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1、控制理论基础(II),交通大学精品课程系列,2007,课程负责人:杨汝清 教授 曹其新教授,顾问: 王显正 教授,9.1 关于单片机,9.2 单片机介绍,9.3 单片机的特点,9.4 MCS51的内部资源,9.7.1电路搭建,9.5 单片机的内外结构,9.6 存储器结构和操作,9.7 一个简单电路分析实例,9.7.2 任务分析,9.8 单片机执行程序的过程,9.1 关于单片机,名称:Single Chip Microcomputer 总体特点:抗干扰性强、硬件通用化、实 时控制、接口功能,灵活编程方便 用途: 机电控制的常用方案 方法:专门开发语言、需求决定(I/O, 接口、容量、通讯等),如
2、何学习,理解工作方式和特点 熟悉并理解基本电路 多实践:从简单到复杂 基本技能,常用的控制方案设计,学习电路控制的基础课程,9.2 单片机介绍,一、1、单片机的定义(全名为单片微型计算机、或微控制器):它是指在一块超大规模集成电路芯片上,集成了CPU、ROM、RAM、I/O接口、定时器、计数器、中断系统等功能部件的电子元件。就其组成结构而言,一块单片机就是一台计算机。 2、单片机的种类:(70多个系列、500个机种) Intel MCS-48 MCS-51 MCS-96 Motorla 6801 6802 6803 Zilog super8 Fairchild F8 3870 Microchi
3、p PIC16xx,Intel单片机按功能可分8种类型,1、基本型(51子系列)8031 (无片内ROM)8051(4KROM) 8751(片内4KRAM); 2、增大片内存储容量(52子系列)片内存储容量扩大一倍,定时器为3个、中断源6个; 3、低功耗基本型:80C51/87C51/80C31,有三种功耗控制方式; 4、A/D型 83C51GA、80C51GA/87C51GA带有8路8位A/D,半双工同步串行接口;,5、DMA型 83C452,它有两个DMA通道; 6、多并行接口型83C451,增加2个8位的准双向口P4/P5和一个内部具有上拉电阻的8位双向口; 7、可编程计数阵列型83C5
4、1FA, 它有5个比较/捕捉模块、16位高速输出、8位脉冲宽度调制等功能; 8、高级语言型 8052AH 片内固化有BASIC52解释程序。,9.3 单片机的特点,体积小、重量轻、价格便宜、功耗小; 可靠性高、抗干扰能力强; 控制功能强、运算速度快; 硬件通用化、应用灵活化; 应用系统的研制周期短。,单片机的发展趋势,CPU的改进 采用双CPU:Rockwell 公司的 R6500/21; 增加数据总线宽度:NEC公司的PD7800(16位); 采用流水线结构:TMS公司的TMS320,指令以队列形式出现在CPU中,从而有很高的运算速度; 串行总线结构:菲利浦公司的MAB8420采用I2C总线
5、和DDB总线。 存储器的发展 增大存储容量、片内EPROM开始 EEPROM化、编程保密化,9.4 MCS51的内部资源,8位的CPU 片内振荡器及时钟电路 32根I/O口线 64K片外数据存储器 256内部数据寄存器 64K的片外程序存储器(包括片内4K) 具有2个优先级别的5个中断源结构 有2个16位的定时器/计数器; 一个全双工的串行口 一个布尔处理器,9.5 单片机的内外结构,一、单片机的外部结构(封装) 拿到一块芯片,想要使用它,首先必须要知道怎样连线,我们用一块DIP封装的89C51芯片。 89C51的引脚排列,三总线结构 地址总线 数据总线 控制总线,9.6 存储器结构和操作,程
6、序存储器: 存放指令、常数、表格等,片外 程序 存储 器,1000H,FFFFH,片内 程序 存储 器,片外 程序 存储 器,0000H,0FFFH,EA=1,EA=0,特殊功能 寄存器,数据 缓冲区,位寻址区,工作 寄存器区,00H,1FH,20H,2FH,30H,7FH,80H,FFH,片内数据存储器,0000H,FFFFH,片外 数据 存储 器,9.7 一个简单电路分析实例,9.7.1电路搭建 1)电源 单片机使用的是5V电源,其中正极接40引脚,负极(地)接20引脚。,2) 振蒎电路:单片机是一种时序电路,必须提供脉冲信号才能正常工作,在单片机内部已集成了振荡器,使用晶体振荡器,接18
