【正文】 1 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù) 主講教師： 栗 華 山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn) 2 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性： 在工業(yè)測(cè)、控領(lǐng)域中，單片機(jī)作為智能測(cè)控系統(tǒng)的“大腦”，占據(jù)了核心位置的地位。在電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，往往設(shè)計(jì)的對(duì)象也都是智能測(cè)控系統(tǒng)，自然，單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也就具有成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)至關(guān)重要的組成部分。 3 在前期 《 單片機(jī)原理與應(yīng)用 》 課程的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展介紹利用單片機(jī) 這一智能單元來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)智能電子系統(tǒng)時(shí)所需要 的各種接口知識(shí)、單元知識(shí)、和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)所需要的各種系統(tǒng)知識(shí) ， 使大家不僅學(xué)習(xí)并理解單片機(jī)，更要學(xué)會(huì)如何使用單片機(jī)來(lái)構(gòu)建我們自己的應(yīng)用系統(tǒng) ，讓單片機(jī)按照我們的意圖來(lái)為我們服務(wù)。從而，為大家參加電子設(shè)計(jì)大賽，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成智能電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)備足夠的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和應(yīng)用技能 ，最終能夠在電子設(shè)計(jì)大賽中取得良好的成績(jī)，為以后的職業(yè)生涯也能夠奠定良好的基礎(chǔ)。 培訓(xùn)目的： 4 （ 1 ）單片機(jī)基本知識(shí)的回顧 ，重點(diǎn)是回顧單片機(jī)的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)以及在應(yīng)用單片機(jī)的這些內(nèi)部構(gòu)件時(shí)應(yīng)該注意的問(wèn)題。 （ 2 ）單片機(jī)有關(guān)接口設(shè)計(jì)方法及常用接口芯片介紹 ，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，以功能實(shí)現(xiàn)為依據(jù)，分類介紹一些常用的接口設(shè)計(jì)方法。 （ 3 ）單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)技術(shù) ，從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的角度，介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮的一些問(wèn)題，為了使系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行應(yīng)該采取哪些技術(shù)。 培訓(xùn)的內(nèi)容： 5 第一章 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 一、綜述 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容 智能 應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般包括 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 、 接口設(shè)計(jì) 和 多種類型的輔助電路 （如：模擬信號(hào)調(diào)理電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、電源電路等）設(shè)計(jì)內(nèi)容。而單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)往往是其中最主要、最復(fù)雜的設(shè)計(jì)部分。 6 ?單片機(jī)的定義與特點(diǎn) 單片機(jī)全稱為單片微型計(jì)算機(jī)（ 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(jì)算機(jī)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(shí)計(jì)數(shù)器、中斷控制、系統(tǒng)時(shí)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(jì)算機(jī)。 單片機(jī)有體積小、集成度高、功能強(qiáng)、功耗低、性能價(jià)格比高、易于實(shí)現(xiàn)各種智能系統(tǒng) 。 7 單片機(jī)的種類 按 總線寬度分成 4位單片機(jī)、 8位單片機(jī)、 16位單片機(jī)、32位單片機(jī)。 （ 1） 4位單片機(jī) ：主要用于各種小型智能電子設(shè)備如：計(jì)算器、遙控器、玩具控制、電子鐘、簡(jiǎn)單游戲機(jī)、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(jī) ：用于各種中等智能電子設(shè)備，產(chǎn)品種類最多、功能較強(qiáng)、性價(jià)比最高、應(yīng)用最廣泛。 8位單片機(jī)分成兩大類：一類是 MCS51系列及其兼容機(jī)，另一類是非MCS51系列。 8 （ a） MCS51系列單片機(jī)： 特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、內(nèi)部資源比較豐富，易學(xué)易用、資料齊全、應(yīng)用廣泛，是一種傳統(tǒng)的單片機(jī)。 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(jī)： 和 MCS51不兼容，有各自的特點(diǎn)，如： ◆ ATMEL公司的 AVR單片機(jī) （常用的是 :Atmega3Atmega6 Atmega128等，特點(diǎn)是： 芯片上擁有 Flash存儲(chǔ)器 ,一般不用外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器 . 