1、徐徐淑淑華華第第1章章 微型機的基本知識微型機的基本知識第第2章章 MCS-51單片機硬件結構單片機硬件結構第第3章章 MCS-51指令系統指令系統第第4章章 匯編語言程序設計匯編語言程序設計第第5章章 存儲器系統設計存儲器系統設計第第6章章 MCS-51定時定時/計數器、串行口及中斷系統計數器、串行口及中斷系統 下頁下頁上頁上頁第第7章章 I/O接口擴展設計及應用接口擴展設計及應用第第8章章 數數/模、模模、模/數轉換器接口數轉換器接口第第1章章 微型機的基本知識微型機的基本知識下頁下頁回目錄回目錄上頁上頁1.1 微處理器、微型機和單片機的概念微處理器、微型機和單片機的概念 1.2 微型機模

2、型的組成微型機模型的組成上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄1.3 微機系統微機系統1.4 單片微型計算機單片微型計算機單片機單片機 = CPU + M + I/O1.1 1.1 微處理器、微型機和單片機的概念微處理器、微型機和單片機的概念 1微處理器微處理器 2微型機微型機 3微機系統微機系統 上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄外部設備外部設備地址總線地址總線 AB圖圖1-1 1-1 微型計算機組成微型計算機組成DB數據總線數據總線 CPU微處理器微處理器 M存儲器存儲器I/O 接口電路接口電路 控制總線控制總線CBCentral Processing UnitMicroprocessorMicrocom

3、puterMicrocomputer System4. 單片機單片機Singel Chip MicrocomputerOne Chip MicrocomputerMicrocontrollerElectronic Control Unit（ECU）1.2 1.2 微型機模型的組成微型機模型的組成上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄P5 一、CPU的內部結構的內部結構 運算器由運算器由 算術邏輯單元算術邏輯單元ALU（Arithmetic Logic Unit） 累加器累加器A（Accumulator） 標志寄存器標志寄存器F（Flag) 寄存器組寄存器組 R（Registers） 相互之間通過內部總線

4、連接而成。相互之間通過內部總線連接而成。它的主要作用是進行數據它的主要作用是進行數據處理處理與與加工加工 1. 1. 運算器運算器上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄見見 P5 圖圖1-2 CU（Control Unit）由由 程序計數器程序計數器PC（Program Counter） 指令寄存器指令寄存器IR（Instruction Register） 指令譯碼器指令譯碼器ID（Instruction Decoder） 操作控制部件或稱為組合邏輯陣列操作控制部件或稱為組合邏輯陣列 PLA（ Programmed Logic Array） 時序發生器（圖時序發生器（圖1-2中略）等電路組成中略）等電路

5、組成 2. 控制器控制器 控制器的主要作用有：控制器的主要作用有： 解題程序與原始數據的輸入解題程序與原始數據的輸入 從內存中取出指令并譯碼從內存中取出指令并譯碼 控制運算器對數據信息進行傳送與加工控制運算器對數據信息進行傳送與加工 運算結果的輸出運算結果的輸出 外部設備與主機之間的信息交換外部設備與主機之間的信息交換 計算機系統中隨機事件的自動處理等計算機系統中隨機事件的自動處理等 上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄見見 P5 圖圖1-2“+1”計數計數3. . CPU中的主要寄存器中的主要寄存器 上頁上頁下頁下頁（1）累加器）累加器 A（2）數據寄存器）數據寄存器 DR（Data Registe

6、r）（3）寄存器組）寄存器組 R（4）指令寄存器）指令寄存器 IR、指令譯碼器、指令譯碼器 ID操作控制部件操作控制部件 PLA （5）程序計數器）程序計數器 PC（6）地址寄存器）地址寄存器 AR（Address Register） 回目錄回目錄* 4. . 標志寄存器標志寄存器F 標志寄存器標志寄存器 F 也稱程序狀態字也稱程序狀態字 PSW（Program State Word），是用來存放，是用來存放ALU運算結果的各種特征狀態的，運算結果的各種特征狀態的，如運算有無進（借如運算有無進（借）位、有無溢出、結果是否為零等）位、有無溢出、結果是否為零等 5. . 堆棧與堆棧指示器堆棧與堆棧

