汽車電子控制基礎(chǔ)第十二章-微控制器基礎(chǔ)知識(shí)課件

第十二章微控制器基礎(chǔ)知識(shí)第一節(jié)微控制器概述第二節(jié)微控制器基本結(jié)構(gòu)第三節(jié)計(jì)算機(jī)指令與編程第一節(jié)微控制器概述一、關(guān)于微控制器與ECU微控制器是汽車電控單元(ECU)的核心,相當(dāng)于集成到芯片內(nèi)的計(jì)算機(jī),而ECU則是包括微控制器和相關(guān)外圍接口器件的電路板總稱,也是微控制器在汽車中的應(yīng)用系統(tǒng)。圖12-1給出Bosch公司開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU(商品名稱Motronic4.3)實(shí)物圖,用于VOLVO、BMW等許多車型。其中的核心部件微控制器使用的是Siemens公司的SAB80C537。從圖中可以看出,ECU電路板上還包括存儲(chǔ)器、一些接口芯片和與外部聯(lián)系的接插件。目前汽車上一般都有多個(gè)ECU,現(xiàn)代汽車上往往有幾十個(gè)到上百個(gè)ECU,用于控制不同的系統(tǒng)。圖12-1

ECU內(nèi)的微控制器和存儲(chǔ)器1—微控制器2—Flash存儲(chǔ)器二、關(guān)于微控制器、單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)20世紀(jì)70年代微型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以后,使計(jì)算機(jī)技術(shù)得到迅速普及,也使計(jì)算機(jī)的發(fā)展應(yīng)用出現(xiàn)了兩大分支:一方面是計(jì)算機(jī)自身的不斷完善化,例如個(gè)人計(jì)算機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng);另一方面是向控制方向發(fā)展,把計(jì)算機(jī)用到儀器儀表、工業(yè)控制和家用電器等,對(duì)這類計(jì)算機(jī)主要追求的不是處理速度、存儲(chǔ)容量以及文件管理能力,而是強(qiáng)調(diào)靈活應(yīng)用的功能,體積要小到能夠裝到這些設(shè)備里面去,于是就出現(xiàn)了“嵌入式”計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(EmbeddedSystem)。所謂嵌入式系統(tǒng),就是嵌入到控制對(duì)象中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),它主要不是用于計(jì)算,而是用于控制,與通用計(jì)算機(jī)不同,它通常執(zhí)行的是專門預(yù)定的任務(wù)。嵌入式系統(tǒng)中的核心器件根據(jù)集成度的不同,可以分成微處理器和微控制器兩大類。嵌入式微處理器(MicroprocessorUnit,MPU)的核心也是一般計(jì)算機(jī)中的CPU。在應(yīng)用中,將微處理器及存儲(chǔ)器、總線以及各種外部設(shè)備等器件都安裝在一塊專門設(shè)計(jì)的電路板上,在我國(guó)也稱為單板計(jì)算機(jī)或單板機(jī),它比單片機(jī)出現(xiàn)的時(shí)間要早一些。微控制器(Microcontroller或Micro-ControllerUnit,MCU)是集成在一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī),相當(dāng)于單片機(jī),一般以某一種CPU為核心,芯片內(nèi)部集成了存儲(chǔ)器、總線、定時(shí)/計(jì)數(shù)器以及I/O口等各種必要功能和外部設(shè)備。為了適應(yīng)現(xiàn)代控制系統(tǒng)對(duì)微控制器的要求,一方面盡可能提高微控制器本身的功能和集成度,另一方面設(shè)計(jì)了很多專用的外圍芯片與其配合使用,從此不再?gòu)?qiáng)調(diào)微控制器的“單片”性?！皢纹瑱C(jī)”只是國(guó)內(nèi)一直沿用的名稱?？紤]到國(guó)內(nèi)習(xí)慣,本書很多章節(jié)還是將微控制器稱為單片機(jī)。三、微控制器的發(fā)展和常用的系列簡(jiǎn)介通用的微控制器即單片機(jī)大約在20世紀(jì)70年代后期出現(xiàn),80年代以后,世界上一些著名半導(dǎo)體廠家生產(chǎn)的通用單片機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)有五十多個(gè)系列、幾百個(gè)品種,8位微控制器系列產(chǎn)品就有Intel公司的MCS-51系列(如以前常見的8031、8051、8751)、Motorola公司的68HC系列、Zilog公司的Z8系列等。如今已經(jīng)出現(xiàn)了32位微控制器,例如Motorola公司開發(fā)的PowerPC、ColdFire、ARM、CPU32/68K、M·CORE等產(chǎn)品。32位微控制器功能更加強(qiáng)大,例如其特有的浮點(diǎn)運(yùn)算單元可以大大提高運(yùn)算能力,高性能的數(shù)據(jù)處理能力和大容量片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器使用戶的產(chǎn)品改進(jìn)和升級(jí)更加容易,低成本的開發(fā)方式可使用戶的產(chǎn)品更快地進(jìn)入市場(chǎng)。32位微處理器可用于高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)管理、變速器控制、制動(dòng)控制、轉(zhuǎn)向控制及通信系統(tǒng)等汽車電子技術(shù)領(lǐng)域。第二節(jié)微控制器基本結(jié)構(gòu)不論何種型號(hào)的微控制器或單片機(jī)本身,都是一些集成電路芯片。下面以MCS-51系列(以后簡(jiǎn)稱51系列)8位微控制器為例介紹它的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)圖12-2

