1、單片機原理及接口技術課程安排n40學時。n上課共10周。n課程設計一周。課程重點n教材內容比較多，講授19章內容，重點在MCS-51單片機原理、指令系統、單片機系統接口技術的學習。n每次課前回列出重要知識點。n主題可分為6大部分q微型計算機基礎。q51單片機結構及工作原理。q51單片機指令系統及匯編程序設計。q半導體存儲器及其與51單片機的連接。q51單片機中斷技術q基本I/O接口技術（并口、串口、A/D、D/A）n預備知識：q模電、數電、C/C+程序設計、微型計算機原理與接口技術第1章微型計算機基礎n定點數與浮點數n計算機中的數制和編碼q二進制、十六進制、八進制qBCD編碼、ASCII編碼q

2、原碼、反碼、補碼的表示及運算規則n單片計算機的基本結構、原理及分類計算機的數制與數的轉換q數制是指數的制式，即利用符號計數的方法。微型計算機中常用的數值有十進制、二進制、八進制、十六進制等。q微型計算機中的所有信息都是采用二進制數進行表示，二進制數及編碼是所有計算機的基本語言。進位計數制q十進制。09，如45D。q二進制。0，1，如01010011B。q十六進制。09，A，B，C，D，E，F，如3BH。q八進制。07，如76O。進位數制之間的轉換q十進制轉為二進制。q二進制轉為十進制。q二進制轉為十六進制。q十六進制轉為二進制。q十進制轉為十六進制。計算機中數的表示方法n定點數表示法。二進制數

3、的小數點位置不變。q定點整數q定點小數n浮點數表示法。小數點位置隨階碼的大小浮動。二進制數的運算n算術運算q加、減、乘、除n邏輯運算q邏輯乘（與）、邏輯加、邏輯非、邏輯異或二進制數的表示方法q在計算機中，有3種數據類型：n無符號二進制數。n帶符號二進制數。n無符號十進制數（BCD碼）。q二進制中符號位的表示。”0”為正，”1”為負n+69=01000101 -69=11000101q機器數與真值，如上例中n+69=01000101(機器數)= +1000101(真值)n -69=11000101(機器數)= -1000101(真值)q帶符號數表示法。n原碼n反碼n補碼原碼表示法q正數的符號用”

4、0”表示，負數的符號用”1”表示。nX1001111，則X原01001111nX1001111，則X原11001111n0：X0000000，則X原00000000n0：X0000000，則X原10000000反碼表示法q正數的表示同原碼，負數的反碼：符號位為”1”，其余各位按位求反。nX0011111，則X反00011111nX0011111，則X反11100000n0：X0000000，則X反00000000n0：X0000000，則X反11111111補碼表示法q為什么需要補碼？q補碼中的“模”時鐘的例子。qX補模X。q補碼的計算：n正數的補碼等于原碼。n負數的補碼等于反碼+1。nX10

5、01111，則X補01001111nX1001111，則X補10110001n0：X0000000，則X原00000000n0：X0000000，則X補00000000q補碼數的符號擴展q補碼數的右移規則補碼的加減運算n補碼加法。qX+Y補=X補+Y補n補碼減法。qX-Y補=X補+-Y補n計算機中凡是帶符號數都用補碼表示，所有運算都采用補碼加法完成，運算結果也是補碼。n應用舉例。q例1.18q例1.19溢出及判斷n溢出產生的原因。每個數的補碼有一個表示范圍（字長位n的二進制數，補碼的表示范圍為-2n-12n-1-1），運算結果超出該范圍引起的計算出錯稱為溢出。n溢出的判斷變形碼qCs：表示最高

6、位（符號位）的進位情況。qCy：表示數值部分最高位的進位情況。q溢出Cs 異或 Cyn應用舉例q例1.22q例1.23二進制編碼q為什么需要編碼？q常用編碼類型。nBCD編碼（二十編碼）。nASCII編碼。n校驗碼編碼。BCD編碼表q采用二進制對十進制數進行編碼，又稱8421BCD編碼。BCD編碼二進制數的運算修正q加法修正。q減法修正。字符代碼ASCII編碼q以7位二進制數表示128種不同的字符（包括字母、數字及控制符號等）。q標準ASCII碼最高為為0，最高為為1的為擴展ASCII碼，常用于雙字節編碼領域，如漢字編碼（GB2312，BIG5，GBK等）。q見附錄A校驗碼編碼n奇偶校驗碼。q

