单片机结构及开发设计流程.ppt

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1,第1章单片机结构及开发设计流程,第1节单片机结构任务一单片机组成任务二单片机工作条件任务三单片机输入/输出端口第2节单片机开发设计常用工具软件任务一单片机仿真器任务二keilC51仿真软件任务三仿真软件Proteus任务四编程器SUPERPRO第3节单片机开发设计流程,2,第1节单片机结构任务一单片机组成,一、任务目标掌握单片机的内部结构及单片机的外部引脚及其功能，并且了解单片机的发展概况及单片机的常见类型等相关知识。

3,二、任务分析51系列单片机包括许多类型，它们的内部结构基本相同。

89C51/89C52是目前应用比较广泛的51系列兼容单片机中的代表产品，因此本任务主要以89C51为目标机型，介绍单片机的内部结构、各组成部分的功能及外部引脚。

在后续章节中将通过具体的设计实例进一步介绍。

第1节单片机结构任务一单片机组成,4,图1-1单片机内部结构框图,三、相关知识1单片机的内部结构51系列单片机主要包括CPU、程序存储器、数据存储器以及接口电路等各组成部分。

第1节单片机结构任务一单片机组成,5,单片机的内部结构:

1个8位的CPU。

时钟电路。

程序存储器。

数据存储器。

定时器/计数器。

4个并行口。

1个全双工串行口。

5个中断源。

第1节单片机结构任务一单片机组成,6,2单片机的引脚

（1）电源：

40号引脚VCC是芯片电源，接+5V。

20号引脚VSS为电源接地端。

（2）时钟引脚：

XTAL2（18号脚）采用内部时钟电路时，外接晶体振荡器；采用外部时钟电路时，此引脚接地。

XTAL1（19号脚）采用内部时钟电路时，外接晶体振荡器；采用外部时钟电路时，此引脚接外部时钟源。

（3）控制引脚ALE/为地址锁存允许信号，用来把低8位地址锁存到外部地址锁存器。

ALE引脚以不变的1/6振荡频率周期性地发出正脉冲信号，可用做对外输出的时钟信号。

（4）I/O口线P0口（3239号脚）为双向输入/输出端口。

P1口（18号脚）为准双向输入/输出端口。

P2口（2128号脚）为准双向输入/输出端口。

P3口（1017号脚）为准双向输入/输出端口。

图1-2AT89C51单片机引脚图,第1节单片机结构任务一单片机组成,7,3单片机发展概况单片机的发展历史不长，自1976年9月，Intel公司推出MCS-48八位单片机后，已有上百家生产厂商加入单片机的生产和研发行列，生产出几百个系列上万个品种的单片机。

除51系列单片机（MCS-51及其兼容机）以外，其他一些公司如ROKWELL公司、NEC公司、Motorola公司以及德州仪器公司等都推出一些各具特色的单片机。

51系列单片机曾在世界单片机市场占有50%以上的份额，多年来国内也一直以51系列单片机作为教学的主要机型，因此本书以51系列单片机作为目标机型学习单片机原理及应用。

第1节单片机结构任务一单片机组成,8,4单片机的特点单片机的引脚多为复用引脚。

单片机内部集成有小容量的存储器。

单片机的程序存储器和数据存储器严格分工。

单片机的有很强的位处理功能，可以满足工业控制的需要。

第1节单片机结构任务一单片机组成,9,一、任务目标理解单片机的工作条件，掌握单片机的时钟电路和复位电路的设计。

二、任务分析单片机的电源部分，只要将51系列单片机的第40脚接+5V电源，第20脚接地即可。

注意电压过高或过低都会引起单片机CPU不能正常工作。

时钟电路分为内部方式和外部方式两种电路，复位电路又可以分为上电复位和外部按键复位两种方式。

第1节单片机结构任务二单片机工作条件,10,三、相关知识1时钟电路内部方式时钟电路外部时钟方式,图1-3内部时钟电路图1-4外部时钟电路,第1节单片机结构任务二单片机工作条件,11,2复位电路,图1-551系列单片机上电复位电路图1-651系列单片机外部按键复位电路,第1节单片机结构任务二单片机工作条件,12,四、任务实施,图1-751系列单片机基本工作条件接线图,第1节单片机结构任务二单片机工作条件,13,一、任务目标掌握单片机的并行I/O端口的结构及其应用。

