單片機(jī)原理與接口技術(shù)[共47頁(yè)]

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1、單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程目的本課程為電子類專業(yè)的主干課程，必修課，從理論和實(shí)踐兩方面解決計(jì)算機(jī)應(yīng)用中的接口問(wèn)題。本課程是在學(xué)生學(xué)完電子技術(shù)類基礎(chǔ)課程和微機(jī)應(yīng)用類基礎(chǔ)課程之后，為加強(qiáng)對(duì)學(xué)生技術(shù)應(yīng)用能力的培養(yǎng)而開(kāi)設(shè)的體現(xiàn)電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)綜合應(yīng)用的綜合性課程。本課程的任務(wù)是使學(xué)生獲得單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本理論、基本知識(shí)與基本技能，掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)各主要環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)、調(diào)試方法，并了解單片機(jī)在測(cè)量、控制等電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用。初步具備應(yīng)用單片機(jī)進(jìn)行設(shè)備技術(shù)改造、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的能力。課程內(nèi)容n單片機(jī)基本原理n單片機(jī)接口技術(shù)n單片機(jī)應(yīng)用n綜合實(shí)例第一章 單片機(jī)概述n一、計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況一、計(jì)算機(jī)的發(fā)展概

2、況n二、微型計(jì)算機(jī)的組成二、微型計(jì)算機(jī)的組成n三、單片機(jī)基礎(chǔ)三、單片機(jī)基礎(chǔ)n四、單片機(jī)的開(kāi)發(fā)四、單片機(jī)的開(kāi)發(fā)1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況 自1946年第一代電子計(jì)算機(jī)研制成功后，計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了電子管計(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)幾代n 電子計(jì)算機(jī)按體積、性能、價(jià)格分類： 巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、 微型機(jī)（70年）、單片機(jī)（82年） 它們?cè)隗w系結(jié)構(gòu)和基本原理上無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別，常用的微型機(jī)采用了集成度相當(dāng)高的器件，功能日益完善，體積大大縮小，得到廣泛應(yīng)用。一、微型機(jī)的特點(diǎn)： 微型機(jī)采用LSI、 VLSI，具如下優(yōu)點(diǎn)n體積小、重量輕、價(jià)格便宜n可靠性高、結(jié)構(gòu)靈活n

3、應(yīng)用廣泛（科學(xué)計(jì)算、信息處理、計(jì)算機(jī)控制、智能儀器、計(jì)算機(jī)通信、家用電器）二、發(fā)展趨勢(shì) 微處理器在以下幾方面發(fā)展很快：n提高芯片集成度n提高功能和速度n增加外圍電路的功能和種類 微型機(jī)發(fā)展趨勢(shì)：n高性能、高價(jià)格超級(jí)微機(jī)取代價(jià)格昂貴的中、小型機(jī)n性能較低、價(jià)格低廉的單片機(jī)，功能專一，應(yīng)用廣泛1.2 微型計(jì)算機(jī)的組成與工作原理2.1 計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)2.2 微型計(jì)算機(jī)的組成2.3 計(jì)算機(jī)的術(shù)語(yǔ)1.2.1 計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)n1.“存儲(chǔ)程序”概念的產(chǎn)生及其重要意義。uENIAC（Electronic Numerrical Integrator And Computer）不具備“存儲(chǔ)程序”的功能uEDV

4、AC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）采用“存儲(chǔ)程序”的概念，并付諸實(shí)現(xiàn)， “開(kāi)創(chuàng)了整個(gè)程序設(shè)計(jì)時(shí)代的到來(lái)”n2.馮.諾依曼結(jié)構(gòu)與哈佛計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)：n指令存儲(chǔ)的思想(1946)n指令與數(shù)據(jù)分開(kāi)n*關(guān)于流水線計(jì)算機(jī)（Pipeline Computer） 這類計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)采用生產(chǎn)上的流水線概念，把每條指令分為若干個(gè)順序的操作，每個(gè)操作分別由不同的處理部件實(shí)現(xiàn)。這樣構(gòu)成的計(jì)算機(jī)，可以同時(shí)處理若干條指令，對(duì)于每個(gè)處理部件來(lái)講，每條指令的同類操作（如“取指令”）像流水一樣連續(xù)被加工處理，這種指令重疊、處理部件連續(xù)工作的計(jì)算機(jī)，稱為流水線計(jì)算機(jī)