7、奇校驗q偶校驗n海明碼。單片機的基本結構中央處理器q中央處理器，是單片機的核心，集成了n運算器。n控制器。n專用寄存器組。存儲器q用于存放程序及數據的部件。q單片機中使用半導體存儲器。q存儲器單元使用存儲器地址標識。qCPU需要讀寫存儲器單元的內容時，需要首先提供存儲器的地址。總線和總線控制邏輯q系統總線。連接多個功能部件，并具有完成信息相互傳送功能的一組公共傳輸線，包括n數據總線（DB）。傳送數據信號。n地址總線（AB）。傳送地址信號。n控制總線（CB）。傳送控制及狀態信號。q總線控制邏輯。實現總線傳輸控制的部件。I/O接口和特殊功能部件q串行與并行I/Oq特殊功能部件n定時器/計數器、A/

8、D、D/A、DMA通道、系統時鐘等單片機執行程序的過程單片機的分類q4位機。q8位機。位機。n8031/80C31/8051/80C51/8751/87C51等等q16位機。q32位機。q區別在于字長、制造方式（功耗）、RAM/ROM大小、I/O接口等單片機在DDC中的應用單片機在DCS中的應用第2章MCS-51單片機結構與時序nMCS-51單片機內部結構。q重點：專用寄存器組名稱及功能、存儲器結構及地址分配、位地址、I/O端口、定時器與計數器、中斷系統nMCS-51單片機引腳及其功能。q重點：端口線、控制線nMCS-51單片機工作方式。q重點：有幾種工作方式、各有何用途nMCS-51單片機時

9、序。q重點：時鐘周期、機器周期、指令周期、典型操作時序MCS-51系列單片機CPU結構專用寄存器組nMCS-51系列單片機中的專用寄存器組包括：q程序寄存器PC（16位）q累加器A（8位）q通用寄存器B（8位）q程序狀態寄存器PSW（8位）q堆棧指針SP（8位）q數據指針DPTR（16位）程序狀態寄存器PSW堆棧指針SP數組指針DPTR存儲器結構nMCS-51內部的存儲器分為ROM與RAM兩類qROM存儲器結構qRAM存儲器結構q特殊功能寄存器ROM存儲器結構RAM存儲器結構特殊功能寄存器SFRn指有特殊功能的寄存器集合。SFR的實際個數與單片機具體型號有關。8031/8051有21個，803

10、2/8052有26個，允許位尋址的有11個，如下所示。I/O端口n并行I/O端口8位qP1、P2、P3、P4n串行I/O端口并行I/O端口串行I/O口定時器/計數器中斷系統MCS-51單片機的封裝雙列直插式封裝HMOS器件方形封裝CHMOS器件端口線控制線電源線qVcc：+5VqVss：GND幾種晶振連接電路8031連接片外存儲器MCS-51單片機的工作方式q復位方式q程序執行方式n單步執行n連續執行q節電方式n掉電方式n空閑方式q編程與校驗方式復位方式程序執行方式q單步執行n逐條執行用戶指令，用于調試用戶程序n利用單片機的外部中斷功能實現q連續執行n所有單片機都需要的一種工作方式，被執行程序

11、可放置在片內或片外ROM中n單片機復位后PC0000H，因此需要在0000H放置一條跳轉指令將PC指向程序開始的位置節電工作方式q節電方式是一種降低功耗的工作方式，只有CMOS器件才有本方式，受電源控制寄存器PCON控制。節電方式分為：n掉電方式n空閑方式電源控制寄存器PCON空閑方式掉電方式掉電/空閑方式的實際應用編程與校驗方式8751編程方式8751校驗方式編程/校驗時序EPROM保密編程MCS-51三種周期時序時序示例讀外部ROM指令時序讀外部RAM指令時序第3章MCS-51單片機指令系統n尋址方式。n指令系統。基本概念q指令指令。指使計算機完成某種操作的命令。q指令系統指令系統。指令的

