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单片机
阅读:22321时间:2010-10-28 15:03:16

  单片机是单片微型计算机(Single-Chip Microcomputer)的简称,是一种将中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)采用超大规模集成电路技术集成到一块硅片上构成的微型计算机系统。

特点

  (1)集成度高、体积小。

  单片机将CPU、存储器、I/O接口等各种功能部件集成在一块晶体芯片上,体积小,节省空间。能灵活,方便地应用于各种智能化的控制设备和仪器,实现机电一体化。

  (2)可靠性高,抗干扰性强。

  单片机把各种功能部件集成在一块芯片上,内部采用总线结构,减少了各芯片之间的连线,大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外,其体积小,对于强磁场环境易于采取屏蔽措施,适合在恶劣环境下工作。

  (3)低功耗。

  许多单片机的工作电压只有2~4伏特,电流几百微安,功耗很低,适用于便携式系统。

  (4)控制功能强。

  其CPU可以对I/O端口直接进行操作,可以进行位操作、分支转移操作, 还能方便地实现多机控制,使整个系统的控制效率大为提高,适用于专门的控制领域。

  (5)可扩展性好。

  单片机具有灵活方便的外部扩展总线接口,使得当片内资源不够使用时可以非常方便地进行片外扩展。另外,现在单片机具有越来越丰富的通信接口:如异步串行口SCI、同步串行口SPI、I2C、CAN总线、甚至有的单片机还集成了USB接口或以太网接口,这些丰富的通信接口使得单片机系统与外部计算机系统的通信变得非常容易。

  (6)性价比高。

  单片机应用广泛,生产批量大,产品供应商的商业竞争使得单片机产品的性能越来越强而价格低廉,有优异的性能价格比。

指令系统和寻址方式

  单片机要正常运作,事先需编制程序,再把程序放入存贮器中,然后由CPU执行该程序。程序是由指令组成的,指令的基本组成是操作码和操作数。单片机的品种很多,设计时怎样表示操作码和操作数,都有各自的规定,再有指令代码也各不相同,因此,必须对所选单片机的全部指令,也就是所谓“指令系统”,有足够的了解。各个系列的单片机虽然有不同的指令系统,但也有其共同性。掌握一种单片机的指令系统,对其它系列单片机可以起到触类旁通的作用。MCS-51单片机应用广泛,派生品种多,具有代表性,所以,这里以MCS-51系列的指令系统为例说明“指令”的组成和应用。

  1、MOV A,#20H

  这条指令表示把20H这个数送入累加器A中(一个特殊功能寄存器)。

  2、ADD A,70H

  这条指令表示把累加器A中的内容(在上例中送入的#20H)和存贮器中地址为70H单元中的内容(也是一个数字),通过算术逻辑单元(英文缩写为ALU)相加,并将结果保留在A中。这里MOV、ADD等称为操作码,而A、#20H、70H等均称为操作数。在汇编语言程序中,操作码通常由英文单词缩写而成,这样有助于记忆,所以又称助记符。如MOV就是英文单词MOVE的缩写,含有搬移的意思;而ADD即为英文单词,其意为相加。因此,对于略懂英语的用户,掌握单片机指令的含意是较为方便的。操作数有多种表示法,如以上的#20H称为立即数,即20H就是真正的操作数。而70H是存贮器中某个单元的地址,在该单元中,放着操作数(比如说是3AH),ADD A,70H不是将70H和A中的内容相加,而是从存贮器70H单元中将3AH取出和A中的内容相加。由上可知,要找到实际操作数,有时就要转个弯,甚至转几个弯,这个过程称为寻址,MCS-51共有7种寻址方式,现介绍如下:

  一、立即寻址:

  操作数就写在指令中,和操作码一起放在程序存贮器中。把“#”号放在立即数前面,以表示该寻址方式为立即寻址,如#20H。

  二、寄存器寻址:

  操作数放在寄存器中,在指令中直接以寄存器的名字来表示操作数的地址。例如MOV A,R0就属于寄存器寻址,即将R0寄存器的内容送到累加器A中。

  三、直接寻址:

  操作数放在单片机的内部RAM某单元中,在指令中直接写出该单元的地址。如前例的ADD A,70H中的70H。

  四、寄存器间接寻址:

