單片機(jī)原理與接口技術(shù)(第1章)

第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)單片機(jī)原理與接口技術(shù)

第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)1.1單片機(jī)的發(fā)展歷史單片機(jī)的發(fā)展歷史可以分成四個(gè)階段。第一個(gè)階段是1971年到1974年。第二個(gè)階段是1974年到1978年。第三個(gè)階段是1978年到1982年。第四個(gè)階段是1982年到現(xiàn)在。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)第一個(gè)階段1971年11月美國Intel公司首先設(shè)計(jì)成集成度為2000只晶體管的4位的微處理器Intel40004，并且配有隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM，只讀存儲(chǔ)器ROM和移位寄存器等芯片，構(gòu)成第一臺(tái)MCS-4微型計(jì)算機(jī)。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)第一個(gè)階段1972年4月Intel公司又研制了功能齊全的8位微處理器Intel80000，這種微處理器雖然還算不上單片機(jī)，但從此拉開了研制單片機(jī)的序幕。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)第二個(gè)階段這是單片機(jī)研制的初級(jí)階段，以Intel公司的MCS-48為代表，這種單片機(jī)內(nèi)集成有8位CPU、并行I/O、8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，尋址空間為4KB，這時(shí)單片機(jī)技術(shù)進(jìn)入了現(xiàn)場應(yīng)用的階段。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)第三個(gè)階段這是單片機(jī)推廣運(yùn)用的階段，也是高性能單片機(jī)研制階段。在這一階段出現(xiàn)的單片機(jī)普遍帶有串行口，有多級(jí)中斷的處理系統(tǒng)、16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，片內(nèi)RAM、ROM容量加大，且尋址范圍可達(dá)64KB，有的片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換器接口。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)第四個(gè)階段在這個(gè)階段中，8位單片機(jī)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，16位單片機(jī)也已經(jīng)進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用的階段。一方面出現(xiàn)的各種類型的單片機(jī)，另一方面EDA技術(shù)和ARM技術(shù)也在不斷地完善。盡管如此，單片機(jī)技術(shù)仍然是EDA技術(shù)和ARM技術(shù)基礎(chǔ)。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)1.2MCS-51單片機(jī)的主要功能

單片機(jī)（singlechipmicrocomputer），也稱為微控制器，是在一硅片上集成了各種部件的微型計(jì)算機(jī)，這些部件包括中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、輸入/輸出I/O接口電路、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和串行通信接口電路。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)1.2MCS-51單片機(jī)的主要功能

MCS-51單片機(jī)有三種類型的基本產(chǎn)品8051、8031和8751。這3個(gè)產(chǎn)品只是片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的制造工藝不同。8051的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器ROM為掩膜型的，在制造芯片時(shí)就已經(jīng)將程序固化到程序存儲(chǔ)器中去了，因此這種單片機(jī)具有某種專用的功能。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)1.2MCS-51單片機(jī)的主要功能

MCS-51單片機(jī)具備一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)所具有的基本組成部分。一個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)該由三部分組成。CPU、存儲(chǔ)器和I/O接口。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)8051CPU的功能

1、一個(gè)8位的CPU。

2、具有布爾代數(shù)的運(yùn)算能力。

3、32條雙向可被獨(dú)立尋址的I/O。

4、片內(nèi)有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)8051CPU的功能

5、內(nèi)部有兩組16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器。

6、具有全雙工的傳輸信號(hào)。

7、5個(gè)中斷源，兩層優(yōu)先級(jí)的中斷結(jié)構(gòu)。

8、外部程序存儲(chǔ)器可擴(kuò)充到64K。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)1.3MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

8051單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器ROM、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾個(gè)單元，以及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線三個(gè)總線。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)

MCS-51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖

第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)

8051系列單片機(jī)的組成

1、一個(gè)8位的中央處理器CPU2、片內(nèi)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM3、片內(nèi)程序存儲(chǔ)器4、四個(gè)8位并行輸入輸出接口第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)

8051系列單片機(jī)的組成

5、兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器6、MCS-51系列的單片機(jī)設(shè)有5個(gè)中斷源7、一個(gè)全雙工的串行通信接口