7、指示器SP（Stack Pointer） （1）按照先進后出按照先進后出FILO（First In Last Out） 順序向堆棧讀順序向堆棧讀/寫數據；寫數據；（2） SP始終指向棧頂；始終指向棧頂；（3）堆棧的兩種操作壓入（）堆棧的兩種操作壓入（PUSH） 和彈出（和彈出（POP） 它有三個主要特點：它有三個主要特點：上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄二、二、存儲器存儲器M（Memory） 存儲器存儲器 RAM基本結構一般由四個部分組成：基本結構一般由四個部分組成： 存儲矩陣、地址譯碼器存儲矩陣、地址譯碼器 讀寫控制電路、三態雙向緩沖器讀寫控制電路、三態雙向緩沖器。 上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄

8、自自CPU來來的的 CB來自來自CPU的地址的地址 AB往返于往返于CPU的的 DB地地址址譯譯碼碼器器控制控制00H01H02H03H .FEHFFH2568存儲矩陣存儲矩陣三三態態雙雙向向緩緩沖沖器器地地址址譯譯碼碼器器地地址址譯譯碼碼器器02H02H“讀讀”三三態態雙雙向向緩緩沖沖器器02H按地址訪問的一維線性空間按地址訪問的一維線性空間 三、I/O接口和外設接口和外設 四、模型機的工作過程四、模型機的工作過程 1. 1. 指令和指令系統指令和指令系統（1 1）指令的格式）指令的格式輸入操作輸入操作“讀讀”操作操作輸出操作輸出操作“寫寫”操作操作操作碼操作碼操作數或操作數或地址地址上頁上

9、頁下頁下頁回目錄回目錄*程序的存儲與執行程序的存儲與執行程序程序PCPCPCPCPCPC指令指令1指令指令2指令指令3指令指令nM指令地址指令地址 “+1”（2 2）指令的執行過程）指令的執行過程 指令執行的兩個階段，指令執行的兩個階段，取指階段取指階段與與執指階段執指階段 上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄一個一個CPU周期周期一個一個CPU周期周期一個一個CPU周期周期一個指令周期一個指令周期下一個指令周下一個指令周a) 取指階段取指階段b) 執指階段執指階段開始開始取指令取指令PC + 1操作操作譯碼譯碼取操作取操作數地址數地址PC+1地址地址譯碼譯碼取操取操作數作數執行執行操作操作取下條取下

10、條指令指令PC+ 1以直接尋址的指令為例以直接尋址的指令為例開始開始取指令取指令PC + 1操作操作譯碼譯碼取操作取操作數地址數地址PC+1地址地址譯碼譯碼取操取操作數作數執行執行操作操作取下條取下條指令指令PC+ 1操作碼操作碼操作數操作數地址地址 2. . 程序的執行過程程序的執行過程 表表1-1 “1-1 “15H+30H”程序執行過程程序執行過程上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄 注注 釋釋 地地 址址00H01H02H03H04H05H06H 內內 容容0111 01000001 01010010 01000011 00001000 00001111 1110 助助 記記 符符 MOV A

11、，#15H ADD A，#30H SJMP $ 取數指令，第一字節是操作碼取數指令，第一字節是操作碼第二字節就是指令的操作數第二字節就是指令的操作數加法指令，第一字節是操作碼加法指令，第一字節是操作碼第二字節也是指令的操作數第二字節也是指令的操作數兩字節指令，兩字節指令，執行原地踏步操作（暫停）執行原地踏步操作（暫停） PCPCPCPCPCPCPCPCPCPCPCP10 圖圖1-5， P11 圖圖1-6 演示了程序的操作過程演示了程序的操作過程1.3 1.3 微機系統微機系統微 處 理 器存 儲 器I/O 接 口系 統 總 線微 機外 設 、 電 源 機 箱 等程 序 設 計 語 言 ： 機

