MC9S12单片机原理及嵌入式应用开发技术(1)-第1章-单片机概述课件.ppt

1、College of Communication Engineering,Jilin University第第1章章 单片机概述单片机概述2College of Communication Engineering,Jilin University本章提要本章提要1.1 单片机概述单片机概述 1.1.1 单片机概念单片机概念 1.1.2 单片机的应用单片机的应用 1.1.3 单片机历史及新技术单片机历史及新技术 1.1.4 单片机的开发方法单片机的开发方法1.2 单片机基本知识单片机基本知识 1.2.1 数的表示数的表示 1.2.2 基本门电路基本门电路 1.2.3 组合电路组合电路 1.2.4

2、 单片机构成单片机构成3College of Communication Engineering,Jilin University 1.1.1 单片机概念微处理器、微控制器和单片机 单片机：单片机：微处理器（Microprocessor）+存储器（Memory)+输入输出部件(Peripheral)一个芯片 微处理器：CPU 存储器：ROM+RAM 输入输出部件：A/D、定时器、PWM、SCI、SPI （键盘、拨位开关、LED灯、数码管显示、液晶显示、蜂鸣器）单片机（国内）Single Chip Microcomputer微控制器（国外）Microcontroller 片上系统片上系统 SoC

3、（System on Chip)：提高可靠性、降低复杂性、减少硬件尺寸、降低成本和功耗。应用系统单片化：应用系统单片化：总有一款适合你！（几千种）嵌入式系统嵌入式系统ES（Embedded systems）：）：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。4College of Communication Engineering,Jilin University单片机生产厂商5College of Communication Engineering,Jilin University1.1.2 单片机应用汽车电子无线通信

4、医疗器械过程控制智能机器人高 铁航 海航 空智能楼宇6College of Communication Engineering,Jilin University世界上第一台世界上第一台(1946(1946年年)电子数字计算机电子数字计算机第一代第一代(1946(1946一一19581958年年)电子管数字计算机电子管数字计算机第二代第二代(I958(I958一一19641964年年)晶体管数字计算机晶体管数字计算机第三代第三代(1964(1964一一l971l971年年)集成电路计算机集成电路计算机第四代第四代(197l(197l年以后年以后)大规模集成电路计算机大规模集成电路计算机1.1.3

5、 单片机历史及新技术计算机的发展历史 1.1.大型、巨型计算机大型、巨型计算机 2.2.小型、微型计算机小型、微型计算机 CPUCPU的集成度已达到千万只晶体管，时钟频率高达的集成度已达到千万只晶体管，时钟频率高达GHzGHz计算机的发展趋势7College of Communication Engineering,Jilin University1.1.3 单片机历史及新技术MC6800MC6809MC68000MC6801HC11MC6805HC05HC08HCS08RS08HC129S129S12XMC68020HC16ARM CoreM.CorePowerPC CoreColdFire

6、DragonBallMC6804HC04Freescale公司单片机的发展演变概况 位数指位数指CPU数据总线的位数。数据总线的位数。位数的高低体现了位数的高低体现了CPU处理能力的强弱处理能力的强弱。8College of Communication Engineering,Jilin University1.1.3 单片机历史及新技术n 配置 闪存、ROM、RAM、I/O、ADC、DAC、PWM、定时器/计数器、SCI、SPI、CAN总线、USB接口、液晶显示驱动、无线通信接口、以太网接口等等n 32位机新技术 双核：Xgate协处理器管理I/O；PowerPC:MotorolaIBMAp

7、ple、RISC（汽车电子、通信）ARM：英国著名的芯片设计公司、RISC、耗电少、成本低、功能强（移动 通信、手持计算、多媒体数字消费）DSP型：运算速度快，可用于运算量特别大的场合。（工业控制、汽车电子、消费类电子产品、电动机变频控制、音频压缩与解码、数字相机和 图像处理等）工业级嵌入式单片机的产品有较长的寿命，1020年。从技术上看，8位、16位和32位单片机各有其相应的应用领域和定位。技术的进步体现为使用更精密的制造工艺，从而使芯片面积更小、功耗更低、价格更便宜。9College of Communication Engineering,Jilin UniversityFreescal