51系列微控制器芯片外形

a)DIP型封裝b)PQFP型封裝51系列微控制器芯片外形如圖12-2所示,一般有兩種封裝形式:一種是采用40個(gè)引腳的PDIP型(PlasticIn-linePackage,塑料雙列直插式封裝)結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)稱DIP型;另一種是四周有44個(gè)引腳的PQFP型(PlasticQuadFlatPackage,也稱為四邊扁平封裝)結(jié)構(gòu)。兩者功能相同,只是形狀尺寸不同(后者有些引腳是空腳)。MCS-51系列微控制器以同一種CPU為核心,芯片內(nèi)部集成了存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器以及I/O口等部分,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)書上。一、中央處理單元(CPU)中央處理單元(CentralProcessingUnit,CPU)是微控制器的核心部分。MCS-51微控制器內(nèi)部有一個(gè)功能很強(qiáng)、處理8位數(shù)據(jù)的CPU,它由運(yùn)算器、控制器以及相關(guān)的寄存器等組成。1.運(yùn)算器運(yùn)算器主要用于數(shù)據(jù)的傳送和算術(shù)/邏輯運(yùn)算,包括算術(shù)邏輯單元(ArithmeticLogicUnit,ALU)、累加器(ACC)、寄存器B、程序狀態(tài)字(ProgramStatusWord,PSW)以及布爾處理器等。1.運(yùn)算器運(yùn)算器主要用于數(shù)據(jù)的傳送和算術(shù)/邏輯運(yùn)算,包括算術(shù)邏輯單元(ArithmeticLogicUnit,ALU)、累加器(ACC)、寄存器B、程序狀態(tài)字(ProgramStatusWord,PSW)以及布爾處理器等。(1)算術(shù)邏輯單元(ALU)

ALU具有很強(qiáng)的運(yùn)算功能,可以對(duì)8位數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加、減、乘、除方面的算術(shù)運(yùn)算以及與、或、異或、取反等邏輯運(yùn)算,還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、移位,以及位的處理功能(如清零/置位)和位的邏輯運(yùn)算等。(2)累加器(ACC)

ACC一般記作A,是一個(gè)最常用、最繁忙的8位寄存器。MCS-51系列單片機(jī)中,大量的算術(shù)/邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳遞都要經(jīng)過累加器A。(3)程序狀態(tài)字(PSW)

