矿井维修电工技师完整可编辑版课件.ppt
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1、矿井维修电工技师培训班矿井维修电工技师培训班大家好!大家好!第八章 单片机原理及控制 第一节 单片微型计算机概述 第二节 80C51单片机的硬件结构第一节 单片微型计算机概述 一、单片机 单片微型计算机简称单片机,它是把组成微型计算机的各功能部件即中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等部分制作在一块集成芯片中,构成一个完整的计算机。二、单片机的发展趋势 在短短的近三十年间,单片机经历了四次更新换代,其发展速度大约每二至三年要更新一代,集成度增加一倍、功能翻一番。目前按内部数据通道的宽度来说,单片机已从最初的4位发展到32位。纵观近三十年的发展,
2、单片机正朝多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强I/O功能及结构兼容方向发展。三、单片机的应用 单片机的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑,单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。与巨大体积和高成本的通用计算机相比,单片机的单芯片的微小体积和极低的成本,使其可广泛地嵌入到如玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通信产品中,成为现代电子系统中最重要的智能化工具。单片机作为最典型的嵌入式系统,它的成功应用推动了嵌入式系统的发展。近年来,除了各种类型的工控机,各
3、种以通用微处理器构成的计算机主板模块、以通用微处理为核心的、片内扩展一些外围功能电路单元构成的嵌入式微处理器甚至单片形态的PC机等,都实现了嵌入式应用,成为嵌入式系统的庞大家族。单片机是现代计算机、电子技术的新兴领域,无论是单片机本身还是单片应用系统设计方法都会随时代的变化而不断的发生变化。在所有单片机类型中,MCS-51系列单片机和80C51系列单片机的硬件结构简单明了、特殊功能寄存器功能规范并且软件指令系统易于掌握,是一种便于学习、理解和掌握的单片机。该系列单片机在国内介绍较多、资料比较齐全,其本身性能价格比较高,供货渠道较多,所以本书以80C51系列为例介绍单片机知识。MCS-51系列8
4、位高档单片机是在总结MCS-48系列单片机的基础上,于20世纪80年代初推出的新产品。其主要的技术特征是:扩大了片内存储容量、外部寻址空间:程序存储器和片外数据存储器的寻址都啬到64KB。增强了并行口、增设了全双工串行口I/O;4个位并行I/O接口,可用于地址和数据的传送,也可以与8243、8155、8255等连接进行外部I/O接口的扩展;1个全双工串行I/O通信接口,可用于数据的串行接收和发送,为构成串行通信网络提供了方便。增加了定时器/计数器的个数并扩展了长度;定时器/计数器由一个变为两个(8052为三个),计数长度由8位增为16位,肯有4种工作方式,这样,既提高了定时/计数范围,又使用户
5、使用灵活方便。增强了中断系统:设置有2级中断优先级,可接收5个中断源的中断请求,中断优先级别可由用户定义。这样,就使MCS-51单片机很适合用于数据采集与处理,智能仪器仪表和工业过程控制中。具备较强的指令寻址和运算等功能:有111条指令,可分为4大类,使用了7种寻址方式。这些指令44%为单字节指令,41%为双字节指令,15%为三字节指令。若用12MHZ晶振,50%的指令可在职s内执行完毕,40%的指令可在2s内执行完毕。增设了颇具特色的布尔处理机:在指令系统中设置有位操作指令,可用于位寻址空间,这些位操作指令与位寻址空间一起构成布尔处理机,布尔处理机对于实时逻辑控制处理具有突出的优点。可以看出
6、,这一代单片机主要的技术特征是为单片机配置了完善的外部并行总线(地址总线AB、数据总线DB、控制总线CB)和具有多机识别功能的串行通信接口(UART),规范了功能单元的特殊功能寄存器(SFR)控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统,为发展具有良好兼容性的新一代单片机奠定了良好的基础。80C51为第三代单片机。第二节第二节 80C51单片机的硬件结构单片机的硬件结构一、80C51单片机的硬件结构特点80C51系列单片机采用了CMOS技术制造,较之NCS-51系列单片机,集成度高、速度快、功耗低。其基本硬件结构如图8-1所示,硬件结构具有如下特点:图8-1 80C51单片机的基本组成结构
7、 1、内部程序存储器(ROM)和内部数据存储器(RAM)容量 80C51/87C51/80C52单片机的内部ROM和内部RAM的容量如表8-1所示:2、外部和谐存储器和外部数据存储器寻址空间 80C51可对64KB的外部数据存储器寻址肯不受该系列中各种芯片型号的影响,而对于程序存储器是内外总窨为64KB,所以80C51外部程序存储器最大寻址范围为64KB。3、输入/输出(I/O)口 80C51单片机内的I/O口的数量和种类较多且齐全,尤其是它有一个全双工的串行口。该串口是利用两根据I/O口线构成的,有四种工作方式,可通过编程选定,80C51共有32根据口线。4、定时/计数器与寄存器区 80C5
8、1系列单片机有2个16位定时/计数器,通过编程可以实现四种工作方式,80C52则有3个16位定时/计数器。80C51在内部RAM中开设了4个通用工作寄存器区,共32个通用寄存器,以适应多种中断或子程序嵌套的要求。表8-1 80C51单片机的存储器容量 5、中断与堆栈 80C51有6个中断源,分为4个优先级,每个中断源的优先级是编程的。它的堆栈也是可编程的,堆栈深度可达128字节。6、指令系统 80C51系统单片机完全继承了MCS-51的指令系统,共有111条指令,按其功能可分为五大数:数据传送类指令、算术运算类指令、逻辑运算类指令、控制转移类指令、布尔操作。7、布尔处理器 80C51布尔处理器
9、,实际上是一个完整的一位微计算机,这个一位微机有自己的CPU、位寄存器、I/O和指令集。一位在开关决策、逻辑电路仿真和实时测控方面非常有效,而位机在运算处理、智能仪表常用的数据采集方面有明显的长处。在80C51单片机中8位机和一位机的硬件资源是结合在一起的,二者相辅相成。二、80C51单片机的内部结构及中央处理器 1、80C51的内部结构框图与组成 80C51单片机片总体结构详细框图如图8-2所示,它主要由九个部件组成,分别是:1个8位的中央处理器;4KB/8KB的只读存储器(ROM或EPROM)(80C52为8K);128字节/256字节的数据存储器(RAM);32条I/O口线(四个8位口P
10、0、P1、P2、P3);2个或3个(80C52有三个)定时/计数器;一个具有6个中断源、4个优先级的中断嵌套结构;用于多处理机通讯、I/O扩展或全双工UART(通用异步接收发器)的串行口;特殊功能寄存器(SFR)以及一个片内振荡和时钟电路和。图8-2 80C51的内部结构框图及组成 2、80C51的中央处理器 中央处理器(CPU)单片机内部的核心部件,它决定了单片机的主要功能特性。CPU主要由运算部件和控制部分构成。下面将对这两部分以及涉及到的部分硬件进行详细的介绍。(1)运算部件 运算部件包括算术、逻辑部件ALU、布尔处理器、累加器A、寄存器B、暂存器1和暂存器2、程序状态寄存PSW以及十进
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