1、單片機系統(tǒng)設計講座,第一講、單片機系統(tǒng)及其設計簡介 第二講、單片機系統(tǒng)硬件設計 第三講、單片機系統(tǒng)軟件設計 第四將、單片機系統(tǒng)設計實例,第一講 單片機系統(tǒng)及其開發(fā)簡介,1單片機系統(tǒng)概述 2單片機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 (MCS-51為例) 3單片機系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境及工具介紹 4 單片機系統(tǒng)的開發(fā)過程概述,1.1單片機系統(tǒng)的概念 1.2單片機系統(tǒng)特點 1.3單片機系統(tǒng)的應用領域,1 單片機系統(tǒng)概述,1.1單片機系統(tǒng)的概念,1.1.1 單片機與單片機系統(tǒng)的概念 單片機是大規(guī)模集成電路技術發(fā)展的產(chǎn)物，它將中央處理器（CPU）、存儲器（ROM/RAM）、輸入輸出接口、定時器/計數(shù)器等主要計算機部件集成在一片

2、芯片上，因此單片機被稱為單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）。單片機系統(tǒng)簡單的說就是單片機加一些外圍芯片和軟件組成的完整系統(tǒng) 。,1.1.2 單片機最小系統(tǒng),單片機最小系統(tǒng)如右圖所示 1 晶振 2 電源 3 復位電路,1.2單片機系統(tǒng)特點,（1）單片機構(gòu)成的應用系統(tǒng)可靠性高。 （2）系統(tǒng)配置規(guī)范 。 （3）控制功能具有預想性，變動控制方案容易。 （4）具有較高的性價比,1.3單片機系統(tǒng)的應用領域,1.在智能儀器儀表上的應用 2.在工業(yè)控制中的應用 3.在家用電器中的應用 4.在計算機網(wǎng)絡和通信領域中的應用 5.單片機在醫(yī)用設備領域中的應用 6.在各種大型電器中的

3、模塊化應用 7.單片機在汽車設備領域中的應用 參考網(wǎng)址：,2 單片機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 以MCS-51為例講解,2.1 MCS-51系列單片機的結(jié)構(gòu) 2.2 8051單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能 2.3 MCS-51單片機的引腳功能 2.4 MCS-51單片機的工作方式 2.5 MCS-51單片機的時序,2.1 MCS-51 單片機的基本組成,存儲器,I/O接口,MCS-51單片機芯片有許多種： 如8051、8031、8751、80C51、80C31等。它們主要由8個部件組成，分別如下： 1、中央處理器（CPU）核心 2、時鐘電路 12MHz 3、程序存儲器（ROM/EPROM） 4KB 4、數(shù)據(jù)存

4、儲器（RAM） 128B+128B SFR 5、并行I/O口（P0P3口）P0和P2兼作外總線 6、串行口 全雙工串行口 7、定時器/計數(shù)器 2個16位 8、中斷系統(tǒng) 5個中斷源，高級和低級兩級優(yōu)先級別 它們都是通過單一總線連接，并被集成在一塊半導體芯片上，為單片微型計算機（Single-Chip Microcomputer）,2.2 8051單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能,由圖2-2可知8051單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下： 由運算器和控制器組成的8位微處理器（CPU） 4KB的片內(nèi)程序存儲器（ROM） 128B數(shù)據(jù)存儲器（RAM） 21個特殊功能寄存器（SFR） 兩個16位定時器/計數(shù)器T0、T1 一個全雙工

5、串行通信接口 4個8位輸入輸出接口（P0P3），共32根I/O口線 5個中斷源，可編程為兩個優(yōu)先級 內(nèi)部時鐘電路,微處理器又稱CPU，是計算機的運算控制中心，由運算器和控制器及中斷控制電路等幾部分組成。CPU字長有4位、8位、16位和32位之分，字長越長運算速度越快，數(shù)據(jù)處理能力也越強。 MCS-51單片機的CPU字長為8位。,2.1.1 微處理器（CPU）,（1） 運算器運算器以算術邏輯運算單元ALU為核心，包括累加器A、狀態(tài)字寄存器PSW、B寄存器等部件。算術邏輯單元（ALU）在控制器的作用下，進行各種算術運算和邏輯運算。如加法、減法、加1、減1等操作。 （2） 控制器控制器包括程序計數(shù)器

