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单片机并行接口扩展技术第一章文档
第一章单片机基础
本章主要介绍了有关单片机的基础知识。
从嵌入式系统开始,首先对单片机的发展历史、应用领域、国内常见的单片机的系列以及最新的ARM单片机技术进行回顾;然后,介绍了单片机系统常用的数字和编码;最后,介绍了Atmel公司的AT89S51单片机。
1.1嵌入式系统与单片机概述
嵌入式系统(EmbeddedSystems,ES)是以计算机技术为基础,软件、硬件可裁剪,满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。
它是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音、图像数据传输与处理技术以及传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的产物。
它有三个基本要素,即嵌入性、专用性和计算机系统。
嵌入性是指系统必须嵌入到控制对象中,满足“体积、可靠性、成本”等环境要求;专用性是指系统的软、硬件裁剪到能满足对某一特定对象控制要求的最小配置;计算机系统指嵌入式系统实际上仍是一种计算机系统,为了能满足对象控制的要求,这种计算机系统还配置有与对象系统相适应的接口电路。
嵌入式系统有着非常广泛的应用领域,它现在几乎无所不在,除了航空航天、军用、医疗、通信以及各种工业控制外,仅就居民家庭而言,洗衣机、电视机、空调器、冰箱、微波炉、数码像机、VCD、手机、PDA以及汽车等无一例外地包含了嵌入式技术。
一台通用计算机系统中的显卡、硬盘、软驱、光驱、键盘、鼠标,U盘以及显示器、打印机等都是一个完整的嵌入式系统。
因特网的发明,对嵌入式系统的发展起到了巨大的推动作用。
目前无论是在数量上、还是在规模上,嵌入式系统的应用都已远远超过了PC(PersonalComputer)。
因此,本世纪最初十年被称为后PC(PervasiveComputer)时代,即嵌入式系统时代。
1.1.1嵌入式计算机系统的起源与发展
1946年,人类发明了电子数字计算机,在其诞生最初的20多年中,计算机始终是供养在特殊机房中的大型、昂贵设备,它的主要作用是进行数值计算。
随着半导体技术的发展,到了70年代末,研制出了微处理器,以微处理器为核心的微型计算机具有体积小、成本低以及可靠性高等特点,使计算机的应用领域发生了历史性的变革。
控制专业人员将微型计算机配上一些硬件接口电路嵌入到大型、复杂的对象体系中,实现对复杂系统的监测或智能化控制。
从此,计算机便走出机房,进入了自动化控制领域,计算机技术从上世纪80年代开始也向着两个不同的方向发展:
• 通用计算机系统
• 嵌入式计算机系统
通用计算机系统的主要任务是进行数值计算或数据处理工作,主要的技术发展方向是总线速度(CPU速度)越来越快,存储容量越来越大,具体表现为:
通用计算机的CPU从8086、80286、80386、80486、80586,一直发展到今天的奔腾时代,其运算速度、存储器容量(RAM和硬盘)等指标提高了上千倍;操作系统也由原来的单任务、单用户DOS变为目前基于图形界面的Windows,特别是Internet发明,使得通用计算机变成了现代人类工作和生活中不可缺少的工具。
嵌入式计算机系统的主要任务是对被控制对象进行智能化控制。
由于众多的对象系统(如家用电器、仪器仪表、工控单元等),体积很小,根本无法嵌入通用计算机系统,嵌入式计算机系统就向着单芯片化方向发展,即把计算机的CPU,存储器(RAM)以及接口电路等集成到一个芯片上,于是就出现了单片微型计算机,简称为“单片机”,单片机诞生于上世纪70年代末,它的发展经历了“SCM、MCU和SOC”三个阶段。
SCM--单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer),主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的体系结构。
MCU--微控制单元(MicroControllerUnit),主要的技术发展方向是:
不断扩展满足各种对象系统要求的外围接口电路,突显其对象的智能化控制能力。
SOC--系统芯片或片上系统(System On Chip),将所有的硬件和软件(如算法、操作系统)都集成到一个芯片中。
严格地讲,嵌入式计算机系统包含了很多内容,它与单片机是两个不同的概念。
单片机应用系统是一种典型的嵌入
1.1.2单片机的特点与应用领域
单片机具有体积小、成本低、功能强、功耗低、有很强的抗干扰能力以及易于实现分布式控制等优点,应用领域非常广泛,毫不夸张地说,凡是能想到的领域,几乎都有单片机的身影。
• 工业控制:
电机控制、工业机器人、过程控制,数字机床控制以及智能传感器等。
• 民用方面:
各类信息家电、电子玩具、电子字典、PDA、数码相机、安防系统等。
• 仪器仪表:
测量电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、压力等物理量的各种仪器仪表、医疗器械、示波器、色谱仪等。
• 通讯方面:
调制解调器、机顶盒、程控交换机、路由器等。
• 导航控制:
导弹飞行控制、航天导航、智能武器控制以及电子干扰设备等。
• 汽车电子:
点火装置、ABS、自动变速控制、汽车防盗、自动驾驶等。
单片机技术是21世纪最为活跃的新一代电子应用技术,随着半导体技术的发展,单片机的应用必将进一步渗透到我们生活的每一个领域。
因此,学习单片机的原理,掌握单片机应用系统设计技术,具有非常重要的意义。
1.2国内常见的单片机简介
目前,世界上生产的各类单片机有1000多种,按字长可分为4位、8位、16位、32位以及64位等,我们国家目前流行的单片机主要有以下几个系列:
• Intel公司MCS-51、96系列
• Motorola公司的MC68HC05、08、11系列
• ATMEL公司的AT89C5X、Megat系列
• Microchip公司PIC系列
• PHILIPS公司的P89C5x、P80C31、P87C51等
• WINBONDW78E58等
• TI公司MSP430等
1.2.1Intel系列单片机
Intel家族的单片机在我们国家普及率很高,是最早进入我国的单片机之一,主要有MCS-51、MCS-251、MCS-96、MCS-296等4种。
MCS-51系列单片机是一种高性能的8位单片机,使用标准MCS-51单片机的体系结构和指令系统,典型代表有:
80C31、80C51、87C51。
80C31是Intel公司MCS-51系列单片机中最基本的产品,内置CPU、128字节内部数据存储器(RAM)、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个中断源、两级中断结构、一个全双工的串行通信接口UART、片内时钟振荡电路等。
51系列单片机之间的主要区别是:
80C31片内无程序存储器;80C51芯片内含有4KROM;87C51芯片内含有4KEPROM。
MCS-96系列单片机为16位机,典型代表有:
1.高速系列单片机:
8XC196KB、8XC196KC、8XC196KD等
2.EPA(事件处理阵列)系列单片机:
8XC196NP、8XC196NT、8XL196NP等
3.马达控制系列单片机:
8XC196MC、8XC196MH、8XC196MD等
4.网络控制系列单片机(含有CAN总线接口):
TN87C196CA、TN87C196CA等
MCS-251、MCS-296单片机用得很少,不再介绍。
1.2.2Motorola系列单片机
Motorola是世界上最大的单片机生产厂家之一,型号多达数百种,从1974年推出第一款MC6800单片机之后,相继推出了以下三个品种:
• 8位单片机:
MC68HC05、MC68HC08、MC68HC11等系列
• 16位单片机:
MC68HC12、MC68HC16、DSP56800等系列
• 32位单片机:
MC683xx、MMC2xxx、MPC500等系列
Motorola单片机的特点是外围功能较强,基本功能有:
含有CPU、并行I/O口、定时/计数器、振荡器、ROM/RAM/EPROM/EEPROM/OTPROM/FlashROM存储器等。