12、器 語 言 匯 編 語 言 高 級 語 言系 統 軟 件 ： 操 作 系 統 、 監 控 程 序 與 編 譯 解 釋 程 序 等應 用 軟 件 ： 數 據 庫 、 軟 件 包 和 窗 口 軟 件 等圖 1-7 微 機 系 統 示 意 圖微 機 系 統硬 件 系 統軟 件 系 統上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄P12一、微機硬件組成一、微機硬件組成上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄CPU微處理器微處理器RAMI/OROM外設外設輔助電路輔助電路CBUSDBUSABUSCBUS ：控制總線：控制總線 ，不確定，不確定DBUS：數據總線，雙向三態：數據總線，雙向三態ABUS ：地址總線，單向三態：地址總線，單

13、向三態I/O三態數據緩沖器三態數據緩沖器RAM三態數據緩沖器三態數據緩沖器ROM三態數據緩沖器三態數據緩沖器E1E2E3111000CPUD0 D7數數據據總總線線單向緩沖器單向緩沖器雙向緩沖器雙向緩沖器雙向緩沖器雙向緩沖器. . 總線總線 在在CPU與與其它部件其它部件之間之間信息信息傳送的傳送的公共通道公共通道（1 1）數據總線）數據總線 “雙向三態雙向三態 ” ”（2 2）地址總線）地址總線 “單向三態單向三態 ” ”（3 3）控制總線）控制總線 視具體情況而定視具體情況而定 “多選一多選一”地址譯碼地址譯碼片選信號片選信號上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄上頁上頁下頁下頁二、軟件系統二、軟件

14、系統 1. 1. 程序設計語言程序設計語言 （2 2）匯編語言）匯編語言 （3 3）高級語言）高級語言（1 1）機器語言）機器語言2. 2. 系統軟件系統軟件3. 3. 應用軟件應用軟件回目錄回目錄三、衡量計算機性能的主要技術指標三、衡量計算機性能的主要技術指標 1、字長、字長3、指令系統、指令系統2、存儲容量、存儲容量4、指令的執行時間、指令的執行時間5. 5. 外設擴展能力及配置外設擴展能力及配置上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄 1.4 單片微型計算機單片微型計算機單片機單片機 Single Chip Microcomputer Microcontrollor Electronic Contr

15、ol Unit （ECU） 定義：定義：是將微機的是將微機的CPU、存儲器、存儲器M、I/O接口接口和總線制作在一塊芯片上的超大規模和總線制作在一塊芯片上的超大規模集成電路。集成電路。上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄三維圖形三維圖形處理器處理器單片機分類單片機分類根據根據CPU 字長來劃分字長來劃分1位機位機4位位機機用于玩具、家用電器、計算器等用于玩具、家用電器、計算器等 8 位位機機16位位機機工業控制器、智能儀表、計算機工業控制器、智能儀表、計算機外設、通用測控單元、通訊設備外設、通用測控單元、通訊設備32位位機機高性能圖形工作站、高級機器人等高性能圖形工作站、高級機器人等上頁上頁下頁下頁回

16、目錄回目錄如：如：i808601.2億次億次/秒秒32位定點位定點64位浮點位浮點 1.4 .1 單片機的發展史單片機的發展史第一階段（第一階段（19741976）：）：單片機的初級階段單片機的初級階段例如：例如：8位單片機位單片機F8特點：特點：采用雙片組成采用雙片組成結構：結構：F8CPU64B RAM2個個I/O38511K ROM1個個T/C2個個I/O完整的完整的單片機單片機上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄Random Access Memory Read Only Memory Timer /Counter 存放數據存放數據存放程序存放程序第二階段（第二階段（19761979）：）：低