6、PC、指令寄存器、指令譯碼器、振蕩器、定時電路及控制電路等部件，能根據(jù)不同的指令產(chǎn)生相應的操作時序和控制信號，控制單片機各部分的運行。 PC是一個16位計數(shù)器，具有自動加1功能。CPU每執(zhí)行一條指令則PC自動加1，并指向要執(zhí)行的下一條指令的地址，最大尋址范圍為64K?？梢酝ㄟ^控制轉(zhuǎn)移指令改變PC值，實現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移。,2.2.1 存儲器,MCS-51單片機片內(nèi)只讀存儲器（ROM）用作程序存儲器，用于存放已編好的程序、數(shù)據(jù)表格等；片內(nèi)讀寫存儲器（RAM）又稱隨機存取存儲器，可用于存放輸入、輸出數(shù)據(jù)和中間計算結(jié)果，同時還作為數(shù)據(jù)堆棧區(qū)。當存儲器的容量不夠時，可以外部擴展。,2.3.3 I/O,I/O

7、：輸入輸出端口， I/O的功能是負責實現(xiàn)CPU通過系統(tǒng)總線把I/O電路和 外圍設備聯(lián)系在一起。其中8051的I/O資源如下： （1） 4個8位并行I/O口P0P3，均可以并行輸入輸出8位數(shù)據(jù)。 （2） 串行I/O口用于數(shù)據(jù)的串行輸入輸出。,2.3.4 定時器/計數(shù)器,定時器/計數(shù)器既可以用于產(chǎn)生定時脈沖，實現(xiàn)單片機的定時控制，也可以用于計數(shù)方式，對外部事件的脈沖計數(shù)。,MCS-51系列單片機芯片均為40條引腳，HMOS 工藝制造的芯片用雙列直插（DIP）方式封裝，其引腳示意及功能分類如圖2-2所示。 各引腳功能說明如下：,2.3 MCS-51單片機的引腳功能,2.3 1. 主電源引腳,Vcc(

8、40腳)： 接+5V電源正端。 Vss(20腳)： 接+5V電源地端。,XTAL1（19腳）：接外部石英晶體的一端。在單片機內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。 XTAL2（18腳）：接外部石英晶體的另一端。在單片機內(nèi)部，它是片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸出端。,2.3.2外接晶體引腳,2.3.3 輸入/輸出引腳,(1) P0口（3932腳）：P0.0P0.7統(tǒng)稱為P0口。在不接片外存儲器或擴展I/O口時，可作為準雙向輸入/輸出口。在接有片外存儲器或擴展I/O口時，P0口分時復用為低8位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。 (2) P1口（18腳）：P1.0P1.7統(tǒng)稱為P1口，可作

9、為準雙向I/O口使用。對于52子系列，P1.0與P1.1還有第二功能：P1.0可用作定時器/計數(shù)器2的計數(shù)脈沖輸入端T2，P1.1可用作定時器/計數(shù)器2的外部控制端T2EX。,2.3.3 輸入/輸出引腳（續(xù)）,3) P2口（2128腳）：P2.0P2.7統(tǒng)稱為P2口，一般可作為準雙向I/O口使用。在接有外存儲器或擴展I/O口且尋址范圍超過256字節(jié)時，P2口用作高8位地址總線。 (4) P3口（1017腳）：P3.0P3.7統(tǒng)稱為P3口。除作為準雙向I/O口使用外，還可以將每一位用于第二功能，且P3口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入、輸出或第二功能的輸入、輸出。P3口的第2功能如表2-

10、1所示。,表2-1 P3口的第二功能,51單片機的引腳,2.3.4 控制線,(1) ALE/ （30腳）：地址鎖存有效信號輸出端。ALE在每個機器周期內(nèi)輸出兩個脈沖。在訪問片外程序存儲器期間，下降沿用于控制鎖存P0輸出端的低8位地址；在不訪問片外程序存儲器期間，可作為對外輸出的時鐘脈沖或用于定時目的。 (2) PSEN（29腳）：片外程序存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效。在從外部程序存儲器讀取指令或常數(shù)期間，每個機器周期內(nèi)該信號兩次有效，并通過數(shù)據(jù)總線P0口讀回指令或常數(shù)。在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器期間，PSEN信號將不出現(xiàn)。,2.3.4 控制線（續(xù)）,(3) RST/Vpd(9腳)：RST即為R