  操作数放在RAM某个单元中,该单元的地址又放在寄存器R0或R1中。 如果RAM的地址大于256,则该地址存放在16位寄存器DPTR(数据指针)中,此时在寄存器名前加@符号来表示这种间接寻址。如MOV A,@ R0。其它还有变址寻址、相对寻址、位寻址等,待以后再详细介绍。可能有人会问,在指令中直接给出实际操作数,不是简单、明了吗?为什么还要用其它几种寻址方式呢?这是因为在编制程序时很难一下子就给出操作数。如用单片机控制温度时,时时需要将给定的控制温度(如20℃)减去环境温度,而环境温度时时有变化,显然无法在程序指令中给出,只有通过一定方式,将其送入某个输入/输出口,再存放在某个寄存器中,这就必须用到寄存器寻址。又如要进行算术运算,要计算每班学员各科成绩的平均值,如果把每个学员的各科都编一个程序,在程序中直接给出该学员各科成绩,再求平均值,显然太麻烦。这里可以编一个求平均成绩的通用程序,把每位学员的成绩送入存贮器的各个单元中,这时可采取直接寻址,一个程序可供每个学员用,不是更方便吗?所以,寻址方式越多,编制程序就越方便、灵活,适用范围就越广。

  寻址有如找人,如被找的人有手机、BP机、座机电话等多种联系方式则就容易找到他,单片机也是如此,寻址方式越多,找操作数越方便,单片机的功能就越强。前面介绍51系列单片机的寻址方式时,常遇到单片机内部的一些寄存器、累加器A、通用寄存器R0~R7、数据指针DPTR和存贮器等。在以后介绍指令时,数据就要在这些寄存器、存贮器之间传送,或者进行运算。因此,编制程序就需熟悉单片机的内部结构。

结构特征

  以最常见的8051单片机为例介绍单片机的结构特点,8051的CPU由运算器和控制器组成:

  一、运算器

  运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件ALU为核心,再加上暂存器TMP、累加器ACC、寄存器B、程序状态标志寄存器PSW及布尔处理器。累加器ACC是一个八位寄存器,它是CPU中工作最频繁的寄存器。在进行算术、逻辑运算时,累加器ACC往往在运算前暂存一个操作数(如被加数),而运算后又保存其结果(如代数和)。寄存器B主要用于乘法和除法操作。标志寄存器PSW也是一个八位寄存器,用来存放运算结果的一些特征,如有无进位、借位等。其每位的具体含意如下所示。PSW CY AC FO RS1 RS0 OV - P对用户来讲,最关心的是以下四位。

  1进位标志CY(PSW7)。它表示了运算是否有进位(或借位)。如果操作结果在最高位有进位(加法)或者借位(减法),则该位为1,否则为0。

  2辅助进位标志AC。又称半进位标志,它反映了两个八位数运算低四位是否有半进位,即低四位相加(或减)有否进位(或借位),如有则AC为1状态,否则为0。

  3溢出标志位OV。MCS-51反映带符号数的运算结果是否有溢出,有溢出时,此位为1,否则为0。

  4奇偶标志P。反映累加器ACC内容的奇偶性,如果ACC中的运算结果有偶数个1(如11001100B,其中有4个1),则P为0,否则,P=1。

  PSW的其它位,将在以后再介绍。由于PSW存放程序执行中的状态,故又叫程序状态字?运算器中还有一个按位(bit)进行逻辑运算的逻辑处理机(又称布尔处理机)。其功能在介绍位指令时再说明。

  二、控制器

  控制器是CPU的神经中枢,它包括定时控制逻辑电路、指令寄存器、译码器、地址指针DPTR及程序计数器PC、堆栈指针SP等。这里程序计数器PC是由16位寄存器构成的计数器。要单片机执行一个程序,就必须把该程序按顺序预先装入存储器ROM的某个区域。单片机动作时应按顺序一条条取出指令来加以执行。因此,必须有一个电路能找出指令所在的单元地址,该电路就是程序计数器PC。当单片机开始执行程序时,给PC装入第一条指令所在地址,它每取出一条指令(如为多字节指令,则每取出一个指令字节),PC的内容就自动加1,以指向下一条指令的地址,使指令能顺序执行。只有当程序遇到转移指令、子程序调用指令,或遇到中断时(后面将介绍),PC才转到所需要的地方去。8051 CPU碢C指定的地址,从ROM相应单元中取出指令字节放在指令寄存器中寄存,然后,指令寄存器中的指令代码被译码器译成各种形式的控制信号,这些信号与单片机时钟振荡器产生的时钟脉冲在定时与控制电路中相结合,形成按一定时间节拍变化的电平和时钟,即所谓控制信息,在CPU内部协调寄存器之间的数据传输、运算等操作。

