【大学课件】单片机原理与接口技术

单片机原理与接口技术本课程将深入探讨单片机的基本原理，涵盖其结构、功能和工作机制此外，我们将学习各种常见的单片机接口技术，如串行通信、并行通信、模拟信号采集等单片机系统概述

1.定义组成单片机是一种集成电路芯片，它集成了中央处理器CPU、内存、典型的单片机系统包括单片机芯片、存储器ROM、RAM、输入/输入/输出I/O接口和其他外设，用于控制和管理电子系统输出接口、时钟电路、复位电路和其他外设单片机的定义和结构定义结构单片机是一种集成了中央处理器CPU、存单片机通常包含CPU、ROM、RAM、I/O接储器RAM和ROM和输入/输出I/O接口口、定时器/计数器、中断系统、串行通信于一体的微型计算机系统接口和一些其他外设存储器CPU负责执行程序指令，控制整个单片机的运行ROM用于存储程序和常数数据，RAM用于存储程序运行时的数据单片机的分类和特点8位单片机16位单片机32位单片机8位单片机是应用最广泛的单片机类型它16位单片机拥有更强大的计算能力和更高32位单片机拥有更大的存储空间和更复杂们具有成本低、体积小、功耗低、易于使用的速度它们在工业控制、汽车电子等领域的指令系统，能够处理更复杂的任务，应用等特点应用广泛于嵌入式系统、网络设备等领域单片机的应用领域工业自动化消费电子单片机在工业生产中广泛应用于自动化控单片机在各种消费电子产品中发挥重要作制系统，例如机器控制、过程控制、数据用，包括手机、电脑、游戏机、家用电器采集和处理和数码相机医疗设备汽车电子单片机在医疗设备中应用广泛，用于控制单片机在汽车电子领域应用广泛，例如发和监测各种医疗仪器，例如心脏起搏器、动机控制、安全系统、导航系统和车身控血糖仪和呼吸机制系统单片机的指令系统和寄存器指令系统是单片机执行操作的指令集，决定着单片机功能的范围寄存器是单片机内部用来存储数据和控制信息的存储单元指令系统的分类和特点指令集指令格式单片机指令集由一系列机器指令组成，每条指指令格式是指令的结构，包括操作码、操作数令对应一个特定的操作和地址码等寻址方式指令类型指令中操作数的地址获得方法，例如立即寻址包括数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算、直接寻址和间接寻址等指令、跳转指令、控制指令等单片机常用寄存器及其功能状态寄存器PSW程序计数器PC•保存程序执行状态指向下一条将要执行的指令地址•控制CPU工作模式•存储中断标志位堆栈指针SP定时器/计数器TCON指向堆栈顶部的地址控制定时器/计数器的运行模式指令执行过程和时序分析单片机指令执行过程是通过一系列操作来完成的首先，CPU从程序存储器中读取指令，并将其解码然后，根据指令的类型执行相应操作，例如数据传输、算术运算、逻辑运算等等最后，更新程序计数器以指向下一条指令指令获取1CPU从程序存储器中读取指令指令解码2CPU解码指令，确定指令的类型和操作数执行指令3CPU执行指令，例如数据传输、算术运算、逻辑运算等等更新PC4CPU更新程序计数器，指向下一条指令指令执行过程的时序分析可以帮助我们了解CPU的工作原理，以及不同指令执行的时间消耗这对于优化程序性能和提高系统效率非常重要单片机的存储系统单片机的存储系统是单片机的重要组成部分，用于存储程序和数据存储系统包括程序存储器和数据存储器，它们是单片机正常工作不可缺少的一部分单片机存储器的分类和特点程序存储器数据存储器存储程序指令和常数数据，主要用于存储程序运行时的数据，包用于存放程序代码，供单片机执括变量、中间结果和操作数等行存储器类型单片机存储器主要有ROM、RAM、EEPROM等类型，它们具有不同的访问速度、读写特性和存储容量程序存储器的设计和使用程序存储器类型1单片机程序存储器类型包括ROM、EPROM、EEPROM、FLASH等，根据应用需求选择合适的类型程序存储器地址空间2程序存储器占用一定的地址空间，可以通过指令访问存储在程序存储器中的数据或程序代码程序存储器的编程和烧录3程序存储器需要进行编程和烧录，将用户编写的程序代码写入存储器中数据存储器的设计和使用类型选择1根据数据存储要求和单片机特性选择合适的数据存储器类型，如RAM、ROM、EEPROM等容量分配2根据实际需要合理分配数据存储器容量，并进行内存地址分配存储器接口设计3设计数据存储器的接口，包括地址线、数据线、控制线等数据存储访问4利用单片机指令访问数据存储器，进行数据读写操作数据存储器是单片机系统中重要的组成部分，用于存储程序运行过程中需要用到的数据合理设计数据存储器，能够提高程序执行效率和数据安全性单片机的输入输出接口/单片机输入/输出接口是连接外部设备与单片机内部的关键部件，用于数据传输和控制输入/输出接口的设计和使用，是单片机系统开发中的重要环节单片机的输入输出接口/并行输入/输出接口串行输入/输出接口中断输入/输出接口定时/计数器输入/输出接口并行接口同时传输多位数据,适串行接口逐位传输数据,适合长中断接口用于处理外部事件,提合高速数据传输距离通信高系统效率定时/计数器接口用于计时和计数,控制系统运行并行输入输出接口的设计/I/O端口并行输入/输出端口由若干个独立的I/O线组成，可以同时输入或输出多个数据位数据传输并行接口一次传输所有数据位，速度快，适用于高速数据传输接口类型常见的并行接口类型包括并行总线接口（例如PCI总线）、并行打印接口（例如LPT接口）应用场景并行接口广泛应用于高速数据传输、外设控制、数据采集等领域串行输入输出接口的设计/UART I2C通用异步收发器（UART）是串行通信接口中最常用的类型它使用异步传输模I2C接口是专为连接多个外设而设计的双线串行通信接口I2C使用同步传输模式，允许数据在没有同步时钟信号的情况下进行传输UART广泛应用于各种应式，但它使用两个信号线进行通信，一个用于数据传输，另一个用于时钟同步用中，例如与传感器、外围设备和计算机通信I2C通常用于连接存储器、传感器和显示器123SPI串行外设接口（SPI）是另一种常见的串行通信接口SPI使用同步传输模式，要求发送方和接收方共享一个时钟信号SPI常用于连接各种外设，例如存储器、传感器和显示器单片机的定时计数器模块