11、ESET，Vpd為備用電源。該引腳為單片機的上電復位或掉電保護端。當單片機振蕩器工作時，該引腳上將出現(xiàn)持續(xù)兩個機器周期的高電平，這時可實現(xiàn)復位操作，使單片機回復到初始狀態(tài)。上電時，考慮到振蕩器有一定的起振時間，該引腳上高電平必須持續(xù)10ms以上才能保證有效復位。 (4) EA/Vpp（31腳）：為片外程序存儲器選通端。該引腳有效（低電平）時，只選用片外程序存儲器，否則單片機上電或復位后選用片內(nèi)程序存儲器。,2.4 MCS-51單片機的工作方式,MCS-51單片機的工作方式有 復位方式 單步執(zhí)行方式 程序執(zhí)行方式 掉電和低功耗方式,2.4.1 復位方式,單片機的初始化操作復位 單片機復位，初始化

12、程序計數(shù)器PC和特殊功能寄存 器的狀態(tài)。復位后，PC初始化為0000H，使單片機從 0000H開始執(zhí)行程序。復位后不影響片內(nèi)RAM 復位信號 RST引腳是復位信號的輸入端，復位信號為高電平有效。當高電平持續(xù)24個震蕩脈沖周期（兩個時鐘周期）以上時，單片機完成復位。 復位方式 復位分為按鍵手動復位和上電自動復位。,2.4.2 單步執(zhí)行方式,單步執(zhí)行就是通過外來脈沖控制程序的執(zhí)行，使之達到來一個脈沖就執(zhí)行一條指令的目的。而外來脈沖是通過按鍵產(chǎn)生的，因此單步執(zhí)行實際上就是按一次鍵執(zhí)行一條指令。,2.4.3 程序執(zhí)行方式,程序執(zhí)行方式是單片機的基本工作方式。由于復位后PC=0000H，因此程序總是從地

13、址0000H開始。,25 CPU時序,（1） 振蕩周期: 也稱時鐘周期, 是指為單片機提供時鐘脈沖信號的振蕩源的周期。 （2） 狀態(tài)周期: 每個狀態(tài)周期為時鐘周期的 2 倍, 是振蕩周期經(jīng)二分頻后得到的。 （3） 機器周期: 一個機器周期包含 6 個狀態(tài)周期S1S6, 也就是 12 個時鐘周期。 在一個機器周期內(nèi), CPU可以完成一個獨立的操作。 （4） 指令周期: 它是指CPU完成一條操作所需的全部時間。 每條指令執(zhí)行時間都是有一個或幾個機器周期組成。MCS - 51 系統(tǒng)中, 有單周期指令、雙周期指令和四周期指令。,3單片機系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境及工具,3.1 單片機開發(fā)語言的選擇 單片機的應用首先

14、要考慮的是它的開發(fā)平臺，也即我們常說的開發(fā)環(huán)境?，F(xiàn)階段，國內(nèi)的大部分單片機開發(fā)工程技術人員還是普遍使用匯編語言編寫程序。 匯編語言的優(yōu)點：代碼最小，最直接，效率最高。,匯編語言的缺點：編程員必須十分了解所用單片機的硬件結(jié)構(gòu)，程序編寫困難，代碼難以理解，不易于識讀，難于移植，排錯困難，編寫程序花的時間相當多，調(diào)試不便等等。,現(xiàn)在已有相當?shù)拈_發(fā)器材支持高級語言的使用和調(diào)試，為單片機的開發(fā)應用提供了更好的物質(zhì)條件。 高級語言（如C語言）的優(yōu)點：開發(fā)周期短，易于識讀，容易移植，也便于初學著掌握。,高級語言（如C語言）的缺點：產(chǎn)生的代碼過長、運行速度慢、,但是隨著單片機技術的發(fā)展，高級語言的弱點也已被較

