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最新单片机硬件
单片机硬件
第1章单片机硬件系统
本章首先从单片机的概念入手,简单介绍了单片机实验系统的基本组成及功能,以最简单的信号灯控制应用实验让读者对单片机及其应用系统有一个感性的认识,大致了解单片机的基本工作过程,同时也指出了学习单片机的两个基本方面:
硬件接口和软件编程。
实训1信号灯的控制1
1.实训目的
(1)了解单片机实验系统的基本组成及功能。
(2)通过最简应用系统实例了解单片机的基本工作过程。
2.实训设备与器件
实训设备:
单片机开发系统,程序固化器。
实训电路:
参见附录原理图。
3.实训步骤及要求
1)分析附录原理图,了解以8031为基础的单片机实验系统的基本组成及功能。
本实训系统的核心器件是8031单片机芯片,同时外部还扩展了一片EPROM2764、一片RAM6264、一片EEPROM2864A、一片8155、一片ADC0809和MAX232等,首先将这些主要芯片的功能简单介绍如下:
(1)EPROM2764:
紫外线可擦除,电可编程的只读存储器。
通常用于存放编制好的程序和常数表格。
(2)RAM6264:
静态随机存储器,通常用于存放采集到的原始数据,处理中的数据及最后的结果。
(3)EEPROM2864A:
电可擦除,电可编程的只读存储器。
它是近年来广泛被使用的一种只读存储器。
其主要优点是能在应用系统中进行在线改写,并能在断电情况下保存数据而不需要保护电源。
它兼有程序存储器与数据存储器的特点。
关于上述三种存储器以及与单片机的连接、使用将在第6章详细介绍。
(4)8155A:
一种可编程的RAM和I/O接口芯片,本实训系统主要用它来作扩展键盘和数码管显示的接口。
详细内容将在第6、7章介绍。
(5)ADC0809:
一种8路模拟输入的8位逐次逼近式A/D转换器件。
详细内容将在第7章介绍。
(6)MAX232:
标准的串行口电平转换器,用来将单片机和PC机联系起来,将在第8章介绍。
此外,本系统还扩展了一片74LS245(8总线接收/发送器),一片74LS373(8D三态输出锁存器),一片74LS138(三线/八线译码器)和一片74LS240(8位反码三态输出驱动器)。
本书将以此实训验系统电路为基础开展8个实训项目和课程设计,从而掌握单片机的硬件结构、软件编程及调试。
2)向EPROM2764写入程序机器码
通过程序固化器将下列程序中对应的机器码,依次写入到EPROM2764的0000H~0015H地址单元中。
机器码地址程序
ORG0000H;表示程序从地址0000H存放
7590000000HSTART:
MOVP1,#00H
11170003HACALLDELAY;延时一段时间,便于观察
7590FF0005HMOVP1,#0FFH
11170008HACALLDELAY;延时
80E9000AHSJMPSTART;返回,从START开始重复
7BFF000CHDELAY:
MOVR3,#0FFH;一段延时子程序
7CFF000EHDEL2:
MOVR4,#0FFH
000010HDEL1:
NOP
DCFD0011HDJNZR4,DEL1
DBF90013HDJNZR3,DEL2
220015HRET;子程序返回
END;表示程序结束
上述程序表由几部分组成,左边所列是一组十六进制数,我们称之为机器码,以及机器码所在存储器中的地址(0000H~0015H),机器码是计算机可以识别的语言,例如75,90,00……等。
这些是我们写入2764的内容,表示的是一段程序。
中间是和机器码对应的源程序(一系列指令),例如MOVP1,#00H,后续章节将侧重于源程序。
关于单片机的指令以及程序设计将在第3、4章详细介绍,在第4章的实训4中也会重点讨论上述程序。
最右边是对程序的简单说明,以便于阅读。
程序固化器的具体操作过程可参见相应的说明书。
3)运行程序
将写好的EPROM插入实训电路板相应位置,再接上电源启动运行,观察8个发光二极管的亮灭状态。
4.实训分析与总结
(1)实训结果是:
实训电路板中的8个发光二极管按照全亮、全灭的规律不停地循环变化。
(2)本实训所涉及的电路参见附录原理图左上角所示:
单片机1~8引脚通过集成芯片74LS240(8个非门)接到8个发光二极管,8个发光二极管的阳极各接一个限流电阻后接+5V电源,阴极连在一起接地。
单片机的这8个引脚对应其内部的一个并行I/O口——P1口,有关P1口的具体结构在本章正文中介绍,这是本实训所涉及的硬件部分。
从图可见,当P1口的某个引脚为低电平时,发光二极管变亮,当P1口的某个引脚为高电平时,发光二极管熄灭。
这样我们可以通过向P1口写入一个8位二进制数来改变每个管脚的电平状态,而向P1口写入数据可以通过相应指令来实现。
