第1章單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論單片機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)

--主要內(nèi)容本書(shū)以STC公司的STC15W4K32S4系列8位8051單片機(jī)為例，介紹了單片機(jī)的硬件基礎(chǔ)知識(shí)內(nèi)容包括主要功能IAP和ISPI/O驅(qū)動(dòng)原理硬件下載電路設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)

--主要功能片內(nèi)集成高達(dá)4KB容量的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間采用了增強(qiáng)型8051CPU核，達(dá)到1個(gè)時(shí)鐘/1個(gè)機(jī)器周期的性能比傳統(tǒng)的8051速度快7~12倍。速度比STC早期的1T系列單片機(jī)（如STC12/11/10系列）的速度快20%采用寬電壓供電技術(shù)，其工作電壓范圍為2.5~5.5V采用低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，該系列單片機(jī)可以工作在低速模式、空閑模式、掉電模式內(nèi)置高可靠復(fù)位電路，不需要外部復(fù)位。當(dāng)通過(guò)ISP編程時(shí)，提供16級(jí)可選的復(fù)位門(mén)檻電壓?jiǎn)纹瑱C(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)

--主要功能內(nèi)置R/C時(shí)鐘電路，無(wú)需使用外部晶體振蕩器。當(dāng)使用ISP編程時(shí)，內(nèi)部時(shí)鐘頻率為5~35MHz。振蕩器頻率特性為在正常溫度時(shí)，溫漂為±0.3%在－40℃~+85℃；溫漂為±1%在－20℃~+65℃時(shí)，溫漂為±0.6%提供了大量的掉電喚醒資源，包括：INT0/INT1(上升沿/下降沿中斷均可)INT2/INT3/INT4(下降沿中斷)CCP0/CCP1/RxD/RxD2/RxD3/RxD4/T0/T1/T2/T3/T4引腳內(nèi)部掉電喚醒專用定時(shí)器單片機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)

--主要功能該系列單片機(jī)提供了16KB、32KB、40KB、48KB、56KB、58KB、61KB、63.5KB容量的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，擦寫(xiě)次數(shù)可達(dá)10萬(wàn)次以上片內(nèi)大容量EEPROM功能，擦寫(xiě)次數(shù)可達(dá)10萬(wàn)次以上芯片集成8通道10位的高速模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analogtodigitalconverter，ADC），采樣速度可達(dá)30萬(wàn)次采樣/秒單片機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)

--主要功能芯片集成比較器模塊可以當(dāng)作1路ADC使用，并可作掉電檢測(cè)；支持外部引腳CMP+與外部引腳CMP－進(jìn)行比較，可產(chǎn)生中斷，并可在引腳CMPO上產(chǎn)生輸出(可設(shè)置極性)；也支持外部引腳CMP+與內(nèi)部帶隙電壓進(jìn)行比較片內(nèi)集成6通道15位帶死區(qū)控制的專用高精度脈沖寬度調(diào)制（pulsewidthmodulation，PWM）模塊此外，還提供了2通道CCP模塊，通過(guò)它的高速脈沖輸出功能可實(shí)現(xiàn)2路11~16位PWM。它們可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)以下功能，即8路數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器（digitaltoanalogconverter，DAC）功能；2個(gè)16位定時(shí)器；2個(gè)外部中斷(支持上升沿/下降沿中斷)。注：CCP是Capture（捕獲）、Compare（比較）和PWM（脈沖寬度調(diào)制）的縮寫(xiě)單片機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)

--主要功能片內(nèi)集成最多7個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊5個(gè)16位可重裝載定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，包括：T0/T1/T2/T3/T4（T0和T1與普通8051單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊兼容），均可實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘輸出通過(guò)引腳MCLKO，可以將分頻（分頻因子為1、2、4、16）后的系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLK輸出此外，2路CCP也可實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器單片機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)

--主要功能片內(nèi)提供可編程時(shí)鐘輸出功能。實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘，或者連接到外部引腳的時(shí)鐘進(jìn)行分頻后輸出。其中：P3.5引腳輸出定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0的時(shí)鐘T0CLKOP3.4引腳輸出定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的時(shí)鐘T1CLKOP3.0引腳輸出定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的時(shí)鐘T2CLKOP0.4引腳輸出定時(shí)器/計(jì)數(shù)器3的時(shí)鐘T3CLKOP0.6引腳輸出定時(shí)器/計(jì)數(shù)器4的時(shí)鐘T4CLKO在P5.4引腳對(duì)外輸出分頻后的系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLK單片機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)

--主要功能片內(nèi)集成四個(gè)完全獨(dú)立的超高速串口/UART片內(nèi)集成硬件看門(mén)狗定時(shí)器（watchdogTimer，WDT）模塊該系列單片機(jī)采用了先進(jìn)的指令集架構(gòu)，100%兼容普通8051指令集此外，提供了硬件乘法/除法指令單片機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)

