1微處理器系統(tǒng)原理與設(shè)計共40個學(xué)時，另有2周實驗?？己朔绞剑海ㄆ綍r作業(yè)+期中考試）：40%，期末考試：60%。參考書目：1）單片機初級教程，單片機基礎(chǔ)（第2版），張迎新，北京航空航天大學(xué)出版社2）單片機中級教程，原理與應(yīng)用（第2版），何立民，北京航空航天大學(xué)出版社2）單片機原理及接口技術(shù)（C51編程），張毅剛，人民郵電出版社3）單片機C語言案例教程，電子工業(yè)出版社，白熾貴等4）單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計，北京航空航天大學(xué)出版社，馬忠梅等5）51單片機C語言教程，電子工業(yè)出版社，郭天祥授課教師：

余萍陳智雄賈惠彬（通信教研室）

2微處理器系統(tǒng)原理與設(shè)計各章節(jié)內(nèi)容：第1章微型計算機的基本知識第2章51系列單片機的結(jié)構(gòu)及原理第3章51系列單片機的指令系統(tǒng)和開發(fā)環(huán)境第4章單片機C51語言與程序設(shè)計第5章輸入輸出端口第6章定時/計數(shù)器第7章中斷系統(tǒng)第8章UART串行接口第9章微處理器綜合設(shè)計第10章嵌入式系統(tǒng)簡介與開發(fā)3如何學(xué)習(xí)單片機三問敲開單片機的大門：1、什么是單片機？概念性的，是單片微型計算機的簡稱?！氨臼隆保俊皞€頭”？“基因”？“聽話”。玩單片機就是用某種語言（C，匯編）控制單片機I/O口在合適的時間出現(xiàn)合適的高低電平。2、為何玩單片機？單片機的應(yīng)用范圍很廣。智能儀器、工業(yè)控制、家用電器、網(wǎng)絡(luò)通信、汽車電子，等等。幾乎所有電子產(chǎn)品都會用到單片機，只是數(shù)量或多或少的問題，且類型不同。3、如何玩單片機？1）不做浮躁的人；42）做有準(zhǔn)備的人：精神準(zhǔn)備－持之以恒的毅力與決心；物質(zhì)準(zhǔn)備－軟件和硬件；軟件：不僅指C語言，還有匯編，C++等，以及模擬、數(shù)字電路，高頻電路等，手頭備幾本書，需要什么就查什么。學(xué)匯編還是學(xué)C語言（C51）？若只是為了用單片機做產(chǎn)品，C51足夠了；若要深入研究搞發(fā)明，自己生產(chǎn)單片機，則必須學(xué)匯編。硬件：書本（紙質(zhì)書）、實驗扳、實戰(zhàn)工具。3）玩哪種單片機？型號很多，但原理相通。51單片機作為經(jīng)典單片機，資料豐富，易掌握，從51入門非常明智。54）了解芯片如何定義：單片機長什么樣：雙列直插（便于更換），貼片（體積?。?，高集成度ARM芯片（如手機上用）芯片哪個是第一腳？開發(fā)板？實驗用：LY-51S，18cm×12.5cm6提醒掌握技能：記憶+操練+為什么？為什么要為什么？觸類旁通，很多種單片機型號。不想記憶行不行？考試是閉卷的，知識的整體性。不可能邊翻書邊搞編程。如果是這樣，最好不要跟老板說我學(xué)過單片機??！不想動手行不行？有上機實驗，想混會很無聊很有挫敗感。第1章微型計算機的基本知識1.1單片機概述1.2數(shù)制與編碼1.3計算機的基本組成電路1.4存儲器概述781.1單片機概述一、分類：通用型和專用型兩大類(1)通用型單片機：其內(nèi)部可開發(fā)的資源（如存儲器、I/O等各種外圍功能部件等）可全部提供給用戶。用戶根據(jù)需要，再配以外圍接口電路及其它外圍設(shè)備，并編寫相應(yīng)的軟件來滿足各種不同需要的測控系統(tǒng)(二次開發(fā))。通常所說的和課程介紹的是指通用型單片機。(2)專用型單片機：專門針對某些產(chǎn)品的特定用途而制作的單片機。無需二次設(shè)計，不能進行功能開發(fā)。全自動洗衣機、各種IC卡讀寫器上的單片機都屬于此類。簡化結(jié)構(gòu)、優(yōu)化資源、突出可靠性和功能、降低成本，在應(yīng)用領(lǐng)域具有明顯的綜合優(yōu)勢。