5、。 采用流水線方式可以提高計(jì)算機(jī)的處理速度和提高處理部件的使用效率。取指1取指2取指3執(zhí)行1執(zhí)行2執(zhí)行3取指1執(zhí)行1取指2取指3執(zhí)行2執(zhí)行3取指4 早期的計(jì)算機(jī)將這兩步采用先后輪流動(dòng)作（串行），CPU效率較低。在流水線方式下，同時(shí)動(dòng)作（并行）完成指令周期，CPU效率高。CISC與RISC繁雜指令與精簡(jiǎn)指令集8051111PIC單片機(jī)50左右1.2.2 計(jì)算機(jī)的組成CPU存儲(chǔ)器外部設(shè)備計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理運(yùn)算器存儲(chǔ)器I/O接口控制器微處理器、微型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一、微處理器（CPU） 集成在LSI、VLSI集成電路芯片上的中央處理單元，是微型機(jī)中運(yùn)算和控制的核心部件 微處理器組成：n算術(shù)

6、邏輯部件 算術(shù)運(yùn)算 （ALU） 邏輯運(yùn)算 專門(mén)處理各種數(shù)據(jù)信息n累加器 存放操作數(shù)、地址、運(yùn)算結(jié)果，也是CPU與外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳送的中間站n通用寄存器組 存放操作數(shù)、地址、運(yùn)算結(jié)果n控制邏輯部件 從內(nèi)存取指、譯碼，發(fā)控制信息和時(shí)序協(xié)調(diào)CPU內(nèi)部和外部的工作n內(nèi)部總線 CPU內(nèi)部各部件之間的公共通道 注：CPU只有配上存儲(chǔ)器、外部輸入/輸出接口構(gòu)成一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)才能工作CPU的功能：n完成算術(shù)、邏輯運(yùn)算n保存少量數(shù)據(jù)n對(duì)指令譯碼、完成規(guī)定的操作n能和外設(shè)及內(nèi)存之間交換數(shù)據(jù)n提供控制信號(hào)和時(shí)序n響應(yīng)中斷請(qǐng)求二、微型計(jì)算機(jī)CPU存儲(chǔ)器輸入/出接口外圍設(shè)備I/O總線地址總線控制總線數(shù)據(jù)總線控制微型計(jì)算機(jī)

7、的組成微型計(jì)算機(jī)的組成：nCPUn存儲(chǔ)器n外部輸入/輸出接口電路（I/O接口）n系統(tǒng)總線三、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)地址總線I/O總線CPU存儲(chǔ)器輸入/出接口外圍設(shè)備控制總線數(shù)據(jù)總線控制微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成： 硬件：微型計(jì)算機(jī)+外設(shè) 軟件：系統(tǒng)軟件 操作系統(tǒng) 實(shí)用程序： 各種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言程序、調(diào)試程序、 匯編程序、編譯程序等 1.2.3 計(jì)算機(jī)的名詞術(shù)語(yǔ)(1)字長(zhǎng)：參與運(yùn)算的數(shù)的位數(shù).它決定著計(jì)算機(jī)的內(nèi)部寄存器、加法器及數(shù)據(jù)總線（數(shù)據(jù)通路）的位數(shù)。有4位，8位，16位，32位，64位等。 (2)字節(jié)： (3)主存容量：主存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)信息的總量。通常以字節(jié)數(shù)(Byte)來(lái)表示。例：內(nèi)存128M

8、B (4)運(yùn)算速度：有不同的計(jì)量方法和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。 MIPS(Million Instruction Per Second) (5)性能/價(jià)格比名詞術(shù)語(yǔ)nRegister- 寄存器、累加器、寄存器組/堆nALU-Algebra Logic UnitnCPU-Central Processing UnitnMemorynI/O Interface, Device & EquipmentnMicro-Processor UnitnMicro-ComputernMicro-Computer SystemnDSP 名詞術(shù)語(yǔ)nBIT位nBYTE字節(jié)（8BIT）nWORD字（16BIT）nDWORD雙字（3

