單片機原理與接口技術課程目的本課程為電子類專業(yè)的主干課程，必修課，從理論和實踐兩方面解決計算機應用中的接口問題。本課程是在學生學完電子技術類基礎課程和微機應用類基礎課程之后，為加強對學生技術應用能力的培養(yǎng)而開設的體現(xiàn)電子技術、計算機技術綜合應用的綜合性課程。本課程的任務是使學生獲得單片機應用系統(tǒng)設計的基本理論、基本知識與基本技能，掌握單片機應用系統(tǒng)各主要環(huán)節(jié)的設計、調試方法，并了解單片機在測量、控制等電子技術應用領域的應用。初步具備應用單片機進行設備技術改造、產品開發(fā)的能力。課程內容n單片機基本原理n單片機接口技術n單片機應用n綜合實例第一章 單片機概述n一、計算機的發(fā)展概況一、計算機的發(fā)展概況n二、微型計算機的組成二、微型計算機的組成n三、單片機基礎三、單片機基礎n四、單片機的開發(fā)四、單片機的開發(fā)1.1 計算機的發(fā)展概況 自1946年第一代電子計算機研制成功后，計算機的發(fā)展經(jīng)歷了電子管計算機、晶體管計算機、集成電路計算機、大規(guī)模集成電路計算機幾代n 電子計算機按體積、性能、價格分類： 巨型機、大型機、中型機、小型機、 微型機（70年）、單片機（82年） 它們在體系結構和基本原理上無本質上的區(qū)別，常用的微型機采用了集成度相當高的器件，功能日益完善，體積大大縮小，得到廣泛應用。一、微型機的特點： 微型機采用LSI、 VLSI，具如下優(yōu)點n體積小、重量輕、價格便宜n可靠性高、結構靈活n應用廣泛（科學計算、信息處理、計算機控制、智能儀器、計算機通信、家用電器）二、發(fā)展趨勢 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 微型機發(fā)展趨勢：n高性能、高價格超級微機取代價格昂貴的中、小型機n性能較低、價格低廉的單片機，功能專一，應用廣泛1.2 微型計算機的組成與工作原理2.1 計算機的體系結構2.2 微型計算機的組成2.3 計算機的術語1.2.1 計算機的體系結構n1.“存儲程序”概念的產生及其重要意義。uENIAC（Electronic Numerrical Integrator And Computer）不具備“存儲程序”的功能uEDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）采用“存儲程序”的概念，并付諸實現(xiàn)， “開創(chuàng)了整個程序設計時代的到來”n2.馮.諾依曼結構與哈佛計算機結構：n指令存儲的思想(1946)n指令與數(shù)據(jù)分開n*關于流水線計算機（Pipeline Computer） 這類計算機的結構采用生產上的流水線概念，把每條指令分為若干個順序的操作，每個操作分別由不同的處理部件實現(xiàn)。這樣構成的計算機，可以同時處理若干條指令，對于每個處理部件來講，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)工作的計算機，稱為流水線計算機。 采用流水線方式可以提高計算機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 早期的計算機將這兩步采用先后輪流動作（串行），CPU效率較低。在流水線方式下，同時動作（并行）完成指令周期，CPU效率高。CISC與RISC繁雜指令與精簡指令集8051111PIC單片機50左右1.2.2 計算機的組成CPU存儲器外部設備計算機的結構與運行原理運算器存儲器I/O接口控制器微處理器、微型計算機、微型計算機系統(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，是微型機中運算和控制的核心部件 微處理器組成：n算術邏輯部件 算術運算 （ALU） 邏輯運算 專門處理各種數(shù)據(jù)信息n累加器 存放操作數(shù)、地址、運算結果，也是CPU與外設之間數(shù)據(jù)傳送的中間站n通用寄存器組 存放操作數(shù)、地址、運算結果n控制邏輯部件 從內存取指、譯碼，發(fā)控制信息和時序協(xié)調CPU內部和外部的工作n內部總線 CPU內部各部件之間的公共通道 注：CPU只有配上存儲器、外部輸入/輸出接口構成一臺微型計算機才能工作CPU的功能：n完成算術、邏輯運算n保存少量數(shù)據(jù)n對指令譯碼、完成規(guī)定的操作n能和外設及內存之間交換數(shù)據(jù)n提供控制信號和時序n響應中斷請求二、微型計算機CPU存儲器輸入/出接口外圍設備I/O總線地址總線控制總線數(shù)據(jù)總線控制微型計算機的組成微型計算機的組成：nCPUn存儲器n外部輸入/輸出接口電路（I/O接口）n系統(tǒng)總線三、微型計算機系統(tǒng)地址總線I/O總線CPU存儲器輸入/出接口外圍設備控制總線數(shù)據(jù)總線控制微型計算機系統(tǒng)微型計算機系統(tǒng)組成： 硬件：微型計算機+外設 軟件：系統(tǒng)軟件 操作系統(tǒng) 實用程序： 各種計算機語言程序、調試程序、 匯編程序、編譯程序等 1.2.3 計算機的名詞術語(1)字長：參與運算的數(shù)的位數(shù).它決定著計算機的內部寄存器、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：主存儲器所能存儲信息的總量。通常以字節(jié)數(shù)(Byte)來表示。例：內存128MB (4)運算速度：有不同的計量方法和測試標準。 