实训程序中的第一条指令MOVP1,#00H(其中#表示其后面为常数,H表示其前面的常数为十六进制数,写成二进制形式为#00000000B,B表示二进制数),对应机器码为75H、90H、00H,表示将00H的数据送给P1口。
则P1口的8个管脚状态与写入数据之间的关系如下:
写入数据位D7D6D5D4D3D2D1D0
00000000
对应P1口管脚名称P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0
管脚电平状态低低低低低低低低
发光二极管状态亮亮亮亮亮亮亮亮
所以,在通电运行后,发光二极管会出现全亮的状态。
同理,当执行程序中的第三条指令MOVP1,#FFH(即#11111111B)时,发光二极管会全灭。
由此可见,我们可以通过软件——程序来完成对硬件电路的控制。
(3)实训中,我们事先将程序(机器码)正确地固化到程序存储器EPROM2764芯片中,然后把2764芯片插入实验板,和单片机(例如8031)通过一定的方式连接起来,接上电源后发光二极管按照既定的规律点亮。
这说明,2764中的写入内容能够依次读出,并且送入到单片机内部完成相应的功能,而这一切工作都是在单片机的控制下来实现的,也就是说单片机在执行机器码。
我们知道,存储器2764有三类总线:
数据线、地址线和控制线,在单片机应用系统中这三类总线都是由单片机芯片来提供,并且控制数据的读取的。
关于单片机的具体工作过程在1.5节介绍。
(4)本实训中,机器码写在了单片机之外的一片EPROM中,因此EPROM是用来存储编好的程序的,所以可以称之为程序存储器。
实际上,有的单片机本身内部也具有一定容量的片内程序存储器,当内部存储器容量够用时,也就不必外接EPROM了。
那么单片机内部都具有哪些功能,将是本章重点讨论的内容。
1.1概述
单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)简称单片机,是指集成在一块芯片上的计算机,它具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低等优点,在许多行业都得到了广泛的应用。
从航天航空、地质石油、冶金采矿、机械电子、轻工纺织到机电一体化设备、邮电通信、日用设备和器械等,单片机都发挥了巨大作用。
1.微型计算机及微型计算机系统
微型计算机(Microcomputer)简称微机,是计算机的一个重要分支。
人们通常按照计
算机的体积、性能和应用范围等条件,将计算机分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机等。
微型计算机不但具有其它计算机快速、精确、程序控制等特点,最突出的是它具有体积小、重量轻、功耗低、价格便宜等优点。
个人计算机简称PC(PersonalComputer)机,是微型计算机中应用最为广泛的一种,也是近年来计算机领域中发展最快的一个分支,由于PC机在性能和价格方面适合个人用户购买和使用,目前,它已经像普通家电一样深入到了家庭和社会生活的各个方面。
微型计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。
硬件系统是指构成微机系统的实体和装置,通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。
其中,运算器和控制器一般做在一个集成芯片上,统称中央处理单元(CentralProcessingUnit),简称CPU,是微机的核心部件,配上存放程序和数据的存储器、输入输出(Input/Output,简称I/O)接口电路及外部设备即构成微机的硬件系统。
软件系统是指微机系统所使用的各种程序的总体。
软件的主体驻留在存储器中,人们通过它对整机进行控制并与微机系统进行信息交换,使微机按照人的意图完成预定的任务。
软件系统与硬件系统共同构成实用的微机系统,两者是相辅相成、缺一不可的。
微型计算机系统组成示意图如图1.1所示。
图1.1微型计算机系统组成示意图
下面把组成计算机的五个基本部件作简单说明。
1)运算器
运算器是计算机的运算部件用于实现算术和逻辑运算。
计算机的数据运算和处理都在这里进行。
2)控制器
控制器是计算机的指挥控制部件,使计算机各部分能自动协调地工作.运算器和控制器是计算机的核心部分,常把它们合在一起称之为中央处理器,简称CPU。
3)存储器
存储器是计算机的记忆部件,用于存放程序和数据。
存储器又分为内存储器和外存储器。
例如实训中使用的EPROM2764。
4)输入设备
输入设备用于将程序和数据输入到计算机中,如键盘。
5)输出设备
输出设备用于把计算机数据计算或加工的结果,以用户需要的形式显示或保存,如显示器、打印机。
通常把外存储器、输入设备和输出设备合在一起称之为计算机的外部设备,简称“外设”。