7、、19脚。 只要买来晶振,电容,连上就可以了,按图1接上即可。,3) 复位引脚:按图1中画法连好. 单片机刚上电时,其内部各寄存器处于随机状态,在该脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平后,将使单片机复位. 4) /EA引脚:/EA引脚接到正电源端时CPU从片内程序存储器0000H开始执行程序,当地址超过4K时,将自动执行片外程序存储器中的程序.,图1,R1,9.7.2 任务分析,要用单片机点亮一只发光二极管LED,显然,这个LED必须要和单片机的某个引脚相连,否则单片机就没法控制它了,那么和哪个引脚相连呢? 单片机上除了刚才用掉的几个引脚,还有很多个,将这个LED和1脚相连。(见图1,其中R1
8、是限流电阻),按照这个图的接法,当1脚是高电平时,LED不亮,只有1脚是低电平时,LED才发亮。因此1脚我们要能够控制,也就是说,我们要能够让1引脚按要求变为高或低电平。 即然我们要控制1脚,就得给它起个名字,设计51芯片的INTEL公司已经起好了,叫它P1.0,这规定不可以由我们来更改。,让一个引脚输出高电平的指令是SETB,让一个引脚输出低电平的指令是CLR。因此,我们要P1.0输出高电平,只要写 SETB P1.0, 要P1.0输出低电平,只要写 CLR P1.0,现在我们已经有办法让计算机去将P1.0输出高或低电平了. 但是我们怎样才能让计算机执行这条指令呢?,要解决这个问题,还得有几
9、步要走。 第一步,计算机看不懂SETB CLR之类的指令,我们得把指令翻译成计算机能懂的方式,再让计算机去读。计算机能懂什么呢?它只懂一样东西数字0和1。 因此我们把 SETB P1.0变为(D2H,90H ),把CLR P1.0变为 (C2H,90H ),至于为什么是这两个数字,这也是由51芯片的设计者-INTEL规定的.,第二步,在得到这两个数字后,怎样让这两个数字进入单片机的内部呢?这要借助于一个硬件工具“编程器“。,我们将编程器与电脑连好,运行编程器的软件,然后在编缉区内写入(D2H,90H)见图2,写入,好,拿下片子,把片子插入做好的电路板,接通电源灯不亮?因为我们写进去的指令就是让
10、 P1.0输出高电平,灯当然不亮。,现在我们再拨下这块芯片,重新放回到编程器上,将编缉区的内容改为(C2H,90H),也就是CLR P1.0,写片,拿下片子,把片子插进电路板,接电,好,灯亮了。,因为我们写入的就是让P1.0输出低电平的指令。这样我们看到,硬件电路的连线没有做任何改变,只要改变写入单片机中的内容,就可以改变电路的输出效果。,单片机内部结构分析,我们来思考一个问题,当我们在编程器中把一条指令写进单片机内部,然后取下单片机,单片机就可以执行这条指令,那么这条指令一定保存在单片机的某个地方,并且这个地方在单片机掉电后依然可以保持这条指令不会丢失,这是个什么地方呢?这个地方就是单片机内
11、部的只读存储器即ROM(READ ONLY MEMORY)。,为什么称它为只读存储器呢?刚才我们不是明明把两个数字写进去了吗?原来这ROM是一种电可擦除的ROM,称为FLASH ROM,刚才我们是用的编程器,在特殊的条件下由外部设备对ROM进行写的操作,在单片机正常工作条件下,只能从那面读,不能把数据写进去,所以我们还是把它称为ROM。,9.8 单片机执行程序的过程,分三个阶段: 1) 取指令阶段 2) 分析指令阶段 3) 执行指令阶段,1) 取指令阶段,根据程序计数器PC中的值,从 程序存储器中取出现行指令,送到 指令寄存器.,2) 分析指令阶段,将指令寄存器 中的指令操作码 取出, 进行译码, 分析其指令性质. 如果指令需要操作数,寻找操作数的地址,即“寻址”。,3) 执行指令阶段,取出操作数,按照操作码的性质进行操作. 逐条指令地重复上述操作,直到遇到停机或等待指令.,This is End of Chapter 9,
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