8、e Part Numbering Scheme(16bit)S12S12X通用，型号广泛通用，型号广泛增强型增强型XGATE协处理器协处理器S12XS增强型增强型无无XGATE协处理器协处理器10College of Communication Engineering,Jilin University1.1.4 单片机的开发方法 仿真器、监控程序、BDMu 单片机仿真器单片机仿真器：*用复杂的系统模仿目标单片机的功能，将仿真头插在目标板 上单片机芯片的位置上做系统调试。*8051单片机仿真器，仿真器贵，不通用。u 监控程序监控程序：*通过串口操作片内闪存,实现程序的擦除和下载,并能使程序运行。

9、同时可以实现简单的调试功能，如显示和修改各内部寄存器、显 示和修改内存等。*通过PC串口和单片机的串口实现人机对话，可以使单片机的开发 不依赖于任何开发工具（51系列仿真芯片SST89E516）*占用用户资源（串口、片内RAM和闪存）*监控程序和应用程序共享一个CPU，因此不能做动态调试。u 后台调试方式后台调试方式BDM（Background Debug Mode）：原理同监控程序。*无需占用用户资源：独留通信引脚，释放了SCI；定制ROM空间；*片内增设智能化通信状态机模块，利用空周期对存储空间进行读 写，实现动态在线调试。u 集成开发环境集成开发环境IDE（Integrated Deve

10、lopment Environment）：由汇 编工具、交叉C编译器、I/O模块的专家库、源码级调试工具等组成，能够为用户自动建立工程文件，生成系统初始化程序、设置中断向 量等，使应用程序的开发傻瓜化。（CODEWARRIOR）11College of Communication Engineering,Jilin University后台调试模式BDM后台调试模式后台调试模式BDM是是Freescale公司提出的一种调试接口，主要公司提出的一种调试接口，主要用于嵌入式用于嵌入式MCU的程序下载和程序调试。的程序下载和程序调试。12College of Communication Engine

11、ering,Jilin University 1.2.1 数的表示 数制1.十进制：十进制：a.有10个数字符号0、1、2、8、9，注意!没有“10”b.逢10进位，既在较高位增1;c.同一数符在不同位置所代表数值不同，差10k倍 d.小数点向左/右移动一位数值缩小/扩大10倍。2.J进位计数的特点：进位计数的特点：a.有J个数字符号;0、1、2、J-1，注意!没有“J”;b.逢J进位，既在较高位增1;c.同一数符在不同位置所代表数值不同，差Jk倍 d.小数点向左/右移动一位数值缩小/扩大J倍。13College of Communication Engineering,Jilin Unive

12、rsity 1.2.1 数的表示 数制3.“权权”和和“基基”（1）“基”：所使用的数字符号(简称数符)的个数 J 称为“基”（2）数位：为方便描述多位数中各数字符号所在位置，现规定，自小数点开始向左各位称为第0位、第1位、；自小数点开始向右各位称为第-1位、第-2位、。（3）“权”：数字符号“1”在某位置所代表的数值称为该位的权。显然，在J进位计数制下，第k位的权为Jk。（4）J进制数所代表的数值-按权展开(以十进制表示)：(DmD1D0.D-1D-2D-n)J=(Dm*Jm+D1*J+D0 +D-1*J-1+D-2*J-2+D-n*J-n)1014College of Communicat

13、ion Engineering,Jilin University 1.2.1 数的表示 数制4.二进制二进制(J=2)a.有二个数字符号0、1，注意!没有“2”;b.逢2进位，既在较高位增1;c.数字符号“1”在第k位代表的数值是2k。d.小数点向左/右移动一位数值缩小/扩大2倍。e.(110111)2=1*25+1*24+0*23+1*22+1*21+1*20=(55)105.八进制八进制(J=8)a.有八个数字符号0、1、7，注意!没有“8”;b.逢8进位，既在较高位增1;c.数字符号“1”在第k位代表的数值是8k。d.小数点向左/右移动一位数值缩小/扩大8倍。e.(103524)8=1*

