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作者:徐春辉

出版社:电子工业出版社

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单片微机原理及应用

单片微机原理及应用试读:

前言

“单片机原理及应用”是电气与电子信息类、机械类等众多工科专业的必修课。在以往的教学安排中,很多学校都是将“微机原理”作为基础必修课,将“单片机原理及应用”作为专业课来开设的,这样,微型计算机的基础理论和实用技术都得以完整体现。随着高等学校教学改革的深入和本科生教学总学时的减少,许多高校计算机类专业以外的其他相关专业已经将这两门课程压缩成了一门课程,并且从偏向于实用性角度出发,这门课程一般也命名为“单片机原理及应用”或相关名称。虽然课程名称未变,但教学内容和教学目标都发生了很大变化。为了能在较少的学时内使读者既能掌握单片机技术以直接解决工程实际问题,又能较系统地获取微机原理的基础知识与基础理论,为今后进一步拓展微机应用的深度和广度打下基础,这就要求对教学内容和教材做出改革。本教材正是基于这样一种思路编写的。在具体内容的组织安排上,重点考虑了如下几个问题。(1)在内容安排上,本书以数字电子技术为起点,以单片微型计算机技术的学习为主线,围绕这条主线补充微机原理的基础理论,从而将“微机原理”和“单片机原理及应用”这两门课程的内容有机地结合在一起,达到了理论性与实用性兼具的要求。这样安排既有利于读者掌握单片机技术,又有利于读者系统地掌握微型计算机的基础知识和基本理论。(2)技术的发展使得单片机的开发工具不断推陈出新,如KeilμVision、Proteus这些单片机软/硬件的调试及仿真软件目前已得到广泛应用。这些软件既是单片机开发者的强大工具,也是单片机技术学习者得力的学习助手。因此,本书着力引入了这些新的技术与工具。本书尽量靠前安排这些工具软件的教学内容,以便学生能尽早将这些工具软件用于本课程的学习。除此以外,在所有涉及硬件的例题中给出Proteus的仿真方案,供教师用于演示,从而起到将实验室搬入课堂的作用,同时也能达到活跃课堂气氛、提高学生学习兴趣的目的。(3)考虑到汇编语言在单片微机原理学习上的重要性,本书依然把它作为基本的编程语言,并在教学内容体系上保持独立完整,不受C51语言程序设计部分的影响。同时,考虑到C51语言在单片机开发工程中的广泛使用,本书也引入了C51程序设计的知识,并在编程例题中同时提供汇编语言和C51语言的程序清单,以便对照学习。这部分内容作为基础教学内容的拓展部分加以星号标识,供教师根据学时数的情况选讲或交由学生自学。(4)单片机作为嵌入式微控制器,在工业测控系统、智能仪器和家用电器中得到了广泛应用。市场上单片机的品种繁多,但51系列单片机仍不失为单片机中的主流机型。其内部结构相对简单,是初学者学习单片机技术的最好对象,掌握了51系列单片机再延伸到其他单片机就比较容易了。而且51系列单片机有丰富的教学参考资料和价廉质优、易于获取的开发工具相配合,开发工具所提供的优秀的软/硬件仿真功能,为初学者学习单片机工作原理及提高程序设计和调试能力带来很大的便利。因此,本书以51系列单片机为核心,以系列中最具典型性、代表性的AT89S51为具体分析产品,系统地介绍单片微型计算机原理及应用。(5)由于课时和篇幅所限,本书不可能做到面面俱到,因此,在内容的安排上侧重于把基本原理和基本方法讲清讲透。同时,为了拓宽读者的视野,本书对单片机应用的新技术和新器件也做了介绍,这部分知识作为拓展部分加星号标识,供教师选用。(6)为了达到强化基础、突出应用和便于自学的目的,本书力求文字精练、通俗易懂、深入浅出。书中提供了大量例题和应用实例,并对其进行了详尽的说明和论述,在每章最后设计了针对性较强的练习与思考题,以帮助学生更好地巩固、理解课堂所学的内容。(7)单片机原理及应用是一门实践性很强的课程,实验在课程的教学中起着非常重要的作用。但是,不同专业的侧重点不一样,不同学校的实验条件也可能不一样,因此,很难设置一套完美的实验方案普适所有的用户。本书作者准备另外编写单独的实验与课程设计指导书,供用户自由选用。(8)为减轻教师的教学负担,本书配套完整的教学支持资源,包括多媒体电子课件、调试通过的例题源程序文件、供教师课堂演示用的Proteus仿真的项目文件,以及练习与思考题的参考答案。教师可通过华信教育资源网(http://www.hxedu.com.cn)注册下载。