PSW也是8位的寄存器,用于保存程序執(zhí)行中的狀態(tài)信息。有時(shí)要根據(jù)這些狀態(tài)決定下一步的操作。除D1位未用外,PSW每位有自己的標(biāo)志符號(hào),見表12-2。(4)寄存器B寄存器B是主要用于乘、除法運(yùn)算的8位寄存器,一般要與寄存器A配合使用。2.控制器控制器是指揮控制系統(tǒng)運(yùn)行的部分,包括程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器(InstructionRegister)、指令譯碼器(InstructionDecoder)、振蕩器(Oscillator)及定時(shí)電路以及其他專用寄存器等。(1)時(shí)序控制邏輯電路包括指令寄存器與指令譯碼器、振蕩器及時(shí)鐘電路等。指令寄存器和指令譯碼器的主要功能是從存儲(chǔ)器中獲取指令,并對(duì)指令進(jìn)行分析,產(chǎn)生相應(yīng)操作控制信號(hào)。振蕩器(OSC)與時(shí)鐘電路配合,產(chǎn)生頻率精確的振蕩脈沖,為CPU提供基本運(yùn)行節(jié)拍。(2)程序計(jì)數(shù)器(ProgramCounter,PC)

PC是程序指令存儲(chǔ)位置的指示器,所以又稱為程序指針。它是一個(gè)16位的寄存器,其內(nèi)容是將要執(zhí)行的指令所在的程序存儲(chǔ)器地址(地址就是存儲(chǔ)器單元的編號(hào)),如圖12-4所示。每執(zhí)行完一條指令,PC的內(nèi)容就會(huì)自動(dòng)更新。(3)數(shù)據(jù)指針(DataPointer,DPTR)

DPTR是一個(gè)16位寄存器,由兩個(gè)8位寄存器組成,高位字節(jié)的寄存器記作DPH,低位寄存器記作DPL。DPTR常用來(lái)存放片外擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器的16位地址。(4)堆棧指針(StackPointer,SP)