17、性能單片機階段低性能單片機階段例如：例如：MCS 48 系列系列特點：特點：小而全小而全結構：結構：MCS 488位位CPURAMI/OROMT/C上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄第三階段（第三階段（19791982）：）：高性能單片機階段高性能單片機階段例如：例如：MCS 51 系列系列特點：特點：系列化、功能強系列化、功能強結構：結構：MCS 518位位CPURAMI/OROMUARTINT上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄UART Universal Asynchronous Receiver/TransmitterINT Interrupt System 通用異步收通用異步收/發器發器串行口串行

18、口T/C第四階段（第四階段（1982 ）：）： 16位、位、32位單片機階段位單片機階段例如：例如：MCS 96 系列系列特點：特點： 增加了內部資源、實時處理能力更強、增加了內部資源、實時處理能力更強、 除了具有除了具有16位位CPU和存儲器和存儲器外又增加了部分內部資源，如：外又增加了部分內部資源，如：MCS 9610位位A/D轉換器轉換器高速輸入輸出高速輸入輸出HSIO脈寬調制輸出裝置脈寬調制輸出裝置PWM8XC196增強型增強型之后又推出：之后又推出：上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄MCS-51系列單片機已被國內用戶廣泛采用系列單片機已被國內用戶廣泛采用例如：例如：ATMEL公司的公司的A

19、T89系列系列Philips公司的公司的80C51系列系列ADI公司的公司的ADuC系列系列ADuC812:多通道多通道12位位A/D轉換器轉換器ADuC816:多通道多通道16位位A/D轉換器轉換器ADuC824:多通道多通道24位位A/D轉換器轉換器上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄 1.4 .2 單片機的發展趨勢單片機的發展趨勢1、高檔單片機性能不斷提高、高檔單片機性能不斷提高速度：速度：是原來單片機的是原來單片機的515倍倍精度：精度：CPU字長增加，字長增加，16位、位、32位單片機問世位單片機問世指令系統豐富、效率高指令系統豐富、效率高 內部資源的增加內部資源的增加程序存儲器：程序存儲器

20、：ROM、EPROM、E2PROM或或FLASH達幾十達幾十KB CPU功能的增強功能的增強上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄Erasalble Programmable ROMElectrically EPROM閃速存儲器閃速存儲器數據存儲器：數據存儲器：RAM達幾達幾KBI/O口：口：并口并口串口串口串行擴展口串行擴展口定時定時/計數器計數器（T/C）：）：定時輸出定時輸出捕捉輸入捕捉輸入監視器監視器WatchdogA/D轉換器：轉換器：8位、位、12位、位、16位、位、24位，多通道輸入位，多通道輸入脈寬調制輸出脈寬調制輸出PWM ，可代替，可代替D/A輸出輸出 尋址范圍的增加尋址范圍的增加上

21、頁上頁下頁下頁回目錄回目錄2、超小型、低功耗、價廉、超小型、低功耗、價廉3、微巨機單片化、微巨機單片化 如如: ATMEL公司的公司的 89C 1051 / 2051 20引腳，工作電壓（引腳，工作電壓（26V），電流僅幾個），電流僅幾個mA上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄如：如：Microchip 公司的公司的PIC 16/17系列系列18引腳、引腳、20引腳、引腳、28引腳，有的僅引腳，有的僅5個引腳個引腳工作電壓（工作電壓（26V），電流僅），電流僅2個個mA時時 鐘鐘電電 路路 1.4 .3 單片機內部結構單片機內部結構CPUROM RAM串行串行I/O定時器定時器并行并行I/O中斷中斷系

22、統系統GNDVcc圖圖 1-13 單片機的內部結構單片機的內部結構上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄內部總線內部總線1、中央處理器、中央處理器CPU2、存儲器、存儲器 數據存儲器數據存儲器RAM 容量：容量：64256B 構成：構成： 靜態隨機存儲器靜態隨機存儲器RAM 程序存儲器程序存儲器ROM 容量：容量： 164KB 構成：構成：ROM、EPROM、E2ROM或或FLASH3、I/O接口接口并行接口：用于外接輸入輸出設備并行接口：用于外接輸入輸出設備串行接口：可實現異步串行通信串行接口：可實現異步串行通信上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄 1.4 .4 單片機應用系統單片機應用系統1、基本系統、基本

