單片機(jī)原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

單片機(jī)是最小的計算機(jī)，它具有結(jié)構(gòu)簡潔、應(yīng)用方便的優(yōu)點(diǎn)，是嵌入式系統(tǒng)中普遍使用的核心器件。單片機(jī)課程是自動化、機(jī)電工程、儀器儀表、電子工程、信息工程、通信工程、光電工程和計算機(jī)應(yīng)用等許多專業(yè)學(xué)生的必修課程。我們在長期從事單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合多年的單片機(jī)課程教學(xué)實踐，編寫了本教材，2004年以來作為內(nèi)部講義在本科教學(xué)中試用，取得了良好效果。這次在對講義進(jìn)行修訂的基礎(chǔ)上，作為普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材公開出版，希望得到同行的認(rèn)可和批評指正。

本教材以最普及的MCS-51單片機(jī)為基本內(nèi)容，同時還介紹PIC系列和ARM系列單片機(jī)。單片機(jī)品種繁多，其中MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)清晰，匯編指令可讀性強(qiáng)，是目前應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)，常用作初學(xué)的首選，因此本教材以之為基礎(chǔ)，介紹單片機(jī)的基本概念、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、主要資源及開發(fā)方法。PIC單片機(jī)是采用精簡指令集計算機(jī)（RISC）技術(shù)的單片機(jī)的代表，具有指令效率高、抗干擾強(qiáng)、簡單實用等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用十分廣泛的另一種8位單片機(jī)。而ARM系列單片機(jī)則是一種更高級的精簡指令集單片機(jī)（Advanced RISC Machines）的代表，具有速度快、功耗低、功能強(qiáng)、價格低廉等顯著特點(diǎn)，是目前應(yīng)用極廣的32位嵌入式微控制器，在單片機(jī)市場上，實際上它已扮演著類似于8位單片機(jī)市場上MCS-51的角色。通過這幾種單片機(jī)的學(xué)習(xí)，可以讓讀者了解單片機(jī)的全貌。

本教材共分10章。第1章介紹單片機(jī)的基本知識以及單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件開發(fā)過程，第2章介紹MCS-51單片機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，第3章介紹MCS-51單片機(jī)的指令系統(tǒng)及編程技術(shù)，第4章主要介紹MCS-51單片機(jī)的定時器、異步串口和中斷系統(tǒng)的工作方式及其配置與控制方法，第5章介紹MCS-51單片機(jī)的并行擴(kuò)展技術(shù)，第6章介紹MCS-51單片機(jī)的串行擴(kuò)展技術(shù)，第7章介紹PIC系列單片機(jī)的基本原理與應(yīng)用，第8章介紹ARM系列單片機(jī)的基本原理與應(yīng)用，第9章給出三個具有工程應(yīng)用背景的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計實例，第10章給出單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計選題10例，作為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的練習(xí)實踐和設(shè)計參考。

本教材的特點(diǎn)可歸納如下：

（1）用6章的篇幅重點(diǎn)介紹MCS-51單片機(jī)，其資源、開發(fā)方法、擴(kuò)展方法及應(yīng)用都介紹得非常詳細(xì)，分別用一章的篇幅介紹PIC單片機(jī)和ARM單片機(jī)，以拓展知識面。重點(diǎn)突出，內(nèi)容豐富。

（2）在講解單片機(jī)原理和資源的同時，還介紹了單片機(jī)應(yīng)用程序的開發(fā)方法。介紹了WAVE6000、Keil uVision、MPLAB、IAR EWARM和Qt/Embedded等多種集成開發(fā)環(huán)境，介紹了單片機(jī)的匯編語言和C語言程序的開發(fā)，以做到學(xué)習(xí)和實踐的緊密結(jié)合。

（3）結(jié)合工程實踐，給出了三個具有代表意義的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)全過程。在實際系統(tǒng)中，單片機(jī)往往只是一小部分，單片機(jī)要在其他的背景知識和平臺中發(fā)生作用。通過這三個實例，可以引導(dǎo)讀者在學(xué)習(xí)中既要注重電路設(shè)計和程序設(shè)計，還要重視系統(tǒng)設(shè)計。

（4）面向單片機(jī)在信號檢測、通信、自動控制等領(lǐng)域的應(yīng)用，給出了大量的實用系統(tǒng)設(shè)計選題，可作為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的練習(xí)實踐和設(shè)計參考的課題。

