基于单片机的函数信号发生器的设计与制作毕设论文.doc
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1、第一章 计算机基础知识及MCS-51单片机硬件结构1.1 数制与编码 在计算机中,任何命令和信息都是以二进制数据的形式存储的。本节将讲解常用的十进制、二进制、十六进制的含义及相互转换的方法。1.1.1 二进制数二进制数只有两个数字符号:0和1。计数时按“逢二进一”的原则进行计数。在计算机中,二进制数的每一位是数据的最小存储单位。将8位(bit)二进制数称为一个字节(B),字节是计算机存储信息的基本数据单位。存储器的容量常用以下单位表示:1B=8bit1024B=1KB1024KB=1MB1024MB=1GB1024GB=1TB对于8位二进制数(D0D7),各位所对应的值为D7D6D5D4D3D
2、2D1D0例如:二进制数10110111,按位权展开求和计算可得=1+0+1+1+0+1+1+1=128+0+32+16+0+4+2+1=对于含有小数的二进制数,小数点右边第一位小数开始向右各位的权值分别为1.1.2 十六进制数计算机在输入输出或书写时,可采用十六进制数表示相应的二进制数。十六进制数有16个数字符号,其中09与十进制数相同,剩6个为AF,分别表示十六进制数的确1015,计数时按“逢十六进一”的原则进行计数。为了便于区别不同进制的数据,一般情况下可在数据后跟一后缀:二进制数用“B”表示(如1001111B)十六进制数用“H”表示(如3AH)十进制数用“D”表示(如39D或39)1
3、.1.3 不同数制之间的转换计算机中的数只能用二进制数表示,十六进制数适合读写方便的需要,日常生活使用的是十六进制数,计算机根据需要对各种进制进转换。1二进制数转换为十进制数对任意二进制数均可按权展开将其转化为十进制数。例如:=1+0+1+1+0+1+1+1=128+0+32+16+0+4+2+1=183D2十进制数转换为二进制数十进制数转换为二进制数,可将整数部分与小数部分别进行转换,然后合并。其中整数部分可采用“除2取余法”进行转换,小数部分可采用“乘2取整法”进行转换。例如:将37D转换为二进制数。2371低位(每一次余数为低位)2180291240220211高位(直到商数等于0为止)
4、0结果为37D=100101B。3二进制数转换为十六进制数 因为=16,所以4位二进制数相当于1位十六进制数,二进制、十进制、十六进制对应数的转换关系见表1-1。表1-1 二进制、十进制、十六进制对应转换表十进制二进制十六进制000000100011200102300113401004501015601106701117810008910019101010A111011B121100C131101D141110E151111F例如:1000101B=45H1.1.4 ASCLL码对于计算机非数值型数据不能直接装入计算机,必须将其转换为特定的二进制代码(即将其编码),以二进制代码所表示的字符数据
5、的形式装入计算机。ASCLL码是一种国际标准信息交换码,它利用7位二进制代码来表示字符,再加上1位校验位,故在计算机中用1个字节8位二进制数来表示一个字符。(ASCLL码表可查资料)1.2 单片机与嵌入式系统组成单片机又称单片微控制器,其基本结构是将微型计算机的基本功能部件:中央处理机(CPU)、存储器、输入接口、输出接口、定时器/计算器、中断系统等全部集成在一个半导体芯片上。1.3 MCS-51单片机总体结构1.3.1 MCS-51 单片机总体结构框图及功能单片机内部各功能部件通常都挂靠在内部总线上,它们通过内部总线传送数据信息和控制信息,各功能部件分时使用总线,即所谓的内部单总线结构。图2
6、-1为8051单片机内部基本结构框图。外部事件计数外时钟源振荡器和时序OSC程序存储器4KB ROM数据存储器256B RAM/SFR振荡器和时序OSC8051CPU64KB 总线扩展控制器可编程I/O可编程全双工串行口外中断内中断控制并行口串行通信图1-1 8051单片机内部基本结构框图1CPUCPU是单片机内部的核心部件,是单片机的指挥和控制中心。从功能上看,CPU可分为运算器和控制器两大部分。控制器主要包括程序计算器PC、指令寄存器、指令译码器及定时控制电路等。PC是一个16位的专用寄存器,用来存放CPU要执行的存放在程序存储器中的下一条指令地地址。当系统上电复位后,PC的内容为0000
