單片機原理與應用

PrinciplesandApplicationsofSCM

任課教師：馬華玲

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電子郵箱：angeling215@教材及參考書目：使用教材：《單片機的C語言應用程序設計》，馬忠梅等編著，北京航空航天大學出版社，2007年第四版。參考書目：《單片機C語言設計實例精講》，戴佳等編著，電子工業出版社，2008年12月第二版。《單片機C語言編程與實例》，趙亮等編著，人民郵電出版社，2003年9月第二版。《新概念51單片機C語言教程》，郭天祥編著，電子工業出版，2009年3月第一版。

課程的先修課程數字電路、模擬電子技術。后期訓練單片機課程設計、電子系統設計。深入應用電子設計競賽、畢業設計。

工程應用企業電子產品開發。須具備的知識和后期應用課程安排本課程強調實際應用為主，以培養學生的實際實踐能力為主。共64個學時2.實驗課程（12個學時）1.理論課程（52個學時）考核辦法總評成績的組成：40%50%10%期末成績平時成績實驗成績課堂提問出勤情況課后作業期中測試

實驗報告出勤情況第一章單片機基礎知識1.0單片機的概述與應用1.18051單片機的特點1.28051的內部結構1.38051的系統擴展1.48051指令系統1.0單片機概述及應用單片微機是單片微型計算機SCMC（SingleChipMicroComputer）的譯名簡稱，在國內也常簡稱為“單片微機”或“單片機”。它包括中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、中斷系統、定時器/計數器、串行口和I/O等等。 除了工業控制領域，單片微機在家用電器、電子玩具、通信、高級音響、圖形處理、語言設備、機器人、計算機等各個領域迅速發展。目前單片微機的世界年產量已達100億片，而在中國大陸地區單片微機的年應用量已達6億片左右，截止2001年4月，由中國大陸地區自行設計和生產的單片微機也已達到2000萬片。單片機的發展歷史劃分為四階段：第一階段（1976~1978年）：低性能單片機的探索階段。以Intel公司的MCS-48為代表，采用了單片結構，即在一塊芯片內含有8位CPU、定時/計數器、并行I/O口、RAM和ROM等。主要用于工業領域。第二階段（1978~1982年）：高性能單片機階段，這一類單片機帶有串行I/O口，8位數據線、16位地址線可以尋址的范圍達到64K字節、控制總線、較豐富的指令系統等。這類單片機的應用范圍較廣，并在不斷的改進和發展。第三階段（1982~1990年）：16位單片機階段。16位單片機除CPU為16位外，片內RAM和ROM容量進一步增大，實時處理能力更強，體現了微控制器的特征。例如Intel公司的MCS-96主振頻率為12M，片內RAM為232字節，ROM為8K字節，中斷處理能力為8級，片內帶有10位A/D轉換器和高速輸入/輸出部件等。第四階段（1990年~）：微控制器的全面發展階段，各公司的產品在盡量兼容的同時，向高速、強運算能力、尋址范圍大以及小型廉價方面發展。1970年微型計算機研制成功之后，隨著大規模集成電路的發展又出現了單片微機。美國Intel公司1971年生產的4位單片微機4004和1972年生產的8位單片微機8008，特別是1976年MCS-48單片微機問世以來，在短短的二十幾年間，經歷了四次更新換代，其發展速度大約每二三年要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番。發展速度之快、應用范圍之廣，已達到了驚人的地步。它已滲透到生產和生活的諸領域，可謂“無孔不入”。1976年Intel公司首先推出MCS－48系列單片微型計算機。它包括計算機的三個基本單元，已成為真正意義的單片微機，為單片微機的發展奠定了基礎，成為單片微機發展進程中的一個重要階段。許多半導體公司和計算機公司爭相研制和發展自己的單片微機系列，有Motorola公司的6801、6802，Zilog公司的Z－8系列，Rockwell公司的6501、6502等，此外，日本的NEC公司、日立公司及EPSON公司等，也都相繼推出了各具特色的單片微機品種。單片機的發展歷史單片機的發展歷史