8、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)

8位的中央處理器CPU

這是單片機(jī)的核心部件，它的數(shù)據(jù)總線一次能處理8位二進(jìn)制數(shù)，CPU的作用是控制、指揮和協(xié)調(diào)整個(gè)單元系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出數(shù)據(jù)的操作。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)片內(nèi)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM

8051內(nèi)部有128個(gè)8位的用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，還有128個(gè)專用寄存器，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶使用的RAM只有128個(gè)，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器

片內(nèi)程序存儲(chǔ)器有ROM（掩膜型）、EPROM（紅外線擦除式）和EEPROM（電擦除式）等常用形式。主要是用來存放程序的，也可以用來存放一些原始數(shù)據(jù)或表格。但要注意8031和8032單片機(jī)內(nèi)部沒有程序存儲(chǔ)器。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)四個(gè)8位并行輸入輸出接口

四個(gè)8位并行輸入輸出接口（I/O）P0~P3，每個(gè)口既可以用于輸入數(shù)據(jù)，也可以用于輸出數(shù)據(jù)。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，既可以用于定時(shí)器，也可以用于計(jì)數(shù)器。用于定時(shí)器時(shí)對(duì)單片機(jī)內(nèi)部脈沖計(jì)數(shù)，用于計(jì)數(shù)器時(shí)對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)。一般情況下，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿時(shí)，通過計(jì)算機(jī)的中斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的控制。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)MCS-51系列單片機(jī)的中斷源

MCS-51系列的單片機(jī)設(shè)有5個(gè)中斷源，其中兩個(gè)用于外部中斷，兩個(gè)用于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的中斷，還有一個(gè)是串行口的中斷。這是一個(gè)比較完善的中斷系統(tǒng)，擁有兩級(jí)優(yōu)先級(jí)的選擇，可以用來滿足于不同設(shè)備的控制要求。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)全雙工的串行通信接口

一個(gè)全雙工的UART（串行通信接口），這是一個(gè)通用異步接收發(fā)送器，可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與單片機(jī)之間的串行通信。這個(gè)串行口既可以用做異步通信收發(fā)器，也可以用做同步移位寄存器。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路

片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，所用的石英晶體振蕩器最高頻率為12MHZ，用于產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時(shí)序，但是要注意8051單片機(jī)需要外接振蕩電容。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)總結(jié)1、單片機(jī)的發(fā)展歷史2、單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)3、MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析RAM:randomaccessmemory隨機(jī)存取存儲(chǔ)器ROM:Read-OnlyMemory只讀存儲(chǔ)器SRAM:

StaticRAM靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器DRAM:DynamicRAM動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器PROM:programmableROM可編程序只讀存儲(chǔ)器EPROM:ErasablePROM可擦可編程序只讀存儲(chǔ)器EEPROM:ElectricallyErasablePROM電可擦可編程序只讀存儲(chǔ)器

第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)并行和串行在數(shù)據(jù)傳輸方面是說數(shù)據(jù)多位同時(shí)傳輸還是單位傳輸?shù)膯栴}．不能說哪種更快，主要看時(shí)鐘、傳輸距離、物理介質(zhì)、電壓形式（如果是電信號(hào)）等．如果同等的以上條件，并行傳輸要快，但是增加了復(fù)雜度，大型計(jì)算機(jī)或通信設(shè)備上會(huì)采用，一般的個(gè)人電腦、手機(jī)等通信設(shè)備則會(huì)采用更方便的串行傳輸．

第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)尋址空間尋址空間一般指的是CPU對(duì)于內(nèi)存尋址的能力。通俗地說，就是能最多用到多少內(nèi)存的一個(gè)問題。數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器(RAM)中存放是有規(guī)律的，CPU在運(yùn)算的時(shí)候需要把數(shù)據(jù)提取出來就需要知道數(shù)據(jù)在那里，這時(shí)候就需要挨家挨戶的找，這就叫做尋址，但如果地址太多超出了CPU的能力范圍，CPU就無法找到數(shù)據(jù)了。CPU最大能查找多大范圍的地址叫做尋址能力，CPU的尋址能力以字節(jié)為單位，如32位尋址的CPU可以尋址2的32次方大小的地址也就是4G，這也是為什么32位的CPU最大能搭配4G內(nèi)存的原因，再多的話CPU就找不到了。