二、任务分析51系列单片机有4个8位的并行输入/输出端口，即P0，P1口，P2口和P3口。

各个端口的功能有所不同，其结构也略有差异。

在本任务中，将分别学习各个端口的结构、功能及其应用。

第1节单片机结构任务三单片机输入/输出端口,14,三、相关知识1P0口,图1-8P0口的位结构图,第1节单片机结构任务三单片机输入/输出端口,15,2P1口,图1-9P1口的位结构图,第1节单片机结构任务三单片机输入/输出端口,16,3P2口,图1-10P2口的位结构图,第1节单片机结构任务三单片机输入/输出端口,17,4P3口,图1-11P3口的位结构图,第1节单片机结构任务三单片机输入/输出端口,18,四、任务实施,图1-12输入/输出应用实例仿真运行图,第1节单片机结构任务三单片机输入/输出端口,19,1掌握单片机基本工作条件，用面包板搭建单片机基本工作电路。

2设计简单的输入/输出电路，要求：

一个开关作为输入设备，8个发光二极管作为输出设备。

第1节单片机结构思考与练习,20,第2节单片机开发设计常用工具软件任务一单片机仿真器,一、任务目标学习单片机常用仿真器的使用。

二、任务分析单片机仿真器品种很多，本书实例采用伟福仿真器进行应用系统仿真，因此本任务介绍伟福仿真器的一些基本使用方法，通过进一步阅读使用手册以及动手实践，相信大家可以轻松掌握其更丰富的实用功能。

其他仿真器的使用方法请参考相应的使用手册。

21,三、相关知识伟福仿真器有多种不同型号，其主要功能大同小异，其中E2000/L型仿真器外观如图1-13所示。

伟福仿真器采用主机+POD（仿真头）组合。

通过更换不同的POD，可仿真Intel公司的8031/32，8051/52，8751/52/54/55/58，89C51/52/55/58，89C1051/2051/4051；华邦公司的78E51/52/54/58；LG公司的97C51/52/1051/2051。

传福E2000/L配有40脚DIP封装的转接座，可选配44脚PLCC封装的转接座。

，,第2节单片机开发设计常用工具软件任务一单片机仿真器,22,图1-13伟福E2000/L型仿真器,第2节单片机开发设计常用工具软件任务一单片机仿真器,23,四、任务实施1仿真器连接,图1-14仿真器的连接,第2节单片机开发设计常用工具软件任务一单片机仿真器,24,2仿真器设置,图1-15仿真器设置菜单,第2节单片机开发设计常用工具软件任务一单片机仿真器,25,图1-16“仿真器设置”对话框,第2节单片机开发设计常用工具软件任务一单片机仿真器,26,3建立、编辑及保存文件

（1）新建文件:

选择“文件”“新建文件”命令，建立一个新文件。

（2）输入程序:

在新建文件窗口中输入源程序，如图1-17所示。

第2节单片机开发设计常用工具软件任务一单片机仿真器,27,图1-17源程序输入窗口,第2节单片机开发设计常用工具软件任务一单片机仿真器,28,（3）编辑程序,图1-18“编辑”菜单,第2节单片机开发设计常用工具软件任务一单片机仿真器,29,图1-19“搜索”菜单,第2节单片机开发设计常用工具软件任务一单片机仿真器,30,（4）文件保存,图1-20文件保存后源文件窗口显示文件名,选择“文件”“保存文件”命令，在弹出的对话框中输入源文件名及扩展名.ASM（文件类型）。