23、系統單單片片機機復位復位電路電路電源電源輸入輸入/輸出輸出設設 備備時時 鐘鐘電電 路路圖圖 1-14 單片機的基本系統結構圖單片機的基本系統結構圖上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄輔助電路輔助電路控制對象控制對象最小系統最小系統2、擴展系統、擴展系統上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄EPROM程序存儲器程序存儲器串行串行接口接口A/D單單片片機機復位復位電路電路時鐘時鐘電路電路電源電源RAM數據存儲器數據存儲器并行并行接口接口D/A外部擴展總線外部擴展總線單片機擴展系統結構圖單片機擴展系統結構圖 通過總線來擴展一些部件，以彌補單片機內部資通過總線來擴展一些部件，以彌補單片機內部資源的不足。這樣可滿足一些

24、應用系統的特殊需要。源的不足。這樣可滿足一些應用系統的特殊需要。 1.4 .5 單片機典型產品單片機典型產品8位單片機位單片機 MCS-48系列系列型號型號CPUROMRAMT/CI/O8035 8位位 無無 64B 1 158039 8位位 無無 128B 1 15 8位位 1KB EPROM874864B1278位位2KB EPROM8749128B127上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄 MCS-51系列系列型號型號CPUROMRAMT/CI/O8031 8位位 無無 128B 2 328051 8位位 4KB ROM 128B 2 328位位4KB EPROM8751128B 2328位位

25、8KB ROM 8052 256B 332 與與MCS-48系列相比系列相比MCS-51系列在速度、內部資源、功能系列在速度、內部資源、功能等方面增強，且軟件豐富，開發裝置齊全。等方面增強，且軟件豐富，開發裝置齊全。特點：特點：上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄8位位 8KB EPROM 8752 256B 332內內核核 Philips 51系列單片機系列單片機 ATMEL 51系列單片機系列單片機特點：用特點：用E2PROM代替代替ROM，價格低，編程方便，價格低，編程方便 ADuC系列單片機系列單片機特點：用特點：用FLASH代替代替ROM；用；用ADC進行數據采集；進行數據采集； 12位位D

26、AC兩通道電壓型輸出進行控制，靈活兩通道電壓型輸出進行控制，靈活 、快捷、方便、且、快捷、方便、且價廉價廉 特點：片內具有特點：片內具有I2C總線、總線、A/D等豐富的功能部件等豐富的功能部件上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄 以上所述以上所述51增強型單片機，都是以增強型單片機，都是以8051/8031為內核，為內核，51基本型基本型增加一些功能部件構成的。增加一些功能部件構成的。 5151單片機的更新換代主要是通過不斷地推出新的增強型單片機的更新換代主要是通過不斷地推出新的增強型系列單片機完成的系列單片機完成的。 1.4 .6 單片機的應用單片機的應用1、單片機的應用特性、單片機的應用特性 體積

27、小體積小 可靠性高可靠性高 控制功能強控制功能強 使用方便使用方便 性能價格比高性能價格比高 (6)(6)開發應用快捷開發應用快捷上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄2、單片機的應用、單片機的應用 智能儀表智能儀表 在機電一體化中的應用在機電一體化中的應用例：微機控制的銑床、車床、自動點（驗）鈔機例：微機控制的銑床、車床、自動點（驗）鈔機 在實時控制中的應用在實時控制中的應用例：測控系統對過程控制參數進行測量、控制例：測控系統對過程控制參數進行測量、控制 在分布式多機系統中的應用在分布式多機系統中的應用 家用電器家用電器例：全自動洗衣機、熱水器、電子游戲機例：全自動洗衣機、熱水器、電子游戲機上頁上頁回

