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单片机原理及其应用

目

录

CONTENCT

单片机概述

单片机基本原理

指令系统与汇编语言程序设计

中断系统与定时/计数器应用

串行通信与并行扩展技术应用

单片机系统设计与开发实践

01

单片机概述

定义

发展历程

单片机是一种集成电路芯片，它将中央处理器（CPU）、存储器、输入输出接口等计算机主要部件集成在一块芯片上，构成一个完整的微型计算机系统。

从20世纪70年代的第一代4位或8位单片机，到如今的32位、64位高性能单片机，单片机的性能不断提升，应用领域也不断扩展。

01

工业控制

智能家居

医疗设备

汽车电子

物联网

如电机控制、温度控制、过程自动化等。

如智能照明、智能安防、智能家电等。

如医疗监护仪、便携式医疗设备等。

如车身控制、发动机控制、安全系统等。

作为物联网终端设备的核心控制器，实现数据采集、传输和控制等功能。

01

02

03

04

8051系列

PIC系列

AVR系列

ARM系列

由Atmel公司推出，具有高速、低功耗和易于编程等特点。

由Microchip公司推出，具有高性能、低功耗和丰富的外设接口等特点。

由Intel公司推出，具有简单、易用的特点，广泛应用于教学和工业领域。

由ARM公司推出，具有高性能、低功耗和丰富的生态系统等特点，广泛应用于高端嵌入式系统领域。

02

单片机基本原理

微处理器内核

指令集

工作原理

包括算术逻辑单元（ALU）、寄存器组、控制单元等，负责执行各种指令。

微处理器所能执行的所有指令的集合，决定了处理器的功能和性能。

微处理器通过取指、译码、执行、写回等步骤循环执行程序中的指令，实现对数据的处理和对外部设备的控制。

RAM（随机存取存储器）

用于存储程序运行时的临时数据，可读写，掉电后数据丢失。

ROM（只读存储器）

用于存储固定不变的程序或数据，只读不可写，掉电后数据不丢失。

EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）

可通过编程进行擦写，用于存储需要长期保存的数据。

访问方式

包括直接寻址、间接寻址、寄存器寻址等多种方式，用于实现对存储器的读写操作。

输入输出端口

并行接口

串行接口

外设接口

单片机与外部设备交换数据的通道，包括并行端口和串行端口两种类型。

数据传输速率快，但需要占用较多的I/O资源，适用于近距离、高速率的数据传输。

数据传输速率较慢，但只需占用较少的I/O资源，适用于远距离、低速率的数据传输。

用于连接外部设备，如键盘、显示器、打印机等，实现与外部设备的交互。

03

指令系统与汇编语言程序设计

指令格式

通常由操作码和操作数两部分组成，操作码指明指令要执行的操作性质，如算术运算、逻辑运算、数据传输等；操作数则指定参与运算的数据或数据地址。

寻址方式

确定操作数地址的方法。常见的寻址方式有直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、立即寻址等。不同的寻址方式适用于不同的场合，具有不同的特点和优势。

汇编语言程序通常由数据段、代码段和堆栈段三部分组成。数据段用于存放程序中使用的变量和数据；代码段存放程序的指令代码；堆栈段用于保存程序运行时的临时数据和返回地址等。

程序结构

包括顺序结构、分支结构和循环结构等。顺序结构按照指令的先后顺序执行；分支结构根据条件判断选择不同的执行路径；循环结构则通过循环控制指令实现程序的重复执行。

设计方法

算术运算程序

实现两个数的加、减、乘、除等基本算术运算。通过汇编语言编写相应的指令序列，完成数据的读取、运算和结果输出等操作。

逻辑运算程序

实现与、或、非等逻辑运算。通过汇编语言编写相应的指令序列，对二进制数进行逻辑处理，得到相应的逻辑结果。

数据传输程序

实现数据的输入、输出和存储等操作。通过汇编语言编写相应的指令序列，控制单片机的I/O端口与外部设备进行数据交换，或将数据存储到指定的内存单元中。

04

中断系统与定时/计数器应用

中断概念

中断是指CPU在执行程序的过程中，由于外部或内部事件（如定时器溢出、按键输入等）的请求，暂时停止当前程序的执行，转而执行相应的中断服务程序，处理完中断事件后再返回原程序继续执行的过程。

中断系统结构

中断系统由中断源、中断控制器和中断服务程序三部分组成。其中，中断源是产生中断请求的来源；中断控制器负责接收并管理多个中断源的请求，并根据优先级进行仲裁；中断服务程序则是处理中断事件的程序。

定时/计数器是单片机内部的一种特殊功能寄存器，可用于实现定时或计数功能。当定时器启动时，计数器开始计数，当计数到设定值时，定时器溢出并产生中断请求。通过编程设置定时器的计数初值、工作模式以及中断方式等参数，可实现精确的定时或计数功能。

定时/计数器工作原理

在编程实现定时/计数器功能时，需要首先初始化定时器相关寄存器，设置计数初值、工作模式等参数。然后启动定时器并开启中断，当定时器溢出时进入中断服务程序