南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院

1、MCS-51系列單片微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用主講：宋 標(biāo)南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院1 緒 論8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院一、什么是單片機(jī)1.計(jì)算機(jī) 馮.諾依曼 提出的電子計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)： 運(yùn)算器 （ALU） 控制器 （Controller) 存儲(chǔ)器 (Memory) 輸入設(shè)備 (Input) 輸出設(shè)備 (Output)8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院1946年2月15日，第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC問(wèn)世，這標(biāo)志著計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來(lái)。（CALCULATOR）8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院這

2、種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常由多塊印刷電路板制成：多板機(jī) 主板顯卡聲卡存儲(chǔ)器接口網(wǎng)卡輸入輸出接口內(nèi)存條CPU8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，相繼經(jīng)歷了五個(gè)時(shí)代：電子管計(jì)算機(jī)；晶體管計(jì)算機(jī)；集成電路計(jì)算機(jī)；大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)；超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。光子計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)仍然沒(méi)有突破馮諾依曼提出的計(jì)算機(jī)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)框架。8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院1.1.2 微型計(jì)算機(jī)的組成及其應(yīng)用形態(tài)一、微型計(jì)算機(jī)的組成 1971年1月，INTEL公司的特德霍夫在與日本商業(yè)通訊公司合作研制臺(tái)式計(jì)算器時(shí)，將原始方案的十幾個(gè)芯片壓縮成三個(gè)集成電路芯片。其中的兩個(gè)芯片分別用于存儲(chǔ)程

3、序和數(shù)據(jù)，另一芯片集成了運(yùn)算器和控制器及一些寄存器，稱為微處理器（即Intel 4004）。8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院微處理器、存儲(chǔ)器加上I/O接口電路組成微型計(jì)算機(jī)。各部分通過(guò)地址總線（AB）、數(shù)據(jù)總線（DB）和控制總線（CB）相連。8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院二、微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用形態(tài)從應(yīng)用形態(tài)上，微型計(jì)算機(jī)可以分成三種：（1）多板機(jī)（系統(tǒng)機(jī)） 將CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口電路和總線接口等組裝在一塊主機(jī)板（即微機(jī)主板）上，再通過(guò)系統(tǒng)總線和其它多塊外設(shè)適配板卡連接鍵盤、顯示器、打印機(jī)、軟/硬盤驅(qū)動(dòng)器及光驅(qū)等設(shè)備。各種適配板卡插在主機(jī)板的擴(kuò)展槽上并與電源、軟/硬盤驅(qū)

4、動(dòng)器及光驅(qū)等裝在同一機(jī)箱內(nèi)，再配上系統(tǒng)軟件，就構(gòu)成了一臺(tái)完整的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱系統(tǒng)機(jī)）。工業(yè)PC機(jī) 也屬于多板機(jī)。8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院這種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常由多塊印刷電路板制成：多板機(jī) 主板顯卡聲卡存儲(chǔ)器接口網(wǎng)卡輸入輸出接口內(nèi)存條CPU8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院（2） 單板機(jī)將CPU芯片、存儲(chǔ)器芯片、I/O接口芯片和簡(jiǎn)單的I/O設(shè)備（小鍵盤、LED顯示器）等裝配在一塊印刷電路板上，再配上監(jiān)控程序（固化在ROM中），就構(gòu)成了一臺(tái)單板微型計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱單板機(jī)）。單板機(jī)圖片8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院?jiǎn)伟鍣C(jī)CPUCPU芯片內(nèi)存條存儲(chǔ)器接口存儲(chǔ)器芯片輸

5、入輸出接口輸入輸出接口芯片定時(shí)計(jì)數(shù)器芯片A/D、D/A芯片8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院 單板機(jī)的I/O設(shè)備簡(jiǎn)單，軟件資源少，使用不方便。早期主要用于微型計(jì)算機(jī)原理的教學(xué)及簡(jiǎn)單的測(cè)控系統(tǒng)，現(xiàn)在已很少使用。8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院（3）單片機(jī)在一片集成電路芯片上集成微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口電路，從而構(gòu)成了單芯片微型計(jì)算機(jī)，即單片機(jī)。三種應(yīng)用形態(tài)的比較 ：?jiǎn)伟鍣C(jī)單片機(jī)系統(tǒng)機(jī)（多板機(jī)）8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院 單 硅 晶 片 CPU存儲(chǔ)器控制電路定時(shí)器時(shí)鐘電路I / O口單片機(jī)8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 8/3