最具典型性的屬Intel公司的MCS－51系列單片微機，它具有品種全、兼容性強、軟硬件資料豐富等特點。直到現在MCS－51仍不失為單片微機中的主流機型。由于8位單片微機的高性能價格比，已成為單片微機中的主流機型。在8位單片微機之后，16位單片微機也有很大發展。1983年Intel公司推出的MCS－96系列單片微機。與MCS－51相比，MCS－96不但字長增加一倍，而且還具有4路或8路的10位A/D轉換功能，此外，在其它性能方面也有一定的提高。飛利浦公司推出了與80C51在源碼級兼容性的16位單片微機，即80C51XA(每一條80C51指令可以1∶1地被翻譯成一條XA指令，僅XCHD指令除外)，用戶不需投入很大的軟件開銷和人員就能較大的提高產品性能。80C51XA具有的高性能包括：執行速度快、支持高級語言(比如C語言)、支持實時多任務執行、易于形成派生系列產品、地址寬度可變(用戶可以方便地將外部地址線寬度選定為12位、16位、20位、24位等等。在工業控制產品、高檔智能儀表、彩色復印機、錄像機等應用領域，單片微機正朝多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價格、擴大存儲容量和加強I/O功能及結構兼容方向發展。單片機的發展歷史⑴多功能 在單片微機中盡可能多的把應用系統中所需要的存儲器、各種功能的I/O口都集成在一塊芯片內，即外圍器件內裝化，如把LED、LCD顯示驅動器集成在8位單片微機中，如把A/D、D/A、乃至多路模擬開關和采樣/保持器也集成在單片微機芯片中，從而成為名副其實的單片微機。⑵高性能為了提高速度和執行效率，在單片微機中開始使用RISC體系結構、并行流水線操作和DSP等的設計技術，使單片微機的指令運行速度得到大大提高，其電磁兼容等性能明顯地優于同類型的微處理器。⑶全盤CMOS化趨勢單片微機采用二種半導體工藝生產，HMOS工藝即高密度短溝道MOS工藝，具有高速度和高密度；CHMOS工藝即互補金屬氧化物的HMOS工藝，除具有HMOS的優點外，還具有CMOS工藝的低功耗特點。如8051的功耗為630mw，而80C51的功耗僅120mw。單片機的發展歷史⑷推行串行擴展總線 推行串行擴展總線可以顯著減少引腳數量，簡化系統結構。隨著外圍器件串行接口的發展，單片微機的串行接口的普遍化、高速化，使得并行擴展接口技術日漸衰退。推出了刪去了并行總線的非總線單片微機，需要外擴器件(存儲器、I/O等)時，采用串行擴展總線，甚至用軟件虛擬串行總線來實現。由于集成度的進一步提高，有的單片微機的尋址能力已突破64KB的限制，8位、16位的單片微機有的尋址能力已達到1MB和16MB。片內ROM的容量可達62KB，RAM的容量可達2KB。80C51系列單片微機

8051是美國INTEL公司在1980年推出的MCS-51系列的第一個成員，MCS是INTEL公司的注冊商標。其它公司生產的以8051為核心單元的其它派生單片微機卻不能稱為MCS-51系列，只能稱為8051系列。8051系列泛指所有公司（也包括INTEL公司）生產的以8051為核心單元的所有單片微機。80C51系列包括Intel公司的MCS-51，又包括了以8051為核心單元的世界許多公司生產的單片微機，比如PHILIPS(飛利浦公司)的83C552及51LPC系列等、SIEMENS(西門子公司)的SAB80512等、AMD(先進微器件公司)的8053等、OKI(日本沖電氣公司)的MSM80C154等、ATMEL公司的Flash單片微機89C51等、DALLAS公司的DS5000/DS5001等、華邦公司的W78C51及W77C51等。 從MCS－48單片微機發展到如今的新一代單片微機，大致經歷了三代。如以Intel8位單片微機為例，第一代：以MCS－48系列單片微機為代表。屬于低性能單片微機階段。第二代：以MCS－5l系列的8051、8052單片微機為代表。主要的技術特征是為單片微機配置了完善的外部并行總線（AB、DB、CB）和具有多機識別功能的串行通信接口（UART），規范了功能單元的特殊功能寄存器（SFR）控制模式及適應控制器特點的布爾處理系統和指令系統，為發展具有良好兼容性的新一代單片微機奠定了良好的基礎。80C51系列單片微機第三代：以80C51系列單片微機為代表。 它包括了Intel公司發展MCS－51系列的新一代產品，如8XC152、80C51FA/FB、80C5lGA/GB，還包括了Phlips、Siemens、ADM、OKI、ATMEL等公司以80C51為核心推出的大量各具特色、與MCS－51兼容的單片微機。 部分廠家所生產的80C51系列或與之相兼容的單片微機的特點 80C51系列單片微機保留了MCS－51的所有特性，內部組成基本相同。80C51系列增設了兩種可以用軟件進行選擇的低功耗工作方式：空閑方式和掉電方式。

87C51是80C51含EPROM的產品，89C51是80C51含EEPROM的產品。新一代的80C51系列除了上述的結構特性外，還向外部電路擴展，有的公司型號配備了串行擴展線，比如芯片間的總線(飛利浦公司的I2C總線)、設備間網絡系統總線(CAN總線)等，為外部提供了完善的總線結構。采用總線方式的應用系統多屬較復雜的工控系統、智能儀表、監測系統，或滿足這些應用而構成的多機與網絡系統。總線方式的單片微機在不使用外部并行總線時，外部并行總線引腳可作為I/O口用。在掩膜用戶程序時，還可要求將這些I/O口改造成具有各種驅動能力的I/O口。根據應用的需要，部分產品對總線結構作了重大改進，推出了非總線型單片微機，其對外部不存在并行三總線(AB、DB、CB)，必要時可以通過串行總線進行擴展。表1–1Philips公司80C51系列的部分單片微機表1–2ATMEL公司89C51系列的部分單片微機單片機的應用

單片機最主要的應用就是構成智能系統，智能系統應具備數據采集、處理、判斷、分析和控制、輸出能力。在智能化程度較高的電子系統中，還應具備預測、自診斷、自適應、自組織和自學習功能。智能系統的組成：軟件和硬件；硬件：模擬電路、數字電路、微處理器單片機系統DSP系統嵌入式系統PC機系統單片機的應用大量的應用需求 廣泛的應用于儀器儀表、家用電器、醫用設備、航空航天、專用設備的智能化