二、發(fā)展趨勢單片機的發(fā)展趨勢將是向大容量、高性能化，外圍電路內(nèi)裝化等方面發(fā)展。為滿足不同用戶的要求，各公司競相推出能滿足不同需要的產(chǎn)品。1．CPU的改進（1）增加CPU數(shù)據(jù)總線寬度。例如，各種16位單片機和32位單片機，數(shù)據(jù)處理能力要優(yōu)于8位單片機。另外，8位單片機內(nèi)部采用16位數(shù)據(jù)總線，其數(shù)據(jù)處理能力明顯優(yōu)于一般8位單片機。（2）采用雙CPU結(jié)構(gòu)，以提高數(shù)據(jù)處理能力。92．存儲器的發(fā)展（1）片內(nèi)程序存儲器普遍采用閃爍（Flash）存儲器?？刹挥猛鈹U展程序存儲器，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。目前有的單片機片內(nèi)程序存儲器容量可達128KB甚至更多。（2）加大片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲容量，以滿足動態(tài)存儲的需要。3．片內(nèi)I/O的改進（1）增加并行口驅(qū)動能力，以減少外部驅(qū)動芯片。有的單片機可以直接輸出大電流和高電壓，以便能直接驅(qū)動LED和VFD（熒光顯示器）。（2）有些單片機設(shè)置了一些特殊的串行I/O功能，為構(gòu)成分布式、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)提供方便條件。10（3）引入數(shù)字交叉開關(guān)，改變了以往片內(nèi)外設(shè)與外部I/O引腳的固定對應(yīng)關(guān)系。交叉開關(guān)是一個大的數(shù)字開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，可通過編程設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器，將片內(nèi)的計數(shù)器/定時器、串行口、中斷系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換器等片內(nèi)外設(shè)靈活配置出現(xiàn)在端口I/O引腳。這就允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用，將內(nèi)部外設(shè)資源分配給端口I/O引腳。4．低功耗化CMOS化，功耗小，配置有等待狀態(tài)、睡眠狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)等工作方式。消耗電流僅在μA或nA量級，適于電池供電的便攜式、手持式的儀器儀表和其它消費類電子產(chǎn)品。5．外設(shè)電路內(nèi)裝化眾多外圍電路集成在片內(nèi)，系統(tǒng)的單片化是目前發(fā)展趨勢之一。例如，美國Cygnal公司的C8051F0208位單片機，內(nèi)部采用流水線結(jié)構(gòu)，大部分指令的完成時間為1或2個時鐘周期，峰值處理能力為25MIPS。片上集成有8通道A/D、兩路D/A、兩路電壓比較器，內(nèi)置溫度傳感器、定時器、可編程數(shù)字交叉開關(guān)和64個通用I/O口、電源監(jiān)測、12看門狗、多種類型的串行接口（兩個UART、SPI）等。一片芯片就是一個“測控”系統(tǒng)。6．編程及仿真的簡單化目前大多數(shù)的單片機都支持程序的在線編程，也稱在系統(tǒng)編程（ISP—InSystemProgram），只需一條ISP并口下載線，就可以把仿真調(diào)試通過的程序從PC寫入單片機的Flash存儲器內(nèi)，省去編程器。某些機型還支持在線應(yīng)用編程（IAP），可在線升級或銷毀單片機的應(yīng)用程序，省去了仿真器。