本书深入浅出,层次分明,实例丰富,突出实用,可操作性强,特别适合作为普通高等学校非计算机类专业相关课程的教材,亦可作为高职高专或培训班的教材。

全书共分为16章。第1章主要以一个简单易懂的应用实例展示单片机应用系统设计所要面对的基本问题,从而为读者的学习指明方向;第2章介绍微型计算机的基础知识和基本原理,为单片机技术的学习打下基础;第3~10章详细介绍51系列单片机(AT89S51)的硬件结构、指令系统、程序设计方法、软/硬件模拟调试方法及片内各功能部件的原理与使用;第11~15章介绍单片机系统扩展技术和各种常用硬件接口及软件设计;第16章结合实例介绍单片机应用系统的设计与调试。全书的参考学时数为48~72学时。教师可根据实际情况,对各章节所讲授的内容进行取舍。

本书由华东交通大学徐春辉担任主编,陈忠斌老师、曹晖高级工程师、陈鹏展博士、张永贤副教授参编,本书第1~5章、第14章、附录、全部电子课件和部分仿真程序由徐春辉编写;第7~9章及第11~13章由陈忠斌和徐春辉共同编写;第6、10章由徐春辉和曹晖编写;第15、16章由曹晖、陈鹏展、张永贤和徐春辉共同编写。袁慧林等同学为本书的习题和程序调试工作付出了辛勤的劳动。李宋、高彦丽两位副教授及吴翔老师对本书的编写也提出了宝贵的建议。全书最后由徐春辉统稿和整理。

本书在编写过程中得到了国家级科学技术奖评审专家、“新世纪百千万人才工程”国家级人选、华东交通大学杨辉教授的大力支持,在此表示衷心感谢。

由于计算机技术的发展日新月异,作者水平有限,书中疏漏和不足之处敬请读者批评指正。

编 者

2013年8月于华东交通大学第1章 绪论

内容提要

本章介绍计算机的基本结构、发展概况、分类及嵌入式计算机系统的开发和应用特点。

教学目标

● 了解单片机的应用领域,知道单片机能干什么,以便提高学习的兴趣。

● 了解单片微型计算机系统应用开发的特点,增加今后学习的针对性。1.1 计算机的诞生、发展及基本结构

世界上第一台数字电子计算机ENIAC是1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学诞生的,虽然这台计算机体积庞大,占地面积170平方米,重达30吨,与现代计算机相比,性能还非常低,每秒只能执行5000次加法运算,但它的问世却标志着计算机时代的到来,对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响。

随着电子技术的迅猛发展,电子计算机也不断更新换代,迄今为止,已经历了电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、超大规模集成电路计算机和目前正在盛行的高性能智能计算机这样五代,目前计算机正在向超高性能和超小体积两个方向发展。

尽管工艺和技术都发生了天翻地覆的变化,但是自从1945年由冯·诺依曼(John Von Neumann)提出“存储程序”工作原理以来,迄今为止,不论是巨型机、大型机、中型机、小型机还是微型机都遵循这个原理,存储程序计算机的工作原理可以归纳为3点:①计算机是通过执行程序来完成指定的任务的;②程序在执行之前存放在计算机的存储部件中;③程序不需要人工干预而自动执行。依据这个原理构建的计算机的基本组成如图1-1所示。由图可知,由输入设备、输出设备、运算器、控制器和存储器等五大部件组成计算机的硬件系统。图1-1 计算机的基本组成结构

输入设备的作用是把程序和原始数据转换成计算机能够直接识别与接收的代码,并存入计算机。例如,键盘就是一种输入设备。

存储器用来存放计算机中的所有信息,包括程序、原始数据、运算的中间结果及最终结果等。由于计算机只能直接识别和接收二进制代码,故无论是指令还是数据都是以二进制代码存放在计算机中的。

