大学生智能汽车设计整本书课件 第5章

智能汽车设计基础— 第5章 智能汽车设计基础—微控制器
智能汽车设计基础— 第5章 智能汽车设计基础—微控制器
1 5.1 单片机简介
2
5.2
单片机系统
3
5.3
HCS12单片机 Freescale HCS12单片机
4
思考题
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5.1
单片机简介
随着大规模集成电路的出现及发展，将计算机的CPU、RAM、 随着大规模集成电路的出现及发展，将计算机的CPU、RAM、 CPU ROM、定时/数器和多种I/O接口集成在一片芯片上， I/O接口集成在一片芯片上 ROM 、 定时 / 数器和多种 I/O 接口集成在一片芯片上 ， 形成芯片 级的计算机 ， 因此单片机早期的含义称为单片微型计算机 Microcomputer） 直译为单片机， （ Single Chip Microcomputer ） ， 直译为单片机 ， 又称为微 控 制 器 （ Microcontroller ） 或 嵌 入 式 控 制 器 （ Embedded Controller ） 。 近 年 来 ， 单 片 机 结 合 专 用 集 成 电 路 ASIC） （ Application Specific Integrated Circuit, ASIC ） 和精 简指令集计算机（ RISC） 简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer, RISC） 技术，发展为嵌入式处理器（ Processor） 技术，发展为嵌入式处理器（Embedded Processor），适用于 数据与数值分析、信号处理、 数据与数值分析、信号处理、智能机器人及图像处理等高技术 领域。 领域。
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5.2.2
单片机系统的扩展
1．程序存储器扩展 单片机系统扩展中，最常见的是程序存储器扩展， 单片机系统扩展中，最常见的是程序存储器扩展，在扩展时需 注意以下几方面的问题： 注意以下几方面的问题： 可分配地址空间。 MCS-51系列单片机中 系列单片机中， （1）可分配地址空间。在MCS-51系列单片机中，程序存储器可占用 H～ H间 K的存储空间 虽然地址可与数据存储器或I/O 的存储空间。 0000 H～FFFF H间64 K的存储空间。虽然地址可与数据存储器或I/O 口重叠，但它们实际上是两个相互对立的存储空间。 口重叠，但它们实际上是两个相互对立的存储空间。硬件上程序存 储器通过使用PSEN而不是用RD进行控制读操作；软件上用MOVC PSEN而不是用RD进行控制读操作 MOVC而非 储器通过使用PSEN而不是用RD进行控制读操作；软件上用MOVC而非 MOVX执行读操作命令 执行读操作命令。 MOVX执行读操作命令。 地址译码电路。随着大规模集成电路的发展， （2）地址译码电路。随着大规模集成电路的发展，程序存储器的容 量越来越大，仅需使用一两片芯片就可满足系统对容量的要求， 量越来越大，仅需使用一两片芯片就可满足系统对容量的要求，因 此地址译码通常采用直接或用反相器产生片选信号的方式。但是， 此地址译码通常采用直接或用反相器产生片选信号的方式。但是， 在扩充多片程序存储器时，地址译码一般采用译码器方式， 在扩充多片程序存储器时，地址译码一般采用译码器方式，以获得 地址范围连续而又不相重叠的片选信号。 地址范围连续而又不相重叠的片选信号。这是因为程序机器码在存 储空间中需要连续放置， 储空间中需要连续放置，因此各存储器占用的程序存储器空间必须 相互连续。另外， 相互连续。另外，分配给程序存储器的地址范围还必须包含单片机 的启动程序。 的启动程序。
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5.2
单片机系统
1 5.2.1 单片机最小系 统
2 5.5.2 单片机系统的 扩展
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5.2.1
单片机最小系统