28、目錄回目錄溫度、壓力、流量、速度溫度、壓力、流量、速度1.4.7 單片微機應用舉例單片微機應用舉例 * 在機電一體化中的應用（機械零件的制造）在機電一體化中的應用（機械零件的制造）可歸納為兩個問題：可歸納為兩個問題：尺寸尺寸形狀形狀長短、大小長短、大小直度、錐度、圓度直度、錐度、圓度圓柱度、橢圓度等圓柱度、橢圓度等超精密超精密 微米加工微米加工盲區盲區解決好上述兩個問題，都離不開計算機解決好上述兩個問題，都離不開計算機測量測量控制控制上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄1 m=10 -6 m例例1 尺寸控制尺寸控制 0.1m以下以下慣性導航系統慣性導航系統“陀螺轉子陀螺轉子”的加工問的加工問題題地地

29、球球西西東東“差之毫厘差之毫厘, 謬之千里謬之千里”關鍵部件關鍵部件上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄單單片片機機A/DD/A測放測放電路電路驅動驅動電路電路測控單元測控單元 微控制器微控制器氣動氣動穩壓器穩壓器ei0500V執行執行機構機構壓電陶瓷微進給裝置壓電陶瓷微進給裝置20m工件工件A超精密加工示意圖超精密加工示意圖分辨率分辨率=0.01 m, 精度達精度達0.1 m 測頭測頭vivo氣氣動動測測量量裝裝置置工件的尺寸工件的尺寸AA A+ 20m粗加工粗加工上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄例例2 形狀控制形狀控制 變橢圓變橢圓“活塞活塞”加工控制系統加工控制系統活活 塞塞側視圖側視圖 頂視圖頂視

30、圖頭部頭部裙部裙部YX大大小小熱膨脹后熱膨脹后內內孔孔一定要把活塞一定要把活塞加工成一個變橢圓加工成一個變橢圓上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄傳統加工方式傳統加工方式“硬靠模硬靠模” 利用杠桿傳動（用車床車削）利用杠桿傳動（用車床車削）（1）用外匯購）用外匯購靠模靠模，種類多，花費大量外匯，種類多，花費大量外匯弊端弊端（2）有傳動誤差）有傳動誤差（3）靠模靠模磨損大磨損大間隙！間隙！加工精度低加工精度低, 成本高成本高上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄變橢圓變橢圓活塞活塞加工系統加工系統 “軟靠模軟靠模”刀接觸刀接觸1個同步個同步128個采樣個采樣微控制器微控制器功放功放縱向同步縱向同步電子開關電子開關

31、彈性彈性刀具刀具高頻響高頻響伺服機構伺服機構100m工件工件Vout機床機床主軸主軸夾具夾具主軸尾部主軸尾部裝有光電碼盤裝有光電碼盤變橢圓變橢圓活塞活塞加工系統總體框圖加工系統總體框圖上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄變橢圓變橢圓活塞活塞加工系統加工系統 “軟靠模軟靠模”刀接觸刀接觸1個同步個同步128個采樣個采樣微控制器微控制器功放功放縱向同步縱向同步電子開關電子開關彈性彈性刀具刀具高頻響高頻響伺服機構伺服機構100m工件工件Vout機床機床主軸主軸夾具夾具主軸尾部主軸尾部裝有光電碼盤裝有光電碼盤上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄例例3 儀器儀表儀器儀表 剛度測量儀剛度測量儀1. 測量原理測量原理工件工件AFXA剛度剛度 C =FX上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄2. 測量臺架測量臺架 AdSJ1J2 E彈簧彈簧上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄dJ1J2 ESF變形量變形量 X = S - d上頁上頁下頁下頁回目錄回目錄3. 求求 FJ1J2 E砝碼砝碼d 標定標定彈簧彈簧的的剛度系數剛度系數 = 500克克Pd PF = d