--主要功能該系列單片機(jī)提供了通用輸入/輸出（generalpurposeinput/output，GPIO）資源，根據(jù)不同器件，可提供26、30、42、38、46、62個(gè)GPIO端口當(dāng)對(duì)單片機(jī)復(fù)位后，將GPIO配置為準(zhǔn)雙向IO口/弱上拉模式，這與傳統(tǒng)8051單片機(jī)一致在復(fù)位后，可以通過(guò)模式寄存器將GPIO設(shè)置為四種模式，即準(zhǔn)雙向口/弱上拉、強(qiáng)推挽/強(qiáng)上拉、僅為輸入/高阻以及開(kāi)漏每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力最大可達(dá)到20mA，但是注意整個(gè)芯片的電流最大不要超過(guò)120mA單片機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)

--主要功能8051單片機(jī)硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)使用了STC公司最新的硬件可仿真的IAP15W4K58S4單片機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)

--IAP和ISP當(dāng)軟件開(kāi)發(fā)人員使用KeilμVision（C51）集成開(kāi)發(fā)環(huán)境完成軟件代碼的編寫(xiě)和調(diào)試后，就需要使用STC公司提供的STC-ISP軟件工具將最終的程序固化到8051單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器中很明顯，當(dāng)在本地完成程序的固化后，就可以將基于STC8051單片機(jī)開(kāi)發(fā)的電子產(chǎn)品（系統(tǒng)）交付給最終的用戶單片機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)

--IAP和ISP但是，也存在另一種情況，當(dāng)最終的電子產(chǎn)品交付客戶使用一段時(shí)間后，需要對(duì)產(chǎn)品的軟件程序進(jìn)行更新，但是由于種種原因設(shè)計(jì)人員又不能到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)處理更新產(chǎn)品軟件的事情，此時(shí)就需要使用其他更新方式典型地，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程更新方式單片機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)

--IAP和ISP將本地固化程序的方式稱為在系統(tǒng)編程（insystemprogramming，ISP）；而將另一種固化程序的方式稱為在應(yīng)用編程（inapplicationprogramming，IAP）IAP和ISP

--ISP通過(guò)單片機(jī)專用的串行編程接口和STC提供專用串口下載器固化程序軟件，對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行編程一般來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)ISP只需要很少外部電路的輔助IAP和ISP

--IAP而IAP技術(shù)是從結(jié)構(gòu)上將Flash存儲(chǔ)器映射為兩個(gè)存儲(chǔ)空間當(dāng)運(yùn)行一個(gè)存儲(chǔ)體空間的用戶程序時(shí)，可對(duì)另一個(gè)存儲(chǔ)空間重新編程。然后，將控制權(quán)從一個(gè)存儲(chǔ)空間切換到另一個(gè)存儲(chǔ)空間與ISP相比，IAP的實(shí)現(xiàn)更加靈活典型地，可利用USB電纜和USB-UART轉(zhuǎn)換芯片將STC單片機(jī)接到計(jì)算機(jī)的USB接口（在計(jì)算機(jī)上會(huì)虛擬出一個(gè)串口），并且通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)人員自行開(kāi)發(fā)的軟件工具對(duì)STC單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器進(jìn)行編程IAP和ISP

--IAP支持ISP方式的單片機(jī)，不一定支持IAP方式；但是，支持IAP方式的單片機(jī)，一定支持ISP方式ISP方式應(yīng)該是IAP方式的一個(gè)特殊的“子集”在STC量產(chǎn)的單片中，前綴為STC的單片機(jī)，不支持IAP固化程序方式；而前綴為IAP的單片機(jī)，支持IAP固化程序方式單片機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)

--I/O驅(qū)動(dòng)原理STC15系列單片機(jī)提供了四種驅(qū)動(dòng)模式準(zhǔn)雙向輸出強(qiáng)推挽輸出僅為輸入（高阻）開(kāi)漏輸出I/O驅(qū)動(dòng)原理

--準(zhǔn)雙向輸出配置準(zhǔn)雙向輸出類型可以用作輸出和輸入功能，而不需要重新配置I/O口輸出狀態(tài)當(dāng)端口鎖存數(shù)據(jù)置為邏輯高時(shí)，驅(qū)動(dòng)能力很弱，允許外部設(shè)備將其拉低（要盡量避免出現(xiàn)這種情況）而當(dāng)引腳的輸出為低時(shí)，驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)，可吸收很大的電流I/O驅(qū)動(dòng)原理

--準(zhǔn)雙向輸出配置在準(zhǔn)雙向口提供3個(gè)上拉晶體管以滿足不同的要求第1個(gè)晶體管，稱為弱上拉晶體管當(dāng)端口鎖存數(shù)據(jù)置“1”且引腳本身為“1”時(shí)打開(kāi)，此上拉提供基本驅(qū)動(dòng)電流使準(zhǔn)雙向口輸出為“1”如果一個(gè)引腳輸出為“1”而由外部設(shè)備下拉到低時(shí)，弱上拉晶體管關(guān)閉而極弱上拉晶體管維持打開(kāi)狀態(tài)，為了把這個(gè)引腳強(qiáng)拉為低，外部設(shè)備必須有足夠的灌電流能力使引腳上的電壓降到門(mén)限電平以下對(duì)于5V供電的單片機(jī)，弱上拉晶體管的電流大約為250μA；對(duì)于3.3V供電的單片機(jī)，弱上拉晶體管的電流大約為150μAI/O驅(qū)動(dòng)原理