6、1/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院 系統(tǒng)機(jī)（桌面應(yīng)用）屬于通用計(jì)算機(jī)，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理、辦公自動(dòng)化及輔助設(shè)計(jì)。 單片機(jī)（嵌入式應(yīng)用）屬于專用計(jì)算機(jī)，主要應(yīng)用于智能儀表、智能傳感器、智能家電、智能辦公設(shè)備、汽車及軍事電子設(shè)備等應(yīng)用系統(tǒng)。 單片機(jī)體積小、價(jià)格低、可靠性高，其非凡的嵌入式應(yīng)用形態(tài)對(duì)于滿足嵌入式應(yīng)用需求具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院總結(jié):單片機(jī)的概念 何為單片機(jī): 將計(jì)算機(jī)的基本組成部分集成到一個(gè)芯片上或一個(gè)完全封裝的器件內(nèi)，一塊

7、芯片構(gòu)成一臺(tái)計(jì)算機(jī)，故稱單晶片微型計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱單片機(jī)、嵌入式微控制器）。有一些單片機(jī)中除了上述部份外，還集成了其它功能部件如A/D，D/A等。 單片機(jī)系統(tǒng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)是在單片機(jī)芯片的基礎(chǔ)上擴(kuò)展其他電路構(gòu)成的具有一定功能的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。它是以單片機(jī)為核心的系統(tǒng)。亦稱嵌入式系統(tǒng)。單片機(jī)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小性價(jià)比高可靠性高，功耗小應(yīng)用范圍廣泛，開發(fā)方便 8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院1.2 單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程及產(chǎn)品近況1.2.1 單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程 單片機(jī)技術(shù)發(fā)展過(guò)程可分為三個(gè)主要階段： （1）單芯片微機(jī)形成階段 1976年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機(jī) 。 8位CPU、

8、1K字節(jié)ROM、64字節(jié)RAM、27根I/O線和1個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。 特點(diǎn)是：存儲(chǔ)器容量較小，尋址范圍小（不大于4K），無(wú)串行接口，指令系統(tǒng)功能不強(qiáng)。 8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院 （2）性能完善提高階段 1980年，Intel公司推出了MCS-51系列單片機(jī)：8位CPU、4K字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM、4個(gè)8位并口、1個(gè)全雙工串行口、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。尋址范圍64K，并有控制功能較強(qiáng)的布爾處理器。 特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點(diǎn)進(jìn)一步突出?，F(xiàn)在，MCS-51已成為公認(rèn)的單片機(jī)經(jīng)典機(jī)種 。8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院 （3）微控制器化

9、階段 1982年，Intel推出MCS-96系列單片機(jī)。 芯片內(nèi)集成：16位CPU、8K字節(jié)ROM、232字節(jié)RAM、5個(gè)8位并口、1個(gè)全雙工串行口、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。尋址范圍64K。片上還有8路10位ADC、1路PWM輸出及高速I/O部件等。 特點(diǎn)是：片內(nèi)面向測(cè)控系統(tǒng)外圍電路增強(qiáng)，使單片機(jī)可以方便靈活地用于復(fù)雜的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)及設(shè)備。“微控制器”的稱謂更能反應(yīng)單片機(jī)的本質(zhì)。8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院1.2.2 單片機(jī)產(chǎn)品近況 （1）80C51系列單片機(jī)產(chǎn)品繁多，主流地位已經(jīng)形成，近年來(lái)推出的與80C51兼容的主要產(chǎn)品有： ATMEL公司融入Flash存儲(chǔ)器技術(shù)的AT89系

