高等学校电子信息类规划教材

白驹珩雷晓平编著高等学校电子信息类规划教材单片计算机及其应用［第二版］白驹珩雷晓平编著出版高等教育出版社电子科技大学出版社（成都市建设北路二段四号，邮编：610054）责任编辑唐雅邻发行电子科技大学出版社经销新华书店印刷成都蜀通印务有限责任公司开本787mm×1092mm1/16印张21.75字数561千字版次1997年12月第一版2005年9月第二版印次2005年9月第八次印刷书号ISBN7—81094—985—3/TP·505印数17001—21000册定价26.50元■版权所有侵权必究■邮购本书请与本社发行科联系。电话：[phone]邮编：610054本书如有缺页、破损、装订错误，请寄回印刷厂调换。第一章绪论第二章MCS-51单片机的结构和原理第三章MCS-51单片机的指令系统第四章MCS-51单片机的应用程序设计第五章MCS-51单片机内部定时/计数器及其应用第六章MCS-51单片机的系统扩展第七章MCS-51系统的串行接口第八章MCS-51单片机的中断系统第九章单片机应用系统的组成第十章I2C总线技术及其应用第十一章单片机应用系统的开发第十二章新型的MCS-51兼容单片机简介第十三章8098准16位单片机简介第一章绪论§1-1单片机的结构特点§1-2单片机的主要品种及系列§1-3单片机的应用§1-4单片机与嵌入式系统§1-5单片机技术的发展趋势§1-1单片机的结构特点单片机是在一块大规模集成电路（LSI）或超大规模集成电路（VLSI）芯片上集成的一台具有一定规模的微型计算机，它在硬件结构和指令设置上有其独到之处。§1-2单片机的主要品种及系列一、4位单片机4位单片机的主要生产国是日本，如SHARP公司的SM系列、东芝公司的TLCS系列、NEC公司的mCOM75××和mPD75××系列等。此外，美国TI公司的TMS1000和NS公司的COP400系列也占一定的市场。国内已能生产COP400的4位单片机。4位单片机的特点是价格便宜，但功能并不弱，只是CPU为4位。其存储器有片内ROM为2KB，RAM为1284b的。NEC公司的mPD75××的片内ROM可达8KB，RAM为5124b，还带有6位A/D转换。4位单片机主要用于控制诸如洗衣机、微波炉等家用电器及高档电子玩具。二、8位单片机8位机已成为单片机中的主要机型。在8位单片机中，一般把无串行I/O接口和只提供小范围的寻址空间（小于8KB）的单片机称为低档的8位单片机；把带有串行I/O接口或A/D转换，以及可以进行64KB以上寻址的单片机，称为高档8位单片机。近来，在高档8位单片机的基础上又出现了超8位单片机。它们不但进一步扩大了片内ROM和RAM的容量，而且还增加了高级通信、DMA传送和高速I/O的功能。三、16位单片机843282公司ThomsonIntelNSNEC型号682008096HPC16040783××ROM4KB8KB4KB8KBRAM256B232B256B156B中断源158815串行口异/同步异步异步异步A/D无10无8PWM输出借用通用计数器有有有Watchdog定时器借用通用计数器有有有高速I/O无HSIO有有计数器16161616DMA无无无8个宏通道I/O引脚48685248四、32位单片机32位单片机的字长为32位，属单片机的顶级产品。它具有极高的运算速度。这类单片机的代表产品有Motorola公司的M68300系列机、日立公司的SH系列机以及英国Inmos公司的IM-ST414等。在满足高速数字处理方面，32位机将发挥重要作用。§1-3单片机的应用由于单片机具有下述一些特点，因而使得单片机的应用模式多、应用范围广。这些特点是：（1）小巧、低功耗、低成本、控制功能强、易于产品化，因而能方便地组装成各种智能式控制设备和仪器，做到机、电、仪一体化；（2）面向控制，能有针对性地解决从简单到复杂的各类控制问题，因而获得最佳的性能价格比；（3）抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣环境下都能可靠地工作；（4）可以方便地实现多机和分布式控制，从而使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。