许多单片机还具有多种外围功能,如多个输入捕捉和输出比较端、脉冲宽度调制(PWM)、实时时钟、串行通信接口(SCI、串行外围接口(SPI、软件监视器(Watchdog)、D/A、A/D转换器、LED和LCD显示驱动器、键盘中断(KBI)、保密通信控制器、锁相环(PLL)、调制解调器、直接存储器访问(DMA等。
式系统。
1.2.3ATMEL系列单片机
ATMEL是世界上著名的半导体制造公司,它的EEPROM和Flash技术领先全球,含有EEPROM及Flash存储器是ATMEL公司产品的典型特色之一,ATMEL单片机主要有以下三个系列:
• 8051Architecture(89系列)
• AVRRISC(90系列)
• ARM单片机(91系列)
1.80C51结构的单片机与MCS-51完全兼容,由于其中含有Flash,所以,目前已经取代了传统的MCS-51单片机成为主导机型,典型代表有:
• AT89C1051/2051、AT89C51/52/55
• AT89LV51/52/55等(Re_programmableFlash,低电压型)
• AT89S51/52/53、AT89LSV51/52/53等(In-SystemProgrammableFlash,ISPFlash)
• AT89C513x(含有USB接口的MCU)
• T89C51CC0x(CANNetworkingMCU)
• AT83C512x(SmartCard[智能卡]ReaderMCU)
2.AVR系列单片机。
ATMEL的AVR系列单片机是一种使用RISC(ReducedInstructionSetComputer)内核的8-bit单片机采用Harvard结构,即程序存储器和数据存储器分别有自己独立的总线,每个时钟周期执行一条指令,速度快,功能强,典型代表有:
• AT90系列单片机:
AT90S1200、AT90S2313等
• MegaVAR系列单片机:
ATMega8/16/32/64等
• TinyVAR系列单片机:
ATtiny11/12/13/26/28等
3.ATMEL的91系列微控制器是基于ARM7的16/32位微处理器,它的功耗很低,工作寄存器多,特别适用于实时控制。
采用基于先进微控制器总线结构(AdvancedMicro_controllerBusArchitecture)的模块化设计方法,具有速度快,性价比高等优点。
AT91系列微控制器有5个子系列:
• AT91X40系列,如AT91M40800/T91R40008等
• AT91X43系列,如AT91M43300等
• AT91X63系列,如AT91M63200等
• AT91X42系列
• AT91X55系列
1.2.4Microchip系列单片机
PIC系列单片机是美国Microchip公司推出的产品,它也是基于RISC结构MCU。
具有高速度(哈佛结构)、宽电压、低功耗、大电流LCD驱动能力等优点。
(如PIC12C508A只有8个引脚,当工作电压为3V、钟频率为32kHz时耗电仅为15uA。
)PIC单片机特别适合于家电控制、通信、智能仪器、汽车电子等领域的应用。
产品主要有五个子系列。
• PIC12CXXX系列(ROM、EPROM、FlashROM)
• PIC16CXXX系列(ROM、EPROM)
• PIC16FXXX系列(FlashROM)
• PIC17CXXX系列(EPROM)
• PIC18CXXX系列(FlashROM、EPROM)等
1.2.5其它系列单片机
TI公司的MSP430单片机是一个16位、RISC结构(共27条指令)和超低功耗的混合型单片机,具有非常丰富的外围模块(WDT、Timer、双串口、硬件乘法器、LCD驱动模块、10/12位ADC、I2C、PWM、DMA以及端口P1~P6等);
Philips公司的单片机具有功耗低、宽电压、实时性好等优点,广泛应用于各种嵌入式系统中。
台湾WINBOND(华邦)公司的系列单片机(如W77E58)在我国也有一定的市场。
SAMSUN公司生产的单片机在语音识别方面有很广泛的应用。
我国还有很多别的厂商生产的单片机在使用,限于篇幅,这里不再一一介绍。
十六进制数(Hexdecimal)。
十六进制是按“逢16进1”的原则进行计数。