13綜上所述，單片機正在向多功能、高性能、高速度、低電壓、低功耗、低價格、外設(shè)電路內(nèi)裝化以及片內(nèi)程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器容量不斷增大的方向發(fā)展。7．實時操作系統(tǒng)的使用51單片機可配置實時操作系統(tǒng)RTX51。RTX51是一個針對8051系列的多任務(wù)內(nèi)核。從本質(zhì)上簡化了對實時事件反應(yīng)速度要求較高的復(fù)雜應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計、編程和調(diào)試。RTX51實時內(nèi)核完全集成到C51編譯器中，使用簡單方便。

近幾年，隨著C編譯器效率和MCU性能的大幅度提高，用高級語言代替匯編語言也漸成趨勢，典型的MCU都推出了自己的C編譯器。其中KeilC51的編譯效率已達到很高水平，經(jīng)過優(yōu)化的用KeilC51編寫的程序編譯后的運行效率甚至要高于普通開發(fā)者直接用匯編語言編寫的程序。從由匯編“獨尊”改為匯編與C語言并重。三、51系列與AT89C5x系列單片機20世紀80年代以來，單片機的發(fā)展非常迅速，其中Intel公司的51系列單片機是一款設(shè)計成功、易于掌握并在世界范圍得到廣泛使用的機型。1、51系列單片機51系列單片機是Intel公司在MCS-48系列的基礎(chǔ)上于20世紀80年代初發(fā)展起來的，是最早進入我國，應(yīng)用最為廣泛的單片機機型之一，也是單片機應(yīng)用的主流品種。51系列單片機包括基本型產(chǎn)品8031、8051、8751（對應(yīng)的低功耗型80C31、80C51、87C51）和增強型產(chǎn)品8032、8052、8752。161.基本型（典型產(chǎn)品：8031/8051/8751）8031內(nèi)部包括1個8位CPU、128BRAM，21個特殊功能寄存器（SFR）、4個8位并行I/O口、1個全雙工串行口，2個16位定時器/計數(shù)器，5個中斷源，但片內(nèi)無程序存儲器，需外擴程序存儲器芯片。8051是在8031的基礎(chǔ)上，片內(nèi)又集成有4KBROM作為程序存儲器。所以8051是一個程序不超過4KB的小系統(tǒng)。ROM內(nèi)的程序是公司制作芯片時，代為用戶燒制的，主要用在程序已定且批量大的單片機產(chǎn)品中。8751與8051相比，片內(nèi)集成的4KB的EPROM取代了8051的4KB

ROM來作為程序存儲器，構(gòu)成一個程序不大于4KB的小系統(tǒng)。用戶可將程序固化在EPROM中，EPROM中的內(nèi)容可反復(fù)擦寫修改。8031外擴一片4KB的EPROM就相當(dāng)于一個8751。

172.增強型

Intel公司在基本型基礎(chǔ)上，推出增強型-52子系列，典型產(chǎn)品：8032/8052/8752。內(nèi)部RAM增到256B，8052、片內(nèi)程序存儲器擴展到8KB，16位定時器/計數(shù)器增至3個，6個中斷源，串行口通信速率大大提高。表1-1列出了基本型和增強型的MCS-51系列單片機片內(nèi)的基本硬件資源。