SP是一個(gè)8位寄存器,用來(lái)指示存放在堆棧(臨時(shí)保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū))中數(shù)據(jù)的地址。(5)中斷控制、串行口控制以及定時(shí)器電路中斷是微控制器一種很重要的運(yùn)行方式,后面的章節(jié)將有詳細(xì)介紹。MCS-51微控制器的中斷控制系統(tǒng)通過TCON、IE、IP等專用寄存器實(shí)現(xiàn)中斷控制功能。二、存儲(chǔ)器1.有關(guān)的基本概念存儲(chǔ)器是用于存放程序指令代碼或存放數(shù)據(jù)的器件。存儲(chǔ)單元存放一個(gè)8位二進(jìn)制代碼或數(shù)據(jù),即一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容。所以存儲(chǔ)器的容量一般以存儲(chǔ)字節(jié)數(shù)為單位,字節(jié)數(shù)多少就代表著存儲(chǔ)器容量的大小。例如包含210=1024個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)器,容量就是1kB(因210=1024≈103),這里的B表示Byte(字節(jié))。為了便于確定信息存儲(chǔ)的空間位置,每個(gè)存儲(chǔ)單元都有自己的編號(hào),稱為存儲(chǔ)單元的“地址”。地址用十六進(jìn)制編號(hào)。ROM是在正常工作時(shí)只能讀不能寫的存儲(chǔ)器。RAM是在正常工作時(shí)可以隨機(jī)讀寫的存儲(chǔ)器。2.51系列微控制器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM一般51系列微控制器片內(nèi)RAM的配置情況如圖12-5所示。它通常有256個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)單元,地址是00H~FFH。它分為兩大部分:低128字節(jié)(地址00H~7FH)是用戶使用的RAM區(qū)域;高128字節(jié)(地址80H~FFH)為專用寄存器(SFR,也稱為特殊功能寄存器)所占用。3.程序存儲(chǔ)器ROM微控制器使用ROM存放編好的程序以及相關(guān)的常數(shù)或數(shù)據(jù)表,芯片外形如圖12-7a所示。ROM存儲(chǔ)器一律使用16位地址,地址范圍可以從0000H到FFFFH,即ROM存儲(chǔ)器的容量最多可達(dá)216=65536個(gè)字節(jié),簡(jiǎn)稱64kB。由前述的程序計(jì)數(shù)器PC值決定訪問的ROM單元地址。三、輸入/輸出端口1.微控制器對(duì)外的信息輸入/輸出輸入/輸出端口(Input/OutputPort)簡(jiǎn)稱I/O口,是微控制器對(duì)外信息交換的通道。實(shí)際的微控制器常要根據(jù)輸入的信息狀態(tài)實(shí)施輸出控制作用,這些都是通過I/O口實(shí)現(xiàn)的。例如在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中,常常需要根據(jù)車速、空氣流量、節(jié)氣門位置等傳感器狀態(tài)控制相應(yīng)的點(diǎn)火和噴油操作,各種傳感器和開關(guān)狀態(tài)信息通過輸入端口送到微控制器,而控制執(zhí)行器件動(dòng)作的命令信息則通過輸出端口送給各類繼電器、電磁閥、電動(dòng)機(jī)等執(zhí)行器件。計(jì)算機(jī)對(duì)外的信息傳輸?shù)姆绞娇煞譃閮深?一類是并行傳輸;另一類是串行傳輸。圖12-8為兩種傳輸方法的示意圖。圖12-8并行與串行數(shù)據(jù)傳輸方式示意圖a)并行輸出時(shí)b)串行輸出時(shí)2.MCS-51系列微控制器的I/O口信息不論以并行還是串行方式輸入或輸出,都是通過I/O口實(shí)現(xiàn)的。51系列微控制器一般有4個(gè)8位的并行I/O端口,即P0、P1、P2與P3口。每個(gè)口接有8條口線,可分別與外部設(shè)備器件相連接。這樣,既能以字節(jié)為單位輸入和輸出數(shù)據(jù)信息,也可以單獨(dú)使用某條口線做“位”信息(0或1)的傳送,也就是開關(guān)信號(hào)輸入/輸出,或稱為開關(guān)量I/O。另外,P3口的某些口線具有串行傳輸數(shù)據(jù)的功能,即作為串行口使用。從端口內(nèi)部結(jié)構(gòu)上看,每個(gè)I/O口都是集數(shù)據(jù)輸入緩沖、輸出驅(qū)動(dòng)以及鎖存器等多個(gè)功能于一體的電路。這4個(gè)I/O口的電路結(jié)構(gòu)不完全相同,因此使用功能上也有些差別。四、時(shí)鐘電路微控制器的各個(gè)部件都在統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)的指揮之下進(jìn)行協(xié)調(diào)工作。微控制器內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘電路,只要在XTAL1與XTAL2引腳之間接入石英晶體振蕩器和微調(diào)電容,即可構(gòu)成完整的時(shí)鐘電路,如圖12-9所示。時(shí)鐘電路主要由振蕩器電路和時(shí)鐘發(fā)生器等部分組成。圖12-9單片機(jī)的時(shí)鐘電路

