工程背景下的单片机原理及系统设计

节选

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    单片机的功能强、体积小、价格低、性能稳定等特点，使其成为
测控领域*有应用价值的产品。MCS一51系列单片机以其优异的品
质，在我国单片机应用领域占有很重要的地位。由于MCS-51系列
单片机应用群体庞大、应用研究深入、可共享资源丰富，所以成为大
多数单片机学习和应用者首选的产品。为满足广大工程技术人员
学习和高等院校有关专业课教材的需要，作者在十几年从事单片机
科研和教学工作的基础上，编写了此书。
    本书以一个实际工程项目的设计和实现的全过程为主线，目的
是为了使读者明确学习目标和方向；如果读者能将这个工程问题当
做自己的项目，参与系统设计与编程工作，对书中的论述进行批判
性的学习，更是作者所希望的。单片机的应用性很强，多年的科研
与教学发现，绝大多数单片机的应用者是靠实践锻炼出来的，理论
与实践相结合是学习单片机的*有效方法。
    全书共分9章。其中第3章～第5章、第7章是全书的精华，系
统讨论了MCS一51系列单片机组成原理、指令系统、定时器、中断、异
步串行口的应用、并行总线扩展技术及检测与控制系统的设计方
法，是单片机课程应重点学习的部分。第6章是关于51系列兼容机
STC系列的内容，51系列兼容机的发展，是51系列单片机能长期立
足于应用的重要原因之一；第8章是关于同步串行总线与扩展技术
在51系列单片机中的应用问题，可满足读者深入学习和运用的需
要。第9章关于单片机图形化编译系统的介绍为读者提供了一些
图形化编程的信息。
    在本书编写与出版过程中，受到各方的鼎力支持。五邑大学甘
俊英教授、董超俊教授对本书的内容提出了宝贵的意见；五邑大学
信息学院冯葳、杨敏、陈阳等老师对文稿进行了详细的核对工作，在
此表示衷心的谢意。同时对本书所引用参考文献的作者表示衷心
的感谢。
    书中不妥之处，恳请读者批评指正。
    编者第7章
MCS一5 1系列单Ii-机并行总线扩展方法
    7．1  MC S一5 1系列革片机的控制信号及三总线
7．1．1  单片机的*小应用系统及扩展系统
    1．*小应用系统
    由单片机自身资源构成的应用系统称为*小应用系统。自身资源这里指的是存储
器、定时计数器、中断控制器、串行通信控制器、I／O接口等。*小应用系统是*简单的单
片机应用系统，具有电路结构简单、体积小、可靠性强、性／价比高等优点。本书的工程实
例就是单片机*小应用系统典型实例。本书的前6章所讨论的问题均属*小应用系统
范畴，因为其中并未涉及单片机以外资源的应用问题。单片机的*小应用系统是现代单
片机系统设计的首选方案，因此，向资源丰富的所谓片上系统发展也成为当代单片机产
品发展的主流。
    一个系统能否采用单片机的*小应用系统性能，取决于系统的规模和单片机的资源
水平及设计者的设计思想。在51系列机中，8051或8751单片机有条件构成*小应用系
统，但由于它们自身的存储器资源有限，只能用于简单的应用系统。8052或8752在存储
器资源上优于8051和8751，因此它们更常用。51系列兼容机如STC、C8051系列，应用
场合就更广泛了。片内元程序存储器的芯片8031是
一个特例，一定要用外接程序存储器才可以工作。只
扩展外部程序存储器的8031系统，也属于*小应用
系统。
    如图7—1所示是片内带程序存储器的8051、8751
单片机的*小应用系统，其特点如下：
    (1)I／O量大：P0、P1、P2、P3都可作为I／O口
使用。
    (2)存储器的容量有限：128B RAM和4 KB
的ROM。
    (3)无数据、地址、控制总线。
 (4)只要为单片机供电，并将单片机接上时钟电路和复位电路，同时EA接高电平，系
    统就可以工作了。ALE、PSEN信号线悬空即可。
    2．单片机的扩展系统
    由于在单片机产品中，外部数据存储器或I／O端口往往不能满足应用的需求，一些
    特殊功能资源，如A／D、D／A、实时时钟、通信控制器等的匮乏或不能满足应用的要求，也
    需要在单片机系统中设计这些器件与51机的接口电路，使它们与单片机成为一体，并受
    控于单片机，这样的整体称为单片机扩展系统。例如，标准51机片内数据存储器容量
    小，当需要大容量的数据存储器时，就需要扩展外部数据存储器；MCS 51机可用的I／()
    管脚数目有限，常需要对I／O口进行扩展；在需要模／数、数／模转换时，还需要外扩A／D、
    D／A等芯片。外扩是必要的，也是经常的，既使具有丰富资源的51兼容机，扩展也是经
    常的。
    对MCS-51机来说，存储器的容量不足，因此，在并行总线扩展任务中，外部程序和
    数据存储器是主要内容。因此，在MCS-51系列单片机控制系统中，不可避免地涉及存
    储器的扩展问题。
    3．单片机系统的扩展方法分类
   