15、大的克服，象MCS-51上的C語言的代碼長度，如果未加上人工優(yōu)化條件，也可做到最優(yōu)匯編程序水平的120%150%，這也相當可觀了?？梢哉f相當于中等匯編程序員的水平。,American automation 編譯器通過#asm和endasm預處理選擇支持匯編語言，匯編速度慢，要求匯編的中間環(huán)節(jié)。 Franklin它的前身是Keil，它以代碼緊湊領先，可產(chǎn)生最少的代碼。它支持浮點和長整數(shù)，重入和遞歸。它不提供庫的源代碼，不能生成能匯編的匯編代碼，僅產(chǎn)生混合代碼，只能修改后匯編。若使用匯編語言，必須分開匯編程序，然后手工連接。keil/Franklin專業(yè)級開發(fā)工具PK51，支持DOS話Window

16、s環(huán)境。,3.2 目前的常用C語言編譯器介紹,Archimedes 它的鼻祖是瑞典的IAR，是支持分組開關（Bank）的編譯器，集成環(huán)境類似于Borland和Turbo，C編譯器可產(chǎn)生一個匯編語言文件，然后再用匯編器。 BSO/TASKING 它是一家專業(yè)開發(fā)和銷售嵌入式系統(tǒng)軟件工具的公司。它生產(chǎn)基于Windows的集成開發(fā)環(huán)境、調(diào)試器和交叉模擬器，支持鼠標，介面友好。軟件格式符合IntelOMF-51和Intel Hex標準，它的匯編器和Intel匯編器兼容。 Micro computer controls 它不支持浮點數(shù)，長整數(shù)，結(jié)構(gòu)和多維數(shù)組，定義不允許有參數(shù)，生成的源文件需由Intel

17、或MCC的8051匯編器匯編。,3.3 單片機系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境及工具,單片機應用系統(tǒng)開發(fā)必須經(jīng)過調(diào)試階段，只有經(jīng)過調(diào)試才能發(fā)現(xiàn)問題，改正錯誤，最終完成開發(fā)任務。實際上，對于較復雜的程序，大多數(shù)情況下都不可能一次性就調(diào)試成功，即使是資深程序員也是如此。 單片機只是一塊芯片而已，本身并無開發(fā)能力，要借助開發(fā)工具才能實現(xiàn)系統(tǒng)設計。開發(fā)工具主要包括電腦、編程器(又稱寫入器)、仿真機。如果使用EPROM作為存儲器還要配備紫外線擦除器。其中必不可少的工具是電腦和編程器(當然對于在線可編程（ISP）的單片機，如89S51，也可以不用編程器，而通過下載電纜下載)。,3.3.1 仿真機及其使用,(1) 開發(fā)環(huán)境 單

18、片機程序的編寫、編譯、調(diào)試等都是在一定的集成開發(fā)環(huán)境下進行的。 集成開發(fā)環(huán)境仿真軟件(IDE)將文件的編輯，匯編語言的匯編、連接，高級語言的編譯、連接高度集成于一體，能對匯編程序和高級程序進行仿真調(diào)試。 單片機程序如果是匯編編寫的，文件名后必須加后綴名“.ASM”。如果是C51編寫的，必須加后綴名“.C”。,(2) 仿真機的使用 為了實現(xiàn)目標系統(tǒng)的一次性完全開發(fā)，必須用到仿真機(也稱在線仿真機)。在線仿真機的主要作用是能完全“逼真”地扮演用戶單片機的角色，且能在集成開發(fā)環(huán)境中對運行程序進行各種調(diào)試操作，即時發(fā)現(xiàn)問題，即時修改程序，從而提高工作效率，縮短開發(fā)周期。 使用時，在線仿真機通過RS-232插件與電腦的COM1或COM2端口相連。在斷電情況下，撥下用戶系統(tǒng)的單片機和EPROM，代之以仿真頭，如下圖所示。 運行仿真調(diào)試程序，通過跟蹤執(zhí)行，能即時發(fā)現(xiàn)軟硬件方面的問題并進行修正。當設計達到滿足系統(tǒng)要求后，將調(diào)試好的程序編譯時形成的二進制文件用編程器燒寫到芯片中，一個應用系統(tǒng)就調(diào)試成功了。,3.3.2 編程器,當我們編寫好