单片机硬件系统
单片机课程大纲
单片机课程大纲【最新版】目录1.单片机概述2.课程目标与要求3.课程内容3.1 硬件系统3.2 软件系统3.3 编程语言3.4 实验与实践4.课程安排5.考核方式正文一、单片机概述单片机（Microcontroller Unit, MCU）是一种集成了 CPU、存储器、外设接口等多种功能于一体的微型计算机。
由于其体积小、成本低、功耗低、功能强大等特点，广泛应用于嵌入式系统中，如家电控制、工业自动化、智能家居等领域。
二、课程目标与要求本课程旨在使学生掌握单片机的基本原理、硬件结构、编程方法和应用技巧，培养学生具备单片机系统的分析、设计、开发和应用能力。
课程要求学生具备基本的电路知识和模拟电子技术、数字电子技术基础，能熟练使用 C 语言编程。
三、课程内容3.1 硬件系统介绍单片机的硬件组成，包括 CPU、存储器、定时器/计数器、中断系统、串行通信接口、并行通信接口等。
3.2 软件系统讲解单片机软件系统的设计方法，包括程序设计、模块化设计、结构化设计等，以及软件开发流程和调试方法。
3.3 编程语言学习单片机编程语言，主要采用 C 语言进行编程，学习 C 语言的基本语法、数据类型、运算符、控制结构、函数等，以及单片机 C 语言编程的特点和技巧。
3.4 实验与实践通过实验和实践，使学生掌握单片机的实际应用，包括硬件搭建、程序编写、调试与优化等。
实验项目包括基本输入输出、定时器/计数器应用、中断控制、串行通信等。
四、课程安排本课程分为理论教学和实验教学两部分，理论教学安排在课堂进行，实验教学安排在实验室进行。
五、考核方式课程考核采用期中考试、期末考试和实验报告相结合的方式。
期中考试主要考核学生对课程理论知识的掌握程度；期末考试主要考核学生的综合应用能力；实验报告主要考核学生的实验能力和对实验结果的分析处理能力。
MCS-51单片机系统结构
*提供驱动外设的电压或电流； *DMA（直接存储器存取）控制和中断控制。
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1.1 单片微型计算机
一、单片机的发展历史
第一阶段（1976-1978）：单片机的探索阶段。探索
计算机的单芯片集成，单片机（Single Chip Microcomputer） 的定名即缘于此。产品以Intel公司的MCS-48为代表。
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➢数据总线 DB：CPU与存储器、I/O接口之间 (双向)传送数据的公共通路。 * 数据总线的条数决定CPU一次最多可以传送的
数据宽度（位数）。 如：8位机的DB有8条，CPU一次可读写8位数据
16位机的DB有16条，CPU一次可读写16位
➢控制总线 CB：用来传送各种控制或状态信号 * CPU送出和接受的对存储器、I/O接口读写
运算器 控制器 寄存器组
内存储器
输入输出 接口电路
总线
外部设备
软件
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二、微型计算机的结构
AB: Address Bus DB: Data Bus CB: Control Bus
微
处
内
存
理
储
器
器
CPU
地址总线 AB
I/O
输
I/O
接
入
接
口
设口备源自输 出 设 备I/O 接 口
数据总线 DB
控制总线 CB
特点： • 以微处理器（CPU）为核心 • CPU与其他部件间通过三总线连接
BUS
I/O接口
C/T
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系统级——微型计算机系统
• 以微型计算机为中心，配以相应的外围设 备以及控制微型计算机工作的软件，就构 成了完整的微型计算机系统。
简述单片机系统的开发流程
简述单片机系统的开发流程单片机系统是指由单片机芯片、外围电路和软件程序组成的一种嵌入式系统。
单片机系统的开发流程包括硬件设计、软件开发和系统调试等多个阶段。
1. 硬件设计阶段硬件设计是单片机系统开发的第一步，主要包括电路设计和PCB设计两个部分。
(1) 电路设计：根据系统需求，选择合适的单片机芯片和外围器件，设计电路原理图。
在电路设计过程中，需要考虑功耗、时钟频率、IO口数量、通信接口等因素，并根据需求进行电源供应、时钟电路、外设接口电路等设计。
(2) PCB设计：根据电路原理图，进行PCB的布线设计。
通过布线设计，将电路原理图中的元器件进行合理的布局和连接，以满足信号传输、电源供应等要求。
在PCB设计过程中，需要注意信号完整性、电源稳定性、阻抗匹配等问题。
2. 软件开发阶段软件开发是单片机系统开发的核心部分，主要包括编写程序和调试两个环节。
