单个发光二极管闪烁(单片机)课件.ppt

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1、单片机技术课程在同类课程中的特殊地位,1、单片机技术是现代DSP技术（数字信号处理器） 、嵌入式系统等的基础，应用十分广泛，是一门非常实用的技术，其就业前景良好。2、学习、掌握、应用该技术所需的成本越来越低，将成为一种普及性技术，使得越来越多的学生有条件、有机会仅靠自己的力量、按照自己的想法设计制作作品（产品）。这对于在校的、爱好电子产品设计、制作的学生是一个较好的选择。3、计算机技术、通讯技术、微电子技术、网络技术是现代社会文明的标志，而单片机技术是这些技术的微缩。,单片机技术课程的学习,1、学习本课程应硬件、软件兼顾并重，既要掌握单片机的硬件结构和工作原理，也要掌握使用软件编程来控制硬件电

2、路的工作，做到两者融会贯通，能够将两者相互渗透。2、要学会组成单片机应用系统。学习时对单片机应用系统中常用的输入/输出电路以及各种应用实例（环节）必须给予足够的重视。3、学习本课程时，宜结合习题、实验、实训，以提高学习质量，巩固和扩大学习收获。4、学习顺序：基本概念、硬件结构（CPU）、指令系统和程序设计、硬件结构（定时器/计数器、并口、串口、中断）、单片机扩展、接口应用。,世界上第一台现代意义的电子计算机是1946年美国宾夕法尼亚大学设计制造的“ENIAC”（电子数字积分计算机）占地上百平方米重量几千吨功耗几十千瓦,绪论,计算机的发展及分类,电子计算机按其性能分类：大型计算机/巨型计算机（M

3、ainframe Computer）中型计算机（Middle Computer）小型计算机（Minicomputer）微型计算机（Microcomputer）,电子管计算机（1946-1956）晶体管计算机（1957-1964）中小规模集成电路计算机（1965-1970）超大规模集成电路计算机（1971-今）,微型计算机系统,微机系统的组成,微处理器存储器I/O接口（各种板卡）总线 、时钟系统,硬件系统软件系统,微 型计算机系 统,主机,外 设,ALU控制器工作寄存器组,键盘、鼠标显示器硬盘、光驱等 打印机、扫描仪,系统软件（操作系统等）应用软件,单板机 将微处理器CPU芯片、存储器芯片、I/

4、O接口芯片和简单的I/O设备（小键盘、LED显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在ROM中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。,单片机,由此可见，单片机是把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、基本输入/输出（I/O）接口电路、定时/计数器、中断系统等部分制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机主机，从而实现微型计算机的基本功能。,单片机是单片微型计算机的简称,单片机主要面对的是测控对象，突出的是控制功能，单片机内部往往还集成了许多面向测控对象的接口电路。,因此，单片机也被称为微控制器MCUMicro Contr

5、oller Unit,单片机也称为：,我国，习惯使用“单片机”这一名称。,微控制器 MCU（Micro Controller Unit）,嵌入式控制器 EMCU（Embedded Micro Controller Unit）,定义： 单片机是中央处理单元CPU（Central Processing Unit）、一定容量的随机存取存储器RAM（Random Access Memory）、只读存储器ROM（Read Only Memory）、定时器计数器以及IO（Input /Output）接口电路等微机的主要部件集成在一块芯片上的微型计算机，称为单片微型计算机（Single Chip Micro

6、computer），简称单片机（SCM）。,区别：,1-4、常用单片机介绍,8051系列，经典的单片机。,AVR系列。,S08系列、S12系列、68K系列,主流的单片机产品系列,PIC8、PIC16系列。,MSP430系列。,Cortex-M系列,M14K系列,1-4、常用单片机介绍,单片机的主要生产厂商,INTEL公司单片机的发展历史1971年 Intel推出4位微处理器40041976-1978 初级8位单片机MCS-48系列： 8748/80481978-1982 高档8位单片机MCS-51系列： -51：子系列 -52：子系列1983-1990 16位单片机 MCS-96 系列： 80