2.单片微型计算机
单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机,也就是把组成微型计算机的各种功能部件,包括CPU(CentralProcessingUnit)、随机存取存储器RAM(RandomAccessMemory)、只读存储器ROM(Read-onlyMemory)、基本输入/输出(Input/Output)接口电路、定时器/计数器等部件制作在一块集成芯片上,构成一个完整的微型计算机,从而实现微型计算机的基本功能。
单片机内部结构示意图如图1.2所示。
图1.2单片机内部结构示意图
单片机实质上是一个硬件的芯片,在实际应用中,通常很难直接和被控对象进行电气连接,必须外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象等硬件和软件,才能构成一个单片机应用系统。
3.单片机应用系统及组成
单片机应用系统是以单片机为核心,配以输入、输出、显示、控制等外围电路和软件,能实现一种或多种功能的实用系统。
本书的实训电路板也是一个单片机的应用系统,它除了有单片机芯片以外,还有许多的外围电路,再配以后续章节一系列的实训程序可以完成很多功能。
所以说,单片机应用系统是由硬件和软件组成,硬件是应用系统的基础,软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用,从而完成应用系统所要求的任务,二者相互依赖,缺一不可,单片机应用系统的组成如图1.3所示。
图1-3单片机应用系统的组成
由此可见,单片机应用系统的设计人员必须从硬件和软件两个角度来深入了解单片机,并能够将二者有机结合起来,才能形成具有特定功能的应用系统或整机产品。
自从1974年美国Fairchild公司研制出第一台单片机F8之后,迄今为止,单片机经历了由4位机到8位机再到16位机的发展过程。
单片机制造商很多,主要有美国的Intel、Motorola、Zilog等公司。
目前,单片机正朝着高性能、多品种方向发展,近年来32位单片机已进入了实用阶段。
但是由于8位单片机从性能价格比上占有优势,而且8位增强型单片机在速度和功能上向现在的16位单片机挑战,因此在未来相当长的时期内8位单片机仍是单片机的主流机型。
1.1.2MCS-51单片机系列
尽管各类单片机很多,但无论是从世界范围或是从国内范围来看,使用最为广泛的应属MCS-51单片机。
基于这一事实,本书以应用最为广泛的MCS-51系列八位单片机(8031、8051、8751等)为研究对象,介绍单片机的硬件结构、工作原理及应用系统的设计。
MCS-51单片机系列共有十几种芯片,如表1.1所列。
表1.1MCS-51系列单片机分类表
表中列出了MCS-51单片机系列的芯片型号,以及它们的技术性能指标,使我们对它们的基本情况有一个概括的了解。
下面我们就在这个表的基础上对MCS-51系列单片机进一步说明。
1.51子系列和52子系列
MCS-51系列又分为51和52两个子系列,并以芯片型号的最末位数字作为标志。
其中51子系列是基本型,而52子系列则属增强型。
52子系列功能增强的具体方面,从表1-1所列内容中可以看出:
(1)片内ROM从4KB增加到8KB
(2)片内RAM从128字节增加到256字节
(3)定时器/计数器从2个增加到3个
(4)中断源从5个增加到6个
在52子系列的内部ROM中以掩膜方式集成有8KBASIC解释程序,这就是通常所说的8052-BASIC。
这意味着单片机已可以使用高级语言。
该BASIC与基本BASIC想比,增加了一些控制语句,以满足单片机作为控制机的需要。
2.单片机芯片半导体工艺
MCS-51系列单片机采用两种半导体工艺生产。
一种是HMOS工艺,即高速度高密度短沟道MOS工艺。
另外一种是CHMOS工艺,即互补金属氧化物的HMOS工艺。
表0-1中芯片型号中带有字母“C”的,为CHMOS芯片,其余均为一般的HMOS芯片。
CHMOS是CMOS和HMOS的结合,除保持了HMOS高速度和高密度的特点之外,还具有CMOS低功耗的特点。
例如8051的功耗为630mW,而80C51的功耗只有120mW.在便携式、手提式或野外作业仪器设备上低功耗是非常有意义的。
因此在这些产品中必须使用CHMOS的单片机芯片。
3.片内ROM存储器配置形式
MCS-51单片机片内程序储器有三种配置形式,即:
掩膜ROM、EPROM和无ROM。
这三种配置形式对应三种不同的单片机芯片,它们各有特点,也各有其适用场合,在使用时应根据需要进行选择。
一般情况下,片内带掩膜型ROM适应于定型大批量应用产品的生产;片内带EPROM适合于研制产品样机;外接EPROM的方式适用于研制新产品。
最近Intel公司又推出片内带EEPROM型的单片机,可以在线写入程序。
