單片機原理與應(yīng)用技術(shù)

前言

單片微型計算機簡稱單片機，是微型計算機的一個重要分支，它的誕生是計算機發(fā)展史上的一個重要里程碑。單片機具有體積小、性價比高、功能強、性能穩(wěn)定、控制靈活等諸多優(yōu)點，因此在計算機外圍設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通信、智能儀器儀表、工業(yè)自動化控制設(shè)備、家用電器、智能玩具等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中，單片機占有重要的地位，并不斷顯示出強大的生命力和廣闊的應(yīng)用前景。盡管單片機本身的發(fā)展、應(yīng)用及其在高校中的教學(xué)實踐已近30年，但隨著單片機技術(shù)的進(jìn)步和實用領(lǐng)域?qū)纹瑱C系統(tǒng)開發(fā)要求的不斷提高，單片機技術(shù)的教學(xué)似乎比以往任何時候都有更多的問題有待探討和亟需解決。1．開設(shè)單片機課程還有無必要目前似乎有不少人認(rèn)為單片機基本屬于數(shù)字技術(shù)發(fā)展初期的產(chǎn)物，屬于低端技術(shù)層次，且無任何理論內(nèi)涵，面對當(dāng)今不斷涌現(xiàn)的新方法、新器件和新技術(shù)，如ARM、DSP等，已沒有必要將其作為一門課程單獨開設(shè)，特別是對于本科教育，應(yīng)當(dāng)有新內(nèi)容取代它。我們認(rèn)為這種意見只有一部分是正確的。如果從目前一直沿襲下來的單片機教學(xué)內(nèi)容和實驗方法來看，確實已與單片機本身的歷史一樣久遠(yuǎn)了，即教學(xué)的內(nèi)容過于陳舊而不能適應(yīng)現(xiàn)代單片機技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用現(xiàn)狀。不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在高校中，單片機教學(xué)的絕大多數(shù)內(nèi)容仍然停留在51單片機最初進(jìn)入課堂的那個年代（1984年前后），例如許多在現(xiàn)在看來早已沒有實用價值的內(nèi)容卻逢課必講，并且是詳述，如0809、0832、8255、8155、8279以及一些過時的存儲器等器件及接口技術(shù)；而目前與單片機技術(shù)相關(guān)的許多新知識、新器件的內(nèi)容卻極少加入，以致在目前的單片機課程中學(xué)到的知識幾乎很難應(yīng)對大學(xué)生電子設(shè)計競賽中的大多數(shù)競賽題，當(dāng)然更加無法應(yīng)對在未來工程實踐中出現(xiàn)的諸多問題。此外，從單片機技術(shù)引入課堂至今，一直將其作為一門獨立的、孤立的專業(yè)基礎(chǔ)課來對待，從而使其與后來不斷涌現(xiàn)的許多新技術(shù)和新知識絕緣，導(dǎo)致學(xué)習(xí)者無法將學(xué)到的單片機知識融入到更廣闊的實用工程技術(shù)領(lǐng)域中去。從另一方面看，正因為單片機（主要指MCS-51系列單片機）深厚的歷史積淀，在近30年的發(fā)展歷史中，單片機技術(shù)進(jìn)步之快、器件種類之多、應(yīng)用領(lǐng)域之廣、現(xiàn)實影響之深刻，在現(xiàn)代硬件數(shù)字技術(shù)領(lǐng)域中占據(jù)了無可匹敵的地位。因此，如果直接取消單片機課程，勢必對高職或工科類本科生的就業(yè)和后續(xù)發(fā)展造成較大的風(fēng)險。綜合以上兩方面，我校對單片機課程的教學(xué)和實驗內(nèi)容作了調(diào)整，將單片機課程大致分為5個層次來完成：（1）傳統(tǒng)51單片機的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)；（2）單片機的傳統(tǒng)應(yīng)用和擴展技術(shù)；（3）單片機擴展FPGA技術(shù)（結(jié)合電子設(shè)計競賽項目的實驗）；（4）基于51單片機IP核的FPGA片上系統(tǒng)開發(fā)；（5）基于Nios II的32位嵌入式處理器核的FPGA片上系統(tǒng)設(shè)計（此單片機課程最近改名為“片上系統(tǒng)原理與應(yīng)用技術(shù)”）。顯然，這是將傳統(tǒng)單片機技術(shù)與EDA技術(shù)、FPGA開發(fā)技術(shù)、處理器軟核應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)和片上系統(tǒng)SOC應(yīng)用技術(shù)有機結(jié)合的課程，內(nèi)容與現(xiàn)代電子設(shè)計技術(shù)的發(fā)展具有很好的同步性。正因如此，其教學(xué)效果很好。除了在多屆電子設(shè)計競賽中不斷有學(xué)生直接利用這些學(xué)到的知識獲得可喜的成績外，還不斷地傳來已就業(yè)多年的學(xué)生（本科生）創(chuàng)業(yè)成功的好消息。有不少同學(xué)在就業(yè)數(shù)年后創(chuàng)辦了自己的IC設(shè)計公司或工作室，有的從事SOC設(shè)計，內(nèi)容多集中于MP4、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)字通信器件或手機語音處理相關(guān)的SOC專用集成電路的設(shè)計；有的則是主營特定企業(yè)的專用單片機或?qū)Ｓ眉呻娐返脑O(shè)計與銷售；還有的甚至自主開發(fā)通用單片機，其中包括單片機開發(fā)芯片和開發(fā)工具的研發(fā)與銷售。作為本科畢業(yè)生，所有這些成就無疑都與他們在校期間對諸如單片機技術(shù)等相關(guān)知識的學(xué)習(xí)和實踐分不開的。