本教材是在整理多年教學(xué)講義的基礎(chǔ)上，參考有關(guān)公司的技術(shù)手冊和近年來出版的同類教材著作而寫成的，第1、2、3、4、7、10章由李云鋼編寫，第5、6章由龍志強(qiáng)編寫，第8章由鄒逢興編寫，第9章由李云鋼和鄒逢興共同編寫。鄒逢興對全書進(jìn)行了統(tǒng)稿、修改和最后審查。程虎、張曉、張鼎、陳慧星、柯朝雄、楊祚唐、閆宇壯、張穎、吳志添、王強(qiáng)、王成春等同志在編寫過程中付出了大量辛勤勞動，在此深表謝意。

在我們開展單片機(jī)教學(xué)和本書編寫過程中，北京勝創(chuàng)特電子科技有限公司作為PHILIPS公司在中國的代理商，為我們提供了有關(guān)PHILIPS公司單片機(jī)產(chǎn)品特別是ARM芯片產(chǎn)品的資料；IAR System 公司為我們提供了多套他們的J-Link ARM 仿真器及參考資料。對于這兩個公司的支持和幫助，在此我們也表示衷心感謝。

由于時間倉促及作者水平有限，書中錯誤和疏漏之處在所難免，敬請廣大讀者批評指正。

編者

2007年10月

總序
前言
第1章 單片機(jī)及其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計概述 1
1.1 單片機(jī)基本知識 2
1.1.1 單片機(jī)概述 2
1.1.2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)概述 2
1.1.3 單片機(jī)的分類 3
1.1.4 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的常用術(shù)語 4
1.2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)入門 6
1.2.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)方法概述 6
1.2.2 單片機(jī)的集成開發(fā)環(huán)境 7
1.2.3 仿真與仿真器 8
1.2.4 單片機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)快速入門 11
思考題與習(xí)題 18
第2章 MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 19
2.1 MCS-51系列單片機(jī)概述 20
2.2 MCS-51單片機(jī)的總體結(jié)構(gòu) 20
2.3 MCS-51單片機(jī)的中央處理器 22
2.3.1 概述 22
2.3.2 時鐘電路 23
2.3.3 復(fù)位電路 24
2.3.4 MCS-51單片機(jī)的指令長度與指令周期 26
2.4 MCS-51單片機(jī)的存儲器組織 27
2.4.1 程序存儲器 28
2.4.2 片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲器 29
2.4.3 特殊功能寄存器 31
2.4.4 擴(kuò)展存儲器 33
2.5 MCS-51單片機(jī)的端口結(jié)構(gòu)與功能 33
2.5.1 P1口的結(jié)構(gòu)與功能 35
2.5.2 P3口的結(jié)構(gòu)與功能 35
2.5.3 P2口的結(jié)構(gòu)與功能 35
2.5.4 P0口的結(jié)構(gòu)與功能 36
2.5.5 端口實驗舉例 36
思考題與習(xí)題 38
第3章 MCS-51單片機(jī)指令系統(tǒng)及編程技術(shù) 39
3.1 MCS-51匯編指令概述 40
3.1.1 匯編指令格式及常用符號說明 40
3.1.2 尋址方式 41
3.1.3 指令類型 42
3.2 數(shù)據(jù)傳送指令 42
3.2.1 內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送指令 42
3.2.2 外部數(shù)據(jù)傳送指令 44
3.2.3 查表指令 44
3.3 算術(shù)運(yùn)算指令 45
3.3.1 加法指令 45
3.3.2 減法指令 47
3.3.3 乘法指令 47
3.3.4 除法指令 48
3.4 邏輯運(yùn)算指令 48
3.4.1 累加器A的邏輯運(yùn)算指令 48
3.4.2 兩個操作數(shù)的邏輯運(yùn)算指令 49
3.5 位操作指令 50
3.5.1 位變量傳送指令 50
3.5.2 位變量修改指令 50
3.5.3 位變量邏輯操作指令 50
3.6 控制轉(zhuǎn)移指令 51
3.6.1 無條件轉(zhuǎn)移指令 51
3.6.2 條件轉(zhuǎn)移指令 52
3.6.3 調(diào)用和返回指令 53
3.7 匯編程序設(shè)計舉例 53
3.7.1 查表程序舉例 53
3.7.2 子程序及調(diào)用舉例 53
3.7.3 控制轉(zhuǎn)移程序舉例 54
3.7.4 算術(shù)運(yùn)算程序舉例 55
3.7.5 邏輯運(yùn)算程序舉例 56
3.8 單片機(jī)C語言程序開發(fā)及設(shè)計舉例 56
3.8.1 單片機(jī)C語言程序設(shè)計概述 56
3.8.2 基于WAVE6000開發(fā)單片機(jī)的C語言程序 56
3.8.3 基于Keil uVision開發(fā)單片機(jī)C語言程序 57
3.8.4 MCS-51單片機(jī)的C語言編程舉例 65
思考題與習(xí)題 70
第4章 MCS-51單片機(jī)的定時器、串口和中斷系統(tǒng) 73