7、H,所以单片机主控制程序的首地址自然应定位为0000H。运算器由算术逻辑运算部件ALU、累加器ACC、程序状态字寄存器PSW等组成。程序状态寄存器PSW用于寄存当前指令执行后的某些状态信息,PSW各位定义见表1-2。表1-2 PSW各位定义D7D6D5D4D3D2D1D0CyACF0RS1RS0OVF1PCy:进位/借位标志位。AC:辅助进位标志。F0:用户标志位。RS0及RS1寄存器组选择控制位。RS0、RS1与寄存器组的对应关系见表1-3。表1-3RS0、RS1与寄存器组的对应关系见表RS1RS2寄存器组片内RAM地址指令助符000组00H07HR0R7011组08H0FHR0R7102组
8、10H17HR0R7113组18H1FHR0R7OV:溢出标志。2RAMRAM为单片机内部程序存储器,其存储器空间包括随机存储器区、寄存器区、特殊功能寄存器及位寻址区。3ROMROM为单片机内部程序存储器。4并行I/O口P0P3是四个8位并行I/O口,每个口既可作为输入,也可作为输出。5定时器/计数器6中断系统MCS-51单片机有5个中断源。7串行接口串行接口提供对数据各位按序一位一位地传送。MCS-51中的串行接口是一个全双工通信接口,即能同时进行发送和接收数据。8时钟电路CPU执行指令的一系列动用都是在时序电路的控制下一拍一拍进行的,时钟电路用于产生单片机中最基本的时间单位。1.3.2 M
9、CS-51 引脚功能VCC:芯片电源,接+5V。VSS:接地端。XTAL1、XTAL2:晶体振荡电路反相输入端和输出端。ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ALE功能:用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG功能:片内有EPROM的芯片,在EPROM编程期间,此引脚输入编程脉冲。PSEN:外ROM读选通信号。RST/VPD:复位/备用电源。 在Vcc掉电情况下,接备用电源。 EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。P0、P1、P2、P3口,共32个引脚。均可作为普通I/O口使用,但P3口均有第二功能。P3.0 RXD 串行输入口 P3.1 TXD 串行输出口
10、P3.2 INT0 外部中断0(低电平有效) P3.3 INT1 外部中断1(低电平有效) P3.4 T0 定时计数器0 P3.5 T1 定时计数器1 P3.6 WR 外部数据存储器写选通(低电平有效) P3.7 RD 外部数据存储器读选通(低电平有效)P0口有三个功能1外部扩充存储器时,当作数据总线(D0D7)。2外部扩充存储器时,当作低8位地址总线(A0A7)。3不扩充时,可做一般I/O使用,但内部无上拉电阻,作为输入输出时应在外部接上拉电阻。P1只做I/O使用,其内部有上拉电阻。P2有两个功能1扩充外部存储器时,当作高8位地址总线(A8A15)使用。2做一般I/O使用,其内部有上拉电阻。
11、1.4 CS-51存储结构及位处理器由于时间有限,这一部分内容只作简要介绍。从物理结构上划分方法如下:(1).片内程序存储器(2).片处程序存储器(3).片内数据存储器(4).片外数据存储器1.4.1 程序存储器程序存储器用于存放编好的程序及程序中常用的常数,程序存储器由ROM构成,单片机掉电后ROM内容不会丢失。在程序存储器中,MCS-51定义7个单元用于特殊用途。0003H:外部中断0中断入口地址000BH:定时器0中断入口地址0013H: 外部中断1中断入口地址001BH: 定时器1中断入口地址0023H: 外部中断2中断入口地址1.4.1 数据存储器数据存储器用于放程序运算的中间结果、
12、状态标志等。数据存储器由RAM构成,一旦掉电,其数据将丢失。图1-2 片内数据存储器的配置1通用寄存器区在低128的RAM区中,将地址001FH共32个单元设为工作寄存器区,这32个单元又分为4组,每组由8个单元按序组成通用寄存器R0R7。2可位寻址区即可对字节的某一位直接进行处理,如20H.4等。3只能字节寻址的RAM区在30H7FH区的80个RAM单元为用户RAM区,只能按字节存取。堆栈区一般设在些区域。堆栈指针SP指向栈顶单元,堆栈按“先入后出,后入先出”的原则进行。1.4.2 专用寄存器区(SFR)在片内数据存储器的80HFFH单元(高128B)中,有21个单元作为专用寄存器,又称为特