內(nèi)容概要

　　《單片機原理與應(yīng)用技術(shù)》主要介紹單片機原理及應(yīng)用技術(shù)，講解深入淺出，內(nèi)容新穎實用。主要章節(jié)保留了經(jīng)典51系列單片機的基本教學(xué)內(nèi)容，并沿襲了傳統(tǒng)的教學(xué)流程，但其中的許多內(nèi)容突破了傳統(tǒng)的單片機應(yīng)用理念，對此課程的教學(xué)目標(biāo)有了全新的拓展和延伸，例如，刪除了許多在傳統(tǒng)情況下必講而已無任何實用價值的內(nèi)容，增加了實用的adc/dac內(nèi)容以及單片機與fpga擴展和基于單片機ip軟核的片上系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用的知識，從而開拓了一個將普通單片機技術(shù)、fpga開發(fā)技術(shù)、eda技術(shù)、片上系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)有機融合、綜合運用和培養(yǎng)自主創(chuàng)新能力的平臺。全書共9章，主要內(nèi)容包括51系列單片機結(jié)構(gòu)、匯編指令及程序設(shè)計、定時/計數(shù)器與中斷應(yīng)用、串行通信接口技術(shù)、單片機普通擴展技術(shù)、高速串行adc/dac擴展、單片機c語言編程設(shè)計、單片機與fpga接口及軟硬件聯(lián)合設(shè)計技術(shù)、基于單片機ip軟核的fpga片上系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)?！　　秵纹瑱C原理與應(yīng)用技術(shù)》可作為高等院校電子信息、通信工程、工業(yè)自動化和儀器儀表等學(xué)科或?qū)I(yè)的本科生或高職生的單片機技術(shù)或電子設(shè)計競賽培訓(xùn)等課程的教材或參考書，同時也可作為相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的自學(xué)參考書。