14、85+0*84+3*83+5*82+2*81+4*80=(34644)1015College of Communication Engineering,Jilin University 1.2.1 数的表示 数制6.十六进制十六进制(J=16)a.有十六个数字符号，除0、1、2、8、9外，还需借用六个英文字母A、B、C、D、E、F；它们所对应的十进值分别为10、11、15。注意!没有“16”！b.逢16进位，既在较高位增1;c.数字符号“1”在第k位代表的数值是16k。d.小数点向左/右移动一位数值缩小/扩大16倍。e.(4A07F1)16=4*165+10*164+0*163+7*162+1

15、5*161+1*160 =(4851679)10 进制后缀：进制后缀：B:2 H:16 Q或或O:8 D或无或无:10 例：例：11100110B 3058H 305816College of Communication Engineering,Jilin University1.2.1 数的表示 数制常用各种进制数字符号对应关系常用各种进制数字符号对应关系16进制进制 10进制进制 8进制进制2进制进制16进制进制 10进制进制8进制进制2进制进制0000 991110011111A1012101022210B1113101133311C12141100444100D131511015551

16、01E14161110666110F151711117771111016201 0000 881010001117211 000117College of Communication Engineering,Jilin University 1.2.1 数的表示 数制7.J1（十）进制数（十）进制数 J2（二）进制数的转换算法（二）进制数的转换算法 （1）整数部分：除(J2)取余。（2）小数部分：乘(J2)取整。（3）上述运算需要在J1进制下进行！例：(53.625)10=(110101.101)2 （4）这种方法是普遍适用的，无论机器中还是书面上！8.书面上不同进制数之间的转换算法：书面上不

17、同进制数之间的转换算法：（1）当J1进运算较易人工完成时，可用机器中相同的算法 （2）当运算不易人工完成时，可先用十进运算按“权”展开为十进数，再由十进数转换为J2进。例：(11001.1001)2=(25.5625)1018College of Communication Engineering,Jilin University 1.2.1 数的表示 数制9.二进制数与十六进制数之间的转换算法二进制数与十六进制数之间的转换算法 由于恰好由于恰好 24=16，所以有以下变换方法。这种方法不仅可以在，所以有以下变换方法。这种方法不仅可以在书面上进行，也可以在机器中完成。书面上进行，也可以在机器中

18、完成。（1）二进制数）二进制数 十六进制数的方法十六进制数的方法 a.将二进制数自小数点开始向左/右按 4位一节分组，末端不足 4位的部分用“0”补足为4位。b.将每4位二进制数写成1位十六进制数。c.例：(000101101101.01001010)2=(16D.4A)16 （2）十六进制数十六进制数 二进制数的方法二进制数的方法 a.将每1位十六进制数写成4位二进制数。b.例：(1863.5B)16=(0001100001100011.01011011)2 19College of Communication Engineering,Jilin University 1.2.1 数的表示

19、数制10.Using windows-accessories-calc to practice with different number systems20College of Communication Engineering,Jilin University 1.2.1 数的表示 有符号数非数值信息非数值信息在计算机中的表达在计算机中的表达-编码编码非二进数字符号非二进数字符号在机器中的表达在机器中的表达-编码编码带符号二进数的带符号二进数的符号符号的表达的表达-编码编码(符号位符号位)机器数：机器数：1.一个数在机器中的一个数在机器中的表示形式表示形式称为机器数称为机器数(实质即编码实

20、质即编码)2.不仅符号部分是编码表达的；为应用方便，数值部分也常不仅符号部分是编码表达的；为应用方便，数值部分也常 按某种方法编码表达。按某种方法编码表达。真值：真值：机器数所代表的真实数值本身称为真值。机器数所代表的真实数值本身称为真值。有符号数和无符号数：有符号数和无符号数：有些问题中没有负数问题，此时全部有些问题中没有负数问题，此时全部编码长度都只用来表达数值，此称无符号数。编码长度都只用来表达数值，此称无符号数。21College of Communication Engineering,Jilin University 1.2.1 数的表示 有符号数带符号带符号数的数的符号符号的表达