十六进制数的基为16,用数码0~9和A~F来表示,十六进制的权为以16为底的幂。
一个十六进制数NH可表示为:
hi为0~F中的16个数码之一。
十六进制以16为基数第i位的权为16i,例如
由于在不同的数制中使用了相同的数码表示,如数值“10”,二进制时相当于十进制的2;十进制时为10,十六进制数时相当于十进制的16。
为了准确地表示数的大小,通常用后缀字母D、B和H分别表示十进制数、二进制和十六进制数。
因为大家对十进制数非常熟悉,写十进制数时,其后的D通常可以省略,如十进制数125计为125D或125;二进制数01110011计为01110011B;十六进制数AB43计为0AB43H。
注意:
当十六进制数的最高位为A~F时,前面一定要加个“0”告诉编译器这是一个十六进制数,而不是符号。
十进制数0~15对应的二进制数和十六进制数如表1所示:
表1十进制、二进制和十六进制数对照表
2不同数制之间的转换
(1)十进制数和十六进制数之间的转换。
十进制整数转换为十六进制整数时,通常采用“除16取余”法,即将十进制整数不断除以16,并取余数,直至商为0,第一次所得的余数为十六进制数的最低位;十六进制整数转十进制时,只要将十六进制数的各位数字与其权相乘,然后相加即可。
例一:
将十进制数76转换成十六进制数。
解:
设(177)D=hn-1×16n-1+hn-2×16n-2+…+h1×161+h0
如果将上式两边同除以16,所得余数显然就是h0,用所得的商再除16,第二次的得到的余数即为h1依次除16便可得到hn-1。
具体过程如下:
所以:
(177)D=0B1H。
例2将十六进制数1A3H转换为十进制数
(2)二进制与十六进制之间的转换。
由于24=16,二进制数和十六进制数之间的转换非常方便,二进制转换十六进制时,从右向左将二进制每4位分成一组,不足4位的左边用0补足,然后每组二进制数用对应的十六进制数代替即可;十六进制数转换成二进制时,将每位十六进制数写成4位二进制数即可。
(3)十进制数和二进制数之间的转换。
十进制整数转换为二进制整数时,通常采用“除2取余”法,即将十进制整数不断除以2,并取余数,直至商为0,第一次所得的余数为二进制数的最低位;二进制整数转十进制时,只要将二进制数的各位数字与其权相乘,然后相加即可。
由于1位十六进制数相当于4位二进制数,当需要由十进制数转换为二进制数时,先将十进制转换成十六进制数,然后再由十六进制数转换为二进制数,比直接由十进制数转换成二进制数要方便。
1.4.2单片机系统中数的表示方法
机器数与真值。
在单片机中,所有的数值和数的符号都是用“0”和“l”两个数字的组合来表示的。
对于有符号数,通常用最高位表示符号,即以“0”表示“+”,以“1”表示“-”。
一个数在机器中的表示形式称为机器数,而把机器数所代表的实际数值称为该机器数的真值。
一个8位机器数与其真值的关系可表示如下:
机器数:
真值:
X2=01010101 X1=(+1010101)B=+85
X2=11010101 X2=(-1010101)B=-85
原码表示法。
用最高位表示数值的符号,“0”表示正数,“1”表示负数,其余位与实际数值位相同。
如上所述,即为8位数的原码表示。
原码通常写成如下形式:
如 X1=+85,原码记为:
[X1]原=01010101;
X2=-85,原码记为:
[X2]原=11010101。
原码表示简单直观,可直接看出数值大小,但用原码表示的数在做加减运算时很复杂,两个数相加时,必须先检查参加运算的两个数的符号,以决定实际应做加法还是减法;如果是做减法,还要先比较两个数的绝对值大小,用大数减小数才能保证结果正确,最后还要判断结果的符号。
为了克服原码的这些缺陷,在单片机中的带符号数用补码表示。
补码表示法。
正数的补码与原码相同;负数的补码符号位为1,而数值位为原码数值各位取反,然后在最低位上加1。
例如,前述中x1=+85,x2=-85,用8位补码表示时为:
[x1]补=[x1]原=01010101;
[x2]补=10101010+1=10101011;
0的补码是惟一的:
[+0]补=[-0]补=00000000;8位补码可表示数的范围为-128~+127。
补码的主要优点是加减运算方便,可将有符号数的减法运算直接转为加法。