--準(zhǔn)雙向輸出配置第2個(gè)上拉晶體管，稱為極弱上拉晶體管當(dāng)端口鎖存數(shù)據(jù)置為“1”時(shí)，該晶體管導(dǎo)通。當(dāng)引腳懸空時(shí)，這個(gè)極弱的上拉源產(chǎn)生很弱的上拉電流將引腳上拉到高電平對(duì)于5V供電的單片機(jī)，極弱上拉晶體管的電流約為18μA；對(duì)于3.3V單片機(jī)，極弱上拉晶體管的電流約為5μAI/O驅(qū)動(dòng)原理

--準(zhǔn)雙向輸出配置第3個(gè)上拉晶體管，稱為強(qiáng)上拉晶體管當(dāng)端口鎖存數(shù)據(jù)由“0”變化到“1”時(shí)，這個(gè)上拉用于加快準(zhǔn)雙向口由邏輯“0”到邏輯“1”的跳變過(guò)程。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，強(qiáng)上拉打開(kāi)約2個(gè)時(shí)鐘以使引腳能夠迅速地上拉到高電平I/O驅(qū)動(dòng)原理

--強(qiáng)推挽輸出配置強(qiáng)推挽輸出配置的下拉結(jié)構(gòu)與開(kāi)漏輸出以及準(zhǔn)雙向口的下拉結(jié)構(gòu)相同I/O驅(qū)動(dòng)原理

--僅為輸入（高阻）配置輸入口帶有一個(gè)施密特觸發(fā)器輸入以及一個(gè)干擾抑制電路I/O驅(qū)動(dòng)原理

--開(kāi)漏輸出配置在開(kāi)漏模式下，單片機(jī)既可以讀取引腳的外部狀態(tài)也可以控制外部引腳輸出高電平或低電平如果要正確地讀取外部狀態(tài)或者需要對(duì)外部輸出高電平時(shí)，需要外加上拉電阻注：由于8051CPU的時(shí)鐘速度較高。因此，當(dāng)軟件執(zhí)行由低變高的指令后，加入1~2個(gè)空操作延遲指令，在讀取外部狀態(tài)。單片機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)

--硬件下載電路設(shè)計(jì)本節(jié)介紹STC公司提供的兩個(gè)典型的ISP硬件下載電路，包括：通過(guò)USB-串口芯片的下載電路USB直接下載編程電路硬件下載電路設(shè)計(jì)

--通過(guò)USB-串口芯片的下載電路通過(guò)CH340G芯片，實(shí)現(xiàn)通過(guò)從PC/筆記本USB口與IAP15W4K58S4單片機(jī)的串口連接硬件下載電路設(shè)計(jì)

--通過(guò)USB-串口芯片的下載電路由于IAP15W4K58S4單片機(jī)的P3.0和P3.1口作為下載/仿真使用（下載和仿真時(shí)僅可以使用P3.0和P3.1口），因此STC公司建議用戶將串口1放在P3.6/P3.7或者P1.6/P1.7如果讀者不想切換，堅(jiān)持使用P3.0/P3.1或作為串口1進(jìn)行通信，則必須在下載程序時(shí)，在STC-ISP軟件中，在軟件上勾選“下次冷啟動(dòng)時(shí)，P3.2/P3.3為0/0時(shí)才可以下載程序硬件下載電路設(shè)計(jì)

--USB直接下載編程電路STC公司提供了通過(guò)USB直接下載編程電路在這種下載模式中，單片機(jī)的P3.0/P3.1直接連接電腦USB的D+和D?信號(hào)線硬件下載電路設(shè)計(jì)

--電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)的電源可以由電腦USB供電，也可不用電腦USB供電，而由系統(tǒng)電源供電如果讀者自己設(shè)計(jì)的單片機(jī)系統(tǒng)直接使用USB供電，則在將讀者自己設(shè)計(jì)的單片機(jī)系統(tǒng)插到PC/筆記本的USB口時(shí)，電腦就會(huì)檢測(cè)到IAP15W4K58S4單片機(jī)插入到PC/筆記本USB接口如果讀者第一次使用該電腦對(duì)IAP15W4K58S4單片機(jī)進(jìn)行ISP下載，則該電腦會(huì)自動(dòng)安裝USB驅(qū)動(dòng)程序，而IAP15W4K58S4單片機(jī)則處于等待狀態(tài)，直到PC/筆記本安裝完驅(qū)動(dòng)程序并發(fā)送“下載/編程”命令給它