7、98/8096、80C198/80C1961990- 32位单片机 80960,8031/8051/8751,8032/8052/8752,8051系列单片机：所有具有8051指令系统的单片机,20世纪80年代后期：Intel公司以专利的形式把8051内核技术转让给其它半导体公司。这些厂家生产的51兼容单片机，与8051的系统结构（指令系统）完全相同。不应直接称为MCS-51系列单片机，MCS只是Intel公司专用的单片机系列符号。,1.1 51单片机的内部硬件结构及工作原理,51单片机由CPU、内部数据存储器（RAM）、内部程序存储器（ROM）、定时/计数器、并行输入/输出（I/O）、串行口

8、、中断控制系统、时钟电路部分组成。,项目一 单个发光二极管闪烁,51单片机中CPU的工作原理 CPU主要由运算器和控制器组成 运算器运算器由8位算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、8位累加器ACC（Accumulator）、8位寄存器B、程序状态字寄存器PSW（Program Status Word）、8位暂存寄存器TMP1和8位暂存寄存器TMP2等组成。,算术逻辑运算单元ALU：完成算术运算和逻辑操作。累加器A：使用最频繁的寄存器，也可写为ACC，CPU内外的数据传送大多数都通过A进行。参与运算的数据之一需通过A输入ALU，而运算的结果也存放在A中。暂存器：

9、暂存运算过程的中间数据，用户无法访问。,控制器控制器主要由指令部件（程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器、堆栈指针SP、数据指针DPTR）、时序部件（时钟发生器）及操作控制部件（定时控制逻辑）等组成。,程序计数器PC（Program Counter） 存放下一条要执行的指令在程序存储器中的地址。 指令寄存器：暂存从程序存储器读取的指令，等待译码。 指令译码器： 对送入的指令进行译码。 时钟发生器：用于产生操作控制部件所需的时序信号。 操作控制部件：形成与指令操作相应的操作控制序列信号。,51单片机执行程序过程单片机的工作过程就是执行程序的过程，即逐条执行指令的过程。计算机每执行一条指令都

10、可分为三个阶段进行，即取指（读取指令）、译码（分析指令）和执行（执行指令）。取指：读取存放在程序存储器中的程序指令代码，放入指令寄存器。译码：分析读取的指令，产生相应的控制信号。执行：根据译码产生的控制信号，完成相应的操作。,总结： 51单片机与一般微型计算机的工作过程的主要区别在于：51单片机直接从ROM中读取指令并执行，用户程序必须事先烧写在ROM中。微型计算机从内存（RAM）中读取指令并执行，用户程序一般存放在外存（硬盘、光盘等）上，被执行的部分才加载到内存中去。,一、51单片机的引脚及功能,1电源引脚 （1）VCC：接+5V电源； （2）GND或VSS：接地。 通常，在接近芯片引脚处，

11、 VCC与GND之间应接上退耦电容。,引脚按功能分为4类：,2时钟信号引脚 （1）XTAL1：接外部晶体的一个引脚，采用外部时钟信号时，此引脚应接地。 （2）XTAL2：接外部晶体的另一端。可输出时钟信号，采用外部时钟信号时，外部时钟信号应接到此引脚上。,时钟电路用于产生单片机工作时序所必需的时钟控制信号。,时钟频率直接影响单片机的速度，电路的质量直接影响系统的稳定性。,常用的时钟电路有两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式。,时钟电路,内部时钟方式,51单片机,外部时钟方式,时序：CPU在执行指令时各控制信号之间的时间顺序关系。,单片机执行的指令的各种时序均与时钟振荡电路有关。,CPU时序相关

12、的几个概念,振荡周期 （又称节拍，用P表示）： 内部振荡器的周期，是单片机的基本时间单位。若外接晶体的频率为fosc，则振荡器的周期为Tosc=1/fosc。 例如：fosc=6MHz，Tosc=166.7ns。时钟周期（又称状态，用S表示）： 振荡脉冲经过二分频后的周期。一个状态包含两个节拍，前一个叫P1，后一个叫P2。,机器周期（T）： CPU完成一个基本操作所需的时间称为机器周期 。 一个机器周期又分为6个状态，并依次记为S1S6，一个状态包括2个节拍P1和P2，因此一个机器周期总共有12个节拍（1T=6S=12P），记为S1P1、S1P2、S6P1、S6P2。,振荡周期、时钟周期与机器