1.振蕩器電路振蕩器電路由單片機(jī)芯片內(nèi)高增益反相放大電路和外接石英晶體振蕩器(晶振)以及微調(diào)電容組成,其振蕩頻率fOSC基本上由晶體振蕩器決定。fOSC的單位是兆赫(MHz,即106Hz),一般范圍為1.2~12MHz,有的芯片振蕩頻率高達(dá)30MHz(如P83C552)。顯然,振蕩頻率越高,系統(tǒng)運(yùn)行速度越快。2.時(shí)鐘發(fā)生器時(shí)鐘發(fā)生器主要是一個(gè)2分頻的觸發(fā)器,它輸出兩個(gè)不同相位的時(shí)鐘信號(hào)P1和P2,P1或P2信號(hào)的頻率只有振蕩頻率的1/2,即每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的周期是振蕩周期的2倍。CPU以兩相時(shí)鐘P1和P2為基本工作節(jié)拍,與各S狀態(tài)組合成S1P1、S1P2、S2P1等各節(jié)拍。五、復(fù)位電路“復(fù)位”是微控制器的初始化操作,復(fù)位后,CPU和其他功能部件都處于一種初始狀態(tài)。在硬件方面,只要給微控制器芯片的RST引腳一個(gè)瞬間高電平,就可以令系統(tǒng)復(fù)位。常用的復(fù)位電路主要由電阻、電容等元件組成,具體可分為上電自動(dòng)復(fù)位與按鍵手動(dòng)復(fù)位兩類。常用的復(fù)位電路如圖12-10所示,圖12-10a為上電復(fù)位,圖12-10b為按鍵復(fù)位。圖12-10常用的復(fù)位電路a)上電復(fù)位b)按鍵復(fù)位六、MCS-51系列微控制器的引腳及其功能以常用的MCS-51系列8位微控制器40腳雙列直插式芯片為例說明各引腳的功用。每個(gè)引腳的功能定義適用于各公司生產(chǎn)的、與MCS-51系列兼容的基本型8位單片機(jī)產(chǎn)品,如圖12-11所示,這40個(gè)引腳都有自己的編號(hào)和固定的功能,有的引腳有兩種功能。1.電源引腳電源引腳有2個(gè):VCC(第40腳)接5V電源端,VSS(第20腳)接地。2.時(shí)鐘信號(hào)引腳產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的方法有兩種:內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。一般多使用內(nèi)部時(shí)鐘方式,即利用微控制器內(nèi)部振蕩器電路,在XTAL1(第19腳)與XTAL2(第18腳)之間外接石英晶體形成振蕩電路。

4.I/O端口引腳4個(gè)端口P0、P1、P2和P3各有8個(gè)引腳,分別為P0.0~P0.7(第32~39腳)、P1.0~P1.7(第1~8腳)、P2.0~P2.7(第21~28腳)及P3.0~P3.7(第10~17腳)。每個(gè)端口可接8條口線,用作對(duì)外數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的輸入/輸出。第三節(jié)計(jì)算機(jī)指令與編程任何計(jì)算機(jī),包括微控制器都是按照預(yù)先安排的一系列指令進(jìn)行工作的。指令就是人指揮計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種操作的命令。執(zhí)行一條指令,涉及CPU、各種存儲(chǔ)器、寄存器和接口等一系列部件的協(xié)調(diào)動(dòng)作。這些動(dòng)作步驟或順序稱為時(shí)序。一種計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的指令集合稱為該種計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。要讓微控制器實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制功能,就必須按照一定規(guī)則設(shè)計(jì)一系列的指令。這些指令的集合稱為程序。一、指令的基本概念1.機(jī)器指令與匯編指令由于計(jì)算機(jī)的信息存儲(chǔ)和運(yùn)行都只表現(xiàn)為二進(jìn)制形式,能夠執(zhí)行的指令也只是二進(jìn)制代碼。這些二進(jìn)制(或?qū)?yīng)的十六進(jìn)制)數(shù)表示的指令稱為機(jī)器指令,簡(jiǎn)稱機(jī)器碼。因此機(jī)器指令能直接被計(jì)算機(jī)硬件識(shí)別和執(zhí)行。MCS-51系列的指令的一般格式由操作碼和操作數(shù)兩部分組成,即