所谓单片机最小系统， 所谓单片机最小系统，是指在单片机外部增加尽可 能少的元件电路，组成一个让单片机可独立工作的系统。 能少的元件电路，组成一个让单片机可独立工作的系统。 MCS-51系列单片机为例 系列单片机为例， 5.1和图5.2所示的分别是 和图5.2 以MCS-51系列单片机为例，图5.1和图5.2所示的分别是 使用单片机内部程序存储器和单片外部程序存储器组成 的单片机最小系统。在图5.2 5.2中 8031的程序存储器是通 的单片机最小系统。在图5.2中，8031的程序存储器是通 过使用外部程序存储器EPROM实现的。74LS373是一种 EPROM实现的 是一种8D 过使用外部程序存储器EPROM实现的。74LS373是一种8D 透明锁存器，其作用是存储单片机P0口输出的对EPROM P0口输出的对EPROM取 透明锁存器，其作用是存储单片机P0口输出的对EPROM取 指令用的低8位地址。这两个最小系统的复位电路均由10 指令用的低8位地址。这两个最小系统的复位电路均由10 的电容器与正电源相连，构成上电复位电路。 F的电容器与正电源相连，构成上电复位电路。时钟电 路均采用内部振荡方式，外接一个频率为12 MHz的晶体 路均采用内部振荡方式，外接一个频率为12 MHz的晶体 振荡器。 5.2中 从接地， 振荡器。图5.2中，从接地，我们可以得知程序存储器在 单片机外部，因此，对外部程序存储器来说， 单片机外部，因此，对外部程序存储器来说，单片机的 取指令操作有效的。 取指令操作有效的。
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5.2.2
单片机系统的扩展
图5.35.3 EPROM程序存储器扩展电路 EPROM程序存储器扩展电路 图 EPROM程序存储器扩展电路
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5.2.2
单片机系统的扩展
2．数据存储器扩展 在单片机系统扩展中， 在单片机系统扩展中，最常见的数据存储器扩展是静态随机存取存 储器SRAM的扩展，在扩展时应注意以下几个方面的问题： SRAM的扩展 储器SRAM的扩展，在扩展时应注意以下几个方面的问题： 存储器地址空间。 MCS-51系列单片机中 系列单片机中， （1）存储器地址空间。在MCS-51系列单片机中，任何扩展的数据存 储器、I/O口及外围设备的地址都不能相互重叠 口及外围设备的地址都不能相互重叠， 储器、I/O口及外围设备的地址都不能相互重叠，但可以和程序存储 器地址重叠。因为数据存储器与I/O口是统一编址的，共用0000 H～ I/O口是统一编址的 器地址重叠。因为数据存储器与I/O口是统一编址的，共用0000 H～ H间的64K地址空间 间的64K地址空间。 FFFF H间的64K地址空间。 数据存储器读写控制。数据存储器与I/O口的读/ I/O口的读 （2）数据存储器读写控制。数据存储器与I/O口的读/写控制可以通 RD和WR指令 地址总线和数据总线则与程序存储器共用。 指令， 过RD和WR指令，地址总线和数据总线则与程序存储器共用。 数据存储器扩展方法。 5.4所示的是数据存储器扩展电路 所示的是数据存储器扩展电路。 （3）数据存储器扩展方法。图5.4所示的是数据存储器扩展电路。 除了在读写控制上使用不同信号和不同指令外， 除了在读写控制上使用不同信号和不同指令外，数据存储器扩展方 法与程序存储器扩展方法是一样的。 法与程序存储器扩展方法是一样的。 常用数据存储器芯片。目前常用数据存储器芯片有SRAM （4）常用数据存储器芯片。目前常用数据存储器芯片有SRAM 6116 2K× 6264（8K× 62256（32K× 另外， （2K×8）, 6264（8K×8）和62256（32K×8）等。另外，电可擦除 只读存储器、 2816（2K× E2PROM2864（8K× 只读存储器、E2PROM 2816（2K×8）和E2PROM2864（8K×8）等也可 作为数据存储器使用。 作为数据存储器使用。
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5.2.2
单片机系统的扩展
RAM数据存储器扩展电路 图5.4 RAM数据存储器扩展电路
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5.2.2
单片机系统的扩展
Hale Waihona Puke Baidu