13、周期的相互关系,指令周期：执行一条指令所需要的时间称为指令周期，一般由若干(14)个机器周期组成。,3. 控制引脚 提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。 (1) RST：复位（RESET）。 用于提供复位信号，以控制触发单片机进入复位状态。,复位是单片机的初始化操作，单片机在启动运行时，都需要先复位，它的作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。,为何要复位？,复位状态,复位完成后的初始状态称为复位状态复位后PC寄存器初始化为0，于是单片机自动从地址为0的单元开始执行程序。复位后片内其他部件的状态在学习相关部件时介绍。,RST（复位信号输入端，高电平有效，

14、有效时间要求至少持续2个机器周期即24个振荡周期） 。,复位信号,复位电路,单片机正常运行的基本条件,电源正常时钟正常复位正常 为满足上述条件所外接的电路与单片机本身一起构成所谓的“最小单片机系统”。,第一功能：ALE（Address Latch Enable）为地址锁存允许，用于系统扩展时低8位地址的锁存。,(2),第二功能： 为编程脉冲输入端。,(3) ：外部程序存储器的读选通信号。低电平时可选中外接的程序存储器。,第二功能：VPP用于施加编程电压。,(4),第一功能： 为是否使用片内程序存储器选择控制端。,可以看到，与程序存储器的编程（将用户程序固化到ROM中）相关的引脚是VPP和 ，这

15、两个引脚功能只是在烧写程序时使用，而正常工作时只能使用另外的功能。,4. I/O口引脚 P0口：P0.0P0.7，为8位双向I/O口。 P1口：P1.0P1.7，为8位准双向I/O口。 P2口：P2.0P2.7，为8位准双向I/O口。 P3口： P3.0P3.7，为8位准双向I/O口。,P3口具有第二功能定义。,存储器简介,存放程序和数据的记忆装置用途：存放程序和要操作的各类信息（数据、文字、图像、）内存：ROM、RAM特点：速度快，容量小外存：磁盘、光盘 特点：顺序存取/块存取，速度慢，容量大,二、51单片机的存储器结构,有关内存储器的几个概念,A.内存单元的地址和内容B.内存容量C.内存的

16、操作D.内存的分类,A.内存单元的地址和内容,内存包含有很多存储单元(一般以字节为单位，即每个内存单元包含8bit)，为区分不同的内存单元，对计算机中的每个内存单元进行编号，内存单元的编号就称为内存单元的地址，内存单元中存放的二进制数据信息称为内存单元的内容。,B.内存容量,即内存单元的个数，以字节为单位。注意：内存空间与内存容量的区别 内存容量：实际配置的内存RAM大小。例：某微机配置2条512MB的RAM内存条，其内存容量为1GB。 内存空间：又称为存储空间、寻址范围，是指微机的寻址能力，与CPU的地址总线宽度有关。例：若某台微机的地址总线是32位的，则其内存空间为4GB。,C.内存操作,

17、读：将内存单元的内容取出送入CPU，原单元内容不改变；写：CPU将数据信息放入内存单元，单元中原内容被覆盖；内存的读写的步骤为：CPU把要读写的内存单元的地址放到地址总线AB上。若是写操作， CPU紧接着把要写入的数据放到数据总线DB上。CPU发出读写命令。数据被写入指定的单元或从指定的单元读出到数据总线DB上。若是读操作， CPU紧接着从数据总线DB上取回数据。,D.内存储器的分类,随机存取（读写）存储器RAM(Random Access Memory)可读可写易失性，临时存放程序和数据只读存储器ROM (Read Only Memory）工作时只能读非易失性，永久或半永久性存放信息,计算机

18、中存储器配置典型结构,存储器配置有两种典型结构：哈佛结构和普林斯顿（冯诺伊曼结构）结构。1）哈佛结构 程序空间（ROM）和数据空间(RAM)分为两个队列寻址。各有自己的寻址系统、控制信号和功能部件。2）普林斯顿结构 程序空间（ROM）和数据空间（RAM）同在一个空间队列寻址。共用寻址系统、控制信号和功能部件。,51系列单片机的主要分类基本型51子系列 典型产品：8031/8051/8751/8951增强型52子系列 典型产品：8032/8052/8752/8952 内部RAM增到256字节，内部ROM扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个。,8051单片机存储器结构和地址空间,存储器配置方