10、列； Philips公司的80C51、80C552系列； 華邦公司的W78C51、W77C51高速低價(jià)系列； ADI公司的ADC8xx高精度ADC系列； LG公司的GMS90/97低壓高速系列； Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列； Cygnal公司的C8051F系列高速SOC單片機(jī)。8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院 （2）非80C51結(jié)構(gòu)單片機(jī)新品不斷推出，給用戶提供了更為廣泛的選擇空間 ，近年來(lái)推出的非80C51系列的主要產(chǎn)品有：Intel的MCS-96系列16位單片機(jī) ； Microchip的PIC系列RISC單片機(jī) ；TI的MSP430F系列16位低功耗

11、單片機(jī) 。8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院1.3 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域1.3.1 單片機(jī)的特點(diǎn) （1）控制性能和可靠性高 實(shí)時(shí)控制功能特別強(qiáng)，其CPU可以對(duì)I/O端口直接進(jìn)行操作，位操作能力更是其它計(jì)算機(jī)無(wú)法比擬的。另外，由于CPU、存儲(chǔ)器及I/O接口集成在同一芯片內(nèi)，各部件間的連接緊湊，數(shù)據(jù)在傳送時(shí)受干擾的影響較小，且不易受環(huán)境條件的影響，所以單片機(jī)的可靠性非常高。 近期推出的單片機(jī)產(chǎn)品，內(nèi)部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低電壓、低功耗、串行擴(kuò)展總線、控制網(wǎng)絡(luò)總線和開發(fā)方式（如在系統(tǒng)編程ISP）等方面都有了進(jìn)一步的增強(qiáng)。8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)

12、理學(xué)院（2）體積小、價(jià)格低、易于產(chǎn)品化 單片機(jī)芯片即是一臺(tái)完整的微型計(jì)算機(jī)，對(duì)于批量大的專用場(chǎng)合，一方面可以在眾多的單片機(jī)品種間進(jìn)行匹配選擇，同時(shí)還可以專門進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)，使芯片的功能與應(yīng)用具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在單片機(jī)產(chǎn)品的引腳封裝方面，有的單片機(jī)引腳已減少到8個(gè)或更少，從而使應(yīng)用系統(tǒng)的印制板減小、接插件減少、安裝簡(jiǎn)單方便。具有控制性能和可靠性高良好的性能價(jià)格比。這是單片機(jī)得以廣泛應(yīng)用的重要原因。8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院1.3.2 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 （1）智能儀器儀表 單片機(jī)用于各種儀器儀表，一方面提高了儀器儀表的使用功能和精度，使儀器儀表智能化，同時(shí)還簡(jiǎn)化了儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)

13、，從而可以方便地完成儀器儀表產(chǎn)品的升級(jí)換代。如各種智能電氣測(cè)量?jī)x表、智能傳感器等。8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院（2）機(jī)電一體化產(chǎn)品機(jī)電一體化產(chǎn)品是集機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，具有智能化特征的各種機(jī)電產(chǎn)品。單片機(jī)在機(jī)電一體化產(chǎn)品的開發(fā)中可以發(fā)揮巨大的作用。典型產(chǎn)品如機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)包裝機(jī)、點(diǎn)鈔機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、打印機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等。8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院（3）實(shí)時(shí)工業(yè)控制單片機(jī)還可以用于各種物理量的采集與控制。電流、電壓、溫度、液位、流量等物理參數(shù)的采集和控制均可以利用單片機(jī)方便地實(shí)現(xiàn)。在這類系統(tǒng)中，利用單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，可以

14、根據(jù)被控對(duì)象的不同特征采用不同的智能算法，實(shí)現(xiàn)期望的控制指標(biāo)，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。典型應(yīng)用如電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、自動(dòng)生產(chǎn)線等 。8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院（4）分布式系統(tǒng)的前端模塊 在較復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)中，經(jīng)常要采用分布式測(cè)控系統(tǒng)完成大量的分布參數(shù)的采集。在這類系統(tǒng)中，采用單片機(jī)作為分布式系統(tǒng)的前端采集模塊，系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠，數(shù)據(jù)采集方便靈活，成本低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)。8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院（5）家用電器家用電器是單片機(jī)的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域，前景十分廣闊。如空調(diào)器、電冰箱、洗衣機(jī)、電飯煲、高檔洗浴設(shè)備、高檔玩具等。 另外，在交通領(lǐng)域中，汽車、火車、飛機(jī)、