(1) 编写程序：根据系统需求和硬件设计，选择合适的开发工具和编程语言，编写单片机的软件程序。
在编写程序过程中，需要了解单片机的指令集、寄存器配置、中断处理等相关知识，并根据需求实现系统的各项功能。
(2) 调试：将编写好的软件程序下载到单片机芯片中，通过调试工具进行调试。
调试过程中，可以通过单步执行、断点调试等方式，逐步检查程序的运行情况，发现并解决程序中的错误和问题。
调试完成后，可以对系统的功能进行验证和优化。
3. 系统调试阶段系统调试是单片机系统开发的最后一步，主要包括硬件调试和软件调试两个环节。
(1) 硬件调试：通过仪器设备和测试工具，对硬件电路进行测试和验证。
主要包括电源稳定性、信号传输、外设功能等方面的测试。
在硬件调试过程中，可以使用示波器、逻辑分析仪等工具对信号进行观测和分析，发现并解决硬件电路中的问题。
(2) 软件调试：在硬件调试完成后，对软件程序进行全面的功能测试。
通过输入不同的参数和数据，验证系统的各项功能是否正常运行。
在软件调试过程中，可以使用调试工具和仿真器对程序进行调试和测试，以确保系统的稳定性和可靠性。
单片机课程知识点归纳
单片机课程知识点归纳单片机课程知识点归纳单片机是一种集成电路芯片，具有处理和控制电路的能力，被广泛应用于各种电子设备中。
单片机课程涉及到单片机的基本原理、编程语言、硬件电路设计等方面的知识。
下面是对单片机课程的知识点进行归纳和总结。
一、单片机基础知识1. 单片机的概念：介绍单片机的定义、分类、工作原理等基本概念，使学生对单片机有一个初步的了解。
2. 单片机的组成：介绍单片机的内部构造和各个功能模块的作用，如CPU、存储器、IO口、定时器等。
3. 单片机的特点：讲解单片机的特点，如体积小、功耗低、成本低等，以及在不同领域的应用。
4. 单片机的工作方式：介绍单片机的工作模式，如单指令周期工作模式、多指令周期工作模式等。
5. 单片机的开发环境搭建：讲解单片机的开发工具、编译软件、开发板等的选择和使用方法。
二、单片机编程语言1. C语言基础：介绍C语言的基本语法、数据类型、运算符、控制结构等，为后续的单片机编程打下基础。
2. 单片机编程语言：讲解适用于单片机的特殊编程语言，如汇编语言、BASIC语言等。
3. 单片机编程流程：讲解单片机的编程流程，包括程序的编写、编译、下载和调试等过程。
三、单片机应用开发1. 单片机的输入输出操作：介绍单片机的输入输出端口的基本操作方法，包括端口设置、读写数据等。
2. 单片机的定时器和计数器功能：讲解单片机的定时器和计数器的原理和应用，如延时、计时、频率测量等。
3. 单片机的中断处理：讲解单片机的中断原理和中断处理程序的编写方法，以实现一些与实时性相关的功能。
4. 单片机的串口通信：介绍单片机通过串口与外部设备进行通信的原理和方法，如数据的发送和接收等。
5. 单片机的模拟电路应用：讲解单片机的模拟输入输出的原理和方法，如模拟信号的采集和输出等。
四、单片机系统设计1. 单片机系统的硬件设计：介绍单片机系统的硬件电路设计，包括外部器件的选型、连接方式、电源设计等。
2. 单片机系统的软件设计：讲解单片机系统的软件设计方法，包括程序框架的设计、模块的划分等。
单片机程序架构详解篇
单片机程序架构详解一、前言单片机，也称为微控制器（Microcontroller），是将计算机的体系结构集成到一个芯片上的微型计算机。
由于其体积小、成本低、可靠性高等特点，单片机在工业控制、智能仪表、家用电器等领域得到了广泛应用。
了解单片机的程序架构是编写和优化单片机程序的关键。
二、单片机程序架构概述单片机的程序架构主要由以下几个部分组成：1. 硬件抽象层（HAL）：这一层为上层软件提供了一个与硬件无关的接口，使得软件可以独立于硬件进行开发和运行。
HAL层通常包括对单片机各种外设（如GPIO、UART、SPI、PWM等）的操作函数。
2. 系统服务层：这一层提供了系统级的各种服务，如任务调度、内存管理、时间管理等。
这些服务使得上层应用程序可以更加专注于业务逻辑的实现。
3. 应用层：这是最上层，直接面向用户，包含了各种应用程序的逻辑代码。
三、各层详解1. 硬件抽象层（HAL）硬件抽象层（HAL）是单片机程序架构中非常重要的一层，其主要目标是使得硬件相关的操作与具体的硬件实现无关。
这样，当硬件平台发生变化时，只要HAL层设计得当，上层代码就不需要改变。
HAL层通常包括以下内容：* 各种外设寄存器的操作函数：例如，GPIO的输入输出函数、UART的发送接收函数等。
这些函数隐藏了具体的寄存器操作细节，使得开发者只需要关注功能实现而不需要关心底层寄存器的操作。
* 硬件初始化函数：用于在系统启动时对单片机进行初始化，如配置时钟、启动看门狗等。