12、集合稱為指令系統。q計算機的機器指令包括操作碼和操作數兩部分。q操作碼操作碼。表示計算機執行什么樣的操作。q操作數操作數。表示計算機參加運算操作要處理的數據信息。指令的格式指令的三種表現形式指令的字節數指令的分類指令中的符號說明指令對標志位的影響尋址方式qMCS-51有7種尋址方式：n直接尋址。n立即尋址。n寄存器尋址。n寄存器間址。n變址尋址。n相對尋址。n位尋址。直接尋址立即尋址寄存器尋址寄存器間址變址尋址相對尋址位尋址數據傳送類指令內部數據傳送指令立即型數據傳送指令直接型傳送指令寄存器尋址的傳送指令寄存器間址傳送指令內部數據傳送指令小結外部ROM/RAM的傳送指令q指令共7條，分為3類n

13、16位數的傳送指令（1條）n對外部ROM的讀數指令（2條）n對外部RAM的讀寫指令（4條）16位數的傳送指令對外部ROM的讀數指令對外部ROM的讀數指令舉例對外部RAM的讀寫指令對外部RAM的讀寫指令舉例堆棧操作指令q堆棧操作共兩條指令n壓棧指令n彈出指令壓棧指令彈出指令堆棧指令舉例數據交換指令q數據交換指令共4條n數據交換指令（3條）n半字節交換指令（1條）數據交換指令半字節交換指令數據交換例1數據交換例2算術與邏輯運算和移位指令q這類指令共49條，包括n算術指令（24條）n邏輯指令（20條）n移位指令（5條）算術運算指令q算術運算指令可處理加、減、乘、除算術運算，包括：n加法指令（13條）

14、；n減法指令（8條）；nBCD調整指令（1條）；n乘除指令（2條）；不帶Cy的加法指令不帶Cy加法指令示例1不帶Cy加法指令示例2帶Cy加法指令加1指令加法指令例子帶Cy減法指令帶Cy減法指令示例減1指令減法指令例子BCD調整指令BCD加法調整BCD減法調整乘除指令邏輯運算指令q邏輯乘指令（6條）。q邏輯加指令（6條）。q邏輯異獲指令（6條）。q累加器清零和求反指令（2條）邏輯乘指令邏輯乘指令示例邏輯加指令邏輯加指令示例邏輯異或指令邏輯異或指令示例累加器清零和取反指令移位及半字交換指令移位指令例1移位指令例2控制轉移及位操作指令q控制轉移指令（17條）n無條件轉移指令（4條）n條件轉移指令（8

15、條）n子程序調用與返回指令（4條）n空操作指令（1條）q位操作指令（17條）無條件轉移指令條件轉移指令q累加器A判零轉移指令（2條）q比較轉移指令（4條）q減1條件轉移指令（2條）累加器A判零轉移指令累加器A判零轉移指令示例比較條件轉移指令比較條件轉移指令示例減1條件轉移指令減1條件轉移指令示例子程序調用與返回指令q包括：n調用指令（2條）n返回指令（2條）q子程序的作用n縮短用戶程序長度n節省程序設計時間q什么是子程序n完整程序功能，如多字節加法子程序、三角函數子程序等n通用性，可多次調用n通過調用/返回指令完成對子程序的調用/返回q調用指令的作用n堆棧-斷點地址斷點地址（PC中）n轉入子程

16、序的第一條指令執行q返回指令的作用nPC-斷點地址（堆棧中）子程序嵌套短調用指令（2KB范圍內）長調用指令（64KB范圍）返回指令子程序調用與返回指令例子空操作指令位操作指令位傳送指令位置位/清零指令位運算指令以Cy中內容為條件的轉移指令以位地址內容為條件的轉移指令第3章習題課q3-10q3-12q3-15q3-17q3-18q3-23q3-27q3-283-103-123-153-173-183-233-273-28第4章匯編語言程序設計n匯編語言程序格式。n匯編語言程序設計。程序設計語言匯編程序匯編語句的格式匯編語言的構成ORG/END偽指令EQU/DATA偽指令DB/DW/DS偽指令BI