19、式属哈佛结构。,8051系列单片机的存储器在物理结构上可以分为如下4个存储空间： 片内程序存储器； 片外程序存储器； 片内数据存储器； 片外数据存储器。但在逻辑上，即从用户使用的角度上，8051系列有三个存储空间： 片内外统一编址的64KB的程序存储器地址空间（用16位地址）； 片内数据存储器地址空间，寻址范围为00FFH； 64KB片外数据存储器地址空间。,1、51单片机内部数据存储器,8051型单片机的内部RAM共有256个单元，分成两部分：低128单元（00H7FH）和高128单元（80HFFH）。,间接寻址,直接寻址,直接、间接寻址都可,1）低128单元RAM 存储区 按其用途分为寄存

20、器区、位寻址区和用户数据区3个区域。,位寻址区16个单元,2）高128单元对于51子系列，该地址范围是分配给特殊功能寄存器SFR的。对于52子系列，其片内RAM的80HFFH地址上有2个物理空间，一个是SFR的物理空间，另一个是高128字节的数据存储器物理空间，它们所用的地址单元相同，必须通过不同的寻址方式来区分这2个空间。,2、特殊功能寄存器SFR（Special Function Register）,设置SFR的目的：采用SFR操作管理方式后，单片机内各种单元电路都可按照可编程集成器件的运行管理方式，通过对SFR的读写来实现操作管理。这种集中的、归一化操作管理寄存器的模式是单片机内部资源操

21、作管理的重要方式。,不同公司生产的51系列单片机的SFR 在数量与功能上大同小异，必须参考各自的数据手册，但书本上表1-5列出的SFR几乎所有的51系列单片机都具备。SFR是不能作为数据存储器使用的，所以对特殊功能寄存器是不能随意写入数据的，特别是功能部件中的控制寄存器，不同的数据将使它们具有不同的工作方式。,访问这些专用寄存器仅允许使用直接寻址的方式。地址分布在片内数据存储器的高128字节范围，但并未占满80HFFH整个地址空间，对空闲地址的操作是无意义的。若读取空闲地址的内容，则读出的是随机数。,51单片机的SFR地址分布及寻址,其中某些SFR还具有位寻址能力，它们的字节地址正好能被8整除

22、，即可位寻址SFR的字节地址为*0H或*8H，相邻的8个地址号依次作为相应的8个位地址号。例如：P1口的口地址是90H（字节地址），而位地址90H是P1.0，位地址91H是P1.1等等依次类推 。,SFR中的位地址分布,1）累加器A（ACC - Accumulator） CPU中使用最频繁的8位专用寄存器，存放操作数和运算结果。功能：ALU数据输入的一个重要来源，存放操作数。ALU运算结果的暂存单元，存放运算的中间结果。数据传送的中转站，单片机大部分数据交换都通过累加器进行的。在变址寻址方式中把累加器作为变址寄存器使用。,SFR的功能及应用,2）程序状态字寄存器PSW（Program Stat

23、us Word） 用于存放指令执行后的一些状态信息，其中有些位的状态是根据程序执行的结果由硬件自动设置的。,可寻址位4种表示方法：例如：OV的表示方法：OV PSW.2 D0.2 D2H,PSW的各位功能：C（CY）：进位标志，运算操作结果的最高位有无进位或借位。AC：加/减法时半进位标志，低半字节（D3-D0）向高半字节（D7-D4）有无进位或借位。F0 、F1：用户可使用的标志位。OV：溢出标志位，有符号数加、减运算结果有无溢出，乘除运算结果也有影响。P：奇偶标志位，累加器A中内容的奇偶性。RS1、RS0：当前工作寄存器组的选择位。,3）堆栈指针SP（Stack Pointer） 堆栈是R