21、方法：的表达方法：属于非数值信息，只能属于非数值信息，只能通过二进编码表达。通过二进编码表达。符号位：符号位：1.因数的符号只有因数的符号只有“+”和和“-”二种情况，所以编码时只需使二种情况，所以编码时只需使用用一个一个二进位即可。此称二进位即可。此称“符号位符号位”。2.一般来说，用一般来说，用“1”表示表示“+”，用，用“0”表示表示“-”；或相反；或相反均可。但一均可。但一 经约定就要一以贯之地使用到底，不能中途经约定就要一以贯之地使用到底，不能中途再改变。另外，为与其他人交流之便，这种约定一定要与再改变。另外，为与其他人交流之便，这种约定一定要与大多数人一致。大多数人一致。3.目前，

22、普遍采用的编码方法是目前，普遍采用的编码方法是用用“0”表示表示“+”，用，用“1”表示表示“-”。因此，我们也采用这种约定。因此，我们也采用这种约定。22College of Communication Engineering,Jilin University 1.2.1 数的表示 有符号数n 带符号带符号数的数的原码原码表示：在其表示：在其绝对值前冠以符号位绝对值前冠以符号位。n 带符号带符号数的数的反码反码表示：表示：正数正数的反码与其原码相同；的反码与其原码相同；负数负数的反码是将其原码除符号位外逐位取反的反码是将其原码除符号位外逐位取反n 带符号带符号数的数的补码补码表示：表示：正数

23、正数的补码与其原码相同；的补码与其原码相同；负数负数的补码是其原码除符号位外的补码是其原码除符号位外逐位取反逐位取反，末位加末位加 1编编码码原码原码真值真值反码反码真值真值补码补码真值真值编编码码原码原码真值真值反码反码真值真值补码补码真值真值00000000+0+0010000000-0-127-12800000001+1+1+110000001-1-126-12700000010+2+2+210000010-2-125-12601111101+125+125+12511111101-125-2-301111110+126+126+12611111110-126-1-201111111+1

24、27+127+12711111111-127-0-123College of Communication Engineering,Jilin University 1.2.1 数的表示 有符号数补码减法补码减法 1.X-Y补补=X补补+-Y补补 采用补码可将减法变为加法采用补码可将减法变为加法 X补补+-Y补补 =2+X+(2-Y)=2+2+(X-Y)=X-Y补补 (mod 2n)例：例：X=-11 1000=(-56)10;Y=-1 0001=(-17)10 ;X-Y=-11 1000 -(-1 0001)=-10 0111=(-39)10 X补补=1100 1000 X补补=1100 10

25、00-Y补补=+0001 0001 Y补补 =-1110 1111(进位进位)0 0000 0000 (借位借位)1 1111 1110 -39补补=1101 1001 -39补补=1101 100124College of Communication Engineering,Jilin University 1.2.1 数的表示 ASC码ASCII(美国信息交换标准化美国信息交换标准化)码码n 是专门用于非数值信息和符号的一种编码方案是专门用于非数值信息和符号的一种编码方案 n 其编码的内容：其编码的内容：1.英文字母英文字母 2.阿拉伯数字阿拉伯数字 3.标点符号标点符号 4.格式控制符号

26、格式控制符号 5.对外设的控制符号对外设的控制符号n 7位码，共位码，共128个编码。个编码。特意较机器中的存储单元长度少特意较机器中的存储单元长度少1位。存储时占有低位。存储时占有低7位。位。最高位可用于特殊目的；不用时用最高位可用于特殊目的；不用时用0占位。占位。n 这是一种规律十分明确的编码，要求熟记其中有明显规律的这是一种规律十分明确的编码，要求熟记其中有明显规律的部分！部分！n 编码表：编码表：n 奇奇/偶校验及奇偶校验及奇/偶校验位偶校验位25College of Communication Engineering,Jilin University 1.2.1 数的表示 ASC码n