1.2MCS-51单片机结构和原理
尽管单片机比较简单,但要按五个基本组成部件来讲单片机的硬件结构和原理,也将是一件十分复杂的事。
其实也没有这种必要。
因此,通常讲述单片机结构原理时,总是从实际需要出发,只介绍与程序设计和系统扩展应用有关的内容。
1.2.1MCS-51单片机的内部组成及信号引脚
MCS-51单片机的典型芯片是8031、8051、8751。
8051内部有4KBROM,8751内部有4KBEPROM,8031片内无ROM;除此之外,三者的内部结构及引脚完全相同。
因此以8051为例,说明本系列单片机的内部组成及信号引脚。
1.8051单片机的基本组成
8051单片机的基本组成请参见图1.4。
图1.4MCS-51单片机结构框图
各部分情况介绍如下:
(1)中央处理器(CPU)
中央处理器是单片机的核心,完成运算和控制功能。
MCS-51的CPU能处理8位二进制数或代码。
(2)内部数据存储器(内部RAM)
8051芯片中共有256个RAM单元,但其中后128单元被专用寄存器占用,能作为寄存器供用户使用的只是前128单元,用于存放可读写的数据。
因此通常所说的内部数据存储器就是指前128单元,简称内部RAM。
(3)内部程序存储器(内部ROM)
8051共有4KB掩膜ROM,用于存放程序、原始数据或表格,因此称之为程序存储器,简称内部ROM。
(4)定时器/计数器
8051共有2个16位的定时器/计数器,以实现定时或计数功能,并以其定时或计数结果对计算机进行控制。
(5)并行I/O口
MCS-51共有四个8位的I/O口(P0、P1、P2、P3),以实现数据的并行输入输出。
在实训中我们已经使用了P1口,通过P1口连接8个发光二极管。
(6)串行口
MCS-51单片机有一个全双工的串行口,以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。
该串行口功能较强,既可作为全双工异步通信收发器使用,也可作为同步移位器使用。
(7)中断控制系统
MCS-51单片机的中断功能较强,以满足控制应用的需要。
8051共有5个中断源,即外中断2个,定时/计数中断2个,串行中断1个。
全部中断分为高级和低级共二个优先级别。
(8)时钟电路
MCS-51芯片的内部有时钟电路,但石英晶体和微调电容需外接。
时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。
系统允许的晶振频率一般为6MHZ和12MHZ。
从上述内容可以看出,MCS-51虽然是一个单片机芯片,但作为计算机应该具有的基本部件它都包括,因此实际上它已是一个简单的微型计算机系统了。
2.MCS-51的信号引脚
MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片,引脚排列请参见图1.5。
1)信号引脚介绍
P0.0~P0.7:
P0口8位双向口线。
P1.0~P1.7:
P1口8位双向口线。
P2.0~P2.7:
P2口8位双向口线。
P3.0~P3.7:
P3口8位双向口线。
ALE:
地址锁存控制信号。
在系统扩展时,ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存器锁存起来,以实现低位地址和数据的隔离。
此外由于ALE是以晶振六分之一的固定频率输出的正脉冲,因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。
:
外部程序存储器读选通信号。
在读外部ROM时
有效(低电平),以实现外部ROM单元的读操作。
:
访问程序存储控制信号。
当
信号为低电平时,对ROM的读操作限定在外部程序存储器;而当
信号为高电平时,则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始,并可延至外部程序存储器。
RST:
复位信号。
当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平即为有效,用以完成单片机的复位初始化操作。
XTAL1和XTAL2:
外接晶体引线端。
当使用芯片内部时钟时,此二引线端用于外接石英晶体和微调电容;当使用外部时钟时,用于接外部时钟脉冲信号。
VSS:
地线。
VCC:
+5V电源。
以上是MCS-51单片机芯片40条引脚的定义及简单功能说明,读者可以对照实训电路找到相应引脚,在电路中查看每个引脚的连接使用。
图1.5MCS–51引脚图
2)信号引脚的第二功能
由于工艺及标准化等原因,芯片的引脚数目是有限制的。
例如MCS-51系列把芯片引脚数目限定为40条,但单片机为实现其功能所需要的信号数目却远远超过此数,因此就出现了需要与可能的矛盾。
如何解决这个矛盾?