* 中断处理函数：用于处理单片机的各种中断事件，如定时器溢出、串口接收等。
2. 系统服务层系统服务层提供了单片机操作系统所需的各种服务，如任务调度、内存管理、时间管理等。
这些服务使得上层应用程序可以更加专注于业务逻辑的实现。
以下是一些常见的系统服务：* 任务调度：多任务环境下，任务调度器负责分配CPU时间给各个任务，使得各个任务能够按需运行。
* 内存管理：负责动态内存的分配和释放，如堆和栈的管理。
单片机控制系统的硬件设计与软件调试教程
单片机控制系统的硬件设计与软件调试教程单片机控制系统是现代电子技术中常见的一种嵌入式控制系统，其具有体积小、功耗低、成本低等优点，因而在各个领域得到广泛应用。
本文将介绍如何进行单片机控制系统的硬件设计与软件调试，帮助读者快速掌握相关知识，并实际应用于项目当中。
一、硬件设计1. 系统需求分析在进行硬件设计之前，首先需要明确单片机控制系统的需求。
这包括功能需求、性能需求、输入输出接口需求等。
根据需求分析的结果，确定采用的单片机型号、外围芯片以及必要的传感器、执行机构等。
2. 系统框图设计根据系统需求，绘制系统框图。
框图主要包括单片机、外围芯片、传感器、执行机构之间的连接关系，并标明各接口引脚。
3. 电源设计单片机控制系统的电源设计至关重要。
需要根据单片机和外围芯片的工作电压要求，选择合适的电源模块，并进行电源稳压电路的设计，以确保系统工作的稳定性。
4. 电路设计与布局根据系统框图，进行电路设计与布局。
需要注意的是，对于模拟信号和数字信号的处理需要有一定的隔离和滤波措施，以减少干扰。
此外，对于输入输出接口，需要进行保护设计，以防止过电压或过电流的损坏。
5. PCB设计完成电路设计后，可以进行PCB设计。
首先，在PCB软件中绘制原理图，然后进行元器件布局和走线。
在进行布局时，应考虑到信号传输的长度和走线的阻抗匹配；在进行走线时，应考虑到信号的干扰和电源的分布。
完成布局和走线后，进行电网设计和最后的校对。
6. PCB制板完成PCB设计后，可以将设计好的原理图和布局文件发送给PCB厂家进行制板。
制板完成后，检查排线是否正确，无误后进行焊接。
二、软件调试1. 开发环境搭建首先需要搭建开发环境。
根据单片机型号，选择合适的开发环境，如Keil、IAR等，并将其安装到计算机上。
接下来，将单片机与计算机连接，并进行相应的驱动安装。
2. 系统初始化在软件调试过程中，首先需要进行系统的初始化。
这包括设置时钟源、配置IO口、初始化外设等。
单片机
1 系统硬件介绍本设计通过单片机实现喇叭播放音乐和LCD液晶显示文字、图片、动画，并通过键盘进行控制操作，实现功能的选择。
单片机使用AT89C55WD芯片，容有20K字节可编程闪烁存储器，能存放做够的程序容量。
LCD使用128*64液晶屏，通过控制驱动器，能显示图片和文字。
另外使用I2C总线扩展，I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。
它通过SDA（串行数据线）及SCL（串行时钟先）两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件，不管是单片机、存储器、LCD驱动器还是键盘接口。
1.1 单片机简介所谓单片机，通俗的来讲，就是把中央处理器CPU（Central Processing Unit），存储器（memory），定时器，I/O（Input/Output）接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
单片机又称为“微控制器MCU”。
中文“单片机”的称呼是由英文名称“Single Chip Microcomputer”直接翻译而来的。
顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。
因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。
它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。
现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能微电脑型”，如智能型热水器等。
本设计用到的单片机是AT89C55WD，下面就以AT89C55WD为例，结合本设计所用到的内容，简单介绍一下单片机的基础知识。
1.1.1 AT89C55WD简介AT89C55WD是一个低电压，高性能CMOS 8 位单片机，片内含有20KB 的可重写快速闪存存储器和只读程序和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，引脚兼容工业标准芯片，采用通用编程方式，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微处理器的AT89C55WD可为您提供许多高性价比的解决方案，适用于多数嵌入式应用系统。
