【正文】 1 單片機系統(tǒng)設計技術 主講教師： 栗 華 山東大學信息科學與工程學院 大學生電子設計競賽培訓 2 單片機系統(tǒng)設計的重要性： 在工業(yè)測、控領域中，單片機作為智能測控系統(tǒng)的“大腦”，占據(jù)了核心位置的地位。在電子設計競賽中，往往設計的對象也都是智能測控系統(tǒng)，自然，單片機系統(tǒng)的設計也就具有成了系統(tǒng)設計中一個至關重要的組成部分。 3 在前期 《 單片機原理與應用 》 課程的基礎上，擴展介紹利用單片機 這一智能單元來設計一個智能電子系統(tǒng)時所需要 的各種接口知識、單元知識、和系統(tǒng)實現(xiàn)時所需要的各種系統(tǒng)知識 ， 使大家不僅學習并理解單片機，更要學會如何使用單片機來構建我們自己的應用系統(tǒng) ，讓單片機按照我們的意圖來為我們服務。從而，為大家參加電子設計大賽，在規(guī)定的時間內完成智能電子系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)儲備足夠的經驗知識和應用技能 ，最終能夠在電子設計大賽中取得良好的成績，為以后的職業(yè)生涯也能夠奠定良好的基礎。 培訓目的： 4 （ 1 ）單片機基本知識的回顧 ，重點是回顧單片機的內部組成結構、特點以及在應用單片機的這些內部構件時應該注意的問題。 （ 2 ）單片機有關接口設計方法及常用接口芯片介紹 ，從系統(tǒng)設計的角度出發(fā)，以功能實現(xiàn)為依據(jù)，分類介紹一些常用的接口設計方法。 （ 3 ）單片機系統(tǒng)設計有關技術 ，從系統(tǒng)實現(xiàn)的角度，介紹系統(tǒng)設計時應該考慮的一些問題，為了使系統(tǒng)能夠長期可靠地運行應該采取哪些技術。 培訓的內容： 5 第一章 單片機應用系統(tǒng)設計基礎 一、綜述 單片機系統(tǒng)設計的內容 智能 應用系統(tǒng)的設計一般包括 單片機系統(tǒng)設計 、 接口設計 和 多種類型的輔助電路 （如：模擬信號調理電路、功率驅動電路、電源電路等）設計內容。而單片機系統(tǒng)設計往往是其中最主要、最復雜的設計部分。 6 ?單片機的定義與特點 單片機全稱為單片微型計算機（ Single Chip Microputer），又稱微控制論器（ MicroController Unit）或嵌入式控制器（ Embedded Controller）。它是將傳統(tǒng)計算機的各種基本組成部件（如： CPU、 ROM、 RAM、并行 I/O口、串行 I/O口、定時計數(shù)器、中斷控制、系統(tǒng)時鐘和系統(tǒng)總線控制等）微型化并集成到一塊芯片上的微型計算機。 單片機有體積小、集成度高、功能強、功耗低、性能價格比高、易于實現(xiàn)各種智能系統(tǒng) 。 7 單片機的種類 按 總線寬度分成 4位單片機、 8位單片機、 16位單片機、32位單片機。 （ 1） 4位單片機 ：主要用于各種小型智能電子設備如：計算器、遙控器、玩具控制、電子鐘、簡單游戲機、游戲桿等。目前主要集中在日本的一些廠家如： OKI的MSM64164C、 MSM6448 NEC的 75006x系列、 EPSON的 SMC62系列等。 （ 2） 8位單片機 ：用于各種中等智能電子設備，產品種類最多、功能較強、性價比最高、應用最廣泛。 8位單片機分成兩大類：一類是 MCS51系列及其兼容機，另一類是非MCS51系列。 8 （ a） MCS51系列單片機： 特點是結構簡單、內部資源比較豐富，易學易用、資料齊全、應用廣泛，是一種傳統(tǒng)的單片機。 有： Intel的 803 805 8751， ATMEL的 89C5x系列和 89S5x等， WINBOND的 W77E5x、 W78E5x， PHILIPS的 P87LPC7x、 P89C5x、 P87C5x， ST公司的 uPSD系列等。 （ b）非 MCS51系列單片機： 和 MCS51不兼容，有各自的特點，如： ◆ ATMEL公司的 AVR單片機 （常用的是 :Atmega3Atmega6 Atmega128等，特點是： 芯片上擁有 Flash存儲器 ,一般不用外部擴展程序存儲器 . 片內有 EEPROM也方便了數(shù)據(jù)的保存。采用增強的 RISC結構 ,使其具有高速處理能力 ,在一個時鐘周期內可執(zhí)行復雜的指令 ,每 MHz可實現(xiàn)1MIPS的處理能力 . 另外還有一些豐富的外部接口如 A/D、PWM、 SPI等） 。 9 ◆ Motorola單片機 ： 從 M6800開始 ,開發(fā)了廣泛的品種 ,4位 ,8位 ,16位 32位的單片機 , 8位機 M6805,M68HC05系列 ,8位增強型 M68HC11,M68HC12 , 16位機 M68HC16, 32位機 M683XX. Motorola單片機的特點之一是 在同樣的速度下所用的時鐘頻率較 Intel類單片機低得多 ,因而使得高頻噪聲低 ,抗干擾能力強 ,更適合于工控領域及惡劣的環(huán)境 . Motorola單片機在家電、汽車電子和通信產品領域應用較廣。 10 ◆ MicroChip單片機 : MicroChip單片機的主要產品是 PIC 16C系列和 17C系列 8位單片機 ,CPU采用 RISC結構 ,分別僅有33,35,58條指令 ,采用 Harvard雙總線結構 ,運行速度快 ,低工作電壓 ,低功耗 ,較大的輸入輸出直接驅動能力 ,價格低 ,小體積 . 適用于用量大 ,檔次低 ,價格敏感的產品 .在自動化設備 ,智能儀器儀表 , 工業(yè)控制等領域 ,PIC系列單片機占據(jù)了主導地位 . （ 3） 16位單片機 ：總線寬度為 16位， CPU執(zhí)行速度和效率都比 8位單片機都有很大提高。目前以 Intel的 MCS96/196系列、 TI公司的 MSP430系列 、 Motorola公司的 68HC11為主。主要用于工業(yè)控制、智能儀器儀表、 便攜式電子設備 、智能IC卡讀寫系統(tǒng)等領域。 11 （ 4） 32位單片機 ： 32位單片機是單片機市場的發(fā)展趨勢，其 特點是資源和接口更豐富、內部采用 RISC架構和哈佛總線結構， CPU處理速度和處理能力更強、支持基于操作系統(tǒng)的開發(fā)，因此能夠實現(xiàn)更加復雜的處理任務、人機界面也更靈活 。 ATMEL、 MOTOROLA、 SAMSUNG、 HITACH等廠家都有 32位單片機產品，這些產品一般以 ARM嵌入式處理器內核為基礎（ ARM公司自己并不生產嵌入式處理器，而是研究和發(fā)展嵌入式處理器的內核知識產權核，即 IP核，然后將IP核的生產和使用許可協(xié)議賣給各 IC生產廠家），所以 32位單片機一般都是指 ARM系統(tǒng)。 12 二、 MCS51單片機的內部資源 系列 片內存儲器（字節(jié)） 定時器 計數(shù)器 并行 I/O 串行 I/O 中 斷 源 片內 ROM 片內 RAM 無 有 ROM 有 EPROM Intel MCS51 子系列 8031 80C31 8051 80C51 (4K字節(jié) ) 8751 87C51 (4K字節(jié) ) 128 字節(jié) 2x16 4x8位 1 5 Intel MCS52 子系列 8032 80C32 8052 80C52 (8K字節(jié) ) 8752 87C52 (8K字節(jié) ) 256 字節(jié) 3x16 4x8位 1 6 ATEML 89C系列 (常用型 ) 1051(1K)/ 2051(2K)/ 4051(4K) （ 20條引腳 DIP封裝） 128 2 15 1 5 89C51(4K)/ 89C52(8K) （ 40條引腳 DIP封裝） 128/256 2/3 32 1 5/6 13 ATMEL 51單片機選型指南 Devices Flash (KBs) IAP ISP EEPROM (Kbytes) RAM (Bytes) Fmax (MHz) Vcc I/O Pins UART 16B Timers