書籍目錄

第1章 概述 1.1 基本概念 1.2 單片機的發(fā)展概況 1.3 單片機的特性 1.4 常用單片機系列及其特性 1.5 MCS-51系列單片機 1.6 單片機系統(tǒng)應(yīng)用 1.7 SOC與單片機 思考練習(xí)題 第2章 單片機硬件結(jié)構(gòu) 2.1 單片機的基本結(jié)構(gòu) 2.1.1 單片機基本功能模塊配置 2.1.2 單片機內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 2.1.3 CPU的結(jié)構(gòu)和特點 2.1.4 單片機其他結(jié)構(gòu)模塊 2.2 單片機的封裝與引腳功能 2.3 I/O結(jié)構(gòu)及功能 2.4 單片機存儲器的組織結(jié)構(gòu) 2.4.1 程序存儲器 2.4.2 數(shù)據(jù)存儲器 2.5 單片機輔助電路 2.5.1 時鐘電路 2.5.2 復(fù)位和復(fù)位電路 2.6 單片機的工作時序 2.6.1 單片機CPU時序基本概念 2.6.2 單片機的取指和執(zhí)行時序 2.6.3 單片機訪問外部存儲器的時序 2.7 單片機的低功耗和編程工作方式 2.8 看門狗定時器 思考練習(xí)題 第3章 指令系統(tǒng)與匯編語言程序設(shè)計 3.1 指令系統(tǒng)簡介 3.2 尋址方式 3.3 單片機匯編指令 3.3.1 數(shù)據(jù)傳送指令 3.3.2 算術(shù)運算指令 3.3.3 邏輯運算指令 3.3.4 移位指令 3.3.5 控制轉(zhuǎn)移類指令 3.3.6 子程序調(diào)用/返回指令 3.3.7 位操作指令 3.4 單片機匯編程序設(shè)計 3.4.1 單片機編程語言 3.4.2 匯編語言偽指令 3.4.3 匯編語言程序設(shè)計的流程 3.5 匯編語言程序的基本結(jié)構(gòu) 3.5.1 順序程序設(shè)計 3.5.2 分支程序設(shè)計 3.5.3 循環(huán)程序設(shè)計 3.5.4 子程序設(shè)計 思考練習(xí)題 第4章 單片機的定時/計數(shù)器與中斷 4.1 定時/計數(shù)器概述 4.1.1 定時/計數(shù)器基本構(gòu)成 4.1.2 對T0和T1的控制方式 4.2 定時/計數(shù)器的4種工作方式 4.3 定時/計數(shù)器T2 4.3.1 控制寄存器T2CON 4.3.2 模式寄存器T2MOD 4.4 定時/計數(shù)器使用示例 4.5 單片機的中斷系統(tǒng) 4.5.1 單片機的中斷源 4.5.2 中斷控制寄存器的設(shè)置 4.5.3 中斷響應(yīng)過程 4.5.4 中斷請求的撤銷方法 4.6 中斷應(yīng)用編程實例 思考練習(xí)題 第5章 串行通信接口 5.1 串行通信簡介 5.1.1 串行通信數(shù)據(jù)傳輸方式 5.1.2 串行通信的方式 5.2 單片機串行通信接口 5.2.1 單片機串行口的硬件結(jié)構(gòu) 5.2.2 串行口的工作方式 5.2.3 串行通信波特率的計算 5.3 單片機串行通信應(yīng)用示例 5.3.1 串行口工作方式0的應(yīng)用 5.3.2 單片機間雙機通信 5.3.3 單片機間多機通信 5.3.4 單片機與PC機的通信 5.4 RS-232C標(biāo)準(zhǔn) 5.4.1 RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口 5.4.2 RS-232C標(biāo)準(zhǔn)與TTL標(biāo)準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換 5.5 RS-485串行通信 5.5.1 RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn) 5.5.2 RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)的半雙工和全雙工 思考練習(xí)題 第6章 單片機基本擴展技術(shù) 6.1 51單片機最小系統(tǒng) 6.1.1 片內(nèi)有ROM型單片機最小系統(tǒng) 6.1.2 片內(nèi)無ROM型單片機最小系統(tǒng) 6.1.3 單片機系統(tǒng)總線 6.2 存儲器的擴展 6.2.1 單片機常用接口存儲器的分類 6.2.2 程序存儲器的擴展 6.2.3 隨機存儲器的擴展 6.3 單片機并行I/O擴展 6.4 單片機鍵盤接口技術(shù) 6.4.1 按鍵抖動問題 6.4.2 獨立式按鍵接口和鍵盤消抖動程序編寫 6.4.3 矩陣式鍵盤接口編程 6.5 LED顯示器及其接口技術(shù) 6.5.1 LED數(shù)碼顯示器的結(jié)構(gòu) 6.5.2 單片機與LED數(shù)碼管的接口電路設(shè)計 6.5.3 鍵盤、LED顯示器組合接口電路設(shè)計 6.5.4 串行I/O口擴展技術(shù) 6.5.5 利用串行口實現(xiàn)鍵盤/顯示器接口 6.6 LCD液晶顯示器接口技術(shù) 6.6.1 LCM 1602簡介 6.6.2 LCM 1602模塊應(yīng)用舉例 6.7 單片機串行總線擴展技術(shù) 6.7.1 單總線及單總線器件 6.7.2 單總線溫度傳感器DS18B20 6.7.3 單片機紅外串行通信 思考練習(xí)題 第7章 單片機擴展DAC和ADC 7.1 DAC基本原理和重要參數(shù) 7.2 