    单片机系统的扩展分并行总线扩展和串行总线扩展两种。这两种扩展系统具有不
    同的特点，占用单片机的资源不同，电路设计和软件编程的方法也不同。。但基于总线进
    行扩展并且有众多类型的接口．芯片作为扩展对象，是它们的共同之处。虽然接口芯片的
    类型很多，但其操作时序只有几种，而同种总线中不同接口．芯片的电路设计和操作方法
    是完全相同的，不同点只在于它们的功能各异，即使是不同总线类型的接口芯片，电路设
    计和操作方法也基本相同，不必为“多”而烦恼，只要认真学会一种类型的接口芯片的设
    计和编程方法，再学其他类型就快多了。    一
    值得一提的是，u近年来，串行总线接口芯片的发展很快，性价比高，占用单片机资源
    少，因此串行总线扩展正在成为主流。．但并行总线扩展也并没失去往日的辉煌，它们各
    有自己的特点。作为单片机系统的设计者来说，两种总线扩展方法都应掌握。本章讨论
    并行总扩展系统的设计方法，串行总线扩展问题将在第8章讨论。
    7．1．2  MCS一51系列单片机并行总线y-展方>
  
    如上所述，并行总线接口芯片种类繁多，不可能也没有必要都拿来进行讨论。本章
    将通过对单片机系统中常用的、具有代表性的几种接口芯片的并行总线扩展问题的讨
    论，使读者掌握并行扩展的基本要点，作为入门的向导。 
    1．单片机并行总线系统
    并行总线扩展的核心是并行总线(简称总线，下同)。一切符合总线接口标准的器件
    都可以挂在总线上，成为单片机系统的一员。总线就如同高速公路，负责数据流的运输；
    其上各接口器件，可看做目的地，各种数据物资送去后，完成不同的工作；单片机是总线
 系统的调度，协调整个系统的运行。  
    一般来说并行总线系统都是一主(单调度即单CPU)系统，由于并行总线系统运行速
度高、多主系统对运行速度的改善，不足以补偿多主系统间的通信耗时，而且系统复杂。
近年来回升的所谓“双核技术”CPU，是多主并行总线系统的一个特例。简单地说，双核
技术就是将两个物理处理器核心整合人一个内核中，两个处理核心在共享芯片组存储区
域的同时，可以完全独立地完成各自的工作，从而能在平衡功耗的基础上极大地提高
CPU性能。多主(多CPU)系统，常见于串行总线系统·。而在工业检测与控制场合，没有
并行总线多主系统实例。
    多CPU系统可以分主从方式或分时方式工作。总线工作的原则是：在任意时刻，总
线只能被一个器件占有。由此得到如下推论：在任意时刻，系统只能被一个CPU占有，
否则多个CPU就有可能同时占有总线，造成数据撞车，程序“跑飞”，系统瘫痪。
    主从方式系统就指定谁是主CPU(主调度)，谁是从CPU，从CPU总是在主CPU的
指挥下处理局部工作，系统的运行主要靠通信协议支持，硬件方面则主要依赖于通信控
制器，由于总线的占有权由主CPU指定，只要有完善的通信协议，不会出现总线冲突
问题。
    多主系统中的所有CPU，对总线占有权的级别是相同的，采用分时占用总线的方法，
在总线空闲时，谁先占有总线则谁就具有总线的使用权相当于主CPU。在这种系统中，
每个微控制器(MCU)或称为微处理器(MPUy内部都要嵌入一个称为总线仲、裁器的部件
来监视总线状态。该部件一般是通信控制器的一部分，共同实现系统中的协调及通信
工作。  
    多主系统在运行速度方面优于主一从系统，由于使用高性能的通信控制器及总线仲裁
器，保证了系统的可靠性，而且总线的冲突问题交总线仲裁机构完成，避免于主一从系统用
庞大的软件来支持系统的运行问题，软件工作量大幅度降低，但由于其成本很高，目前只
应用于大型检测控制系统中，如工业现场总线系统。一分时多主系统的另一个优点是信息
交换快，传递路径多，系统中的每个MPU随时随地都可上传或互传信息，表现出信息面
和信息量远多于主一从系统。而信息量的增加的目的，是要根据信息分析、处理，创造更佳
的工作效果。换句话说，系统信息量越大，系统的复杂程度就越高，人们对系统的期待也
越高。反过来说，要从系统的需要出发选择设计方案，不要盲目追求高、新。
    对单片机的应用来说，多数为一主系统．，是学习的重点，少数多主系统也采用主一从
方式。   
   
    2．MCS-5l机并行总线的基本构架
   
    标准51系列单片机均可以进行总线扩展(某些简化后的兼容机如89C2051除外)，
也就是说它们自身具有总线资源。本书第3章MGS-51系列单片机总线结构部分已对总
线概念进行了初步讨论，可以参阅。  
    单片机总线分内部总线和外部总线。内部总线是不可见的。外部总线包括：数据总
线DB(Data Bus，DB)、地址总线(Address BusAB)和控制总线(C6ntrol Bus，CB)，是可
观测的，应用中可通过示波器或逻辑笔等仪器对其进行观测。

    2008年1月

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本书特色

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本书特色
·以实际工程项目为背景．结合多年从事单片机应用的经验、体会．着重解    一
  决工程实际问题能力的培养，突出实用性；
·讲解深入浅出，通俗易懂，将理论与实际相联系．实例丰富．便于教学．
  易于接受；
·习题安排在每个学习环节中，使所学知识得到及时训练或验证．从而使读
  者得到良好的学习效果；
·软件、硬件并重，除大量编程内容外．提供大量接口电路设计的训练，将
  模拟电路、数字电路、自动控制原理等知识，应用到单片机知识系统中，
  从而提高学习兴趣；
·内容新颖，将*新STc系列单片机的内容，巧妙地溶合于传统MCs一51单
  片机体系中，是工程技术人员难得的参考资料。

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封面

书名:工程背景下的单片机原理及系统设计

作者:刘焕成

页数:427

定价:¥35.0

出版社:清华大学出版社

出版日期:2008-04-01

ISBN:9787302169901

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