4.1 MCS-51單片機(jī)的定時器 74
4.1.1 定時器T0和T1 74
4.1.2 定時器T2 77
4.2 MCS-51單片機(jī)的串口 81
4.2.1 串口的一般概念 81
4.2.2 MCS-51單片機(jī)串口的結(jié)構(gòu) 82
4.2.3 MCS-51單片機(jī)串口的工作方式 83
4.2.4 多機(jī)通信原理 84
4.2.5 MCS-51單片機(jī)串口的波特率 85
4.2.6 MCS-51單片機(jī)串口應(yīng)用編程實例 86
4.3 MCS-51單片機(jī)的中斷系統(tǒng) 87
4.3.1 MCS-51單片機(jī)的中斷源 88
4.3.2 MCS-51單片機(jī)的中斷控制 88
4.3.3 MCS-51單片機(jī)的中斷響應(yīng)過程 89
4.3.4 MCS-51單片機(jī)的中斷編程舉例 90
思考題與習(xí)題 93
第5章 MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)的并行擴(kuò)展技術(shù) 95
5.1 單片機(jī)并行擴(kuò)展概述 96
5.1.1 單片機(jī)的外部擴(kuò)展總線 96
5.1.2 系統(tǒng)擴(kuò)展常用芯片 97
5.1.3 系統(tǒng)擴(kuò)展的尋址方法 100
5.2 外部存儲器的擴(kuò)展 101
5.2.1 程序存儲器擴(kuò)展 101
5.2.2 數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展 103
5.3 并行I/O接口的擴(kuò)展 104
5.3.1 簡單的I/O擴(kuò)展 105
5.3.2 可編程I/O接口電路的擴(kuò)展 106
5.4 鍵盤與顯示器的接口技術(shù) 111
5.4.1 鍵盤接口技術(shù) 111
5.4.2 顯示器接口技術(shù) 114
5.4.3 典型鍵盤/顯示器接口實例 118
5.4.4 可編程鍵盤/顯示器接口8279 118
5.5 并行A/D和D/A轉(zhuǎn)換器接口 127
5.5.1 8位A/D轉(zhuǎn)換器及其與單片機(jī)的接口 127
5.5.2 12位A/D轉(zhuǎn)換器及其與單片機(jī)的接口 131
5.5.3 8位D/A轉(zhuǎn)換器及其與單片機(jī)的接口 133
5.5.4 12位D/A轉(zhuǎn)換器及其與單片機(jī)的接口 136
思考題與習(xí)題 138
第6章 單片機(jī)系統(tǒng)串行擴(kuò)展技術(shù) 139
6.1 單片機(jī)串行擴(kuò)展概述 140
6.2 I2C總線 140
6.2.1 I2C總線的基本原理 140
6.2.2 I2C總線數(shù)據(jù)傳輸格式 141
6.2.3 AT24系列串行E2PROM 143
6.3 SPI串行外設(shè)接口 146
6.3.1 SPI的基本原理 146
6.3.2 SPI數(shù)據(jù)傳輸格式 147
6.4 單總線（1-Wire Bus） 148
6.4.1 單總線的基本原理 148
6.4.2 單總線的數(shù)據(jù)傳輸格式 149
6.5 串行A/D和D/A轉(zhuǎn)換接口 151
6.5.1 8位串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC0834 151
6.5.2 12位串行A/D轉(zhuǎn)換器MAX1247 153
6.5.3 8位串行D/A轉(zhuǎn)換器TLC5620C 156
6.5.4 12位串行D/A轉(zhuǎn)換器MAX531 158
思考題與習(xí)題 160
第7章 PIC系列單片機(jī)原理與應(yīng)用 161
7.1 PIC系列單片機(jī)簡介 162
7.1.1 PIC系列單片機(jī)的主要特點(diǎn) 162
7.1.2 PIC系列單片機(jī)選型指南 162
7.2 PIC16C54單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu) 166
7.2.1 PIC16C54單片機(jī)的主要資源及引腳功能 166
7.2.2 中央處理器 168
7.2.3 存儲器結(jié)構(gòu) 171
7.2.4 特殊功能寄存器 172
7.2.5 系統(tǒng)配置字 175
7.2.6 看門狗 175
7.3 PIC16C5X系列單片機(jī)的指令系統(tǒng) 175
7.3.1 指令格式 176
7.3.2 尋址方式 177
7.3.3 PIC16C5X的指令集 177
7.3.4 PIC16C5X指令詳解 179
7.4 PIC單片機(jī)的開發(fā)環(huán)境 190
7.4.1 MPLAB簡介 190
7.4.2 MPLAB IDE快速入門 191
7.5 PIC16C73單片機(jī)簡介 200
7.5.1 PIC16C73單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能 200
7.5.2 定時器 204
7.5.3 CCP模塊 206
7.5.4 A/D轉(zhuǎn)換器 207
7.5.5 中斷系統(tǒng) 209
思考題與習(xí)題 211
第8章 ARM系列單片機(jī)原理與應(yīng)用 213
8.1 ARM系列單片機(jī)概述 214
8.1.1 ARM核的結(jié)構(gòu)特性 214
8.1.2 ARM7系列處理器核簡介 215
8.1.3 常用ARM系列單片機(jī)選型指南 215
8.2 ARM處理器的編程模型 217