1.4.3单片机系统中的常用编码
计算机处理的信息有很多种形式,如数字、字符、命令、图形等,要表示这些信息并识别它们,就必须对这些信息进行编码。
单片机系统中最常见的编码有两种即ASCII码和BCD码。
(1)ASCII(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)码,即美国标准信息交换码,它是目前在计算机中普遍采用的标准代码。
ASCII码是一种8位编码,最高位b7一般为0,在需要奇偶校验时,可存放奇偶校验值,用低7位b6~b0来对128个字符进行编码,这128个字符对应的编码为00H~7FH。
其中编码为00~1FH的字符为控制字符,剩余的96个为图形字符。
ASCII码如表2所示:
表1.2美国标准信息交换码(ASCII码)
从表1.2可以看出:
数字‘0'~9'的ASCII码为十六进制数30H~39H;大写字母‘A'~‘Z'的ASCII码为41H~5AH;小写字母‘a'~‘z'的ASCII为61H~7AH,即大、小写字母的ASCII码相差20H。
(2)BCD(BinaryCodedDecimal)码。
单片机中数的运算是以二进制方式进行的,而人们在日常生活中习惯使用十进制数,在人机交互时,有时希望用十进数,因此,就产生了BCD编码。
BCD码实际上就是用4位二进制数表示的1位十进制数的编码,编码的方式有许多种,最常见的BCD码叫做8421BCD码,如表3所示:
表38421BCD编码
如果一个字节存放两位BCD数,则称为压缩BCD码。
例如:
十进制数56用BCD码表示时为:
01010110。
由于单片机中数的运算是以二进制方式进行的,当两个BCD数直接进行相加时,如运算结果大于9,就需要做十进制调整。
例如十进制数54和48相加,54的BCD码为:
01010100,38的BCD码为:
00111000
若是两个BCD数相减,则也要进行十进制调整,其规律是:
当相减时,若低4位向高4位有借位,则低4位就要做减0110(减6)调整。
1.5AT89S51单片机简介
AT89S51单片机是ATMEL公司生产的一种低功耗、高性能、8位CMOS单片机,它具有在线编程(ISP,In-SystemProgrammable)功能,指令集和引脚与80C51单片机完全兼容,功能强大,具有很高的性能价格比,主要特性如下:
• 与MCS-51产品完全兼容
• 4K字节的可在线编程Flash存储器,可擦写1000次
• 128字节的内部RAM
• 工作电压范围:
4.0V~5.5V
• 振荡器频率:
0~33MHz
• 32条可编程的I/O口线
• 2个16位定时/计数器
• 6个中断源,5个中断矢量,2个中断优先级
• 一个全双工串行通信接口(UART)
• 低功耗空闲和掉电模式
• 看门狗定时器(WDT)
• 双数据指针(DPTR0,DPTR1)
• 三级程序存储器锁
• 可按字节或页模式在线编程(ISP)
• 具有断电标志
• 具有掉电状态下的中断恢复功能
与MCS-51单片机相比,它有许多优点:
• 增加了4K可在线编程(ISP)的Flash存储器,使现场调试和修改程序变得非常方便;
• 增加了WDT,提高了系统的抗干扰能力;
• 双数据指针提高了对外部数据存储器的访问能力;
• 工作电压和振荡器频率的要求都比MCS-51宽松;
单片机因具有成本低、体积小、功能强等优点,应用领域非常广泛,因此,不同档次的学校(如职业中专、专科、本科甚至硕士研究生教育)的多个专业(电子、计算机应用、自动化、仪器仪表、机电一体化、通信、测量等)都开设了《单片机原理与设计》课程。
MCS-51系列单片机虽然是基于CISC结构,且功能较弱,但由于其开发工具价格低廉,很容易得到,而且,它是一种基于总线(AB、DB、CB)结构的单片机,因此,非常适合用于教学。
目前,国内80%以上学校的单片机教学选用的都是MCS-51单片机,MCS-51单片机的教材也有很多,由于AT89S51单片机与MCS-51完全兼容,且具有更多的优点,因此,在本教材中,选用了AT89S51单片机。
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