15、航天器等均有單片機(jī)的廣泛應(yīng)用。如汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、航天測(cè)控系統(tǒng)、黑匣子等 。8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院1.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)簡(jiǎn)介1.4.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā) 正確無(wú)誤的硬件設(shè)計(jì)和良好的軟件功能設(shè)計(jì)是一個(gè)實(shí)用的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。完成這一目標(biāo)的過(guò)程稱為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。 單片機(jī)作為一片集成了微型計(jì)算機(jī)基本部件的集成電路芯片，與通用微機(jī)相比，它自身沒(méi)有開發(fā)功能，必須借助開發(fā)機(jī)（一種特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）來(lái)完成如下任務(wù)： 排除應(yīng)用系統(tǒng)的硬件故障和軟件錯(cuò)誤； 程序固化到內(nèi)部或外部程序存儲(chǔ)器芯片中。 8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院（1）指令的表示形式指令是讓單片

16、機(jī)執(zhí)行某種操作的命令。在單片機(jī)內(nèi)部，指令按一定的順序以二進(jìn)制碼的形式存放于程序存儲(chǔ)器中。二進(jìn)制碼是計(jì)算機(jī)能夠直接執(zhí)行的機(jī)器碼（或稱目標(biāo)碼）。為了書寫、輸入和顯示方便，人們通常將機(jī)器碼寫成十六進(jìn)制形式。如二進(jìn)制碼0000 0100B可以表示為04H。04H所對(duì)應(yīng)的指令意義是累加器A的內(nèi)容加1。若寫成INC A則要清楚得多，這就是該指令的符號(hào)表示，稱為符號(hào)指令。8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院（2）匯編或編譯 符號(hào)指令要轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的機(jī)器碼并存入計(jì)算機(jī)的程序存儲(chǔ)器中，這種轉(zhuǎn)換稱為匯編。常用的匯編方法有三種：一是手工匯編；二是利用開發(fā)機(jī)的駐留匯編程序進(jìn)行匯編；三是交叉匯編。還可以采

17、用高級(jí)語(yǔ)言（如C51）進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。這種方法具有周期短、移植和修改方便的優(yōu)點(diǎn)，適合于較為復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)。8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院（1）利用獨(dú)立型仿真器開發(fā)8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院（2）利用非獨(dú)立型仿真器開發(fā) 8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院1.4.3 單片機(jī)開發(fā)方式的發(fā)展 SST公司推出的SST89C54和SST89C58芯片分別有20KB和30KB的SuperFLASH存儲(chǔ)器，利用這種存儲(chǔ)器可以進(jìn)行高速讀/寫的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP）功能。首先在PC機(jī)上完成應(yīng)用程序的編輯、匯編（或編譯）、模擬運(yùn)行，然后

18、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)程序的串行下載。8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院 Microchip公司推出的RISC結(jié)構(gòu)單片機(jī)PIC16F87X中內(nèi)置在線調(diào)試器ICD（In-Circuit Programming）功能，該公司還配置了具有ICSP（In-Circuit Serial Programming）功能的簡(jiǎn)單仿真器和燒寫器。通過(guò)PC機(jī)串行電纜就可以完成對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的仿真調(diào)試 。8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院1.4.4.單片機(jī)的分類位數(shù)：8bit、 16bit、 32bit專用/通用：如電話、鍵盤、洗衣機(jī)MCS51、MC68HC廠家:Intel：8位 MCS-48 MCS-51 16位 MCS-96 MCS-196Motorola：68系列 68HC系列Zilog：Z-8系列Atmel：89系列8/31/2022南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院系列片內(nèi)存儲(chǔ)器（字節(jié)）定時(shí)器計(jì)數(shù)器并行I/O串行I/O中斷源有無(wú)片內(nèi)ROM片內(nèi)RAM無(wú)有ROM有EPROM8051子系列80318051(4K字節(jié))8751(4K字節(jié))128字節(jié)