17、T偽指令匯編語言程序的設計步驟匯編語言程序的匯編n匯編語言源程序必須轉換為機器語言才能夠被MCS-51CPU執行，將匯編語言源程序轉換為機器語言的過程稱為“匯編”。可以采用以下兩種手段進行匯編q人工匯編查手冊q機器匯編匯編程序匯編語言程序設計示例q簡單程序及分支程序設計q循環及查表程序設計q子程序與運算程序設計簡單程序設計分支程序設計循環程序設計循環程序結構循環程序類型查表程序設計查表步驟子程序設計子程序設計注意事項運算程序設計第5章半導體存儲器n半導體存儲器的分類。n存儲器容量的擴展方式。n存儲器與MCS-51的連接。存儲器的類型存儲器的層次內存儲器的組成半導體存儲器的種類半導體存儲器的技術

18、指標半導體存儲器的發展前景n半導體存儲器將繼續沿著以下幾個方面發展q集成度q存取速度q工作電壓及功耗單譯碼半導體存儲器結構雙譯碼半導體存儲器結構只讀存儲器n掩膜ROMn可編程PROMn紫外光可擦除EPROMn電可擦可編程EEPROMn閃速存儲器Flash Memory掩膜ROM存儲器原理PROM存儲器原理EPROM存儲器原理典型EPROM、E2PROM芯片nEPROM Intel 27128AnEPROM Intel 2764nEEPROM Intel 281527128、2764引腳圖27128原理圖及工作方式2815引腳及工作方式靜態RAM基本存儲電路動態RAM基本存儲電路常見RAM芯片n

19、Intel 6264nIntel 2116nIntel 2186Intel 6264(SRAM,8KB)Intel 2116(DRAM,16Kx1)Intel 2186(全集成化DRAM,8KB)存儲器與CPU連接需考慮的主要問題n存儲芯片選擇（容量、個數）nCPU總線的負載能力。q在CPU與存儲器間增加緩沖器、驅動器、地址譯碼器等以增強負載能力。nCPU時序與存儲器存取速度匹配。n存儲器地址分配（重疊地址空間）。n控制信號連接。q譯碼（線選法、部分譯碼、全譯碼）q讀寫信號存儲器容量擴展n字數擴展n位數擴展存儲器容量的位擴展存儲器容量的字擴展存儲器與CPU的連接線選法產生片選信號74LS138

20、局部譯碼法產生片選信號全譯碼法產生片選信號各種片選的優缺點MCS-51與存儲器連接示例第6章中斷系統n中斷的概念。n中斷處理過程。nMCS-51的中斷系統。中斷的概念n指CPU在正常運行程序時，因內部或外部事件要求CPU暫時中止執行原程序，轉而執行其服務程序（稱為中斷服務程序），待服務完畢后自動返回執行原程序的過程。中斷的功能n同步操作，并行處理。n實時處理。n故障處理。中斷源中斷的分類中斷嵌套中斷系統及其功能n可自動完成中斷任務的邏輯電路及軟件。包括：q識別中斷源q對多個中斷源進行優先級排隊等n一個中斷系統應可完成下列任務：q能實現中斷響應、中斷服務、中斷返回。q能實現中斷優先級排隊。q能實

21、現中斷嵌套。q能識別中斷源及開關中斷。中斷優先權的一般處理原則n多個中斷源同時申請時，按優先權從高到低依次處理。n高級別中斷源可以中斷級別較低且正在處理的中斷，排斥同級，同時響應更高級別的中斷請求。n同級別多個中斷源同時申請中斷，應預先排好次序，依次逐個處理。MCS-51的中斷源MCS-51的中斷標志對中斷允許的控制對中斷優先級的控制MCS-51響應中斷的條件MCS-51對中斷的響應時間MCS-51對中斷的撤除n防止CPU重復響應同一個中斷8259A中斷控制器8259A芯片結構8259A的工作過程8259A與總線的連接方式（1）8259A與總線的連接方式（2）8259A的使用（編程）n通過設置

