址方式（以与特殊功能寄存器SFR的访问相区别）。片外RAM地址空间为64KB，地址范围是0000H~FFFFH。与程序存储器地址空间与片内RAM地址空间在地址的低端0000H~004FH是重叠的。这就需要采用不同的寻址方式加以区分。访问片外RAM时采用专门的指令MOVX实现，这是读或写信号有效；而访问片内RAM使用MOV指令，无读写信号产生。另外，与片内RAM不同，片外不能进行堆栈操作。图1-5MCS-51单片机RAM的配置图RDWR１、内部数据存储器低128单元8051的内部RAM共有256个单元，通常分为两个部分：低128单元（单元地址00H～7FH）和高128单元（单元地址80H～FFH）。配置情况如表1-2所示。表1-2低128单元的配置低128单元是单片机的真正RAM存储器，按其用途分为三个区域：地址区间低128单元地址区间低128单元00H~07H工作寄存器0区（R0~R7）18H~1FH工作寄存器3区（R0~R7）08H~0FH工作寄存器1区（R0~R7）20H~2FH位寻址区（00H~7FH）10H~17H工作寄存器2区（R0~R7）30H~7FH数据缓冲区（１）寄存器区8051单片机片内RAM低端的00H～1FH共32B，分成４个工作寄存器组，每组占８个单元．在任一时刻，CPU只能使用其中的一组寄存器，并且把正在使用的那组寄存器称为当前寄存器．由程序状态字寄存PSW中RS1、RS0位的状态组合来决定。通用寄存器为CPU提供了就近数据存储的便