文件保存后，在程序输入窗口的标题栏将显示文件的路径和文件名，如图1-20所示。

第2节单片机开发设计常用工具软件任务一单片机仿真器,31,4新建及保存项目

（1）新建项目、保存项目选择“文件”“新建项目”命令，建立一个项目文件，如图1-21所示。

图1-21新建项目,第2节单片机开发设计常用工具软件任务一单片机仿真器,32,项目保存后，标题栏上显示项目名，如图1-22所示。

图1-22项目保存后标题栏上显示项目名称,第2节单片机开发设计常用工具软件任务一单片机仿真器,33,5项目中加入模块文件选择“项目”“加入模块文件”命令，可以将更多源文件加入到项目中，以建立源文件与项目的联系，如图1-23所示。

图1-23加入模块文件,第2节单片机开发设计常用工具软件任务一单片机仿真器,34,6文件编译选择“项目”“编译”命令，对当前窗口的程序进行编译。

选择“项目”“全部编译”命令可对项目中的所有程序进行编译，如图1-24所示。

图1-24项目编译,第2节单片机开发设计常用工具软件任务一单片机仿真器,35,如程序正确，编译后将产生两种格式的目标文件：

二进制格式（BIN）目标文件和英特尔格式（HEX）目标文件，如图1-25所示。

如程序有错误，则将在信息窗口指出错误指令所在的源程序、行号、错误代码及错误原因。

图1-25编译正确信息窗口,第2节单片机开发设计常用工具软件任务一单片机仿真器,36,7程序调试在程序调试时，可选择“执行”“全速执行”、“跟踪”、“单步”、“执行到光标处”等命令运行程序，如图1-26所示。

图1-26“执行”菜单,第2节单片机开发设计常用工具软件任务一单片机仿真器,37,在调试运行的过程中，通过“窗口”菜单（见图1-27），可以选择打开CPU窗口、数据窗口等窗口以观察系统运行过程中有关寄存器的状态、存储器的内容等信息，从而判断程序执行是否正确。

第2节单片机开发设计常用工具软件任务一单片机仿真器,38,图1-27“窗口”菜单,第2节单片机开发设计常用工具软件任务一单片机仿真器,39,一、任务目标掌握Keil软件在单片机仿真中的应用，为开发、调试单片机应用系统做准备。

二、任务分析KeilC51软件集成了文件编辑处理、编译连接、项目管理、窗口、工具引用和软件仿真调试等多种功能，是非常强大的C51开发工具，在KeilC51的仿真功能中，提供了两种仿真模式：

软件模拟仿真和目标板调试。

下面将通过一个实际项目的创建、编译及调试来学习Keil软件的使用。

第2节单片机开发设计常用工具软件任务二keilC51仿真软件,40,三、任务实施1启动VisionVision2是一个标准的Windows应用程序，双击KeilVision2图标即可启动，也可以选择“开始”“程序”KeilVision2”命令来启动运行。

其主界面如图1-28所示。

第2节单片机开发设计常用工具软件任务二keilC51仿真软件,41,图1-28Vision2初次启动后的界面,第2节单片机开发设计常用工具软件任务二keilC51仿真软件,42,2创建一个项目并选择单片机选择“Project”（项目）“NewProject”（新建项目）命令，如图1-29所示，将弹出“GreateNewProject”（新建项目）对话框，如图1-30所示,图1-29“Project”菜单,第2节单片机开发设计常用工具软件任务二keilC51仿真软件,43,图1-30建立项目文件,第2节单片机开发设计常用工具软件任务二keilC51仿真软件,44,随后会弹出一个对话框，要求选择单片机的型号，如图1-31所示。

在该对话框中显示了Vision2的器件数据库，从中可以根据使用的单片机来选择。

图1-31选择单片机型号,第2节单片机开发设计常用工具软件任务二keilC51仿真软件,45,3创建一个新的源程序文件，并把这个源文件添加到项目中单击工具栏中的新建文件图标（或选择“File”（文件）“New”（新建）命令），文件操作窗口即可出现新建文件。