MIPS(Million Instruction Per Second) (5)性能/價格比名詞術語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 名詞術語nBIT位nBYTE字節(jié)（8BIT）nWORD字（16BIT）nDWORD雙字（32BIT）nBUS總線（A-BUS、D-BUS、C-BUS）nINSTRUCTION指令nPROGRAM程序1.3 應用最廣泛的8位單片機n什么叫單片機n單片機的種類n單片機的特點n單片機應用n單片機系列典型的80C51系列一、什么叫單片機n就是將計算機的主要功能部件集成到一塊芯片上。Single Chip Microcomputern又名Microcontroller二、單片機的種類n位數(shù)：4，8，16，32n結構體系：諾依曼結構、哈佛結構n指令體系：CISC與RISC三、單片機的特點n集成度高n體積小n功耗低四、單片機應用n通信：手機n測量n控制n家電n五、單片機系列典型的80C51系列nIntel系列nMotorola系列nPIC系列n.80C51系列一覽表n見書：1.4 單片機的開發(fā)n硬件n軟件n調試n運行1.5 接口技術及其發(fā)展 一.接口的基本概念1.什么是I/O接口？ 連接CPU 與外設之間的邏輯電路稱I/O接口電路，簡稱接口。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)絡功能n 變換功能n 可編程功能n 錯誤檢測功能 3. 典型I/O接口的結構命令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n數(shù)據(jù)輸入/輸出寄存器：保存數(shù)據(jù)n控制寄存器：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，反映外設當前狀態(tài) 注： 簡單I/O接口 由TTL電路構成，無命令 REG和狀態(tài)REG 可編程I/O接口 如8255A ，8251A 例：數(shù)據(jù)輸出過程CPU送命令字 命令寄存器，設定接口工作方式CPU 讀狀態(tài)寄存器看外設是否忙，不忙，CPU送數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)輸出寄存器 外設4.接口分類并行口串行口二.接口技術的發(fā)展1. 早期的計算機沒有I/O接口 原因： 接口電路價格高 可靠性低 早期的計算機通過累加器A傳遞數(shù)據(jù) 缺點：累加器A忙于I/O時不能執(zhí)行其它操作， 結果限制了程序運行速度2. 設置獨立的寄存器 （ 帶緩沖器的I/O接口） 指通過一個或幾個寄存器在計算機和外設之間進行數(shù)據(jù)傳輸，累加器A在I/O過程可干其它事情，如：簡單的TTL接口 缺點： 靈活性差 通用性差 3. 可編程接口 微電子技術的發(fā)展，CPU的集成化，促進接口技術的發(fā)展 可編程接口: 通用部分由大規(guī)模集成電路構成，操作細節(jié)由程序實現(xiàn)，CPU對可編程接口的控制寄存器發(fā)出寫命令，確定接口的動作 優(yōu)點 ：硬件速度快 軟件靈活性 1.6 存儲器（Memory）n存儲器類似于寄存器，也是用于存放數(shù)據(jù)。通常為8位寬度。n寄存器位于CPU內部，通常數(shù)量較少；存儲器則位于CPU外部，是專門的大規(guī)模存儲電路。n存儲器的電路結構與寄存器有所不同，并且有很多種類。一、存儲器的種類n只讀存儲器(Read Only Memory)。掩模ROM?？删幊蘎OM（PROM）。可擦除ROM（EPROM）。電可擦除ROM（EEPROM）。Flash Memory。n讀寫存儲器(Random Access Memory)。靜態(tài)RAM。動態(tài)RAM。n以掩模ROM為例來介紹ROM的結構。該圖是一個簡單的44位MOS管ROM，采用單譯碼結構，兩位地址線A1、A0譯碼后可有四種狀態(tài)，驅動4條選擇線，可分別選中4個單元，每個單元有4位輸出。在此矩陣中，在行和列的交點處，有的連有管子，表示存儲“0”信息；有的沒有管子，表示存儲“1”信息。若地址線A1A000，則選中0號單元，即字線0為高電平，若有管子與其相連（如位線2和0），其相應的MOS管導通，位線輸出為0，而位線1和3沒有管子與字線相連，則輸出為1。 二、ROM的結構和工作原理三、三、RAM結構和工作原結構和工作原理理 n半導體RAM存儲器的最小邏輯單位是存儲元件，它存儲一位二進制信息。稍大些的邏輯單位是存儲單元，它由若干存儲元件構成，存儲一個或多個字節(jié)。再大些的邏輯單位是存儲芯片，它包含一定數(shù)量的存儲單元和對存儲單元操作的外圍線路。若干存儲芯片構成半導體存儲器。n半導體RAM存儲器分雙極型和MOS型兩種。在MOS半導體存儲器中，按存儲信息機構的原理不同，又分為靜態(tài)存儲器和動態(tài)存儲器。前者利用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來保存信息，只要不斷電，信息是不會丟失的；動態(tài)存儲器利用MOS電容存儲電荷來保存信息，使用時需不斷給電容充電才能使信息保持。靜態(tài)存儲器的集成度低，但功耗較大；動態(tài)存儲器的集成度高，功耗小。只介紹MOS工藝的半導體讀寫存儲器 。n以靜態(tài)靜態(tài)RAM（SRAM）為例來）為例來介紹介紹存儲元件 。如圖示是六管靜態(tài)存儲元件電路，它實際上是由兩個NMOS晶體管反相器直接耦合而成。為了和外圍電路傳遞信息，增設兩個門控管T3和T4，這兩個管的柵極連在一起引出一根線，叫做字驅動線，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T1通導，T2截止為“1”狀態(tài)；T1截止，T2通導為“0”狀態(tài)。分三種工作狀態(tài):保持、讀和寫。 習題n見書