MC9S12單片機原理及嵌入式應用開發(fā)技術(1)-第1章-單片機概述課件

1、College of Communication Engineering, Jilin University第1章 單片機概述2College of Communication Engineering, Jilin University本章提要1.1 單片機概述 1.1.1 單片機概念 1.1.2 單片機的應用 1.1.3 單片機歷史及新技術 1.1.4 單片機的開發(fā)方法1.2 單片機基本知識 1.2.1 數(shù)的表示 1.2.2 基本門電路 1.2.3 組合電路 1.2.4 單片機構成3College of Communication Engineering, Jilin University

2、1.1.1 單片機概念微處理器、微控制器和單片機單片機：微處理器（Microprocessor）+存儲器（Memory)+輸入輸出部件(Peripheral) 一個芯片 微處理器：CPU 存儲器：ROM+RAM輸入輸出部件：A/D、定時器、PWM、SCI、SPI （鍵盤、撥位開關、LED燈、數(shù)碼管顯示、液晶顯示、蜂鳴器） 單片機（國內）Single Chip Microcomputer微控制器（國外）Microcontroller片上系統(tǒng) SoC（System on Chip) ：提高可靠性、降低復雜性、減少硬件尺寸、降低成本和功耗。 應用系統(tǒng)單片化：總有一款適合你?。◣浊ХN） 嵌入式系統(tǒng)ES

3、（ Embedded systems ）：以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。 4College of Communication Engineering, Jilin University單片機生產廠商5College of Communication Engineering, Jilin University1.1.2 單片機應用汽車電子無線通信醫(yī)療器械過程控制智能機器人高 鐵航 海航 空智能樓宇6College of Communication Engineering, Jilin University世

4、界上第一臺(1946年)電子數(shù)字計算機第一代(1946一1958年)電子管數(shù)字計算機第二代(I958一1964年)晶體管數(shù)字計算機第三代(1964一l971年)集成電路計算機第四代(197l年以后)大規(guī)模集成電路計算機1.1.3 單片機歷史及新技術計算機的發(fā)展歷史 1.大型、巨型計算機 2.小型、微型計算機 CPU的集成度已達到千萬只晶體管，時鐘頻率高達GHz計算機的發(fā)展趨勢7College of Communication Engineering, Jilin University1.1.3 單片機歷史及新技術Freescale公司單片機的發(fā)展演變概況 位數(shù)指CPU數(shù)據(jù)總線的位數(shù)。位數(shù)的高低

5、體現(xiàn)了CPU處理能力的強弱。8College of Communication Engineering, Jilin University1.1.3 單片機歷史及新技術配置 閃存、ROM、RAM、I/O、ADC、DAC、PWM、定時器/計數(shù)器、SCI、SPI、CAN總線、USB接口、液晶顯示驅動、無線通信接口、以太網(wǎng)接口等等32位機新技術 雙核：Xgate協(xié)處理器管理I/O； PowerPC: MotorolaIBMApple、RISC（汽車電子、通信） ARM：英國著名的芯片設計公司、RISC、耗電少、成本低、功能強（移動 通信、手持計算、多媒體數(shù)字消費） DSP型：運算速度快，可用于運算量

6、特別大的場合。（工業(yè)控制、汽車電子、消費類電子產品、電動機變頻控制、音頻壓縮與解碼、數(shù)字相機和 圖像處理等） 工業(yè)級嵌入式單片機的產品有較長的壽命，1020年。從技術上看，8位、16位和32位單片機各有其相應的應用領域和定位。技術的進步體現(xiàn)為使用更精密的制造工藝，從而使芯片面積更小、功耗更低、價格更便宜。9College of Communication Engineering, Jilin UniversityFreescale Part Numbering Scheme(16bit)S12S12X通用，型號廣泛增強型XGATE協(xié)處理器S12XS增強型無XGATE協(xié)處理器10College