9、2BIT）nBUS總線（A-BUS、D-BUS、C-BUS）nINSTRUCTION指令nPROGRAM程序1.3 應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)n什么叫單片機(jī)n單片機(jī)的種類n單片機(jī)的特點(diǎn)n單片機(jī)應(yīng)用n單片機(jī)系列典型的80C51系列一、什么叫單片機(jī)n就是將計(jì)算機(jī)的主要功能部件集成到一塊芯片上。Single Chip Microcomputern又名Microcontroller二、單片機(jī)的種類n位數(shù)：4，8，16，32n結(jié)構(gòu)體系：諾依曼結(jié)構(gòu)、哈佛結(jié)構(gòu)n指令體系：CISC與RISC三、單片機(jī)的特點(diǎn)n集成度高n體積小n功耗低四、單片機(jī)應(yīng)用n通信：手機(jī)n測(cè)量n控制n家電n五、單片機(jī)系列典型的80C51系列n

10、Intel系列nMotorola系列nPIC系列n.80C51系列一覽表n見(jiàn)書(shū)：1.4 單片機(jī)的開(kāi)發(fā)n硬件n軟件n調(diào)試n運(yùn)行1.5 接口技術(shù)及其發(fā)展 一.接口的基本概念1.什么是I/O接口？ 連接CPU 與外設(shè)之間的邏輯電路稱I/O接口電路，簡(jiǎn)稱接口。2.接口電路的功能 主要功能： 鎖存功能 緩沖功能 速度匹配 變換功能 具體功能：（不同接口功能不同）n 尋址功能n 傳遞功能n 位功能n 中斷功能n 聯(lián)絡(luò)功能n 變換功能n 可編程功能n 錯(cuò)誤檢測(cè)功能 3. 典型I/O接口的結(jié)構(gòu)命令REG狀態(tài)REG數(shù)據(jù)輸出 REG數(shù)據(jù)輸入 REGCPU控制線數(shù)據(jù)線外設(shè)n數(shù)據(jù)輸入/輸出寄存器：保存數(shù)據(jù)n控制寄存器

11、：保存控制信息，決定接口工作方式n狀態(tài)寄存器：存放狀態(tài)信息，反映外設(shè)當(dāng)前狀態(tài) 注： 簡(jiǎn)單I/O接口 由TTL電路構(gòu)成，無(wú)命令 REG和狀態(tài)REG 可編程I/O接口 如8255A ，8251A 例：數(shù)據(jù)輸出過(guò)程CPU送命令字 命令寄存器，設(shè)定接口工作方式CPU 讀狀態(tài)寄存器看外設(shè)是否忙，不忙，CPU送數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)輸出寄存器 外設(shè)4.接口分類并行口串行口二.接口技術(shù)的發(fā)展1. 早期的計(jì)算機(jī)沒(méi)有I/O接口 原因： 接口電路價(jià)格高 可靠性低 早期的計(jì)算機(jī)通過(guò)累加器A傳遞數(shù)據(jù) 缺點(diǎn)：累加器A忙于I/O時(shí)不能執(zhí)行其它操作， 結(jié)果限制了程序運(yùn)行速度2. 設(shè)置獨(dú)立的寄存器 （ 帶緩沖器的I/O接口） 指通過(guò)一個(gè)

