【大學(xué)課件】單片機(jī)硬件系統(tǒng)2

單片機(jī)硬件系統(tǒng)歡迎來到單片機(jī)硬件系統(tǒng)課程。本課程將深入探討單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能模塊和應(yīng)用領(lǐng)域。讓我們開始這段精彩的技術(shù)之旅吧！課程內(nèi)容導(dǎo)航1硬件基礎(chǔ)單片機(jī)組成、CPU結(jié)構(gòu)、寄存器類型2存儲與接口存儲器分類、I/O接口、通信模塊3系統(tǒng)功能時鐘電路、中斷系統(tǒng)、工作模式4應(yīng)用與發(fā)展應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展歷程、未來展望單片機(jī)的硬件組成中央處理器控制單元和算術(shù)邏輯單元存儲器程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器輸入輸出接口與外部設(shè)備交互的通道時鐘電路提供系統(tǒng)工作時序8位單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中央處理器執(zhí)行指令、處理數(shù)據(jù)的核心單元內(nèi)部總線連接各個功能模塊的數(shù)據(jù)通道片內(nèi)外設(shè)定時器、串口等集成功能模塊特殊功能寄存器控制和配置單片機(jī)各項(xiàng)功能8位單片機(jī)的中央處理器CPU控制單元負(fù)責(zé)指令的解碼和執(zhí)行控制，協(xié)調(diào)各個部件的工作。算術(shù)邏輯單元執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算，是數(shù)據(jù)處理的核心。寄存器組用于臨時存儲數(shù)據(jù)和地址，提高CPU運(yùn)算速度。CPU內(nèi)部寄存器累加器主要的運(yùn)算寄存器，存儲運(yùn)算結(jié)果。程序計(jì)數(shù)器指向下一條待執(zhí)行指令的地址。堆棧指針指向當(dāng)前棧頂?shù)牡刂贰顟B(tài)寄存器存儲CPU的工作狀態(tài)和運(yùn)算結(jié)果標(biāo)志。程序計(jì)數(shù)器PC初始化系統(tǒng)復(fù)位時，PC被設(shè)置為起始地址。自增每執(zhí)行一條指令，PC自動加1。跳轉(zhuǎn)執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令時，PC被設(shè)置為目標(biāo)地址。中斷響應(yīng)中斷時，PC保存當(dāng)前地址并跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序。工作寄存器1通用寄存器用于臨時存儲數(shù)據(jù)，提高運(yùn)算速度。2地址寄存器存儲內(nèi)存或I/O端口的地址。3指針寄存器用于間接尋址，指向內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。4索引寄存器用于數(shù)組操作，存儲偏移量。標(biāo)志寄存器標(biāo)志位功能零標(biāo)志Z運(yùn)算結(jié)果為零時置1進(jìn)位標(biāo)志C運(yùn)算產(chǎn)生進(jìn)位或借位時置1符號標(biāo)志S運(yùn)算結(jié)果為負(fù)數(shù)時置1溢出標(biāo)志V運(yùn)算結(jié)果超出表示范圍時置1存儲器1程序存儲器存儲指令代碼，通常為ROM或Flash。2數(shù)據(jù)存儲器存儲運(yùn)行時數(shù)據(jù)，通常為RAM。3EEPROM存儲非易失性數(shù)據(jù)，如配置參數(shù)。4外部擴(kuò)展存儲器通過總線接口擴(kuò)展存儲容量。存儲器的分類易失性存儲器靜態(tài)RAM(SRAM)動態(tài)RAM(DRAM)非易失性存儲器只讀存儲器(ROM)可編程ROM(PROM)閃存(Flash)存儲器的訪問方式1直接尋址指令中直接給出操作數(shù)的地址。2間接尋址指令中給出的是存放地址的地址。3寄存器尋址操作數(shù)在CPU內(nèi)部寄存器中。4立即尋址操作數(shù)直接包含在指令中。輸入輸出接口數(shù)字I/O處理離散的高低電平信號。模擬I/O處理連續(xù)變化的電壓或電流信號。串行接口如UART、SPI、I2C等通信協(xié)議。并行接口同時傳輸多位數(shù)據(jù)的高速接口。數(shù)字輸入輸出接口輸入模式可配置上拉或下拉電阻，讀取外部開關(guān)或傳感器狀態(tài)。