27、 英文字母英文字母的编码：的编码：1.大写字母大写字母 A-Z:41H-5AH 2.小写字母小写字母 a-z :61H-7AH 3.大写大写小写小写:+20H 4.小写小写大写大写:-20H 5.A-F 十六十六(二二)进值：进值：-37H 6.十六十六(二二)进值进值 A-F：+37Hn 阿拉伯数字阿拉伯数字的编码：的编码：1.0-9:30H-39H 2.0-9 二进值：二进值：-30H 3.二进值二进值 0-9：+30Hn 格式控制符号和设备控制符号的编码：格式控制符号和设备控制符号的编码：空格：空格：20H 回车：回车：0DH 换行：换行：0AHn 配置奇配置奇/偶校验位偶校验位 1.奇

28、校验奇校验:A 41H=0100 0001 1100 0001 C 43H=0100 0011 0100 0011 2.偶校验：偶校验：A 41H=0100 0001 0100 0001 C 43H=0100 0011 1100 001126College of Communication Engineering,Jilin UniversityASCII Table27College of Communication Engineering,Jilin UniversityASCII TablenASCII character is treated as a number in comput

29、erTemp=?Quiz1:unsigned char temp=a+4;Quiz2:unsigned char temp=(a z);28College of Communication Engineering,Jilin University1.2.1 数的表示 BCD码 用于表达十进制数符的二进编码称为用于表达十进制数符的二进编码称为BCD码码。BCD数的存储数的存储形式形式-紧缩紧缩BCD数数/非紧缩非紧缩BCD数数 1.计算机中的存储系统常常是以计算机中的存储系统常常是以8个二进位为一个单元。个二进位为一个单元。2.一组一组BCD编码是编码是4个二进位，因此每个存储单元最多可以放个二

30、进位，因此每个存储单元最多可以放2组组BCD编码。编码。3.当每个存储单元放当每个存储单元放2组组BCD编码时，称为编码时，称为紧缩紧缩BCD数。数。当每个存储单元放当每个存储单元放1组组BCD编码时，称为编码时，称为非紧缩非紧缩BCD数数 4.紧缩紧缩BCD数：高数：高4个二进位对应二个个二进位对应二个十进数中的高位十进数中的高位。低低4个二进位对应二个个二进位对应二个十进数中的低位。十进数中的低位。5.非紧缩非紧缩BCD数：必须放在低数：必须放在低4个二进位中，高个二进位中，高4个二进个二进 位必须置位必须置0000。BCD3BCD2BCD1BCD00000BCD1BCD00000紧缩紧缩

31、BCDBCD非紧缩非紧缩BCDBCD29College of Communication Engineering,Jilin UniversityBCDn BCD Binary Coded DecimalRepresent an individual decimal as binary.For example,to convert a decimal for 7-segment display Decimal BCD0000010001 20010 30011 40100 50101 60110 70111 81000 91001 Dec:17BCD:0001 011130College of

32、 Communication Engineering,Jilin UniversityExercisen按照大小给下面几个数排序16进制 0 x1310进制 17二进制 0b00010101BCD码 0b0001010131College of Communication Engineering,Jilin University1.2.2 基本门电路n Two voltage levels can be represented as digits 0 and 1 TTL:VCC=5V5%0=0-0.7V 1=2.4 5V CMOS:VDD=3 8V(Lower to1.8 or 0.9V)0=

33、00.3VDD,1=0.71VDDVddebcN typeVssggN typeP typeOng=HighOnb=HighOng=LowOffb=LowTTL and CMOS TransistorsVddVdd32College of Communication Engineering,Jilin UniversityBasic Logic ElementBA Inverter 反相器反相器B=A(B=!A)AB1001Circuit Truth Table Boolean Expression Logic Diagram SymbolABCABC001011101110NAND 与非门与