保存该空白文件，单击工具栏中的保存图标（或选择“File”（文件）“Save”（保存）命令），弹出如图1-32所示的“Saveas”（保存为）对话框，在“文件名”文本框中输入欲保存的文件名，保存时注意加上正确的后缀名。

第2节单片机开发设计常用工具软件任务二keilC51仿真软件,46,图1-32保存源程序文件,第2节单片机开发设计常用工具软件任务二keilC51仿真软件,47,单击Target1前面的+号，然后在SourceGroup1上单击鼠标右键，弹出快捷菜单，如图1-33所示。

图1-33添加文件到项目中,第2节单片机开发设计常用工具软件任务二keilC51仿真软件,48,选择“AddFilestoGroupSourceGroup1”（添加文件到项目）命令，弹出如图1-34所示的对话框。

选中LED.ASM文件（注意选择文件类型），然后单击“Add”（添加）按钮，即可添加LED.ASM到项目中。

第2节单片机开发设计常用工具软件任务二keilC51仿真软件,49,图1-34选择源程序文件,第2节单片机开发设计常用工具软件任务二keilC51仿真软件,50,4输入源程序:

此时就可以输入源程序了，如图1-35所示。

图1-35输入源程序,第2节单片机开发设计常用工具软件任务二keilC51仿真软件,51,5设置目标硬件的工具选项程序编写完成后，还要对项目进行进一步的设置，以满足要求。

“Target”选项卡如图1-36所示，其中“Xtal”后面的数值是晶振频率值，默认值是所选目标CPU的最高可用频率值，该值与最终产生的目标代码无关，仅用于软件模拟调试时显示程序执行时间。

第2节单片机开发设计常用工具软件任务二keilC51仿真软件,52,图1-36“Target”选项卡,第2节单片机开发设计常用工具软件任务二keilC51仿真软件,53,“Output”选项卡如图1-37所示，其中有多个选项，此处选择“CreateHEXFile”复选框用于生成可执行代码文件，该文件可以用编程器写入单片机芯片，文件的扩展名为.HEX，默认情况下该项未被选中，如果要写芯片做硬件实验，就必须选中该项。

其余选项均取默认值，不做任何修改。

第2节单片机开发设计常用工具软件任务二keilC51仿真软件,54,图1-37“Output”选项卡,第2节单片机开发设计常用工具软件任务二keilC51仿真软件,55,“Debug”选项卡如图1-38所示，该选项卡用于设置调试器，Keil提供了软件仿真和硬件仿真两种方式。

如果没有相应的硬件调试器，应选择左边的“UseSimulator”单选钮，其余设置一般不必更改。

图1-38“Debug”选项卡,第2节单片机开发设计常用工具软件任务二keilC51仿真软件,56,6编译项目并创建HEX文件设置好项目参数后，即可进行编译、连接。

选择“Project”（项目）“Buildtarget”（连接工程）命令，对当前工程进行连接。

如果当前文件已修改，将先对该文件进行编译，然后再连接以产生目标代码；如果选择“RebuildAlltargetfiles”（重新编译所有文件后再连接）将会对当前工程中的所有文件重新进行编译然后再连接，确保最终生产的目标代码是最新的，而选择“Translate”（编译）命令则仅对当前文件进行编译，不进行连接。

第2节单片机开发设计常用工具软件任务二keilC51仿真软件,57,以上操作也可以通过工具栏中的图标直接进行。

如图1-39所示，从左到右的图标分别是：

编译、编译连接、全部重建、停止编译和对工程进行设置。

图1-39工具栏中的编译工具,第2节单片机开发设计常用工具软件任务二keilC51仿真软件,58,对源程序修改之后再次编译，最终要得到如图1-40所示的结果，提示0个错误，0个警告，该文件即可被编程器读入并写到AT89C51芯片中。

同时还可看到，该程序的内部RAM的使用量（data=8.0），外部RAM的使用量（xdata=0），代码量（code=13）等一些信息。

图1-40编译成功后的输出信息,第2节单片机开发设计常用工具软件任务二keilC51仿真软件,59,7程序调试进入调试状态后，“Debug”菜单中原来不能使用的命令现在已可以使用了，窗口中还多出一个用于运行和调试的工具栏，如图1-41所示。