8.2.1 ARM的工作狀態(tài)與運(yùn)行模式 217
8.2.2 ARM的數(shù)據(jù)類型與存儲器格式 217
8.2.3 內(nèi)部寄存器組織 218
8.2.4 異常中斷及響應(yīng)機(jī)理 221
8.3 ARM系列單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu) 222
8.3.1 LPC2212/2214單片機(jī)簡介 222
8.3.2 S3C44BOX單片機(jī)簡介 237
8.4 ARM系列單片機(jī)指令系統(tǒng)及編程 238
8.4.1 ARM的指令尋址方式 239
8.4.2 ARM指令集 241
8.4.3 Thumb指令集及其與ARM指令集的區(qū)別 255
8.4.4 ARM的編程 256
8.5 ARM系列單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境 259
8.5.1 IAR EWARM簡介 259
8.5.2 Qt/Embedded簡介 272
思考題與習(xí)題 276
第9章 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計實例 279
9.1 基于AT89C52控制的磁懸浮球演示系統(tǒng) 280
9.1.1 磁懸浮球演示系統(tǒng)的組成與工作原理 280
9.1.2 磁懸浮球演示系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 282
9.1.3 磁懸浮球演示系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計 284
9.2 基于PIC16C54的光柵式定位系統(tǒng) 296
9.2.1 光柵式定位系統(tǒng)的組成及工作原理 296
9.2.2 光柵式定位系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 297
9.2.3 光柵式定位系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計 298
9.3 基于LPC2212的三關(guān)節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng) 306
9.3.1 三關(guān)節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能 306
9.3.2 三關(guān)節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 307
9.3.3 三關(guān)節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 315
第10章 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計選題 329
10.1 基于單片機(jī)的溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計 330
10.2 基于單片機(jī)控制的智能充電器設(shè)計 331
10.3 基于單片機(jī)的紅外通信系統(tǒng)設(shè)計 333
10.4 基于MCS-51單片機(jī)的主從式多機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計 335
10.5 CAN總線站點(diǎn)設(shè)計與通信實驗 337
10.6 利用單片機(jī)和GSM模塊實現(xiàn)短消息通信 338
10.7 基于單片機(jī)的安全計算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與實驗 340
10.8 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 341
10.9 基于單片機(jī)的無刷直流電機(jī)調(diào)速器設(shè)計 342
10.10 簡易MP3播放器設(shè)計 345

1. 單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)（C語言版） [周國運(yùn) 魯慶賓 趙天翔 編著]
2. 單片機(jī)原理及應(yīng)用項目化教程（C語言版） [主編 謝四連　王善偉　李石林]
3. 單片機(jī)原理及應(yīng)用設(shè)計（第二版） [主編 胡輝 ]
4. 單片機(jī)原理及典型應(yīng)用接口技術(shù) [劉甫 陳健美 編著]
5. 單片機(jī)原理及應(yīng)用教程（C語言版） [主編 周國運(yùn)]
6. 單片機(jī)原理及應(yīng)用 [主 編 李英順]
7. 單片機(jī)原理及應(yīng)用（C語言版） [周國運(yùn) 主編]
8. 單片機(jī)原理及應(yīng)用設(shè)計 [胡輝 主編]
9. 單片機(jī)原理與應(yīng)用 [金龍國 主編]
10. 單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù) [秦實宏 周龍 肖忠 等編著]
11. 單片機(jī)原理及基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計 [蔡方凱 主編]
12. 單片機(jī)原理與應(yīng)用 [胡輝 主編]
13. 計算機(jī)硬件技術(shù)實驗教程 [張志勇 戴金波 主編]