运算器用来完成算术运算和逻辑运算。

控制器是解释输入计算机中的命令并发出相应控制信号的机构,它是全机的指挥中枢。在控制器的控制下执行命令及原始数据的输入、机器内部的信息处理、处理的结果输出、外部设备与主机的信息交换,以及对异常情况和特殊请求的处理等操作。

输出设备的作用是把计算机处理的中间结果和最终结果,以人们可以识别的字符、汉字、图形及图像等形式记录下来或显示出来,供用户分析、判断和永久保存。

图1-1只是一个非常概念化的框图,具体到某些不同种类的计算机,图中方框内的具体组成可能会大相径庭,如早期的计算机其控制器体积可能会大到需要一个或多个机柜来安放,而在微型计算机系统中,通常把运算器和控制器集成在一个芯片上,合称为中央处理器,简称CPU(Central Processing Unit)。1.2 计算机类型划分

计算机的类型根据视角的不同有多种划分方法。例如,根据计算机体系结构、运算速度、结构规模、适用领域、价格等指标,可以将计算机分为微型机、小型机、中型机、大型机和巨型机。随着计算机技术的飞速发展,计算机技术和产品对其他行业的广泛渗透,目前较为流行的分类方法是以应用为中心,按照计算机的用途进行分类。按照用途,计算机可分为通用计算机和嵌入式计算机(专用计算机)两大类。1.2.1 通用计算机

通用计算机的硬件系统及系统软件均由有关的计算机公司设计制造,其用途不是针对某一个或某一类用户的,而是可以满足许多用户。例如,目前国内外广泛使用的台式PC或笔记本电脑,用户可直接在市场上购买,在厂家提供的软件支持下工作。就算是使用要求较高的用户,可能也只需要配上少量的软件或硬件,即可满足目标任务的需求。

对于各种服务器或高性能计算机,它们具有更高的性能,可以适用于许多领域或部门的需求。它们也可以视为通用计算机。1.2.2 嵌入式计算机

嵌入式计算机系统的定义可表述如下:以应用为目标,以计算机技术为基础,软/硬件可裁剪,适应对功能、实时性、可靠性、安全、体积、重量、成本、功耗、环境、安装方式等方面有严格要求的专用计算机系统。

可见,嵌入式计算机是能嵌入到对象体系中,以实现对象体系智能化为目的的一类专用计算机系统。嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机,一台通用计算机的外部设备中就包含了多个嵌入式微处理器,键盘、鼠标、光驱、硬盘、显示卡、显示器、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数码相机、手机等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通信、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、家用电器等方面无不是嵌入式计算机的应用领域。图1-2所示是在一辆家用小汽车中嵌入式计算机的使用情况。图1-2 汽车电控系统中的单片机应用1.3 嵌入式计算机的类别及应用特点1.3.1 嵌入式计算机的类别

按处理器体系结构的不同,可以将嵌入式计算机系统分成4类,分别是:嵌入式微处理器(Micro Processor Unit,MPU)、嵌入式微控制器(Micro Controller Unit,MCU)、嵌入式DSP处理器(Digital Signal Processor,DSP)和嵌入式片上系统(System on Chip,SoC)。1.3.2 嵌入式计算机系统的应用特点

在通用计算机系统中,由于具有良好的人机界面,用户不需要对计算机本身有过多的了解,只需要掌握系统和工具软件的使用,就可以解决许多问题。为人们广为使用的PC加上Windows操作系统就是这类计算机系统的一个典型。

在嵌入式计算机系统的应用中,为了在特定的应用场合下实现特定的功能,必须对计算机系统进行二次开发,即利用设备供应商所提供的部件,进行硬件系统和软件系统集成来构成嵌入式计算机。对某些特殊要求的计算机,如要求体积特别小、工作温度特别高、振动特别剧烈等无法进行系统集成时,则需要由设计者从元器件开始设计嵌入式系统或者采用片上系统(SoC)进行嵌入式系统的设计。这就要求系统开发者熟练地掌握计算机的软/硬件系统。1.4 单片微型计算机应用系统举例

