汽车单片机与车载网络技术(第二版)第2章MCS-51单片机介绍

第2章 MCS-51单片机介绍
2.1.3 单片机在汽车电子控制系统中的应用 在现代的汽车中，电子设备比比皆是，均已涉及汽车的各
主要部件(见表1-1)。其控制装置中的单片机既有功能强大的16 位机或32位机，也有低性能的8位机。
例如，现代汽车发动机的功能越来越完善，其控制系统也 越来越复杂。控制系统需要不断地采集各个传感器的信息，并 按照预定的程序进行实时计算，所以对单片机的运算速度、数 据字长、与外部设备的接口等方面不断提出新的要求。目前， 发动机控制系统内单片机的总线频率已经提高到几十兆赫，机 型多为16位机或32位机。Motorola公司生产的 MC68HC912DG128A单片机就被德尔福等汽车电子企业选用在 自己的电控单元的产品中。
1DH
1CH
1BH
1AH
22H
17H
16H
15H
14H
13H
12H
21H
0FH
0EH
0DH
0CH
0BH
0AH
20H
07H
06H
05H
04H
03H
02H
LSB
79H
78H
71H
70H
69H
68H
61H
60H
59H
58H
51H
50H
49H
48H
41H
40H
39H
38H
31H
30H
29H
28H
21H
20H
另外，随着汽车上电子控制单元的增多，为节省导线、 易于布线以及在各控制单元之间快速地传输信息，网络技术 便成为了有效的手段。
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2.2 MCS-51单片机的基本结构
2.2.1 MCS-51单片机的性能介绍 MCS-51单片机的基本结构如图2-1所示。其内部具有以下 硬件资源： (1) 8位的中央处理器(CPU)。CPU是单片机的核心，由运 算器和控制器组成。MCS-51单片机的CPU能同时处理8位二进 制数或代码，故称为8位机。 (2) 256个字节的内部RAM(包括21个SFR)。RAM主要用 于存储可读写的数据，因此又称为数据存储器。 (3) 内部ROM。由于ROM通常用于存放程序、原始数据、 表格等，所以又称为程序存储器。8051的内部有4 K字节的掩 膜ROM和4 K字节的EPROM，而8031无片内ROM。
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(4) 2个可编程的16位定时/计数器T0、T1，用于对外部 脉冲进行计数，也可用来实现定时操作。
(5) 4个8位的并行I/O口P0、P1、P2、P3，可用来实现 数据的并行输入与输出。
(6) 1个全双工异步串行接口，可用来实现单片机与其 他设备之间的串行数据通信。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) 5个中断源，包括3个内部中断与2个外部中断，可 通过编程将其设置为两个优先级别。
(8) 内部时钟电路，用于产生CPU正常工作所需的时钟 信号。其中，石英晶体振荡器和微调电容需外接。
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图2-1 MCS-51单片机的内部基本结构
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2.2.2 MCS-51单片机的存储器 1. 存储器概述 存储器是计算机中不可缺少的重要部件，用于储存二进
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2.1.2 单片机的产品分类 根据应用范围的不同，单片机可分为通用型单片机和专
用型单片机两种。 1. 通用型单片机 通用型单片机是由单片机厂家生产的、供广大用户选择
使用的、具有基本功能的芯片，其性能全面、适应性强、能 够满足多种控制的需要。但使用时用户必须进行二次开发设 计，即根据需要以通用单片机为核心配以其他外围电路、芯 片，从而构成控制系统，同时还需要编写控制程序。
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2. 专用型单片机 专用型单片机是专门针对某一类产品甚至是某一个产品 而设计制造的单片机。此类型的单片机即不需要进行二次设 计，也不用进行功能开发，一般由厂家与芯片制造商合作生 产设计。例如全自动洗衣机、来电显示电话上的单片机都是 专用型单片机。专用型单片机通用性差，但由于是专门针对 某一控制系统设计的，因此其结构紧凑、资源优化、成本低， 在其应用领域具有明显的综合优势。