24、AM中开辟的一块特殊的暂存数据区。堆栈的作用：（1）保护断点；（2）现场保护。8051的堆栈指针SP中始终存放着堆栈栈顶的地址（指示堆栈顶部在内部RAM区中的位置）。 51单片机的堆栈属于满栈式向上生长型。,8051单片机的堆栈必须设在片内RAM区，复位后，SP中的内容为07H。一般在程序初始化时将堆栈设置在用户数据区（30H开始，即位寻址区后面）。堆栈共有两种操作：进栈（插入数据）和出栈（删除数据），操作原则是“先进后出”。进栈操作（PUSH）：先SP加1，后写入数据；出栈操作（POP）：先读出数据，后SP减1。,堆栈和堆栈指针示意图,4）数据指针DPTR（Data Pointer，16位）

25、唯一一个供用户使用的16位寄存器。作为访问片内、外16位地址存储器的数据指针。既可以作为一个16位寄存器使用，也可以作为两个8位寄存器使用，即：DPH：DPTR高8位DPL：DPTR低8位在对它赋值时，既可整体赋值，也可分开赋值。,5）寄存器B 为执行乘法和除法操作设置的。在不执行乘、除的情况下，可当作一个普通寄存器来使用。其他SFR在以后相关章节介绍。程序计数器（PC 16位计数器）内容：将要执行的指令地址，寻址范围达64KB。功能：自动加1，以实现程序的顺序执行。特点： PC没有地址，不可寻址。,程序存储器的结构和地址分配片内外统一编址，通过16位地址指针PC或DPTR进行访问，寻址范围为

26、64KB。某些公司的51单片机产品内部已经集成了超过64KB的ROM（Keil的BL51最多可支持1MB）。,3、51单片机的程序存储器,程序入口地址主程序入口地址0000H：复位后PC=0000H，程序将自动从0000H开始执行。中断服务程序入口地址：8051有5个中断源，其相应的入口地址安排在程序存储器的固定单元，对于程序中要使用的中断源，其入口地址一般应放转移指令，不得随意被其它程序指令占用。,0003H：外部中断0入口。000BH：定时器0溢出中断入口。0013H：外部中断1入口。001BH：定时器1溢出中断入口。0023H：串行口中断入口。实际应用中，主程序一般存放在中断入口地址的后

27、面，而在0000H处放置转移指令。,三、51单片机的输入输出（I/O）端口,4个双向的8位并行I/O端口P0P3，端口控制寄存器也记作P0P3，属于特殊功能寄存器，地址分别是80H、90H、A0H和B0H，还可位寻址，复位后初始值为FFH。,1）P0口,1、I/O端口的结构,(1)一个数据输出锁存器，用于数据位的锁存。(2)两个三态的数据输入缓冲器。(3)一个多路转接开关MUX，使P0口可作通用I/O口或地址/数据线口。 (4)数据输出的驱动和控制电路，由两只场效应管（FET）组成，上面的场效应管T1构成上拉电路,2）P1口,3）P2口,4）P3口,2、I/O端口的操作,写操作：数据写入锁存器

28、。读操作：分为读端口锁存器和读引脚读端口锁存器操作 在CPU发出读端口指令时，锁存器的值首先通过读锁存器输入缓冲器进入内部总线，待该值修改后，又重新写到锁存器中。这类指令称为“读改写”操作的指令。读引脚操作 当需要读引脚时，必须先由指令或通过复位置端口锁存器为1，使端口输出FET截止，然后再发读引脚指令。,（1）P0口和P2口，可用来构建系统的数据总线和地址总线，所以在电路中有一个MUX，以进行转换。P0口的MUX的一个输入端为“地址/数据”信号。P2口的MUX的一个输入信号为“地址”信号。而P1口和P3口无构建系统的数据总线和地址总线的功能，因此，无MUX。,总结：4个I0端口的主要不同点,（2）只有P0口在用作通用I/O口（GPIO）做输出时，必须要外接上拉电阻。（3）只有P3口增加了第二功能控制逻辑，其口线具有第二功能，为系统提供一些控制信号。,（3）P3口的口线具有第二功能，为系统提供一些控制信号。 因此P3口增加了第二功能控制逻辑。这是P3口与其它各口的不同之处。,1.2 伟福集成开发环境简介,用于51单片机的伟福集成开发环境主要由编辑器、仿真器（包括软件模拟器和硬件仿真器）和跟踪调试器组成，而编译、连接器则是调用普遍使用的Keil公司的C51（包括A51在内）编译器。,