DAC器件接口技術(shù) 7.2.1 8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832 7.2.2 SPI串行DAC TLV5637與單片機的接口 7.3 ADC器件接口技術(shù) 7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo) 7.3.2 并行ADC器件ADC0809的接口技術(shù) 7.3.3 串行ADC器件MAX187/189的接口技術(shù) 7.3.4 串行精密ADC器件ADS1100的接口技術(shù) 7.3.5 串行高速ADC器件ADS7816的接口技術(shù) 7.3.6 高速微功耗串行ADC器件TLV2541的接口技術(shù) 7.3.7 雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832的接口技術(shù) 7.3.8 高速同步10位串行A/D轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù) 思考練習(xí)題 第8章 基于單片機核的SOC技術(shù) 8.1 單片機擴展FPGA及單片機核應(yīng)用技術(shù) 8.1.1 FPGA擴展方案及其系統(tǒng)設(shè)計流程 8.1.2 基于單片機IP軟核的SOC設(shè)計方案 8.2 單片機擴展FPGA設(shè)計實例 8.2.1 串進(jìn)并出/并進(jìn)串出雙向端口擴展模塊設(shè)計 8.2.2 8位四通道數(shù)據(jù)交換擴展模塊設(shè)計 8.2.3 存儲器讀寫的FPGA擴展模塊設(shè)計 8.2.4 四通道PWM信號發(fā)生器接口模塊設(shè)計 8.2.5 移相信號發(fā)生器擴展模塊設(shè)計 8.2.6 里薩如圖波形發(fā)生器擴展模塊設(shè)計 8.2.7 數(shù)字電壓表擴展模塊設(shè)計 8.2.8 數(shù)字頻率計擴展模塊設(shè)計 8.2.9 等精度頻率計擴展模塊設(shè)計 8.2.10 直流電機閉環(huán)控制擴展電路模塊設(shè)計 8.3 基于單片機IP核的FPGA片上系統(tǒng)設(shè)計 8.3.1 單片機擴展串進(jìn)并出/并進(jìn)串出模塊的FPGA片上系統(tǒng)設(shè)計 8.3.2 單片機擴展SRAM模塊的FPGA片上系統(tǒng)設(shè)計 8.3.3 單片機擴展ADC采樣控制模塊的FPGA片上系統(tǒng)設(shè)計 8.3.4 單片機擴展移相信號發(fā)生器模塊的FPGA片上系統(tǒng)設(shè)計 8.3.5 單片機擴展直流電機控制模塊的FPGA片上系統(tǒng)設(shè)計 8.3.6 單片機擴展數(shù)字頻率計模塊的FPGA片上系統(tǒng)設(shè)計 8.3.7 單片機擴展等精度頻率測試模塊的FPGA片上系統(tǒng)設(shè)計 實驗與設(shè)計 8-1 單片機串口擴展FPGA片上系統(tǒng)設(shè)計 8-2 單片機數(shù)據(jù)交換FPGA擴展電路設(shè)計 8-3 擴展外部數(shù)據(jù)存儲器的FPGA單片系統(tǒng)設(shè)計 8-4 四通道PWM信號發(fā)生器及其單片機控制系統(tǒng)設(shè)計 8-5 移相信號發(fā)生器的FPGA片上系統(tǒng)設(shè)計 8-6 里薩如圖波形發(fā)生器的FPGA片上系統(tǒng)設(shè)計 8-7 數(shù)字電壓表FPGA單片系統(tǒng)設(shè)計 8-8 數(shù)字頻率計與單片機串行通信接口功能設(shè)計 8-9 直流電機測控FPGA單片系統(tǒng)設(shè)計 8-10 等精度頻率計FPGA單片系統(tǒng)設(shè)計 8-11 其于FPGA的紅外雙向通信電路設(shè)計 第9章 單片機C51語言程序設(shè)計 9.1 單片機的C語言概述 9.2 C51入門 9.2.1 C51的數(shù)據(jù)類型 9.2.2 特殊功能寄存器 9.2.3 C51的存儲類型 9.2.4 C51的運算符及表達(dá)式 9.2.5 C51的流程控制語句 9.2.6 函數(shù)與C51中斷服務(wù)函數(shù) 9.2.7 指針與指定地址的存儲器訪問 9.2.8 51應(yīng)用要點歸納 9.3 C51編程舉例 9.3.1 C51程序?qū)崿F(xiàn)I/O端口的操作 9.3.2 C51實現(xiàn)內(nèi)部定時器操作 9.3.3 C51實現(xiàn)簡易交通燈控制 9.3.4 C51實現(xiàn)串口操作 9.4 Keil C51集成開發(fā)環(huán)境 9.4.1 Keil C51的編譯流程 9.4.2 創(chuàng)建工程 9.4.3 輸入C源文件 9.4.4 C程序編譯 9.4.5 程序調(diào)試 9.4.6 生成HEX目標(biāo)文件 9.5 C語言與匯編語言的混合編程 9.5.1 C51程序中嵌入?yún)R編代碼 9.5.2 C51程序中調(diào)用匯編子程序 思考練習(xí)題 參考文獻(xiàn) 附錄A MCS-51單片機指令表 附錄B 單片機SOC實驗開發(fā)系統(tǒng)簡介 B.1 KX_7C5E+型單片機SOC開發(fā)系統(tǒng) B.2 KX_DN5/7系列單片機SOC系統(tǒng) B.3 單片機SOC設(shè)計實驗標(biāo)準(zhǔn)擴展模塊 附錄C STC89C單片機編程下載方法