一、单片机的应用领域及应用模式1．单机应用（1）智能产品（2）智能仪表（3）测控系统（4）数控控制机（5）智能接口2．多机应用（1）功能弥散系统姿态控制系统协调管理系统感觉系统遥控接/发系统行走控制系统（2）并行多机处理系统数据采集单元（1）…主机系统（集中处理、采集控制、人机对话）数据采集单元（2）…数据采集单元（n）………（3）局部网络系统接/发单元1#功能子站接/发单元2#功能子站接/发单元n#功能子站…………………接/发单元通信控制总站S-100STD多总线RS-232C主机……子站（2）子站（1）子站（n）iSBX344iRCB44/10或20iSBX344iPDSiRCB44/10或iRCB44/20接测控对象iRCB44/10或iRCB44/20接个人开发系统iPDS接测控对象iSBX344iRCB44/10或20主站…子层BITBUSiSBX34486/300接口iSBX344iRCB44/10或20…父层BITBUS子站（2）子站（1）子站（n）……接86/300微机系统接测控对象二、单片机的供应状态1．片内ROM配置状态2．片内EPROM配置状态3．片内无ROM配置状态4．OTP（OneTimeProgrammable）ROM供应状态5．FlashROM供应状态三、单片机产品的等级在过去，把微处理器及与其有关的元器件分为两级：商用级及军用级。商用级的微处理器产品主要限于机房及办公室环境，温度范围为0～70℃。军用级运用的环境条件苛刻，温度范围为-50～+125℃。工业应用环境的温度介于商用和军用之间，这就产生了工业级产品，其运行温度范围为-45～+85℃。工业级产品的可靠性较商用级的高，价格较军用级的低，采用密封封装。单片机属于工业级产品，其可靠性较高。§1-4单片机与嵌入式系统一、什么是嵌入式系统从狭义的角度而言，人们一般将埋藏在宿主设备中专用的、使用者不可见的微处理器系统称为嵌入式系统。从广义的角度来说，计算机可以作为某种技术过程的核心处理环节直接与真实世界自然地接口与互动，并按照环境事件的节拍主动、协调地做出响应。也就是说，计算机嵌入到了一个技术过程之中，从而成为一种嵌入式计算机。我们将实现这种技术过程的系统叫做嵌入式系统。二、嵌入式系统的由来（1）面对控制对象。面对物理量传感变换的信号输入；面对人机交互的操作控制；面对对象的伺服驱动控制。（2）嵌入到工业控制应用系统中的结构形态。（3）能在工业现场环境中可靠运行的可靠性品质。（4）突出控制功能。对外部信息及时捕捉；对控制对象能灵活地实时控制；有突出控制功能的指令系统，如I/O口控制、位操作以及丰富的转移指令等。三、嵌入式系统的种类1．工控机2．通用CPU模块3．嵌入式微处理器4．单片机（微控制器）四、单片机是经典的嵌入式系统单片机从体系结构到指令系统都是按照嵌入式应用的特点进行设计的，因此，它能最好地满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行以及非凡的控制品质等要求。单片机应该是经典的嵌入式系统，也是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。五、嵌入式系统的特点及其典型应用1．特点（1）目的性和针对性。即对每一套嵌入式系统都是针对其特殊的应用场合与特定功能来进行开发设计的。这也是嵌入式系统与通用的计算机系统的主要区别。（2）实时性。从本质上讲，嵌入式系统的计算机总是处于实时的计算模式，也即嵌入式技术与实时性总是存在着某种内在的联系。由于嵌入式系统是为特定的目的而设计的，它常常受到空间、存储、带宽以及成本等条件的制约，因此，设计者必须最大限度地在硬件和软件两方面为系统“量身定做”，以提高系统的效率。这样做的结果会最终导致实时性的增强。2．典型应用（1）过程控制。（2）网络通信。（3）智能仪器。