操作碼操作數(shù)(1)操作碼操作碼表示這條指令進(jìn)行何種操作,如加、減、數(shù)據(jù)傳送等。它代表計(jì)算機(jī)應(yīng)該執(zhí)行的動(dòng)作。(2)操作數(shù)表示指令的操作對(duì)象,可以是一個(gè)具體的數(shù)據(jù),也可以是存放數(shù)據(jù)的地址或符號(hào)。隨著指令的不同,操作數(shù)可以是1個(gè)、2個(gè)、3個(gè),也可能沒有操作數(shù)。操作碼與操作數(shù)之間以空格隔開。2.微控制器執(zhí)行指令的過程振蕩器(OSC)電路發(fā)出的振蕩脈沖是微控制器確定時(shí)間基準(zhǔn)和控制指令執(zhí)行的基礎(chǔ)。它與時(shí)鐘電路配合,產(chǎn)生頻率精確的脈沖序列,為CPU提供基本運(yùn)行節(jié)拍,控制每一條指令的執(zhí)行過程。指令的執(zhí)行過程涉及微控制器CPU中的指令寄存器和指令譯碼器。它們的主要功能是從存儲(chǔ)器中取出一條指令,對(duì)指令進(jìn)行分析譯碼,產(chǎn)生相應(yīng)操作控制信號(hào),啟動(dòng)規(guī)定的讀/寫、運(yùn)算、輸入/輸出等操作,引導(dǎo)CPU、存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備之間數(shù)據(jù)信息的流動(dòng)。二、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的基本方法程序設(shè)計(jì)就是按照給定的任務(wù)要求,按照一定的格式編寫出完整計(jì)算機(jī)程序的過程。要完成同樣的任務(wù),使用的方法或程序內(nèi)容并不是唯一的。因此,程序設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接影響著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作效率、運(yùn)行可靠性以及程序的存儲(chǔ)容量等。編寫計(jì)算機(jī)程序所用的指令系列也稱為計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。計(jì)算機(jī)語(yǔ)言一般可分為機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言三類。對(duì)單片機(jī)而言,習(xí)慣使用匯編語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì),然后,利用計(jì)算機(jī)將匯編語(yǔ)言程序轉(zhuǎn)化為微控制器可以執(zhí)行的機(jī)器語(yǔ)言(即機(jī)器碼)。轉(zhuǎn)換前的匯編語(yǔ)言程序稱為源程序,轉(zhuǎn)換后的機(jī)器語(yǔ)言程序稱為目標(biāo)程序,轉(zhuǎn)換過程稱為匯編過程。計(jì)算機(jī)匯編要使用專門軟件,稱為匯編程序或匯編軟件。1.匯編語(yǔ)言的組成與格式匯編語(yǔ)言程序是由一系列匯編語(yǔ)句(即匯編指令)組成的。為了保證編寫的程序正確無(wú)誤,必須確保每條語(yǔ)句都嚴(yán)格按照規(guī)定的格式編寫,否則就會(huì)出現(xiàn)“語(yǔ)法”錯(cuò)誤。語(yǔ)句的主體是各種指令,語(yǔ)句通常分為4部分:標(biāo)號(hào)、操作碼、操作數(shù)和注釋。格式如下:[標(biāo)號(hào)]操作碼[操作數(shù)][;注釋]其中,方括號(hào)[]內(nèi)的部分是可選部分,可有可無(wú),視需要而定。(1)標(biāo)號(hào)部分標(biāo)號(hào)是語(yǔ)句地址的標(biāo)志符號(hào),代表該語(yǔ)句指令代碼第一個(gè)字節(jié)的地址。一般情況下,只有被其他語(yǔ)句(如轉(zhuǎn)移、調(diào)用)等訪問的語(yǔ)句才使用標(biāo)號(hào)。標(biāo)號(hào)由1~8個(gè)ASCII碼字符組成,但必須是字母開頭,而且不能使用匯編語(yǔ)言中以及定義的符號(hào),如助記符、寄存器符號(hào)、“+”“-