章節(jié)摘錄

插圖：由于單片機具有可靠性高、體積小、價格低、易于產(chǎn)品化等特點，因而其應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，包括在智能儀器儀表、實時工業(yè)控制、智能終端、計算機輔助設(shè)備、通信設(shè)備、家用電器、智能玩具等自動控制領(lǐng)域。例如：（1）智能儀器儀表。用單片機優(yōu)化的測量、控制儀表設(shè)計，能促進(jìn)儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化方向發(fā)展，如溫度、壓力、流量、濃度顯示和控制儀表等。（2）實時工業(yè)測控系統(tǒng)。用單片機可以構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，如溫室人工氣候控制、水閘自動控制、電鍍生產(chǎn)線自動控制等。（3）機電一體化產(chǎn)品。單片機與傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品結(jié)合，使傳統(tǒng)機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化、控制智能化，控制指標(biāo)精密化等。（4）家用電器。全自動洗衣機、智能冰箱、微波爐、各類小家電都無一例外地采用了單片機。單片機技術(shù)的發(fā)展以微處理器技術(shù)及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)，以廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域的拉動，表現(xiàn)出較普通微處理器更具個性的發(fā)展趨勢。單片機有體積小、功耗低、功能強、性能價格比高、易于推廣應(yīng)用等顯著特點，主要表現(xiàn)如下：（1）控制系統(tǒng)在線應(yīng)用。由于控制對象和單片機聯(lián)系密切，所以對設(shè)計者提出了很高的要求，如不但要熟練掌握單片機開發(fā)技術(shù)，還要了解控制對象，懂得傳感技術(shù)，具有一定的控制理論知識等。（2）軟硬件結(jié)合。單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計需要軟、硬件統(tǒng)籌考慮。設(shè)計者不但要熟練掌握單片機編程語言，包括匯編語言和c語言等編程技術(shù)，而且還必須精通單片機硬件系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)（主要指硬件器件的選擇、硬件系統(tǒng)布置和配置、PCB設(shè)計等）。（3）應(yīng)用現(xiàn)場環(huán)境惡劣。與Pc機相比，單片機的應(yīng)用現(xiàn)場環(huán)境一般是較惡劣的。電磁干擾、電源波動、溫度突變等因素都會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。設(shè)計者必須根據(jù)特定的環(huán)境特征采取正確的辦法才能解決。

編輯推薦

《單片機原理與應(yīng)用技術(shù)》：目前單片機教學(xué)的絕大多數(shù)內(nèi)容仍然停留在51單片機最初進(jìn)入課堂的那個年代（1984年前后），與單片機技術(shù)相關(guān)的許多新知識、新器件的內(nèi)容卻極少加入，學(xué)生在單片機課程中學(xué)到的知識很難應(yīng)對大學(xué)生電子設(shè)計競賽中的大多數(shù)競賽題，更無法應(yīng)對在未來工程實踐中出現(xiàn)的諸多問題。《單片機原理與應(yīng)用技術(shù)》保留了經(jīng)典51系列單片機的基本教學(xué)內(nèi)容，但許多內(nèi)容突破了傳統(tǒng)的單片機應(yīng)用理念，增加了實用的ADC／DAC內(nèi)容以及單片機與FPGA擴展和基于單片機IP軟核的片上系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用的知識，從而開拓了一個將普通單片機技術(shù)、FPGA開發(fā)技術(shù)、EDA技術(shù)、片上系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)有機融合、綜合運用和培養(yǎng)自主創(chuàng)新能力的平臺。經(jīng)典51單片機技術(shù)FPGA開發(fā)技術(shù)EDA技術(shù)片上系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

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