“Debug”菜单中的大部分命令可以在此找到对应的快捷按钮，从左到右的图标依次是复位、运行、暂停、单步、过程单步、执行完当前子程序、运行到当前行、下一状态、打开跟踪、观察跟踪、反汇编窗口、观察窗口、代码作用范围分析、1串行窗口、内存窗口、性能分析和工具按钮。

图1-41Debug工具栏,第2节单片机开发设计常用工具软件任务二keilC51仿真软件,60,下面介绍调试时的一些常用方法。

（1）合理使用全速执行和单步执行

（2）合理使用断点（3）合理利用观察窗口分析程序存储器窗口:

存储器窗口能显示各种存储区的内容。

第2节单片机开发设计常用工具软件任务二keilC51仿真软件,图1-42存储器窗口,61,一、任务目标掌握Proteus在单片机仿真中的应用，为开发、调试单片机应用系统做准备。

二、任务分析Proteus由ISIS和ARES两个软件构成，其中ISIS是电子系统仿真平台，ARES是布线编辑软件。

在不需要硬件设备投入的情况下，Proteus可以建立完整的模拟电子、数字电子及单片机应用的学习设计开发环境。

这里主要介绍ProteusISIS在仿真单片机应用系统中的应用。

第2节单片机开发设计常用工具软件任务三仿真软件Proteus,62,三、任务实施1编辑单片机应用系统原理图

（1）创建新设计文件启动Proteus软件，进入ProteusISIS编辑环境后，选择“File”“NewDesign”命令，弹出如图1-43所示的新设计模板选择对话框。

第2节单片机开发设计常用工具软件任务三仿真软件Proteus,63,图1-43新设计模板选择,第2节单片机开发设计常用工具软件任务三仿真软件Proteus,64,

（2）保存新设计选择“File”“SaveDesign”命令，选择合适的文件夹和文件名（例如LED），保存新设计。

保存后，新设计文件名将显示在Proteus窗口的标题栏，如图1-44所示。

也可以先画原理图，然后再保存新设计文件。

第2节单片机开发设计常用工具软件任务三仿真软件Proteus,65,图1-44创建设计文件LED,第2节单片机开发设计常用工具软件任务三仿真软件Proteus,66,（3）提取元件ProteusISIS堤供了强大的搜索元件的功能。

选择“Library”“PickDevice/Symbol”命令，出现如图1-45所示的搜索元件对话框。

第2节单片机开发设计常用工具软件任务三仿真软件Proteus,67,图1-45元件搜索对话框,第2节单片机开发设计常用工具软件任务三仿真软件Proteus,68,根据元件预览区域的显示，双击你所需要的元件，则所选元件出现在原理图编辑环境的元件列表区中，如图1-46所示。

用同样的方法找出原理图中需要的所有元件。

图1-46提取元件,第2节单片机开发设计常用工具软件任务三仿真软件Proteus,69,（4）放置元件在元件列表中用鼠标单击选中原理图中相关的元件后，在编辑区域单击鼠标左键放置元件。

图1-47放置元件,第2节单片机开发设计常用工具软件任务三仿真软件Proteus,70,（5）编辑元件放置好元件后，用鼠标右键单击选中元件，再单击鼠标左键出现元件编辑对话框,如图1-48所示，可对元件的参考编号、电阻值等参数进行设置。

图1-48编辑元件对话框,第2节单片机开发设计常用工具软件任务三仿真软件Proteus,71,（6）连线、绘制原理图,图1-49LED原理图,第2节单片机开发设计常用工具软件任务三仿真软件Proteus,72,（7）电路仿真Proteus可以对纯硬件电路仿真运行，以检查硬件电路是否正确，此时无需加载软件。