  三、存储器

  存储器是单片机的又一个重要组成部分,图6给出了一种存储容量为256个单元的存储器结构示意图。其中每个存储单元对应一个地址,256个单元共有256个地址,用两位16进制数表示,即存储器的地址(00H~FFH)。存储器中每个存储单元可存放一个八位二进制信息,通常用两位16进制数来表示,这就是存储器的内容。存储器的存储单元地址和存储单元的内容是不同的两个概念,不能混淆。

  一、程序存储器

  程序是控制计算机动作的一系列命令,单片机只认识由“0”和“1”代码构成的机器指令。如前述用助记符编写的命令MOV A,#20H,换成机器认识的代码74H、20H:(写成二进制就是01110100B和00100000B)。在单片机处理问题之前必须事先将编好的程序、表格、常数汇编成机器代码后存入单片机的存储器中,该存储器称为程序存储器。程序存储器可以放在片内或片外,亦可片内片外同时设置。由于PC程序计数器为16位,使得程序存储器可用16位二进制地址,因此,内外存储器的地址最大可从0000H到FFFFH。8051内部有4k字节的ROM,就占用了由0000H~0FFFH的最低4k个字节,这时片外扩充的程序存储器地址编号应由1000H开始,如果将8051当做8031使用,不想利用片内4kROM,全用片外存储器,则地址编号仍可由0000H开始。不过,这时应使8051的第{31}脚(即EA脚)保持低电平。当EA为高电平时,用户在0000H至0FFFH范围内使用内部ROM,大于0FFFH后,单片机CPU自动访问外部程序存储器。

  二、数据存储器

  单片机的数据存储器由读写存储器RAM组成。其最大容量可扩展到64k,用于存储实时输入的数据。8051内部有256个单元的内部数据存储器,其中00H~7FH为内部随机存储器RAM,80H~FFH为专用寄存器区。实际使用时应首先充分利用内部存储器,从使用角度讲,搞清内部数据存储器的结构和地址分配是十分重要的。因为将来在学习指令系统和程序设计时会经常用到它们。8051内部数据存储器地址由00H至FFH共有256个字节的地址空间,该空间被分为两部分,其中内部数据RAM的地址为00H~7FH(即0~127)。而用做特殊功能寄存器的地址为80H~FFH。在此256个字节中,还开辟有一个所谓“位地址”区,该区域内不但可按字节寻址,还可按“位(bit)”寻址。对于那些需要进行位操作的数据,可以存放到这个区域。从00H到1FH安排了四组工作寄存器,每组占用8个RAM字节,记为R0~R7。究竟选用那一组寄存器,由前述标志寄存器中的RS1和RS0来选用。在这两位上放入不同的二进制数,即可选用不同的寄存器组,如附表1所示。

  三、特殊功能寄存器

  特殊功能寄存器(SFR)的地址范围为80H~FFH。在MCS-51中,除程序计数器PC和四个工作寄存器区外,其余21个特殊功能寄存器都在这SFR块中。其中5个是双字节寄存器,它们共占用了26个字节。各特殊功能寄存器的符号和地址见附表2。其中带*号的可位寻址。特殊功能寄存器反映了8051的状态,实际上是8051的状态字及控制字寄存器。用于CPU PSW便是典型一例。这些特殊功能寄存器大体上分为两类,一类与芯片的引脚有关,另一类作片内功能的控制用。与芯片引脚有关的特殊功能寄存器是P0~P3,它们实际上是4个八位锁存器(每个I/O口一个),每个锁存器附加有相应的输出驱动器和输入缓冲器就构成了一个并行口。MCS-51共有P0~P3四个这样的并行口,可提供32根I/O线,每根线都是双向的,并且大都有第二功能。

发展历程

  (1)第一阶段(1976-1978):初级阶段。

  这个阶段的单片机受集成电路技术的限制,制造工艺落后(使用NMOS工艺),速度低,功耗大,集成度低,片内资源较少。典型的代表产品有Intel公司的MCS-48系列。其特点是:片内集成有8位的CPU(有的还是4位的CPU),只有并行接口,无串行接口,有1个8位的定时器/计数器,最多只有2个中断源,1KB或2KB的ROM,64B或128B的RAM,寻址范围不大于4KB。

  (2)第二阶段(1978-1982):发展和完善阶段。

  这个时期,单片机中开始采用CMOS 工艺,并逐渐被高速低功耗的HMOS工艺代替。代表产品有Intel公司的MCS-51系列,Motorola公司的MC6805系列,TI公司的TMS7000系列等。这个阶段的单片机在以下几个方面奠定了典型的单片机通用体系结构。

  ① 完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构,包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有多机通信功能的串行通信接口。