7、of Communication Engineering, Jilin University1.1.4 單片機的開發(fā)方法 仿真器、監(jiān)控程序、BDM 單片機仿真器：* 用復雜的系統(tǒng)模仿目標單片機的功能，將仿真頭插在目標板 上單片機芯片的位置上做系統(tǒng)調試。 * 8051單片機仿真器，仿真器貴，不通用。 監(jiān)控程序： * 通過串口操作片內閃存,實現(xiàn)程序的擦除和下載,并能使程序運行。 同時可以實現(xiàn)簡單的調試功能，如顯示和修改各內部寄存器、顯 示和修改內存等。 * 通過PC串口和單片機的串口實現(xiàn)人機對話，可以使單片機的開發(fā) 不依賴于任何開發(fā)工具（51系列仿真芯片SST89E516） * 占用用戶資源（串口

8、、片內RAM和閃存） * 監(jiān)控程序和應用程序共享一個CPU，因此不能做動態(tài)調試。 后臺調試方式BDM（Background Debug Mode）：原理同監(jiān)控程序。 * 無需占用用戶資源：獨留通信引腳，釋放了SCI；定制ROM空間； * 片內增設智能化通信狀態(tài)機模塊，利用空周期對存儲空間進行讀 寫，實現(xiàn)動態(tài)在線調試。 集成開發(fā)環(huán)境IDE（Integrated Development Environment）：由匯 編工具、交叉C編譯器、I/O模塊的專家?guī)?、源碼級調試工具等組成， 能夠為用戶自動建立工程文件，生成系統(tǒng)初始化程序、設置中斷向 量等，使應用程序的開發(fā)傻瓜化。（CODEWARRIOR）

9、 11College of Communication Engineering, Jilin University后臺調試模式BDM后臺調試模式BDM是Freescale公司提出的一種調試接口，主要用于嵌入式MCU的程序下載和程序調試。12College of Communication Engineering, Jilin University 1.2.1 數(shù)的表示 數(shù)制1. 十進制： a.有10個數(shù)字符號0、1、2、8、9，注意!沒有“10” b.逢10進位，既在較高位增1; c.同一數(shù)符在不同位置所代表數(shù)值不同，差10k倍 d.小數(shù)點向左/右移動一位數(shù)值縮小/擴大10倍。2. J進位計數(shù)

10、的特點： a.有J個數(shù)字符號; 0、1、2、J-1，注意!沒有“J”; b.逢J進位，既在較高位增1; c.同一數(shù)符在不同位置所代表數(shù)值不同，差Jk倍 d.小數(shù)點向左/右移動一位數(shù)值縮小/擴大J倍。13College of Communication Engineering, Jilin University 1.2.1 數(shù)的表示 數(shù)制3. “權”和“基”（1）“基”：所使用的數(shù)字符號(簡稱數(shù)符)的個數(shù) J 稱為“基”（2）數(shù)位：為方便描述多位數(shù)中各數(shù)字符號所在位置，現(xiàn)規(guī)定，自小數(shù)點開始向左各位稱為第0位、第1位、 ；自小數(shù)點開始向右各位稱為第-1位、第-2位、。（3）“權”：數(shù)字符號“1”在

11、某位置所代表的數(shù)值稱為該位的權。 顯然，在J進位計數(shù)制下，第k位的權為Jk。（4） J進制數(shù)所代表的數(shù)值-按權展開(以十進制表示) ： (DmD1D0.D-1D-2D-n)J= (Dm*Jm + + D1*J + D0 + D-1*J-1 + D-2*J-2 + + D-n*J-n)1014College of Communication Engineering, Jilin University 1.2.1 數(shù)的表示 數(shù)制4. 二進制(J=2) a.有二個數(shù)字符號0、1，注意!沒有“2”; b.逢2進位，既在較高位增1; c.數(shù)字符號“1”在第k位代表的數(shù)值是2k。 d.小數(shù)點向左/右移動一

12、位數(shù)值縮小/擴大2倍。 e.(110111)2=1*25+1*24+0*23+1*22+1*21+1*20=(55)105. 八進制(J=8) a.有八個數(shù)字符號0、1、7，注意!沒有“8”; b.逢8進位，既在較高位增1; c.數(shù)字符號“1”在第k位代表的數(shù)值是8k。 d.小數(shù)點向左/右移動一位數(shù)值縮小/擴大8倍。 e.(103524)8=1*85+0*84+3*83+5*82+2*81+4*80=(34644)1015College of Communication Engineering, Jilin University 1.2.1 數(shù)的表示 數(shù)制6. 十六進制(J=16) a.有十六

