51單片微型機(jī)原理和接口教程

前言

筆者從事單片機(jī)原理與應(yīng)用課程教學(xué)多年，對象是機(jī)械電子工程專業(yè)和機(jī)械工程與自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，深感本課程對學(xué)生的重要性和艱難性。每學(xué)期總有數(shù)名學(xué)生因感困難而放棄該課程的考試，這始終成為筆者多年來的遺憾。這也多次使筆者心存編寫此書的愿望，希望編寫一本學(xué)生喜歡看的專業(yè)書，編寫一本教師容易講的專業(yè)書。本書在編寫的文字上力求通俗、口語化，每一張電路圖都有詳細(xì)的解釋，每一條程序中的指令都有注釋。本書在每一章的開頭，采用設(shè)問的方式引導(dǎo)學(xué)生，使他們了解本章的主題，并增加他們自學(xué)的興趣。在每一章節(jié)后面都安排了本章小結(jié)，便于學(xué)生和教師對本章內(nèi)容進(jìn)行梳理。本書在每一章內(nèi)都插入了實(shí)驗(yàn)，全書共有十八個(gè)實(shí)驗(yàn)，使得教師可以在實(shí)驗(yàn)室講解單片機(jī)原理與應(yīng)用課程，一邊講課，一邊做實(shí)驗(yàn)，克服以往課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)分離的缺點(diǎn)。本書在每一章里都安排了一些習(xí)題，習(xí)題的設(shè)計(jì)大多數(shù)與例題類似，便于學(xué)生對本章知識點(diǎn)的復(fù)習(xí)鞏固。以下內(nèi)容作為本書的導(dǎo)讀。本書在結(jié)構(gòu)上分為3篇。第l篇是基礎(chǔ)篇，共有7章（第1～7章），內(nèi)容涉及5l系列單片機(jī)的核心知識，是本書的重點(diǎn)。本篇內(nèi)容可作為單片機(jī)原理課程的教材。第1章內(nèi)容把計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間的關(guān)系理清，把單片機(jī)中最基礎(chǔ)的問題搞懂，自然是學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的起點(diǎn)。第2章的內(nèi)容是把單片機(jī)內(nèi)部最主要的部件（CPU、存儲(chǔ)器和接口）聚在一起，使學(xué)生理解單片機(jī)的實(shí)質(zhì)?？紤]到學(xué)習(xí)的順序，2.4節(jié)的內(nèi)容可以暫時(shí)擱一下。第3章的內(nèi)容是5l系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)，是單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。第4章的內(nèi)容是匯編語言的程序設(shè)計(jì)，使一方面可以把指令的知識得以應(yīng)用，一方面可以學(xué)會(huì)匯編語言編程的知識。第4章的內(nèi)容學(xué)完后，建議把第2章留下的內(nèi)容（2.4節(jié)）I/O接口學(xué)習(xí)完，接著學(xué)習(xí)第5章。第5章的內(nèi)容是中斷系統(tǒng)，是本書的難點(diǎn)之一，需花心血，反復(fù)研磨。第6章的內(nèi)容是定時(shí)器／計(jì)數(shù)器（CTC），學(xué)習(xí)CTC的知識可結(jié)合中斷技術(shù)，進(jìn)一步理解中斷系統(tǒng)的知識。第7章的內(nèi)容是串行接口，這也是本書的難點(diǎn)之一，但這是計(jì)算機(jī)通信的基礎(chǔ)。第2篇是擴(kuò)展、接口和應(yīng)用篇，共有4章（第8～11章），內(nèi)容涉及5l單片機(jī)的擴(kuò)展應(yīng)用模式、常用的接口和單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本篇內(nèi)容可以作為單片機(jī)接口和應(yīng)用課程的教材。第8章的內(nèi)容是存儲(chǔ)器在單片機(jī)外面的擴(kuò)展和連接，并行接口的擴(kuò)展和連接。這是51系列單片機(jī)擴(kuò)展技術(shù)的基礎(chǔ)。第9章的內(nèi)容是顯示器／鍵盤電路和接口的原理及其應(yīng)用，顯示器／鍵盤電路是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)最常用的配置。第10章的內(nèi)容是模擬接口D／A轉(zhuǎn)換器和A／D轉(zhuǎn)換器的原理，以及與單片機(jī)的連接和應(yīng)用。第11章的內(nèi)容是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法，主要包含單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)。