嵌入式计算机系统的应用实例有很多,例如,在手机、空调、洗衣机等和人们的生活密切相关的设备中都不乏其身影,而单片机应用系统是中低档嵌入式系统的主流,具有简单易学、易开发、应用较广的特点,是学习嵌入式系统的入门首选。

为了简单明了地展示嵌入式计算机系统的应用特点,下面举一个简单的单片机应用系统的例子。图1-3所示为一个简单的电加热锅炉。为了在无人值守的条件下随时都有热开水供应,且锅炉的安全生产还必须得到保障,必须给这个锅炉配备一套可靠的监控系统。在这个监控系统中,通过J1电磁阀来控制高压蒸汽的排出,以防气压过高造成炉体爆裂事故的发生;电磁阀J2用来控制冷水的加入;继电器J3用来控制加热电阻丝和电源的通与断;通过高低水位传感器来监测锅内的储水量,以防止过多进水或缺水干烧而造成事故;通过压力传感器检测锅内水蒸气的压力;通过温度传感器检测水温,以保证水烧开后停止加热,当水温低于95°C时重新加热,以便保温。图1-3 电加热锅炉

为了能自动获取锅炉的状态,并产生适当的操作,使锅炉能按所设计的要求工作,设计了以AT89S51单片机为核心的电加热锅炉单片机控制系统,如图1-4所示。在这里,为了简化系统,假设各传感器都能将有效的动作信号转换为TTL高电平信号输出,单片机通过有关端口的引脚获取这些电平信号。同样为了简化起见,对炉温的控制也是采用开关控制而非连续控制,更没有使用控制算法。

在电加热锅炉单片机控制系统中,通过接口的引脚,将有关检测信号输入单片机,根据输入信号判断锅炉的状态,进而通过引脚输出控制信号控制相关继电器动作,从而实现对锅炉的控制,使其按照要求安全工作。

为使系统实现预期的功能,单片机必须运行相应的程序,程序流程图如图1-5所示。具体程序清单暂且略去。

将硬件系统设计、制作、连接调试完毕,并将所编制的程序经过图1-6所示的单片机开发装置调试成功后,将程序代码写入单片机的程序存储器。至此,整个系统的软硬件系统开发完毕,系统上电后,整个电加热锅炉就可以按照所要求的功能开始工作了。

通过这个简单的例子可以认识到,要设计一个嵌入式计算机应用系统,除了要掌握程序设计方面的软件知识外,还必须掌握计算机本身的结构、工作原理及与外部连接方面的硬件知识,这也是学习本门课程的目标之一。

为了解计算机的工作原理,进而掌握其应用系统的设计和开发,下面将从最基础的数制出发,一步一步地将计算机的基本工作原理展示出来。图1-5 电加热锅炉单片机控制程序流程图图1-6 单片机应用系统开发装置示意图练习与思考题1

1.简述计算机的基本组成结构。

2.简述单片微型计算机系统应用和开发的特点。第2章 微型计算机基础

内容提要

本章从微型计算机的最基本功能出发介绍其基本结构及工作原理,以便在有限的学时内给读者一个较完整的概念,然后在以后各章节中,结合实际的微型计算机逐步完善微型计算机原理及应用的具体细节。

学习要点

● 了解计算机中数和其他信息的编码表达方式。

● 了解计算机运算基础,理解加法在二进制运算中的重要地位。

● 了解微型计算机的结构特点及各功能模块的作用和工作原理。

● 了解微型计算机执行指令的例行程序,重点理解其取指令、分析指令和执行指令的过程。

● 了解单片微型计算机结构和应用方面的特点。

● 了解51系列单片机的历史沿革,重点了解AT89系列单片机和原型机的关系。2.1 计算机中的数、编码和运算2.1.1 计算机中常用的数制及相互转换

计算机要能计算,首先必须解决数和其他信息的表达问题。

1.计算机中常用的数制

数制是人们利用符号来记数的科学方法。数制可以有很多种,但在计算机的设计与使用上,常用的有十进制、二进制、八进制和十六进制。

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

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