第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)

A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，或簡稱ADC，通常是指一個(gè)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的電子元件。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個(gè)輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出的數(shù)字信號(hào)。由于數(shù)字信號(hào)本身不具有實(shí)際意義，僅僅表示一個(gè)相對(duì)大小。故任何一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個(gè)參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號(hào)大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號(hào)相對(duì)于參考信號(hào)的大小。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換器，又稱D/A轉(zhuǎn)換器，簡稱DAC，它是把數(shù)字量轉(zhuǎn)變成模擬的器件。D/A轉(zhuǎn)換器基本上由4個(gè)部分組成，即權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)電源和模擬開關(guān)。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)

EDA技術(shù)

EDA是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（ElectronicDesignAutomation）的縮寫，在20世紀(jì)90年代初從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助測試（CAT）和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）的概念發(fā)展而來的。EDA技術(shù)就是以計(jì)算機(jī)為工具，設(shè)計(jì)者在EDA軟件平臺(tái)上，用硬件描述語言HDL完成設(shè)計(jì)文件，然后由計(jì)算機(jī)自動(dòng)地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至對(duì)于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)中斷

中斷是計(jì)算機(jī)中的一個(gè)十分重要的概念，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中毫無例外地都要采用中斷技術(shù)。什么是中斷呢？可以舉一個(gè)日常生活中的例子來說明，假如你正在給朋友寫信，電話鈴響了。這時(shí)，你放下手中的筆，去接電話。通話完畢，再繼續(xù)寫信。這個(gè)例子就表現(xiàn)了中斷及其處理過程：電話鈴聲使你暫時(shí)中止當(dāng)前的工作，而去處理更為急需處理的事情（接電話），把急需處理的事情處理完畢之后，再回頭來繼續(xù)原來的事情。在這個(gè)例子中，電話鈴聲稱為“中斷請(qǐng)求”，你暫停寫信去接電話叫作“中斷響應(yīng)”，接電話的過程就是“中斷處理”，相應(yīng)地，在計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序的過程中，由于出現(xiàn)某個(gè)特殊情況（或稱為“事件”），使得CPU中止現(xiàn)行程序，而轉(zhuǎn)去執(zhí)行處理該事件的處理程序（俗稱中斷處理或中斷服務(wù)程序），待中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢，再返回?cái)帱c(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行原來的程序，這個(gè)過程稱為中斷。

第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)入口主程序中斷服務(wù)程序中斷源斷點(diǎn)