13、殊功能寄存器。如下表。表1-4 特殊功能寄存器(SFR)地址寄存器位地址及位名字节地址D7D6D5D4D3D2D1D0BF7HF6HF5HF4HF3HF2HF1HF0HF0HACCE7HE6HE5HE4HE3HE2HE1HE0HE0HPSWD7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HD0HCyACF0RS1RS0OVF1PIPBFHBEHBDHBCHBBHBAHB9HB8HB8HPSPT1PX1PT0PX0P3B7HB6HB5HB4HB3HB2HB1HB0HB0HP3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P3.1P3.0IEAFHAEHADHACHABHAAHA9HA8HA8HEAE
14、SET1EX1ET0EX0P2A7HA6HA5HA4HA3HA2HA1HA0HA0HP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0SBUF99HSCON9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H98HSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRIP197H96H95H94H93H92H91H90H90HP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0TH18DHTH08CHTL18BHTL08AHTMODGATEC/TM1M0GATEC/TM1M089HTCON8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H88HTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0
15、IT0PCON87HDPH83HDPL82HSP81HP087H86H85H84H83H82H81H80H80HP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.01.5 MCS-51工作方式MCS-51单片机的工作方式包括:复位方式、程序执行方式、节电方式和EPROM的编程和校验方式。复位方式:MCS-51的复位电路包括上电复位电路和按键(外部)复位电路,如图1-3所示。图1-3 MCS-51复位电路程序执行方式是单片机的基本工作方式,通常可分为连续执行和单步执行两种工作方式。节电方式:一种能减少单片机功耗的工作方式,通常有空闲方式和掉电方式两种。1.6 MCS-51单片机的时序
16、计算机执行指令的过程分为取指令、分析指令、和执行指令三个步骤,每个步骤又由许多微操作组成,这些微操作必须在一个统一的时钟脉冲的控制下才能按照正确的顺序执行。时钟脉冲由时钟振荡器产生,通常振荡器输出的时钟频率为为616MHz。MCS-51时钟电路如下图所示。图1-4 MCS-51时钟电路图1时钟周期时钟周期也称为振荡周期,即振荡器的振荡频率的倒数,是时序中最小的时间单位。例如:时钟频率为6MHz,刚它的时钟周期应是166.7ns。时钟脉冲是计算机的基本工作脉冲,它控制着计算机的工作节奏。2机器周期执行一条指令的过程可分为若干个阶段,每个一个阶段完成一规定的操作,完一个规定操作所需要的时间称为一个
17、机器周期。一个机器周期包含12个时钟周期。3指令周期指令周期定义为执行一条指令所用的时间。MCS-51单片机指令可分为单周期指令、双周期指令、四周期指令三种。只有乘法指令和除法指令是四周期指令。1.6 最小系统最小系统电路图如下图所示:图1-5 最小系统电路图第二章 MCS-51指令系统及汇编语言程序设计2.1 指令系统简介;MCS-51系列单片机指令系统共有111条指令,其中有49条单字节指令、45条双字节指令和17条三字节指令。MCS-51汇编语言指令格式由以下向个部分组成:标号: 操作码 目的操作数 源操作数 :注释其中,中的项表示为可选项例如:LOOP: MOV A,Ri :ARi2.
18、2 寻址方式;所谓寻址方式就是寻找或获得操作数的方式。指令的一个重要组成部分是操作数。由寻址方式指定参与运算的操作数或操作数所在单元的地址。寻址方式的一个重要问题是:何在整个存储范围内,灵活、方便地找到所需要的单元。1立即寻址在立即寻址方式中,操作数直接出现在指令中,指令的操作数可以是8位或16位数。例如:MOV A,#20H;MOV DPTR,#20000H2直接寻址在直接寻址方式中,操作数的单元地址直接出现在指令中,这一寻址方式可进行内存储单元的访问。它包括:特殊功能寄存器地址空间。这也是唯一可寻址特殊功能寄存器(SFR)的寻址方式。例如:MOV TCON,AMOV A, P1内部RAM的
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