（4）消费电子。（5）计算机外部设备。（6）军事电子。§1-5单片机技术的发展趋势一、大力提升主流型单片机的技术性能1．增强CPU的功能2．增加内部资源3．低电压和低功耗二、单片机和模糊逻辑相结合为了满足模糊控制的要求和发展，厂家纷纷推出模糊控制开发的软件系统。这类软件一般采用神经网络的学习功能，通过重复、计算等过程，并利用用户设定的隶属函数的控制规划来产生较合适的输出控制信号。一般而言，模糊开发软件能产生控制所需的目标代码。三、大力发展专用型单片机专用型单片机就是针对某一类应用对象的要求而设计的单片机。目前，家用电器、仪器仪表、医疗诊断检测设备等的品种层出不穷，且对其智能化程度的要求也越来越高，这就意味着单片机将面临一个量大而面广的应用领域，从而迫使单片机逐渐趋向专用化。使用专用单片机可最大限度地简化系统结构，资源利用的效率也最高，在大批量使用时有可观的经济效益和可靠性效益。四、全盘CMOS化趋势CMOS器件的可贵品质是具有极低的静态功耗（所谓本质低功耗）、集成度高、数字逻辑噪声容限大。而且，由于其静、动态功耗差别大，使得很容易实现对其单个器件及整机系统的功耗管理。其实，CMOS工艺很早就已出现，只是由于CMOS器件的运行速度较慢而招致长期被冷落。HCMOS工艺出现后，HCMOS器件得到了飞速的发展。这里所说的全盘CMOS化是指在HCMOS基础上的CMOS化。五、实现全面的功耗管理（1）传统的CMOS单片机低功耗运行方式。（2）双时钟技术。（3）高速时钟下的分频或低速时钟下的倍频控制运行技术。（4）实行对外围电路的电源管理。（5）低电压供电技术。六、采用RISC体系结构早期的单片机大多是CISC（复杂指令系统计算机）的体系结构，其结果是导致指令复杂，指令代码和所需的周期数不统一，因而指令的运行很难实现流水线操作，也就大大阻碍了运行速度的提高。采用RISC（精简指令系统计算机）的体系结构，可以使指令系统中的绝大部分指令成为单周期指令。如果再适当增加程序存储器的宽度（例如从8位增加到10位、12位、14位）使得可以实现这样的存储方式：一个地址单元存放一条指令且很容易实现指令的并行流水线操作，其结果是大大提高指令的运行速度。目前，在一些采用RISC体系结构的单片机中已达到了在一个时钟周期内执行一条指令的运行速度。七、片内EPROM的FlashMemory化（1）系统在开发过程中可以十分容易地进行程序的修改，从而大大缩短程序的开发周期。（2）在系统工作过程中，能有效地保存一些数据信息，即使外界电源损坏也不会丢失所保存的信息。（3）为最终取消外部存储器扩展奠定了基础。八、推行串行扩展总线目前，外围器件接口技术发展的一个重要方面是串行接口的发展。采用串行接口可以大大减少芯片引脚的数量，简化系统的结构。采用串行接口虽然较之并行接口在数据传输速度上有所减缓，但由于串行传输速度的不断提高，加之单片机面对对象的有限速度要求，使得单片机应用系统中的串行扩展技术仍然获得很大的发展。随着外围电路串行接口技术的发展，以及单片机串行扩展接口设置的普遍化、高速化，以及由于在片FlashMemory使可以免去外部扩展EPROM等因素，导致了单片机的并行接口技术日趋衰退。目前许多原来带有并行总线的单片机系列，都推出了不少删去了并行总线的非总线单片机。第二章MCS-51单片机的结构和原理§2-1关于MCS-51系列§2-2MCS-51单片机的结构原理§2-3MCS-51单片机的引脚及其片外总线结构§2-4MCS-51单片机的工作方式§2-5MCS-51单片机的时序§2-1关于MCS-51系列MCS-51的主要特点：——单+5V供电，40脚封装；——8位CPU；——片内有振荡器电路和时钟电路；——32根I/O线；——64KB外部数据存储器地址空间；——64KB外部程序存储器地址空间；——2个16位定时/计数器（8032/8052为3个）；——具有2个优先级别的5个中断源结构（8032/8052为6个）；——可编程全双工串行通道；——布尔处理器；——128个用户位可寻址单元。§2-2MCS-51单片