  ② CPU外围功能单元的集中管理模式。

  ③ 体现工控特性的位地址空间及位操作方式。

  ④ 指令系统趋于丰富和完善,并且增加了许多突出控制功能的指令。

  (3)第三阶段(1982-1990):8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段,也是单片机向微控制器(Micro Control Unit—MCU)发展的阶段。

  Intel公司推出的MCS–96系列单片机,将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中,体现了单片机的微控制器特征。

常用指令

  一、传送操作

  助记符 代码 说明

  MOV Rn,A F8~FF A送寄存器

  MOV A,direct E5 dircet 直接字节送A

  MOV A,direct E5 dircet 直接字节送A

  MOV Rn,#data 78~7F data 立即数送寄存器

  MOV dircet,Rn 88~8F dircet 寄存器送直接字节

  MOV dircet1,dircet2 85 dircet1 dircet2 直接字节送直接字节

  MOV dircet,@Ro 86~87 间接RAM送直接字节

  MOV @Ri,A F6~F7 A送间接RAM

  MOV DPTR,#data16 90 data 15~8 16位常数送数据指针

  MOVX A,@Ri E2~E3 送外部数据(8位地址)送A

  MOVX A,@DPTR E0 送外部数据(16位地址)送A

  MOVX @DPTR,A F0 A送外部数据(16位地址)

  二、算术操作

  ADD A,Rn 28~2F 寄存器加到A

  ADD A,@Ri 26~27 间接RAM加到A

  ADD A,#data 24data 立即数加到A

  ADD A,Rn 38~3F 寄存器和进位位加到A

  ADD A,dircet 35dircet 直接字节和进位位加到A

  ADD A,@Ri 36~37 间接字节和进位位加到A

  ADD A,data 34 data 立即数和进位位加到A

  ADD A,Rn 98~9F A减去寄存器和进位位

  ADD A,dircet 95 dircet A减去直接字节和进位位

  ADD A,@Ri 36~37 间接RAM和进位位加到A

  ADD A,data 34 data 立即数和进位位加到A

  SUBB A,Rn 98~9F A减去寄存器和进位位

  SUBB A,dircet 95 dircet A减去直接字节和进位位

  SUBB A,@Ri 96~97 A减去间接RAM和进位位

  三、逻辑操作

  ANL A,Rn 58~5F 寄存器“与”到A

  ANL A,dircet 55 dircet 直接字节“与”到A

  ANL A,@Ri 56~57 间接RAm“与”到A

  ANL A,#data 54 data 立即数“与”到A

  ANL dircet A 52 dircet A“与”到直接字节

  ANL dircet,#data 53 dircet data 立即数“与”到直接字节

  ORL A,Rn 48~4F 寄存器“或”到A

  ORL A,dircet 45 dircet 直接字节“或”到A

  ORL A,@Ri 46~47 间接RAM“或”到A

  ORL A,#data 44 data 立即数“或”到A

  ORL dircet,A 42 dircet A“或”到直接字节

  ORL dircet,#data 43 dircet data 立即数“或”到直接字节

  XRL A,Rn 68~6F 寄存器“异或”到A

  XRL A,dircet 65 dircet 直接字节“异或”到A

  XRL A,@Ri 66~67 间接RAM“异或”到A

  XRL A,#data 64 data 立即数“异或”到A

  XRL dircet A 62 dircet A“异或”到直接字节

  XRL dircet,#data 63 dircet data 立即数“异或”到直接字节

  四、控制程序转移

  ACALL addr 11 *1 addr(a7~a0) 绝对子程序调用

  LCALL addr 16 12 addr(15~8) 长子程序调用

  addr(7~0)   RET 22 子程序调用返回

  RETI addr 11 32 中断调用返回

  AJMP addr 11 △1 addr(a7~a6) 绝对转移

  LJMP addr 16 02addr(15~8) 长转移

  addr(7~0)   SJMP rel 80 rel 短转移,相对转移

  JMP @A+DPTR 73 相对于DPTR间接转移

  JZ rel 60 rel A为零转移

  JNZ rel 70 rel A为零转移

  CJNE A,dircet,rel B5 dircet rel 直接字节与A比较,不等则转移

  CJNE A,#data,rel B4 data rel 立即数与A比较,不等则转移

  CJNE A,Rn,#data,rel B8~BF data rel 立即数与寄存器比较,不等则转移

  CJNE @Ri,#data,rel B6~B7 data rel 立即数与间接RAM比较,不等则转移

  DJNZ Rn,rel D8~DF rel 寄存器减1,不为零则转移

应用

  单片机具有体积小、控制功能强、功耗低、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,在家用电器、智能仪器仪表、工业控制、计算机网络和通信、汽车设备、医用设备等许多领域都有广泛的应用。

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