WDT SPI (V) AT89C2051 2 128 24 15 1 2 AT89C4051 4 128 24 15 1 2 AT89S51 4 YES 128 33 32 1 2 Yes AT89S52 8 YES 256 33 32 1 3 Yes AT89S8253 12 YES 2 256 24 32 1 3 Yes Yes AT89C51ED2 64 UART API 2 2048 60 32 1 3 Yes Yes AT89C51RD2 64 UART API 2048 60 32 1 3 Yes Yes 14 程序存儲器配置 三、單片機的存儲器配置 （一）程序存儲器 15 與程序存儲器配置有關的偽指令： 偽指令： 指的是匯編程序用的一些控制信息的指令，它們只能被匯編程序所識別，不是單片機的 CPU可執(zhí)行的指令。 偽指令 主要用來指定程序位置，定義一個數(shù)據(jù)塊，為中間運算結果保留一部分存儲空間，或者定義一些變量的別名以及表示程序的結束等。 定位偽指令 ORG 格式： [標號： ] ORG m m是一個 16位二進制數(shù)，代表地址。 功能： 它放在一段程序或數(shù)據(jù)塊的前面，說明緊跟其后的程序段或數(shù)據(jù)塊的起始地址就是指令中的 16位地址。 16 例如： ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP INT0_S ORG 000BH AJMP T0_S ORG 0013H AJMP INT1_S ORG 001BH AJMP T1_S ORG 0023H AJMP SI_S ORG 0100H 。Main program MAIN: MOV P1,0FEH … … AJMP $ INT0_S: … … RETI 17 與常數(shù)表格定義有關的偽指令： 功能： 在程序存儲器從標號開始的連續(xù)單元開始定義一些字節(jié)數(shù)據(jù)單元，用來存放指令中指出的這些常數(shù)和字符。 例如： ORG 2022H TAB1: DB 30H , 8AH , 7FH , 73 DB ‘5’ , ‘A’ , ‘BCD’ 30H 8AH 7FH 49H 35H 41H 42H 43H 44H 2022H 2022H 2022H 2022H 2022H 2022H 2022H 2022H 2022H （ 1）定義字節(jié)偽指令 DB（ Define Byte） 格式： [標號： ] DB X1， X2，～ ， Xn Xi： 單字節(jié)二進制、十進制、十六進制數(shù)，或以‘ ’括起來的字符串，數(shù)據(jù)符號。 18 （ 2）、定義字偽指令 DW（ Define Word） 格式： [標號： ] DW Y1， Y2，～ Yn Yn：雙字節(jié)二進制、十進制、十六進制數(shù)。 功能： 同 DB，不同的是為 16位數(shù)據(jù)。執(zhí)行匯編時，機器會自動按高 8位先存入，低 8位后存入的格式排列。 例如： ORG 1500H TAB2: DW 1234H , 80H 12H 34H 00H 80H 1500H 1501H 1502H 1503H 19 數(shù)據(jù)存儲器配置 （二）數(shù)據(jù)存儲器 20 內部存儲器的分布 21 （ 1）工作寄存器區(qū) 00H 20H 2FH 7FH 1FH 30H 80H FFH 52子系列才有 的 RAM區(qū) 普通 RAM區(qū) 位尋址區(qū) 工作寄存器區(qū) R0 R2 R1 R3 R4 R5 R6 R7 07H 02H 01H 00H 06H 04H 05H 03H 08H 1FH 工作寄存器區(qū) 3 工作寄存器區(qū) 2 工作寄存器區(qū) 1 工作寄存器區(qū)0 0FH 10H 17H 18H 22 ? 片內 RAM前 32個單元 (00H— 1FH)是工作寄存器區(qū) (由 PSW中的 RS1,RS0決定 ) CY