5./定时器/计数器是单片机中重要的功能模块它们能够精确地测量时间间隔或计数外部事件定时器计数器的结构和工作原理/结构工作原理定时器/计数器通常包含一个计数器、一个定时器/计数器根据时钟脉冲进行计数，计时钟源和一个控制逻辑数到预设值时产生中断信号或触发其他事件计数器是一个可以存储数字的寄存器，时钟源提供定时脉冲，控制逻辑负责控制定定时器模式用于测量时间间隔，计数器模时器/计数器的工作模式式用于计数外部发生的事件定时器计数器的应用实例/定时器可以实现延时、周期性任务等功能例如，在控制系统中，定时器可以用于控制电机旋转速度或控制LED灯的闪烁频率计数器可以用于计数外部脉冲信号，例如，在计量系统中，计数器可以用于计数水流量或气体流量外部中断的原理和应用中断请求中断处理12外部中断信号触发中断请求，单片机暂停当前任务，进入中中断服务程序执行特定任务，例如响应外部事件或读取传感断服务程序器数据中断返回应用34完成中断处理后，单片机返回中断前的状态，继续执行之前外部中断广泛应用于各种应用场景，如按键检测、传感器控的任务制和实时数据采集单片机的中断系统中断系统是单片机中重要的组成部分，它允许外部事件或内部条件在程序执行过程中打断当前任务，并立即执行相应的处理程序中断的分类和工作原理外部中断定时器中断串口中断外部中断由外部事件触发，例如按键按下、定时器中断由内部定时器计时到预设时间触串口中断由串口接收或发送数据触发，通常传感器信号变化等外部中断通常用于实时发，通常用于系统定时、延时操作、数据采用于串行通信，例如与其他设备进行数据交事件处理，例如控制电机、读取传感器数据集等换中断处理程序的编程中断处理程序是单片机响应中断事件后执行的代码段编写中断处理程序的关键在于确保代码的可靠性和效率，并处理好中断服务程序与主程序之间的协调中断服务程序1中断处理程序的代码，负责处理中断事件中断向量表2保存中断服务程序入口地址的表格，用于快速跳转到对应程序中断控制寄存器3配置中断优先级、使能和禁用中断中断源4触发中断事件的外部或内部信号中断处理程序的编写需要严格遵循中断处理流程，并充分利用单片机提供的相关资源，以实现高效可靠的中断处理中断嵌套和优先级控制中断嵌套优先级控制一个中断服务程序正在执行时，多个中断发生时，系统会根据中如果另一个更高优先级的中断发断优先级决定执行哪个中断服务生，系统会暂停当前中断服务程程序，高优先级的中断会优先执序，转而执行新的中断服务程序行优先级分配开发者可以通过配置中断控制器，为每个中断源分配不同的优先级，以确保关键中断得到及时处理单片机的串行通信接口

7.串行通信是单片机与外部设备之间的一种常用通信方式它通过一根或多根线传输数据，效率较高，适合远距离传输串行通信的基本原理串行通信使用一根或多根线路传输数据，数据一位一位地顺序传输串行通信需要时钟信号来同步发送和接收数据串行通信分为同步通信和异步通信两种方式同步串行通信接口的设计时钟信号同步串行通信使用一个独立的时钟信号来同步数据发送和接收，确保数据传输的可靠性数据格式同步串行通信接口通常采用特定的数据格式，例如，数据位、起始位、停止位和奇偶校验位协议同步串行通信接口通常使用特定的协议，例如，SPI、I2C或CAN总线协议，以定义数据传输的规则和规范数据传输同步串行通信接口可以实现双向数据传输，发送方和接收方同时使用相同的时钟信号进行数据交换异步串行通信接口的设计数据格式1起始位、数据位、奇偶校验位、停止位通信协议2UART,SPI,I2C时序控制3时钟信号、数据传输接口电路4收发器、缓冲器异步串行通信接口的设计需要考虑数据格式、通信协议、时序控制和接口电路等方面不同类型的异步串行通信接口在数据格式、通信协议、时序控制和接口电路等方面存在差异。