34、非门C=!(A*B)33College of Communication Engineering,Jilin UniversityBasic Logic Element(cont)Circuit Truth Table Boolean Expression Logic Diagram SymbolABC001010100110 NOR或非门或非门 C=!(A+B)ABCInOutCCInOut00Z01Z100111 三态门三态门Three Status GateInOutC34College of Communication Engineering,Jilin UniversityLogic

35、 elementn With the Inverter,NOR,NAND,more logic element can be build.ABC000010100111Circuit Truth Table Boolean Expression Logic Diagram Symbol AND C=(A*B)ABC000011101111 OR C=(A+B)35College of Communication Engineering,Jilin UniversityLogic element(cont)ABCDEABDEC00000010111010111000 XORC=(A B)36Co

36、llege of Communication Engineering,Jilin University1.2.3 组合电路 逻辑电路A0SA1A2A3Address decoderA(0,1,2,3)=?,then S=1Widely used for address decoding in computer designto select a specified address location or an address region.37College of Communication Engineering,Jilin University1.2.3 组合电路 逻辑电路(续)2-4 D

37、ecoderA B S0 S1 S2 S30 00 11 01 10 1 1 11 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0S0AS1S2S3BWidely used in multiplexer.38College of Communication Engineering,Jilin University1.2.3 组合电路 运算电路xyscS=x yC=x*yXYCS0000010110011110SumCarryhalf adder39College of Communication Engineering,Jilin University1.2.3 组合电路 运算电路(续)ZXYCS

38、0000000101010010111010001101101101011111Full adderxysczXYSCZ40College of Communication Engineering,Jilin University1.2.3 组合电路 运算电路XYSCZXYSCZXYSCZXYSCZA3A2A1A0B3B2B1B0C0S3S2S1S0C1C2C3C4S=A+B4-bit adder41College of Communication Engineering,Jilin University多多(4)位加位加/减法电路减法电路 设二个加数分别为：设二个加数分别为：A ,B 和和/

39、差为差为：Sn 利用补码变减法为加法：利用补码变减法为加法：AB补补=A补补+-B补补=A补补+B补补+1n 求求B补补-可控反相门可控反相门(P32)和和 加加/减控制端减控制端n 电路电路 P33 =1BiYi SUBSUB=1Yi =Bi SUB=0Yi =Bi AiBiCi+1SiFACiAiBiCi+1SiFACiAiBiCi+1SiFACiA3A2A1A0B3B2B1B0S3S2S1S0C3C2C1C4AiBiCi+1SiFACi=1=1=1=1SUB=0,加加=1,减减42College of Communication Engineering,Jilin University

40、1.2.3 组合电路 时序电路（触发器）Flip-flopsCDQQ0XNO change10011110Flip-flop has the capability to STORE dataIt is the basic element for sequential logic.DCLKQQ43College of Communication Engineering,Jilin University1.2.3 组合电路 时序电路（移位寄存器）4bit Shift registerDCQQDCQQDCQQDCQQClkD0D1D2D3Q0Q1Q2Q3ClkD0Q0Q1Q2Q30XNo chang

41、e1XD0Q0Q1Q244College of Communication Engineering,Jilin University 1.2.3 组合电路 算术逻辑单元ALU加减加减左移左移右移右移与或与或多路开关多路开关CBAS0S1S2S345College of Communication Engineering,Jilin University 1.2.3 组合电路 算术逻辑单元ALUS3 S2 S1 S0 C=0 C=10 0 0 00 0 0 10 0 1 00 1 0 00 1 0 100 0 1 1 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1

42、11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1Transfer F=A F=A+1Add F=A+B F=A+B+1Sub F=A B 1 F=A B Dec F=A 1And F=A BOr F=A|BNot F=-ACompliment F=!A F=Logical shift right AF=Rotate shift right AF=Rotate shift right A with CarryF=Arithmetic shift right AF=Logical shift left AF=Rotate shift left AF=Rotate shift left A with CarryF=Arithmetic shift left A46College of Communication Engineering,Jilin UniversityBasic structure of MCU -memory