“兼职”是唯一可行的办法,即给一些信号引脚赋以双重功能。
如果把前述的信号定义为引脚第一功能的话,则根据需要再定义的信号就是它的第二功能。
下面介绍一些信号引脚的第二功能。
(1)P3口线的第二功能
P3的8条口线都定义有第二功能,详见表1.2。
(2)EPROM存储器程序固化所需要的信号
有内部EPROM的单片机芯片(例如8751),为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源,这些信号也是由信号引脚以第二功能的形式提供的,即:
编程脉冲:
30脚(ALE/PROG)
编程电压(25V):
31脚(
/VPP)
引脚
第二功能
信号名称
P3.0
RXD
串行数据接收
P3.1
TXD
串行数据发送
P3.2
外部中断0申请
P3.3
外部中断1申请
P3.4
T0
定时器/计数器0的外部输入
P3.5
T1
定时器/计数器1的外部输入
P3.6
外部RAM写选通
P3.7
外部RAM读选通
表1.2P3口各引脚与第二功能表
(3)备用电源引入
MCS-51单片机的备用电源也是以第二功能的方式由9脚(RST/VPD)引入的。
当电源发生故障电压降低到下限值时,备用电源经此端向内部RAM提供电压,以保护内部RAM中的信息不丢失。
以上把MCS-51单片机的全部信号,分别以第一功能和第二功能的形式列出。
对于各种型号的芯片,其引脚的第一功能信号是相同的,所不同的只在引脚的第二功能信号。
对于9、30和31三个引脚,由于第一功能信号与第二功能信号是单片机在不同工作方式下的信号,因此不会发生使用上的矛盾。
但是P3口的情况却有所不同,它的第二功能信号都是单片机的重要控制信号。
因此在实际使用时,都是先按需要选用第二功能信号,剩下的才以第一功能的身份作数据位的输入输出使用。
MCS-51内部数据存储器
MCS-51单片机的芯片内部有RAM和ROM两类存储器,即所谓的内部RAM和内部ROM,首先分析内部RAM。
1.内部数据存储器低128单元
8051的内部RAM共有256个单元,通常把这256个单元按其功能划分为两部分:
低128单元(单元地址00H~7FH)和高128单元(单元地址80H~FFH)。
如图1.6所示为低128单元的配置图。
30H~7FH
数据缓冲区
20H~2FH
位寻址区(00H~7FH)
18H~1FH
工作寄存器3区(R7~R0)
10H~17H
工作寄存器2区(R7~R0)
08H~0FH
工作寄存器1区(R7~R0)
00H~07H
工作寄存器0区(R7~R0)
图1.6片内RAM的配置
低128单元是单片机的真正RAM存储器,按其用途划分为三个区域:
1)寄存器区
共有四组寄存器,每组8个寄存单元(各为8位),各组都以R0~R7作寄存单元编号。
寄存器常用于存放操作数及中间结果等,由于它们的功能及使用不作预先规定,因此称之为通用寄存器,有时也叫工作寄存器。
四组通用寄存器占据内部RAM的00H~1FH单元地址。
在任一时刻,CPU只能使用其中的一组寄存器,并且把正在使用的那组寄存器称之为当前寄存器组。
到底是哪一组,由程序状态字寄存器PSW中RS1、RS0位的状态组合来决定。
通用寄存器为CPU提供了就近数据存储的便利,有利于提高单片机的运算速度。
此外,使用通用寄存器还能提高程序编制的灵活性,因此在单片机的应用编程中应充分利用这些寄存器,以简化程序设计,提高程序运行速度。
2)位寻址区
内部RAM的20H~2FH单元,既可作为一般RAM单元使用,进行字节操作,也可以对单元中每一位进行位操作,因此把该区称之为位寻址区。
位寻址区共有16个RAM单元,计128位,位地址为00H~7FH。
MCS-51具有布尔处理机功能,这个位寻址区可以构成布尔处理机的存储空间。
这种位寻址能力是MCS-51的一个重要特点。
表1.3为位寻址区的位地址表。
表1.3片内RAM位寻址区的位地址
单元地址
MSB位地址LSB
2FH
2EH
2DH
2CH
2BH
2AH
29H
28H
27H
26H
25H
24H
23H
22H
21H
20H
7F
77
6F
67
5F
57
4F
47
3F
37
2F
27
1F
17
0F
07
7E
76
6E
66
5E
56
4E
46
3E
36
2E
26
1E
16
0E
06
7D
75
6D
65
5D
55
4D
45
3D
35
2D
25
1D
15
0D
05
7C
74
6C
64
5C
54
4C
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