13、個數(shù)字符號，除0、1、2、8、9外，還需借用六個英文字母A、B、C、D、E、F；它們所對應的十進值分別為10、11、15。注意!沒有“16”！ b.逢16進位，既在較高位增1; c.數(shù)字符號“1”在第k位代表的數(shù)值是16k。 d.小數(shù)點向左/右移動一位數(shù)值縮小/擴大16倍。 e.(4A07F1)16=4*165+10*164+0*163+7*162+15*161+1*160 =(4851679)10 進制后綴：B:2 H:16 Q或O:8 D或無:10 例：11100110B 3058H 305816College of Communication Engineering, Jilin Uni

14、versity1.2.1 數(shù)的表示 數(shù)制常用各種進制數(shù)字符號對應關系16進制10進制8進制2進制16進制10進制8進制2進制0000 991110011111A1012101022210B1113101133311C12141100444100D13151101555101E14161110666110F151711117771111016201 0000 881010001117211 000117College of Communication Engineering, Jilin University 1.2.1 數(shù)的表示 數(shù)制7. J1（十）進制數(shù) J2（二）進制數(shù)的轉換算法 （1）整

15、數(shù)部分：除(J2)取余。 （2）小數(shù)部分：乘(J2)取整。 （3）上述運算需要在J1進制下進行！ 例：(53.625)10=(110101.101)2 （4）這種方法是普遍適用的，無論機器中還是書面上！8. 書面上不同進制數(shù)之間的轉換算法： （1）當J1進運算較易人工完成時，可用機器中相同的算法 （2）當運算不易人工完成時，可先用十進運算按“權”展開為十進數(shù)，再由十進數(shù)轉換為J2進。 例：(11001.1001)2 =(25.5625)1018College of Communication Engineering, Jilin University 1.2.1 數(shù)的表示 數(shù)制9.二進制數(shù)與十

16、六進制數(shù)之間的轉換算法 由于恰好 24=16，所以有以下變換方法。這種方法不僅可以在書面上進行，也可以在機器中完成。 （1）二進制數(shù) 十六進制數(shù)的方法 a.將二進制數(shù)自小數(shù)點開始向左/右按 4位一節(jié)分組，末端不足 4位的部分用“0”補足為4位。 b.將每4位二進制數(shù)寫成1位十六進制數(shù)。 c.例：(000101101101.01001010)2 =(16D.4A)16 （2） 十六進制數(shù) 二進制數(shù)的方法 a.將每1位十六進制數(shù)寫成4位二進制數(shù)。 b.例：(1863.5B)16 = (0001100001100011.01011011)2 19College of Communication En

17、gineering, Jilin University 1.2.1 數(shù)的表示 數(shù)制10. Using windows - accessories - calc to practice with different number systems20College of Communication Engineering, Jilin University 1.2.1 數(shù)的表示 有符號數(shù)非數(shù)值信息在計算機中的表達-編碼非二進數(shù)字符號在機器中的表達-編碼帶符號二進數(shù)的符號的表達-編碼(符號位)機器數(shù)： 1. 一個數(shù)在機器中的表示形式稱為機器數(shù)(實質即編碼) 2. 不僅符號部分是編碼表達的；為應用方便

18、，數(shù)值部分也常 按某種方法編碼表達。真值：機器數(shù)所代表的真實數(shù)值本身稱為真值。有符號數(shù)和無符號數(shù)：有些問題中沒有負數(shù)問題，此時全部編碼長度都只用來表達數(shù)值，此稱無符號數(shù)。 21College of Communication Engineering, Jilin University 1.2.1 數(shù)的表示 有符號數(shù)帶符號數(shù)的符號的表達方法：屬于非數(shù)值信息，只能通過二進編碼表達。符號位： 1.因數(shù)的符號只有“+”和“-”二種情況，所以編碼時只需使用一個二進位即可。此稱“符號位”。 2.一般來說，用“1”表示“+”，用“0”表示“-”；或相反均可。但一 經約定就要一以貫之地使用到底，不能中途再改變