182、AT89系列單片機

51系列單片機的代表性產(chǎn)品為8051，其他單片機都是在8051的基礎(chǔ)上進行了功能的增減。20世紀80年代中期以后，Intel公司已把精力集中在高檔CPU芯片的研發(fā)上，逐漸淡出單片機芯片的開發(fā)和生產(chǎn)。由于51系列單片機設(shè)計上的成功，以及較高的市場占有率，以51技術(shù)核心為主導(dǎo)的單片機已經(jīng)成為許多廠家、電氣公司競相選用的對象，并以此為基核。因此，Intel公司以專利轉(zhuǎn)讓或技術(shù)交換的形式把8051的內(nèi)核技術(shù)轉(zhuǎn)讓給了許多半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)廠家，如：ATMEL、Philips、Cygnal、ANALOG、LG、ADI、Maxim、DALLAS等公司。20這些公司生產(chǎn)的兼容機均采用8051的內(nèi)核結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)相同，采用CMOS工藝；有的公司還在8051內(nèi)核的基礎(chǔ)上又增加了一些功能模塊，其集成度更高，更有特點，功能和市場競爭力更強。人們常用80C51來稱呼所有這些具有8051內(nèi)核使用8051指令系統(tǒng)的單片機，也習(xí)慣把這些兼容機等各種衍生品種統(tǒng)稱為51單片機。21近年來，世界上單片機芯片生產(chǎn)廠商推出的與8051（80C51）兼容的主要產(chǎn)品如表1-2所示。3、AT89系列單片機的型號說明AT89S5x系列單片機編碼由三部分組成，它們是前綴、型號和后綴。格式為：AT89C××××

××××

AT是前綴，89C××××是型號，××××是后綴。

1）前綴由字母“AT”組成，表示該器件是ATMEL公司的產(chǎn)品。2）型號

由“89C××××”或“89LV××××”或“89S××××”等表示。8表示單片，9表示內(nèi)部含有Flash存儲器，C表示CMOS產(chǎn)品。LV表示低電壓產(chǎn)品，可在2.5V電壓下工作，其他產(chǎn)品在5V下工作。S表示含有串行下載的Flash存儲器。后4位的“××××”表示器件的型號，如51、52、8052等。223）后綴由最后的“××××”4個參數(shù)組成，每個參數(shù)的表示意義不同。在型號與后綴部分由“—”號隔開。后綴中的第1個“×”表示速度，意義如下：x=12，表示速度為12MHz；x=16，表示速度為16MHz；x=20，表示速度為20MHz；x=24，表示速度為24MHz。后綴中的第2個“×”表示封裝，意義如下：x=P，表示塑料雙列直插DIP封裝；x=D，表示陶瓷封裝；x=Q，表示PQFP封裝；x=J，表示PLV封裝；x=A，表示TQFP封裝；x=S，表示SOIC封裝；x=W，表示裸芯片。后綴中的第3個“×”表示芯片的溫度范圍，意義如下：x=C，表示商業(yè)用產(chǎn)品，溫度范圍為0～+70℃；x=I，表示工業(yè)用產(chǎn)品，溫度范圍為?40～+85℃；x=A，表示汽車用產(chǎn)品，溫度范圍為?40～+125℃；x=M，表示軍用產(chǎn)品，溫度范圍為?55～+150℃；后綴中的第4個“×”用于說明產(chǎn)品的工藝，意義：x為空，表示處理工藝是標(biāo)準(zhǔn)工藝；x=/883，表示處理工藝采用MIL-STD-883標(biāo)準(zhǔn)。例如，某一單片機型號“AT89C51-12PI”，表示是ATMEL公司的Flash，CMOS產(chǎn)品，速度12MHz，塑料雙列直插DIP封裝，工業(yè)級，標(biāo)準(zhǔn)處理工藝生產(chǎn)。251.2數(shù)制與編碼一、數(shù)制數(shù)制是人們利用符號進行計數(shù)的科學(xué)方法，常用的是十進制、二進制和十六進制。十六進制易于書寫和記憶，且與二進制之間的轉(zhuǎn)換方便，書寫計算機語言時多用十六進制。二、數(shù)制的轉(zhuǎn)換1、二、十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)2、十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二、十六進制數(shù)：“除二取余”和“除十六取余”