片內(nèi)有 EEPROM也方便了數(shù)據(jù)的保存。采用增強(qiáng)的 RISC結(jié)構(gòu) ,使其具有高速處理能力 ,在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可執(zhí)行復(fù)雜的指令 ,每 MHz可實(shí)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(jī) ： 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(jī) , 8位機(jī) M6805,M68HC05系列 ,8位增強(qiáng)型 M68HC11,M68HC12 , 16位機(jī) M68HC16, 32位機(jī) M683XX. Motorola單片機(jī)的特點(diǎn)之一是 在同樣的速度下所用的時(shí)鐘頻率較 Intel類單片機(jī)低得多 ,因而使得高頻噪聲低 ,抗干擾能力強(qiáng) ,更適合于工控領(lǐng)域及惡劣的環(huán)境 . Motorola單片機(jī)在家電、汽車電子和通信產(chǎn)品領(lǐng)域應(yīng)用較廣。 10 ◆ MicroChip單片機(jī) : MicroChip單片機(jī)的主要產(chǎn)品是 PIC 16C系列和 17C系列 8位單片機(jī) ,CPU采用 RISC結(jié)構(gòu) ,分別僅有33,35,58條指令 ,采用 Harvard雙總線結(jié)構(gòu) ,運(yùn)行速度快 ,低工作電壓 ,低功耗 ,較大的輸入輸出直接驅(qū)動(dòng)能力 ,價(jià)格低 ,小體積 . 適用于用量大 ,檔次低 ,價(jià)格敏感的產(chǎn)品 .在自動(dòng)化設(shè)備 ,智能儀器儀表 , 工業(yè)控制等領(lǐng)域 ,PIC系列單片機(jī)占據(jù)了主導(dǎo)地位 . （ 3） 16位單片機(jī) ：總線寬度為 16位， CPU執(zhí)行速度和效率都比 8位單片機(jī)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(shè)備 、智能IC卡讀寫系統(tǒng)等領(lǐng)域。 11 （ 4） 32位單片機(jī) ： 32位單片機(jī)是單片機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，其 特點(diǎn)是資源和接口更豐富、內(nèi)部采用 RISC架構(gòu)和哈佛總線結(jié)構(gòu)， CPU處理速度和處理能力更強(qiáng)、支持基于操作系統(tǒng)的開發(fā)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更加復(fù)雜的處理任務(wù)、人機(jī)界面也更靈活 。 ATMEL、 MOTOROLA、 SAMSUNG、 HITACH等廠家都有 32位單片機(jī)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品一般以 ARM嵌入式處理器內(nèi)核為基礎(chǔ)（ ARM公司自己并不生產(chǎn)嵌入式處理器，而是研究和發(fā)展嵌入式處理器的內(nèi)核知識(shí)產(chǎn)權(quán)核，即 IP核，然后將IP核的生產(chǎn)和使用許可協(xié)議賣給各 IC生產(chǎn)廠家），所以 32位單片機(jī)一般都是指 ARM系統(tǒng)。 12 二、 MCS51單片機(jī)的內(nèi)部資源 系列 片內(nèi)存儲(chǔ)器（字節(jié)） 定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 并行 I/O 串行 I/O 中 斷 源 片內(nèi) ROM 片內(nèi) RAM 無(wú) 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(jī)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(chǔ)器配置 三、單片機(jī)的存儲(chǔ)器配置 （一）程序存儲(chǔ)器 15 與程序存儲(chǔ)器配置有關(guān)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(shí)別，不是單片機(jī)的 CPU可執(zhí)行的指令。 偽指令 主要用來(lái)指定程序位置，定義一個(gè)數(shù)據(jù)塊，為中間運(yùn)算結(jié)果保留一部分存儲(chǔ)空間，或者定義一些變量的別名以及表示程序的結(jié)束等。 定位偽指令 ORG 格式： [標(biāo)號(hào)： ] ORG m m是一個(gè) 16位二進(jìn)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(shuō)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(guān)的偽指令： 功能： 在程序存儲(chǔ)器從標(biāo)號(hào)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(lái)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(biāo)號(hào)： ] DB X1， X2，～ ， Xn Xi： 單字節(jié)二進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)，或以‘ ’括起來(lái)的字符串，數(shù)據(jù)符號(hào)。 18 （ 2）、定義字偽指令 DW（ Define Word） 格式： [標(biāo)號(hào)： ] DW Y1， Y2，～ Yn Yn：雙字節(jié)二進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)。 功能： 同 DB，不同的是為 16位數(shù)據(jù)。執(zhí)行匯編時(shí)，機(jī)器會(huì)自動(dòng)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(chǔ)器配置 （二）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 20 內(nèi)部存儲(chǔ)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(nèi) RAM前 32個(gè)單元 (00H— 1FH)是工作寄存器區(qū) (由 PSW中的 RS1,RS0決定 ) CY