19、。另外，為與其他人交流之便，這種約定一定要與大多數(shù)人一致。 3.目前，普遍采用的編碼方法是用“0”表示“+”，用“1”表示“-”。因此，我們也采用這種約定。22College of Communication Engineering, Jilin University 1.2.1 數(shù)的表示 有符號數(shù)帶符號數(shù)的原碼表示：在其絕對值前冠以符號位。帶符號數(shù)的反碼表示：正數(shù)的反碼與其原碼相同； 負數(shù)的反碼是將其原碼除符號位外逐位取反帶符號數(shù)的補碼表示：正數(shù)的補碼與其原碼相同； 負數(shù)的補碼是其原碼除符號位外逐位取反，末位加 1編碼原碼真值反碼真值補碼真值編碼原碼真值反碼真值補碼真值00000000+0+

20、0010000000-0-127-12800000001+1+1+110000001-1-126-12700000010+2+2+210000010-2-125-12601111101+125+125+12511111101-125-2-301111110+126+126+12611111110-126-1-201111111+127+127+12711111111-127-0-123College of Communication Engineering, Jilin University 1.2.1 數(shù)的表示 有符號數(shù)補碼減法 1. X - Y補= X補 + -Y補 采用補碼可將減法變?yōu)榧?/p>

21、法 X補 + -Y補 = 2+X + (2-Y) = 2 +2+ (X-Y) = X-Y補 (mod 2n) 例：X= - 11 1000 = (- 56)10 ; Y= - 1 0001 = (- 17)10 ; X - Y= - 11 1000 - (- 1 0001) = - 10 0111 = (- 39)10 X補 = 1100 1000 X補 = 1100 1000 -Y補 = + 0001 0001 Y補 = - 1110 1111 (進位) 0 0000 0000 (借位) 1 1111 1110 - - 39補 = 1101 1001 - 39補 = 1101 100124C

22、ollege of Communication Engineering, Jilin University 1.2.1 數(shù)的表示 ASC碼ASCII(美國信息交換標準化)碼是專門用于非數(shù)值信息和符號的一種編碼方案 其編碼的內容： 1.英文字母 2.阿拉伯數(shù)字 3.標點符號 4.格式控制符號 5.對外設的控制符號7位碼，共128個編碼。 特意較機器中的存儲單元長度少1位。存儲時占有低7位。 最高位可用于特殊目的；不用時用0占位。這是一種規(guī)律十分明確的編碼，要求熟記其中有明顯規(guī)律的部分！編碼表： 奇/偶校驗及奇/偶校驗位25College of Communication Engineering,

23、 Jilin University 1.2.1 數(shù)的表示 ASC碼英文字母的編碼： 1. 大寫字母 A - Z : 41H - 5AH 2. 小寫字母 a - z : 61H - 7AH 3. 大寫小寫: +20H 4. 小寫大寫: -20H 5. A - F 十六(二)進值：- 37H 6. 十六(二)進值 A - F ：+ 37H阿拉伯數(shù)字的編碼： 1. 0 - 9 : 30H - 39H 2. 0 - 9 二進值： - 30H 3. 二進值 0 - 9 ：+ 30H格式控制符號和設備控制符號的編碼： 空格：20H 回車：0DH 換行：0AH配置奇/偶校驗位 1. 奇校驗: A 41H =

24、 0100 0001 1100 0001 C 43H = 0100 0011 0100 0011 2. 偶校驗： A 41H = 0100 0001 0100 0001 C 43H = 0100 0011 1100 001126College of Communication Engineering, Jilin UniversityASCII Table27College of Communication Engineering, Jilin UniversityASCII TableASCII character is treated as a number in computerTemp