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(1) 掩膜ROM：其存储的信息在制造过程中采用一道掩 膜工艺生成，一旦出厂，信息就不可改变。
(2) 可编程只读存储器 PROM：其存储的信息可由用户 通过特殊手段一次性写入，但只能写入一次。
(3) 可擦除只读存储器：用户可以多次擦除其存储的信 息，并可用专用的编程器重新写入新的信息。可擦除只读存 储器又可分为紫外线擦除的EPROM、电擦除的EEPROM和 Flash ROM。
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(1) 工作寄存器区(00H～1FH)。工作寄存器区也称为通 用寄存器，该区域共有4组寄存器，每组由8个寄存单元组成， 各组均以R0～R7作寄存器编号。在任一时刻，CPU只能使 用其中的一组通用寄存器，称为当前通用寄存器组，具体使 用哪组可由程序状态寄存器PSW中RS1、RS0位决定，见表 2-1。通用寄存器为CPU提供了就近存取数据的便利，提高 了工作速度，也为编程提供了方便。
第2章 MCS-51单表片2-机2 介位绍寻址区位地址分配表
单元地址
MSB
位地址
2FH
7FH
7EH
7DH
7CH
7BH
7AH
2EH
77H
76H
75H
74H
73H
72H
2DH
6FH
6EH
6DH
6CH
6BH
6AH
2CH
67H
66H
65H
64H
63H
62H
2BH
5FH
5Байду номын сангаасH
5DH
5CH
5BH
5AH
2AH
57H
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2.1 单 片 机 概 述
2.1.1 单片机的含义 单片机(Single Chip Micro Computer)也称为微控制器
MCU(Micro Controller Unit)。它是采用超大规模集成电路技 术把中央处理器(CPU)、一定容量的存储器(RAM/ROM等)、 多种输入/输出(I/O)接口和中断系统、定时计数器等功能电 路(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、A/D转换器 等电路)集成到一块硅片上而构成的一个小而完善的计算机 处理系统。简单地说，一个单片机就相当于一个微型的计算 机。与计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。
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目前，世界上通用型单片机芯片的主要生产厂家有美国 Intel公司、Motorola公司、荷兰Philips公司、德国Siemens公 司、日本Toshiba公司、韩国的Samsung公司等。其中，Intel 公司的单片机最具有代表性，应用也最广。自1976年起， Intel公司相继开发了MCS-48、MCS-51、MCS-96三大系列 产品。此三大系列产品是我国目前的主流系列。在Intel公司 对MCS-51系列单片机实行技术开放政策之后，许多公司， 如Philips、Siemens、Atmel、华邦、LG等都以MCS-51中的 8051为基核推出了许多各具特色且具有优异性能的单片机。 以8051为基核推出的各种型号的兼容型单片机统称为51系列 单片机。Intel公司MCS-51系列单片机中的8051是最基础的 单片机型号。
(5) 存取周期：是指存储器存放或取出一次数据所需的 时间。存储容量和存取周期是存储器的两项重要性能指标。
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2. 半导体存储器的分类 半导体存储器按读、写功能可以分为随机读/写存储器 RAM(Random Access Memory)和只读存储器ROM(Read Only Memory)。 RAM可以进行多次信息写入和读出，每次写入后，原 来的信息将被新写入的信息所取代。另外，RAM在断电后 再通电时，原存的信息会全部丢失，所以它主要用来存放临 时数据。 ROM的信息一旦写入后，便不能随机修改。在使用 ROM时，只能读出信息，而不能写入，且在掉电后ROM中 的信息仍然保留，所以它主要用来存放固定不变的程序和数 据。ROM按生产工艺又可以分为以下几种：
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表 2-1 工作寄存器组(区)的选择
RS1
RS0
寄存器组
R0～R7 地址
0
0
第0组
00H～07H
0
1
第1组
08H～0FH
1
0
第2组
10H～17H
1
1
第3组
18H～1FH