3．输入/输出（I/O）口扩展 输入/输出（I/O） 大部分单片机应用系统设计中都不可避免地要进行I/O I/O口 大部分单片机应用系统设计中都不可避免地要进行I/O口 扩展。因为单片机本身能提供的有限的I/O I/O口中的许多都 扩展。因为单片机本身能提供的有限的I/O口中的许多都 有复用功能，当这些口被复用功能占用后， 有复用功能，当这些口被复用功能占用后，留给用户系 统的I/O口就不多了。在进行I/O口扩展时， I/O口就不多了 I/O口扩展时 统的I/O口就不多了。在进行I/O口扩展时，应注意以下 几个方面的问题： 几个方面的问题： I/O口寻址空间 口寻址空间。 MCS-51系列单片机应用系统中 系列单片机应用系统中， （1）I/O口寻址空间。在MCS-51系列单片机应用系统中， 扩展的I/O口与数据存储器占用统一编址的64K存储空间， 扩展的I/O口与数据存储器占用统一编址的64K存储空间， I/O口与数据存储器占用统一编址的64K存储空间 而与外部程序存储器空间无关。指令上扩展I/O I/O口具有与 而与外部程序存储器空间无关。指令上扩展I/O口具有与 数据存储器相同的寻址方式，且地址总线、 数据存储器相同的寻址方式，且地址总线、数据总线与 控制总线的连线也与数据存储器相同。 控制总线的连线也与数据存储器相同。 单片机提供的I/O I/O口 当单片机本身的I/O I/O口在复用 （2）单片机提供的I/O口。当单片机本身的I/O口在复用 功能未被使用时，这些口可当作普通的I/O口使用。 I/O口使用 功能未被使用时，这些口可当作普通的I/O口使用。
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5.2.1
单片机最小系统
图5.1 完全使用单片机内部程序存储器的单片机最小系统
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5.2.1
单片机最小系统
图5.2 使用单片机外部程序存储器的单片机最小系统
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5.2.2
单片机系统的扩展
在单片机应用系统硬件设计中， 在单片机应用系统硬件设计中，虽然单片机的最小 应用系统拥有较高的性价比，但在功能很复杂的系统中， 应用系统拥有较高的性价比，但在功能很复杂的系统中， 最小系统往往不能满足要求，往往需要连接各种设备， 最小系统往往不能满足要求，往往需要连接各种设备， 形成各种接口通道。因此， 形成各种接口通道。因此，单片机系统的扩展成了单片 机应用系统硬件设计中最常遇到的也是不可避免的问题。 机应用系统硬件设计中最常遇到的也是不可避免的问题。 单片机系统的扩展包括数据存储器（RAM）扩展、 单片机系统的扩展包括数据存储器（RAM）扩展、程 序存储器（ROM/EPROM）扩展、输入/输出（I/O）扩展、 序存储器（ROM/EPROM）扩展、输入/输出（I/O）扩展、 定时/计数器扩展、中断系统扩展及其他特殊功能扩展。 定时/计数器扩展、中断系统扩展及其他特殊功能扩展。
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5.2.2
单片机系统的扩展
（3）程序存储器扩展方法。其他接口扩展芯片与程序存储 程序存储器扩展方法。 器共用地址总线、数据总线和部分控制总线。 器共用地址总线、数据总线和部分控制总线。其中控制 总线有ALE ALE低 位地址信号锁存控制、PSEN外部程序存储 总线有ALE低8位地址信号锁存控制、PSEN外部程序存储 器读控制。EPROM程序存储器扩展电路如图5.3所示 程序存储器扩展电路如图5.3所示。 器读控制。EPROM程序存储器扩展电路如图5.3所示。图 5.3(a)中系统只扩展一片EPROM，可将EPROM 中系统只扩展一片EPROM EPROM的片选端直 5.3(a)中系统只扩展一片EPROM，可将EPROM的片选端直 接接地； 5.3(b)中的系统扩展了两片EPROM， 中的系统扩展了两片EPROM 接接地；图5.3(b)中的系统扩展了两片EPROM，若P2.i等 就选择了EPROM(1) EPROM(1)， 等于1 于0，就选择了EPROM(1)，若P2.i等于1，就选择了 EPROM(2)。 EPROM(2)。 常用程序存储器芯片。 （4）常用程序存储器芯片。程序存储器芯片最常见的是 Intel公司的典型系统芯片 2716（ Intel公司的典型系统芯片 2716（2K × 8）, 2732 （4K × 8）, 2764（8K × 8）, 27128（16K × 8）, 2764（ 27128（ 27256（ 27512（ 27256（32K × 8）和27512（64K × 8）等。近年来大 容量EPROM芯片不断涌现，2764以上的大容量芯片在单片 EPROM芯片不断涌现 容量EPROM芯片不断涌现，2764以上的大容量芯片在单片 机应用系统程序存储器扩展中得到越来越广泛的使用。 机应用系统程序存储器扩展中得到越来越广泛的使用。