輸出模式可配置推挽或開漏輸出，控制LED或繼電器等外部設(shè)備。雙向模式可動態(tài)切換輸入輸出方向，適應(yīng)不同應(yīng)用需求。中斷功能可配置引腳觸發(fā)中斷，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)外部事件。模擬輸入輸出接口模擬輸入通過ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，用于采集傳感器數(shù)據(jù)。模擬輸出通過DAC將數(shù)字值轉(zhuǎn)換為模擬信號，用于控制模擬設(shè)備。比較器比較兩個模擬信號的大小，輸出數(shù)字結(jié)果。時鐘電路1振蕩器產(chǎn)生基本時鐘信號。2倍頻器提高時鐘頻率。3分頻器降低時鐘頻率。4相位鎖定環(huán)穩(wěn)定和同步時鐘。5看門狗定時器監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。定時器/計(jì)數(shù)器模塊定時功能按設(shè)定時間間隔觸發(fā)事件或中斷。計(jì)數(shù)功能統(tǒng)計(jì)外部事件發(fā)生次數(shù)。PWM生成產(chǎn)生可調(diào)占空比的脈沖寬度調(diào)制信號。捕獲功能精確測量外部信號的時間參數(shù)。串行通信接口UART異步串行通信，常用于設(shè)備間點(diǎn)對點(diǎn)連接。SPI同步串行通信，高速、全雙工，適用于短距離通信。I2C雙線串行總線，支持多設(shè)備通信，適用于板級互連。CAN控制器局域網(wǎng)絡(luò)，高可靠性，廣泛應(yīng)用于汽車電子。中斷系統(tǒng)中斷源外部事件或內(nèi)部模塊觸發(fā)中斷請求。中斷控制器管理多個中斷源，確定優(yōu)先級。CPU響應(yīng)保存當(dāng)前狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序執(zhí)行特定的中斷處理任務(wù)。中斷返回恢復(fù)之前的執(zhí)行狀態(tài)。中斷的分類硬件中斷外部中斷定時器中斷串口中斷軟件中斷系統(tǒng)調(diào)用異常處理非屏蔽中斷最高優(yōu)先級，不可被禁用的中斷。中斷的工作過程1中斷請求外部事件或內(nèi)部模塊發(fā)出中斷信號。2中斷判優(yōu)中斷控制器判斷中斷優(yōu)先級。3現(xiàn)場保護(hù)保存當(dāng)前程序狀態(tài)和寄存器內(nèi)容。4執(zhí)行ISR跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。5中斷返回恢復(fù)之前的程序狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行主程序。引腳電路保護(hù)電路防止靜電放電和過壓損壞。驅(qū)動能力提供足夠的電流驅(qū)動外部設(shè)備。多功能復(fù)用一個引腳可配置多種功能。濾波電路減少干擾，提高信號質(zhì)量。外圍電路晶振電路提供穩(wěn)定的時鐘信號。復(fù)位電路確保系統(tǒng)正確啟動。調(diào)試接口用于程序下載和調(diào)試。電源管理提供穩(wěn)定的工作電壓。電源電路1電壓調(diào)節(jié)器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所需的穩(wěn)定電壓。2濾波電容消除電源紋波，提供穩(wěn)定的直流電壓。3電源監(jiān)控檢測電壓異常，保護(hù)單片機(jī)免受損壞。4低功耗設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)待機(jī)和睡眠模式，延長電池壽命。單片機(jī)的工作模式正常工作模式全功能運(yùn)行，最高性能和功耗。低功耗模式關(guān)閉部分模塊，降低功耗。睡眠模式停止大部分功能，僅保留喚醒源。深度睡眠模式關(guān)閉幾乎所有功能，最低功耗。單片機(jī)的片內(nèi)外設(shè)單片機(jī)的發(fā)展歷程11971年英特爾4004，第一個單芯片微處理器。21974年英特爾8048，首款單片機(jī)問世。31980年代8位單片機(jī)廣泛應(yīng)用，如8051系列。41990年代16位和32位單片機(jī)出現(xiàn)，性能大幅提升。521世紀(jì)ARM架構(gòu)單片機(jī)崛起，低功耗高性能。單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域智能家居控制家電、安防系統(tǒng)。工業(yè)控制自動化生產(chǎn)線、機(jī)器人。汽車電子發(fā)動機(jī)管理、車載娛樂。