单片机最小系统
单片机最小系统单片机最小系统是指以单片机为核心，配以必要的外围电路，实现一定功能的电路系统。
它通常包含单片机、电源、时钟电路、复位电路和程序存储器等部分。
下面将详细介绍单片机最小系统的构成和特点。
单片机：单片机是整个系统的核心，它负责数据处理和控制信号输出。
常用的单片机型号有AT89CPIC16F877A等。
电源：为单片机提供电能，一般采用直流电源，如5V、3V等。
时钟电路：为单片机提供时钟信号，常用的时钟芯片有0592MHz和4MHz等。
复位电路：当单片机出现程序跑飞或异常情况时，可以通过复位电路使单片机重新启动。
常用的复位芯片有MAX811等。
程序存储器：用于存储单片机程序，常用的存储器有EPROM、EEPROM 和Flash等。
结构简单：单片机最小系统以单片机为核心，配以外围电路，结构简单，易于实现。
功能灵活：通过编程，单片机可以实现各种不同的功能，如数据采集、控制输出、通信等。
可靠性高：由于单片机最小系统结构简单，所以其可靠性较高，适用于各种工业控制和智能家居等领域。
成本低廉：单片机最小系统的硬件成本较低，适用于各种低成本应用场景。
单片机最小系统是一种简单、灵活、可靠且低成本的电路系统，广泛应用于各种嵌入式系统开发中。
随着物联网、智能家居等领域的快速发展，单片机最小系统的应用前景也将更加广阔。
在嵌入式系统和智能硬件领域，单片机最小系统作为一种基本的控制器单元，具有广泛的应用价值。
本文将介绍单片机最小系统的设计与应用，包括系统设计、系统应用和系统优化等方面的内容。
单片机最小系统通常由微处理器（MCU）、电源电路、时钟电路和复位电路等组成。
在设计单片机最小系统时，需要根据具体的应用需求选择合适的微处理器，并搭建相应的电源电路、时钟电路和复位电路。
单片机最小系统的架构设计应考虑应用需求和系统可靠性。
一般而言，系统架构应包括以下几个部分：（1）微处理器：作为系统的核心，微处理器负责数据计算、处理和传输等任务。
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VCC P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA/VPP ALE/PROG PSEN P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0
MCS-51共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），
以实现数据的并行输入/输出。在实训中我们已经使用了 P1口，通过P1口连接8个发光二极管。
第 1章
单片机硬件系统
6) 串行口 MCS-51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和 其它设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为 全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。 7) 中断控制系统 MCS-51单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。 8051共有5个中断源，即外中断两个，定时/计数中断两个，串 行中断一个。全部中断分为高级和低级共两个优先级别。 8) 时钟电路 MCS-51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容 需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的晶 振频率一般为6 MHz和12 MHz。
8051芯片中共有256个RAM单元，但其中后128单元被
专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128单元， 用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是 指前128单元，简称内部RAM。
第 1章
单片机硬件系统
T0 时钟电路
T1
ROM
RAM
定时/计数器
CPU
并行接口
串行接口
中断系统
BASIC解释程序，这就是通常所说的8052-BASIC。这意味 着单片机已可以使用高级语言。该BASIC与基本BASIC相比， 增加了一些控制语句，以满足单片机作为控制机的需要。