12、或幾個(gè)寄存器在計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，累加器A在I/O過(guò)程可干其它事情，如：簡(jiǎn)單的TTL接口 缺點(diǎn)： 靈活性差 通用性差 3. 可編程接口 微電子技術(shù)的發(fā)展，CPU的集成化，促進(jìn)接口技術(shù)的發(fā)展 可編程接口: 通用部分由大規(guī)模集成電路構(gòu)成，操作細(xì)節(jié)由程序?qū)崿F(xiàn)，CPU對(duì)可編程接口的控制寄存器發(fā)出寫(xiě)命令，確定接口的動(dòng)作 優(yōu)點(diǎn) ：硬件速度快 軟件靈活性 1.6 存儲(chǔ)器（Memory）n存儲(chǔ)器類似于寄存器，也是用于存放數(shù)據(jù)。通常為8位寬度。n寄存器位于CPU內(nèi)部，通常數(shù)量較少；存儲(chǔ)器則位于CPU外部，是專門(mén)的大規(guī)模存儲(chǔ)電路。n存儲(chǔ)器的電路結(jié)構(gòu)與寄存器有所不同，并且有很多種類。一、存儲(chǔ)器的種類n只讀

13、存儲(chǔ)器(Read Only Memory)。掩模ROM?？删幊蘎OM（PROM）?？刹脸齊OM（EPROM）。電可擦除ROM（EEPROM）。Flash Memory。n讀寫(xiě)存儲(chǔ)器(Random Access Memory)。靜態(tài)RAM。動(dòng)態(tài)RAM。n以掩模ROM為例來(lái)介紹ROM的結(jié)構(gòu)。該圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的44位MOS管ROM，采用單譯碼結(jié)構(gòu)，兩位地址線A1、A0譯碼后可有四種狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)4條選擇線，可分別選中4個(gè)單元，每個(gè)單元有4位輸出。在此矩陣中，在行和列的交點(diǎn)處，有的連有管子，表示存儲(chǔ)“0”信息；有的沒(méi)有管子，表示存儲(chǔ)“1”信息。若地址線A1A000，則選中0號(hào)單元，即字線0為高電平，若有管子

14、與其相連（如位線2和0），其相應(yīng)的MOS管導(dǎo)通，位線輸出為0，而位線1和3沒(méi)有管子與字線相連，則輸出為1。 二、ROM的結(jié)構(gòu)和工作原理三、三、RAM結(jié)構(gòu)和工作原結(jié)構(gòu)和工作原理理 n半導(dǎo)體RAM存儲(chǔ)器的最小邏輯單位是存儲(chǔ)元件，它存儲(chǔ)一位二進(jìn)制信息。稍大些的邏輯單位是存儲(chǔ)單元，它由若干存儲(chǔ)元件構(gòu)成，存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)字節(jié)。再大些的邏輯單位是存儲(chǔ)芯片，它包含一定數(shù)量的存儲(chǔ)單元和對(duì)存儲(chǔ)單元操作的外圍線路。若干存儲(chǔ)芯片構(gòu)成半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。n半導(dǎo)體RAM存儲(chǔ)器分雙極型和MOS型兩種。在MOS半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中，按存儲(chǔ)信息機(jī)構(gòu)的原理不同，又分為靜態(tài)存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器。前者利用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來(lái)保存信息，只要不斷電，信息是

15、不會(huì)丟失的；動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器利用MOS電容存儲(chǔ)電荷來(lái)保存信息，使用時(shí)需不斷給電容充電才能使信息保持。靜態(tài)存儲(chǔ)器的集成度低，但功耗較大；動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的集成度高，功耗小。只介紹MOS工藝的半導(dǎo)體讀寫(xiě)存儲(chǔ)器 。n以靜態(tài)靜態(tài)RAM（SRAM）為例來(lái)）為例來(lái)介紹介紹存儲(chǔ)元件 。如圖示是六管靜態(tài)存儲(chǔ)元件電路，它實(shí)際上是由兩個(gè)NMOS晶體管反相器直接耦合而成。為了和外圍電路傳遞信息，增設(shè)兩個(gè)門(mén)控管T3和T4，這兩個(gè)管的柵極連在一起引出一根線，叫做字驅(qū)動(dòng)線，用W表示。T3和T4的源極引出分別接至位線（有的也稱數(shù)據(jù)線），用D和D表示。假設(shè)T1通導(dǎo)，T2截止為“1”狀態(tài)；T1截止，T2通導(dǎo)為“0”狀態(tài)。分三種工作狀態(tài):保持、讀和寫(xiě)。 習(xí)題n見(jiàn)書(shū)