計(jì)算機(jī)為什么要采用中斷為了說明這個(gè)問題，再舉一例子。假設(shè)你有一個(gè)朋友來拜訪你，但是由于不知道何時(shí)到達(dá)，你只能在大門等待，于是什么事情也干不了。如果在門口裝一個(gè)門鈴，你就不必在門口等待而去干其它的工作，朋友來了按門鈴?fù)ㄖ?，你這時(shí)才中斷你的工作去開門，這樣就避免等待和浪費(fèi)時(shí)間。計(jì)算機(jī)也是一樣，例如打印輸出，ＣＰＵ傳送數(shù)據(jù)的速度高，而打印機(jī)打印的速度低，如果不采用中斷技術(shù)，ＣＰＵ將經(jīng)常處于等待狀態(tài)，效率極低。而采用了中斷方式，ＣＰＵ可以進(jìn)行其它的工作，只在打印機(jī)緩沖區(qū)中的當(dāng)前內(nèi)容打印完畢發(fā)出中斷請(qǐng)求之后，才予以響應(yīng)，暫時(shí)中斷當(dāng)前工作轉(zhuǎn)去執(zhí)行向緩沖區(qū)傳送數(shù)據(jù)，傳送完成后又返回執(zhí)行原來的程序。這樣就大大地提高了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)什么是中斷的優(yōu)先級(jí)我們?nèi)匀豢梢耘e例說明中斷優(yōu)先級(jí)的概念。在上面的例子中，如果在電話鈴響的同時(shí)，門鈴也響了，那么你將在“接電話”和“開門”這兩個(gè)中斷請(qǐng)求中選擇，先響應(yīng)哪一個(gè)請(qǐng)求。這就有一個(gè)誰優(yōu)先的問題。如果“開門”比“接電話”重要（或者說“開門”比“接電話”的優(yōu)先級(jí)高），那么就應(yīng)該先開門，然后再接電話，接完電話后再回頭來繼續(xù)寫信。這就是說，當(dāng)同時(shí)有多個(gè)中斷請(qǐng)求時(shí)，應(yīng)該先響應(yīng)優(yōu)先級(jí)較高的中斷請(qǐng)求。此外，如果在響應(yīng)一個(gè)中斷，執(zhí)行中斷處理的過程中，又有新的中斷事件發(fā)生而發(fā)出了中斷請(qǐng)求，應(yīng)該如何處理也取決于中斷事件的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)新發(fā)生的中斷事件的優(yōu)先級(jí)高于正在處理的中斷事件時(shí)，又將中止當(dāng)前的中斷處理程序，轉(zhuǎn)去處理新發(fā)生的中斷事件，處理完畢才返回原來的中斷處理。在上面的例子中，我們假設(shè)“開門”比“接電話”的優(yōu)先級(jí)高。在你寫信時(shí)，電話鈴響了，你去接電話，在通話的過程中，門鈴又響了。因?yàn)椤伴_門”的優(yōu)先級(jí)高，你只能讓通話的對(duì)方稍等，放下電話去開門。開門之后再回頭繼續(xù)接電話，通話完畢再回去繼續(xù)寫信。而如果“開門”比“接電話”的優(yōu)先級(jí)低，那么在通話的過程中門鈴響了也可以不予理睬，通話結(jié)束再去開門。當(dāng)然，在日常生活中，誰也不會(huì)為“開門”和“接電話”規(guī)定一個(gè)優(yōu)先級(jí)別的高低。但是在計(jì)算機(jī)中，各種中斷事件很多，其優(yōu)先級(jí)都有規(guī)定，否則就會(huì)亂套。在計(jì)算機(jī)中，中斷事件的優(yōu)先級(jí)是根據(jù)事件的實(shí)時(shí)性、重要性和軟件處理的方便性來安排的。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)中斷優(yōu)先級(jí)排隊(duì)1．中斷優(yōu)先級(jí)：當(dāng)CPU正在處理中斷時(shí)，能響應(yīng)更高級(jí)別的中斷請(qǐng)求，而屏蔽掉同級(jí)或較低級(jí)別的中斷請(qǐng)求。

2．單級(jí)中斷處理和多級(jí)中斷處理：單級(jí)中斷處理不允許其他設(shè)備再中斷CPU的程序；多級(jí)中斷處理允許優(yōu)先級(jí)高的中斷打斷優(yōu)先級(jí)低的中斷服務(wù)程序。第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)第1章單片機(jī)的基本硬件結(jié)構(gòu)同時(shí)中斷請(qǐng)求的處理方法中斷的屏蔽

中斷屏蔽也是一個(gè)十分重要的功能，所謂中斷屏幕蔽是指通過設(shè)置相應(yīng)的中斷屏蔽位，禁止響應(yīng)某個(gè)中斷。這樣作的目的，是保證在執(zhí)行一些重要的程序中不響應(yīng)中斷，以免造成遲緩而引起錯(cuò)誤。例如，在系統(tǒng)啟動(dòng)執(zhí)行初始化程序時(shí)，就屏蔽鍵盤中斷，使初始化程序能夠順利進(jìn)行。這時(shí)，敲任何鍵，都不會(huì)響應(yīng)。當(dāng)然對(duì)于一些重要的中斷是不能屏蔽的，例如重新啟動(dòng)、電源故障、內(nèi)存出錯(cuò)、總線出錯(cuò)等影響整個(gè)系統(tǒng)工作的中斷是不能屏蔽的。因此，