22、初始化命令字ICW1ICW4及操作命令字OCW1OCW3實現，任務包括q優先級設置q優先級循環方式q中斷屏蔽方式q中斷結束方式q中斷請求的觸發方式8031對外部中斷源的擴展方式n借用T0/T1擴展n采用查詢法擴展n采用8259A擴展借用定時器溢出中斷擴展外部中斷源第7章并行I/O接口n接口的類型。nMCS-51內部并行I/O接口。nMCS-51并行I/O的擴展。nMCS-51內部定時器/計數器。什么是接口為什么需要使用接口接口電路的功能n數據緩沖n數據格式轉換n地址譯碼及設備選擇n傳遞控制及狀態信號n電平轉換接口的類型n按照接口的功能分類：q通用接口q專用接口n按照數據傳送方式分類q并行接口q

23、串行接口I/O接口的端口尋址CPU與外設間的信號nCPU與外設之間交換的信息主要有3類：q數據信息n數字信號。“0或1”形式的二進制數據。n模擬信號。傳感器/控制器的輸入/輸出的表示溫度、壓力、流量、閥門等數據的電壓或電流信號，需要A/D，D/A轉換使用。n開關量。表示開、關兩種狀態，例如電機的啟動與停止等。q狀態信息n反映外設的工作狀態，如“準備好”或“忙”狀態。q控制信息讀寫控制信號、片選等。接口的一般結構n接口電路一般包括以下部件：q數據寄存器q狀態寄存器q控制（命令）寄存器I/O數據的四種傳送方式n程序控制傳送方式q同步傳送q異步傳送n中斷傳送nDMA（直接存儲器存取）方式程序控制傳送

24、方式無條件傳送方式條件傳送方式中斷傳送方式中斷傳送方式的接口電路DMA傳送方式n不需要CPU參與。n需要專用控制芯片控制總線的使用及數據存取。MCS-51內部并行I/O端口MCS-51并行I/O端口的操作方式常用并行接口芯片介紹n8255A。n8155。8255A的基本特性n8255A是一個具有兩個8位（A和B口）和兩個4位（C口高低四位），最多可達24位的并行輸入輸出端口的接口芯片，它為Intel系列CPU與外部設備之間提供TTL電平兼容的接口，如打印機、AD、DA轉換器、鍵盤、步進電機以及需要同時兩位以上信息傳送的一切形式的并行接口。8255A的引腳功能8255A內部結構8255A的控制字

25、n方式控制字及對C口按位置位/復位控制字8255A的工作方式n方式0是一種基本輸入或輸出方式，它適用于無需握手信號的簡單輸入輸出應用場合， 端口A、B、C都可作為輸入或輸出數據使用，端口B、C輸出有鎖存而輸入無鎖存。n方式1也稱選通的輸入/輸出方式。在這種方式下，無論是輸入還是輸出都通過應答關系實現， 這時端口A或B用作數據口，端口C的一部分引腳用作握手信號線與中斷請求線。q若端口A工作于方式1,則B可工作于方式0； q若端口B工作于方式1,則A可工作于方式0或余下的13位可工作于方式0； q若端口A和B同時工作于方式1,端口C余下的兩位還可用于傳送數據或控制信號。n方式2也稱選通的雙向I/O

26、方式，僅適用于端口A， 這時A口的PA7-PA0作為雙向的數據總線， 端口C有5條引腳用作A的握手信號線和中斷請求線，而B口和C口余下的3位仍可工作于方式0或1。8255A方式0基本輸入輸出模式8255A方式1選通輸入模式8255A方式1選通輸出模式8255A方式2雙向輸入輸出模式8155A基本特性n2*8位I/On1*6位I/On256字節RAMn1*14位定時器8155A引腳及內部結構8155A端口地址8155A命令字8155A狀態字8155A定時器長度字8155工作方式C口引腳在各種方式下的定義選通I/O輸入選通I/O輸出8155A定時器長度字格式8155A定時器初始化8155A定時器應用舉例借用外部RAM地址擴展I/O端口應用舉例采用8155擴展并行I/O端口（1）采用8155擴展并行I/O端口（2）采用8155擴展并行I/O端口（3）MCS-51內部的定時器/計數器定時器控制寄存器TCON定時器方式寄存器TMODMCS-51內部定時器工作方式方式0方式1方式2方式3（只有T0才有）MCS-51對內部定時器的初始化計數值初值的計算定時器初值的計算初值設置舉例應用舉例(1)應用舉例(2)第8章