第 1章
单片机硬件系统
1.2 MCS-51单片机结构和原理
1 .2.1 MCS-51单片机的内部组成及信号引脚
MCS-51单片机的典型芯片是8031、8051、8751。8051 内部有4 KB ROM，8751内部有4KB EPROM，8031内部无
第 1章
单片机硬件系统
第1章 单片机硬件系统
1.1 概 述 1.1.1 什么是单片机
第 1章
单片机硬件系统
1.1.2 MCS-51单片机系列
尽管各类单片机很多，但无论是从世界范围或是从
全国范围来看，使用最为广泛的应属MCS-51单片机。 基 于这一事实，本书以应用最为广泛的MCS-51系列8位单片 机（8031、8051、8751等）为研究对象，介绍单片机的硬 件结构、工作原理及应用系统的设计。 MCS-51单片机系列共有十几种芯片，如表1.1所示。
第 1章
单片机硬件系统
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST/VPD RXD P3.0 TXD P3.1 INT0 P3.2 INT1 P3.3 T0 P3.4 T1 P3.5 WR P3.6 RD P3.7章
单片机硬件系统
从上述内容可以看出， MCS-51 虽然是一个单片机芯片， 但作为计算机应该具有的基本部件它都包括，因此，实际上 它已是一个简单的微型计算机系统了。 2. MCS-51的信号引脚 MCS-51 是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片，引 脚排列请参见图1.5。 1) 信号引脚介绍 P0.0 ～ P0.7： P0口8位双向口线。 P1.0 ～ P1.7 ：P1口8位双向口线。 P2.0 ～ P2.7 ：P2口8位双向口线。 P3.0 ～ P3.7 ：P3口8位双向口线。
无
RO M 805 1 80 C5 1 805 2 80 C5 2
EPR OM
5 1 子 系 列
803 1 80 C3 1 803 2 80 C3 2
8751
2×64 KB 2×64 KB 2×64 KB 2×64 KB
5
87C 51
1
5
5 2 子 系 统
8752
1
6
87C 52
1
6
第 1章
单片机硬件系统
表中列出了 MCS-51 单片机系列的芯片型号，以及它 们的技术性能指标，使我们对它们的基本情况有了一个概
括的了解。下面我们就在这个表的基础上对 MCS-51系列
单片机作进一步说明。 1．51子系列和52子系列 MCS-51系列又分为 51和52两个子系列，并以芯片型 号的最末位数字作为标志。其中，51子系列是基本型，而
ROM；除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。因此，
以8051为例，说明本系列单片机的内部组成及信号引脚。 1．8051单片机的基本组成 8051单片机的基本组成请参见图1.4。下面介绍各部分的 基本情况。
第 1章
单片机硬件系统
1) 中央处理器（CPU） 中央处理器是单片机的核心，完成运算和控制功能。 MCS-51的CPU能处理8位二进制数或代码。 2) 内部数据存储器（内部RAM）
P0 P1 P2 P3
TXD
RXD
INT0
INT1
图1.4 MCS-51 单片机结构框图
第 1章
单片机硬件系统
3) 内部程序存储器（内部ROM） 8051共有4 KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数
据或表格，因此，称之为程序存储器，简称内部ROM。
4) 定时/计数器 8051共有两个16位的定时/计数器，以实现定时或 计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。 5) 并行I/O口
第 1章
单片机硬件系统
表1.1 MCS-51系列单片机分类表
片内ROM形式
子 系 列 片 内 RO M 容 量 4 KB 4 KB 8 KB 8 KB 片 内 RA M 容 量 128 B 128 B 256 B 256 B
I/O特性
寻址 范围 计 数 器 2× 16 2× 16 3× 16 3× 16 并 行 口 4× 8 4× 8 4× 8 4× 8 串 行 口 1 中断 源
52子系列则属增强型。52子系列功能增强的具体方面，从
表1.1所列内容中可以看出：
第 1章
单片机硬件系统
(1) 片内ROM从4 KB增加到8 KB。 (2) 片内RAM从128 B增加到256 B。 (3) 定时/计数器从2个增加到3个。 (4) 中断源从5个增加到6个。
在52子系列的内部ROM中，以掩膜方式集成有8 KB