只要在原理图编辑完成以后，选择“Debug”“Execute”命令即可进行电路仿真运行。

第2节单片机开发设计常用工具软件任务三仿真软件Proteus,73,图1-50硬件仿真,第2节单片机开发设计常用工具软件任务三仿真软件Proteus,74,2程序编制及加载

（1）编写程序并编译用任务一中所介绍的伟福仿真器编辑源程序，并编译生成两个可执行目标文件，分别为LED.BIN及LED.HEX。

（2）加载程序在原理图中的单片机芯片上单击鼠标右键选中该芯片，再单击鼠标左键将出现编辑元件对话框,第2节单片机开发设计常用工具软件任务三仿真软件Proteus,75,图1-51加载程序,第2节单片机开发设计常用工具软件任务三仿真软件Proteus,76,3系统软、硬件仿真将软件加载到单片机芯片上以后，选择“Debug”“Execute”命令对整个系统进行软、硬件全面仿真运行。

当发光二极管满足其导通条件时，将改变颜色指示其导通发光.,第2节单片机开发设计常用工具软件任务三仿真软件Proteus,77,图1-52系统仿真,第2节单片机开发设计常用工具软件任务三仿真软件Proteus,78,一、任务目标学习如何将设计好的程序写入单片机芯片。

二、任务分析市面上用于将程序烧写至单片机芯片中的编程器很多，本书采用南京西尔特电子有限公司生产的SUPERPRO/680型编程器。

本任务仅介绍SUPERPRO的主要功能及用法，其他编程器的使用方法可参考其编程器使用手册进行操作。

第2节单片机开发设计常用工具软件任务四编程器SUPERPRO,79,三、相关知识SUPERPRO/680编程器如图1-53所示,是一种智能高速高级通用编程器，加PEP100引脚驱动扩展器可达到100脚全驱动。

图1-53西尔特SUPERPRO/680编程器,第2节单片机开发设计常用工具软件任务四编程器SUPERPRO,80,四、任务实施1编程器连接通过一条25芯并行通信电缆将编程器与计算机相连，电源插座接12V直流电源，打开电源开关，电源指示灯（绿色）点亮。

第2节单片机开发设计常用工具软件任务四编程器SUPERPRO,81,图1-54编程器的连接,第2节单片机开发设计常用工具软件任务四编程器SUPERPRO,82,2插入芯片将要编程的单片机芯片AT89C51插入编程器的DIP锁紧插座中。

3选择目标芯片型号单击工具栏中的“器件”图标，在弹出的“选择器件”对话框中选择目标芯片的器件类型、厂商名称和器件名称，如图1-55所示。

第2节单片机开发设计常用工具软件任务四编程器SUPERPRO,83,图1-55“选择器件”对话框,第2节单片机开发设计常用工具软件任务四编程器SUPERPRO,84,4装入目标文件选择“文件”“装入文件”命令（类似一般应用软件的“打开文件”功能），弹出装入文件对话框，选择需要装入的文件，该文件应该是可执行的目标文件，例如由伟福仿真器生成的BIN或HEX文件。

第2节单片机开发设计常用工具软件任务四编程器SUPERPRO,85,图1-56选择目标文件的类型,第2节单片机开发设计常用工具软件任务四编程器SUPERPRO,86,5目标程序下载放置好芯片及装入目标文件后，可以单击工具栏中的“写入”、“校验”、“擦除”、“查空”等图标执行相应的操作，也可以单击“运行”图标来完成这些操作,第2节单片机开发设计常用工具软件任务四编程器SUPERPRO,87,图1-57目标文件装入缓冲区,第2节单片机开发设计常用工具软件任务四编程器SUPERPRO,88,单击“运行”图标后，会弹出如图1-58所示的“器件操作”对话框。

图1-58“器件操作”对话框,第2节单片机开发设计常用工具软件任务四编程器SUPERPRO,89,操作成功后，会显示相关操作成功的信息，如图1-59所示。

图1-59操作成功信息,第2节单片机开发设计常用工具软件任务四编程器SUPERPRO,90,要求