25、 = ?Quiz1: unsigned char temp = a + 4;Quiz2: unsigned char temp =( a z );28College of Communication Engineering, Jilin University1.2.1 數(shù)的表示 BCD碼 用于表達十進制數(shù)符的二進編碼稱為BCD碼。 BCD數(shù)的存儲形式-緊縮BCD數(shù)/非緊縮BCD數(shù) 1.計算機中的存儲系統(tǒng)常常是以8個二進位為一個單元。 2.一組BCD編碼是4個二進位，因此每個存儲單元最多可以放2組BCD編碼。 3.當每個存儲單元放2組BCD編碼時，稱為緊縮BCD數(shù)。 當每個存儲單元放1組BCD編

26、碼時，稱為非緊縮BCD數(shù) 4.緊縮BCD數(shù)：高4個二進位對應二個十進數(shù)中的高位。 低4個二進位對應二個十進數(shù)中的低位。 5.非緊縮BCD數(shù)：必須放在低4個二進位中，高4個二進 位必須置0000。29College of Communication Engineering, Jilin UniversityBCDBCD Binary Coded DecimalRepresent an individual decimal as binary. For example, to convert a decimal for 7-segment displayDecimal BCD0000010001

27、20010 30011 40100 50101 60110 70111 81000 91001 Dec: 17BCD: 0001 011130College of Communication Engineering, Jilin UniversityExercise按照大小給下面幾個數(shù)排序16進制 0 x1310進制 17二進制 0b00010101BCD碼 0b0001010131College of Communication Engineering, Jilin University1.2.2 基本門電路Two voltage levels can be represented as d

28、igits 0 and 1TTL : VCC=5V5% 0=0-0.7V 1=2.4 5VCMOS: VDD=3 8V (Lower to1.8 or 0.9V) 0=00.3VDD, 1=0.71VDDVddebcN typeVssggN typeP typeOng = HighOnb = HighOng = LowOffb = LowTTL and CMOS TransistorsVddVdd32College of Communication Engineering, Jilin UniversityBasic Logic ElementBA Inverter 反相器B = A ( B

29、= !A)AB1001Circuit Truth Table Boolean Expression Logic Diagram SymbolABCABC001011101110NAND 與非門C = !(A * B)33College of Communication Engineering, Jilin UniversityBasic Logic Element (cont)Circuit Truth Table Boolean Expression Logic Diagram SymbolABC001010100110 NOR或非門 C = !(A + B)ABCInOutCCInOut0

30、0Z01Z100111 三態(tài)門Three Status GateInOutC34College of Communication Engineering, Jilin UniversityLogic elementWith the Inverter, NOR, NAND, more logic element can be build.ABC000010100111Circuit Truth Table Boolean Expression Logic Diagram Symbol AND C = (A * B)ABC000011101111 OR C = (A + B)35College o

31、f Communication Engineering, Jilin UniversityLogic element (cont)ABCDEABDEC00000010111010111000 XORC = (A B)36College of Communication Engineering, Jilin University1.2.3 組合電路 邏輯電路A0SA1A2A3Address decoderA(0,1,2,3) = ? ,then S = 1Widely used for address decoding in computer designto select a specifie

32、d address location or an address region.37College of Communication Engineering, Jilin University1.2.3 組合電路 邏輯電路(續(xù))2-4 DecoderA B S0 S1 S2 S30 00 11 01 10 1 1 11 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0S0AS1S2S3BWidely used in multiplexer.38College of Communication Engineering, Jilin University1.2.3 組合電路 運算電路xyscS = x

33、yC = x*yXYCS0000010110011110SumCarryhalf adder39College of Communication Engineering, Jilin University1.2.3 組合電路 運算電路(續(xù))ZXYCS0000000101010010111010001101101101011111Full adderxysczXYSCZ40College of Communication Engineering, Jilin University1.2.3 組合電路 運算電路XYSCZXYSCZXYSCZXYSCZA3A2A1A0B3B2B1B0C0S3S2S1S0C1C2C3C4S = A + B4-bit adder41College of Communication Engineering, Jilin University多(4)位加/減法電路 設二個加數(shù)分別為：A , B 和/差為 ： S利用補碼變減法為加法： AB補= A補+-B補= A補+B補+ 1求B補-可控反相門(P32)和 加/減控制端電路 P33 42