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(2) 位寻址区(20H～2FH)。内部RAM的20H～2FH地址 段，共16个单元(计16 × 8 = 128位)为位寻址区，位地址为 00H～7FH，见表2-2。既可将位寻址区作为一般的RAM区 进行字节操作，也可对单元的每一位进行位操作。
19H
18H
11H
10H
09H
08H
01H
00H
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(3) 用户RAM区(30H～7FH)。单元地址为30H～7FH的 80个单元为用户RAM区，在一般应用中把堆栈设置在该区 域中。
(4) 专用寄存器区(80H～0FFH)。内部RAM的高128单元 中分散有21个专用寄存器。表2-3为21个专用寄存器一览表。
56H
55H
54H
53H
52H
29H
4FH
4EH
4DH
4CH
4BH
4AH
28H
47H
46H
45H
44H
43H
42H
27H
3FH
3EH
3DH
3CH
3BH
3AH
26H
37H
36H
35H
34H
33H
32H
25H
2FH
2EH
2DH
2CH
2BH
2AH
24H
27H
26H
25H
24H
23H
22H
23H
1FH
1EH
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3. 8051的内部数据存储器 8051的内部RAM有256个单元，通常在空间上分为两 个区：低128个单元(地址为00H～7FH)的内部数据RAM块 和高128个单元(地址为80H～0FFH)的专用寄存器SFR块， 见图2-2。
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图2-2 8051内部的RAM配置
制信息。下面介绍一些有关存储器的基本概念。 (1) 位：信息的基本单位是位(bit或b)，表示一个二进制
信息“1”或“0”。 (2) 字节：在微型机中信息大多是以字节(Byte或B)形式
存放的，一个字节由8个位组成(1 Byte = 8 bit)，通常称作一 个存储单元。
(3) 存储容量：存储器芯片的存储容量是指一片芯片所 能存储的信息位数，例如8 K × 8位的芯片，其存储容量为 8 × 1024 × 8位 = 65 536位信息。
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单片机具有功能强、体积小、成本低、功耗小、配置灵 活等特点。以单片机为核心构成的控制系统，成本低廉且能 够适应各种现场环境，具有实时、快速的外部响应，因而被 广泛应用在工业控制、智能化仪器仪表、通信、家电、汽车 等领域中。事实上，单片机是世界上数量最多的计算机。现 代人类生活中，几乎所用的每件电子和机械产品中都会集成 有单片机。手机、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标 等电脑配件中会有1～2部单片机；汽车上一般会配备40多部 单片机；复杂的工业控制系统上甚至可能会有数百台单片机 同时工作。
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再如，车身电子系统大量采用电子技术，其目标是提高 驾驶舒适程度并为驾驶员提供车况信息。如空调系统、座椅 调节系统、电动车窗、电动后视镜等，这些应用系统通常以 较低的速率进行数据传输，但要求有大电流驱动模块来驱动 电动机和执行机构。由于控制对象的数目众多，必须考虑成 本，因而廉价的8位控制器就成了首选。
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(4) 地址：地址表示存储单元所处的物理空间的位置， 用一组二进制代码来表示。地址相当于存储单元的“单元编 号”。CPU可以通过地址码访问某一存储单元，一个存储单 元对应一个地址码。例如8051单片机有16位地址线，能访问 的外部存储器的最大地址空间为64 K(65 536)字节，对应的 16位地址码为0000H～FFFFH。
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寄存器名称 *B 寄存器 *累加器 *程序状态字寄存器
*中断优先级寄存器
*P3 口数据寄存器
*中断允许寄存器
*P2 口数据寄存器 串口缓冲器
符号 B A
PSW
IP
P3
IE
P2 SBUF
表 2-3 专用寄存器表
MSB
位地址/位名称
LSB 地址 复位后初值
F7H F6H F5H F4H F3H F2H F1H F0H F0H