26三、計算機中數(shù)的表示及運算計算機中的“機器數(shù)”均以二進制表示：“有符號數(shù)”和“無符號數(shù)”一般規(guī)定最高位是符號位，8位二進制數(shù)中，D7為最高位，實際數(shù)值位為D0—D6；D7為“0”表示正數(shù)，D7為“1”表示負數(shù)。有符號數(shù)的3種表示法：原碼、反碼、補碼1、原碼：正數(shù)的符號位用“0”表示負數(shù)的符號位用“1”表示2、反碼：在原碼基礎(chǔ)上求得正數(shù)：其反碼與原碼相同負數(shù)：除符號位為1外，其他各位數(shù)值均與原碼取反

273、補碼：在反碼基礎(chǔ)上求得正數(shù)：補碼與反碼相同，即同原碼負數(shù)：補碼為反碼加1的值原碼簡單直觀，為什么計算機中卻要用補碼？計算機中的有符號數(shù)通常用補碼表示。四、二進制編碼計算機中表示數(shù)字、字母、字符、漢字等都用特定的二進制編碼表示。常采用BCD（BinaryCodedDecimal）碼，這是二進制編碼的十進制數(shù)（二－十進制數(shù)）。在BCD碼中用4位二進制數(shù)給0—9數(shù)字編碼。

28BCD碼在單片機中的二種存放方式：1、1個字節(jié)存放1位BCD，高半字節(jié)取0，常用于顯示和輸出；2、1個字節(jié)存放2位BCD，即壓縮BCD，利于節(jié)省空間。計算機中的字母、字符等也采用特定的二進制碼表示，普遍采用美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼ASCII碼（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）；用7位二進制編碼，可表示128個字符，包括0—9數(shù)字以及英文字母等可打印的字符。

291.3計算機的基本組成電路無論多么復(fù)雜的計算機，都是由若干基本電路組成。一、常用邏輯電路與門、或門、非門、異或門、與非門、或非門30二、觸發(fā)器這是計算機記憶裝置的基本單元，一個觸發(fā)器能存儲一位二進制代碼1、R-S觸發(fā)器S為置位端，R為復(fù)位端。2、D觸發(fā)器由時鐘脈沖上升沿到來時D端的狀態(tài)決定D=1時，輸出為1，反之為；應(yīng)用于移位寄存器方面3、J-K觸發(fā)器邏輯功能比較全，應(yīng)用于各種寄存器、計數(shù)器、邏輯控制等。31三、寄存器寄存器由觸發(fā)器組成，有緩沖寄存器、移位寄存器、計數(shù)器等。1、緩沖寄存器（Buffer）：暫存某個數(shù)據(jù)下圖并行輸入并行輸出的4位緩沖寄存器電路：322、移位寄存器（ShiftingRegister）將儲存的數(shù)據(jù)逐位向左或向右移動。4位串行輸入移位寄存器：333、計數(shù)器（ShiftingRegister）將儲存的數(shù)據(jù)進行加1或減1操作。下圖為行波計數(shù)器：4、三態(tài)門用項目管理方法可把一個應(yīng)用程序設(shè)計中所用到的、互相關(guān)聯(lián)的程序鏈接在同一項目中。計算機中的信息傳輸線均采用總線形式，即傳輸同類信息都走同一組傳輸線，且分時傳送。三組總線：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線34為防止信息互相干擾，要求掛到總線上的寄存器或存儲器等輸出端能呈現(xiàn)0、1及高阻（懸?。┻@三種狀態(tài)，高阻時對總線不起作用，此時總線可由其他器件占用。三態(tài)門可實現(xiàn)上述功能。35四、常用數(shù)據(jù)鎖存／緩沖／驅(qū)動器這是接口器件，將系統(tǒng)總線與各種不同的I/O外部設(shè)備連接起來。1、鎖存器74HC373/8282：帶三態(tài)緩沖器輸出的鎖存器74HC273:帶有清除端的鎖存器。以下為373的工作方式：362、同相三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖／驅(qū)動器為正確進行數(shù)據(jù)的I/O傳送，解決總線的隔離和驅(qū)動問題。74244是常用的芯片；74240可與此兼容，只是輸出反相。373、8總線接收／發(fā)送器74245與74244不同之處