內(nèi)容概要

本書共分3篇12章。第1篇共有7章的內(nèi)容，包含了51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，匯編語言程序設(shè)計(jì)。第2篇共有4章的內(nèi)容，包含了51系列單片機(jī)的擴(kuò)展應(yīng)用方式，常用接口芯片與單片機(jī)的連接和應(yīng)用，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。第3篇只有1章，包含了C51語言程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)內(nèi)容，將讀者引入單片機(jī)學(xué)習(xí)的新境界。     本書在每一章內(nèi)都穿插了一些實(shí)驗(yàn)，全書共穿插了十八個(gè)實(shí)驗(yàn)，使教師可以在實(shí)驗(yàn)室里，一邊講課，一邊做實(shí)驗(yàn)。學(xué)生自學(xué)時(shí)也可以看看書，動(dòng)動(dòng)手。     本書在編寫的文字上力求通俗、口語化，經(jīng)常用設(shè)問的方式引導(dǎo)學(xué)生，增加其自學(xué)的興趣。     本書可以作為普通高等學(xué)校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化、電子信息工程等相關(guān)專業(yè)單片機(jī)課程的教材，也可以供從事單片機(jī)設(shè)計(jì)與研究的科研人員參考。

書籍目錄

基礎(chǔ)篇　1 單片機(jī)基礎(chǔ)知識　　1.1 引言　　　1.1.1 計(jì)算機(jī)　　　1.1.2 微型機(jī)　　　1.1.3 單片機(jī)與嵌入式計(jì)算機(jī)　　1.2 常用數(shù)制和碼制　　　1.2.1 常用的數(shù)制及其轉(zhuǎn)換　　　1.2.2 常用的碼制　　實(shí)驗(yàn)一、認(rèn)識補(bǔ)碼　　1.3 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)概述　　　1.3.1 中央處理器CPU概述　　　1.3.2 存儲(chǔ)器概述　　　1.3.3 輸入/輸出接口概述　　1.4 單片機(jī)產(chǎn)品概述　　　1.4.1 單片機(jī)產(chǎn)品的類型　　　1.4.2 單片機(jī)產(chǎn)品的應(yīng)用　　1.5 本章小結(jié)　　習(xí)題1　2 MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)基本組成　　2.1 總體結(jié)構(gòu)　　　2.1.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)　　　2.1.2 外部引腳　　2.2 CPU特性　　2.3 存儲(chǔ)器組織　　　2.3.1 程序存儲(chǔ)器　　　2.3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器　　　2.3.3 特殊功能寄存器　　　2.3.4 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O接口　　2.4 I/O接口　　　2.4.1 P1口　　　2.4.2 P3口　　　2.4.3 P2口　　　2.4.4 P0口　　實(shí)驗(yàn)二、認(rèn)識P0～P3口　　2.5 時(shí)鐘和時(shí)鐘電路　　2.6 復(fù)位和復(fù)位電路　　2.7 本章小結(jié)　　習(xí)題2　3 MCS-51系列指令系統(tǒng)　　3.1 指令格式和尋址方式　　　3.1.1 立即尋址方式　　　3.1.2 直接尋址方式　　　3.1.3 寄存器尋址方式　　　3.1.4 寄存器間接尋址方式　　　3.1.5 變址尋址方式　　　3.1.6 相對尋址方式　　　3.1.7 位尋址方式　　3.2 數(shù)據(jù)傳送類指令　　　3.2.1 內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送指令　　　3.2.2 內(nèi)外數(shù)據(jù)傳送指令　　　3.2.3 查表指令　　實(shí)驗(yàn)三、尋址方式和堆棧的認(rèn)識　　3.3 數(shù)據(jù)處理類指令　　　3.3.1 算術(shù)運(yùn)算指令　　　3.3.2 邏輯運(yùn)算指令　　　3.3.3 移位指令　　3.4 位操作類指令　　　3.4.1 位變量傳送指令　　　3.4.2 位變量設(shè)置指令　　　3.4.3 位變量邏輯運(yùn)算指令　　3.5 程序轉(zhuǎn)移類指令　　　3.5.1 無條件轉(zhuǎn)移指令　　　3.5.2 有條件轉(zhuǎn)移指令　　　3.5.3 調(diào)用和返回子程序指令　　實(shí)驗(yàn)四、轉(zhuǎn)移類指令和位操作類指令的認(rèn)識　　3.6 CPU執(zhí)行指令的時(shí)序　　3.7 本章小結(jié)　　習(xí)題3　……擴(kuò)展、接口和應(yīng)用篇 C51篇附錄 51系列單片機(jī)指令表參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：運(yùn)算器中各部件的功能簡述如下。①算術(shù)邏輯運(yùn)算部件ALU（Arithmetic Logic Unit）：進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算。②累加器ACC：暫時(shí)存放運(yùn)算的數(shù)據(jù)和結(jié)果。③暫存器：暫時(shí)存放將要運(yùn)算的數(shù)據(jù)。④標(biāo)志位寄存器：存放數(shù)據(jù)的特征，運(yùn)算的狀態(tài)，作為條件轉(zhuǎn)移指令執(zhí)行的依據(jù)。運(yùn)算器的工作也是按步驟進(jìn)行的。當(dāng)控制器執(zhí)行了一條運(yùn)算指令后，運(yùn)算器根據(jù)控制器發(fā)出的各微操作信號（在圖1-12中被省略），按以下步驟進(jìn)行。①第一步通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線將第一個(gè)數(shù)據(jù)送累加器。②第二步通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線將第二個(gè)數(shù)據(jù)送暫存器，同時(shí)ALU部件對已送入的數(shù)據(jù)按指令要求進(jìn)行運(yùn)算。③第三步將運(yùn)算的結(jié)果按指令要求進(jìn)行存放。累加器、標(biāo)志位寄存器是用戶可以訪問到的部件，這些部件在以后的編程時(shí)都會(huì)涉及。CPU是計(jì)算機(jī)中知名度最高的部件，也是反映單片機(jī)性能的重要組成部件，體現(xiàn)CPU性能主要有兩個(gè)指標(biāo)，即字長和速度。①字長。字（word）長是CPU一次處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，可以是8位、16位、32位、64位。字長是反映CPU一次能處理信息量的一個(gè)指標(biāo)。②速度。CPU的速度傳統(tǒng)上是以每秒鐘能執(zhí)行的指令條數(shù)來衡量的，如一億次是指計(jì)算機(jī)每秒能執(zhí)行一億條指令?，F(xiàn)在經(jīng)常用CPIJ的工作頻率來衡量其速度，比如2GHz、24MHz等。單片機(jī)中的CPU一般以8位字長為主流，工作頻率為12MHz。1.3.2 存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)器系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)中重要的組成部分，其功能是存放計(jì)算機(jī)工作時(shí)所使用的信息，即程序代碼和數(shù)據(jù)代碼。有了存儲(chǔ)器系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)才有了記憶功能。（1）存儲(chǔ)器分類隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，存儲(chǔ)器的名目繁多，分類方法也有多種，以下就存儲(chǔ)器按不同的分類方法一一加以介紹。①按在計(jì)算機(jī)中的作用和位置分類：可分為主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器和高速緩沖存儲(chǔ)器。a.主存儲(chǔ)器。主存儲(chǔ)器就是馮·諾依曼所設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)藍(lán)圖中的存儲(chǔ)器，用于存放CPL，需要執(zhí)行的程序代碼和數(shù)據(jù)。主存儲(chǔ)器是主機(jī)的一部分，因此也叫內(nèi)存和主存，CPU可直接訪問它。其特點(diǎn)是存取速度快、體積小。電腦中的內(nèi)存條就是主存儲(chǔ)器。b.輔助存儲(chǔ)器。輔助存儲(chǔ)器又稱外部存儲(chǔ)器，簡稱輔存或外存。它用于存放需要長期保存的信息。CPU需通過I／O接口才能訪問它，因此從傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)來講，它不屬于存儲(chǔ)器，而是屬于輸入／輸出設(shè)備。比如硬盤、光盤、U盤等。c.高速緩沖存儲(chǔ)器。高速緩沖存儲(chǔ)器是一種高速存儲(chǔ)器，它的存取速度高于計(jì)算機(jī)中內(nèi)存條的存取速度，它作為內(nèi)存的一部分，用于提高計(jì)算機(jī)的工作速度，一般將計(jì)算機(jī)中最常用的程序代碼和數(shù)據(jù)存放于此。②按工作方式分類：可分為隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器。a.隨機(jī)存儲(chǔ)器。隨機(jī)存儲(chǔ)器（Random Access Memory）是一種CPU可直接存取信息的存儲(chǔ)器，簡稱RAM，也叫讀／寫存儲(chǔ)器。其特點(diǎn)是CPU能直接對其訪問，便于CPIJ快速地執(zhí)行程序和存取數(shù)據(jù)。順便說一下對存儲(chǔ)器“存取”的概念?！按嫒　卑藘煞N對存儲(chǔ)器的操作，“存”表示將信息存放在存儲(chǔ)器中；“取”表示將存儲(chǔ)器中的內(nèi)容取出來。另外一種對存儲(chǔ)器操作的表示叫“讀／寫”，其中“讀”操作對應(yīng)“取”操作，“寫”操作對應(yīng)“存”操作。

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