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单片机原理及其应用

单片机原理及其应用. 主讲教师 赵琳. 第一章 单片机概述. 1.1 什么是单片机. 1.1.1 计算机的分类. 巨型机. 计算机. —— 多片机. 通用微机（ PC 机）. 微型机. 单片机. 一台能够工作的微机要有以下几个部分：. CPU ： 中央处理器或微处理器. ROM ： 只读存储器. RAM ： 随机存储器. I/O ： 输入 / 输出设备. 在个人计算机上这些部分被分成若干块芯片，安装在主板上。在单片机中，这些部分 全部被做到一块集成电路芯片中 了，称为 单片机 。. 随机 存储器 RAM. 只读 存储器 ROM.

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单片机原理及其应用

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  1. 单片机原理及其应用 主讲教师 赵琳

  2. 第一章 单片机概述 1.1 什么是单片机 1.1.1 计算机的分类 巨型机 计算机 ——多片机 通用微机（PC机） 微型机 单片机

  3. 一台能够工作的微机要有以下几个部分： • CPU：中央处理器或微处理器 • ROM：只读存储器 • RAM：随机存储器 • I/O：输入/输出设备 在个人计算机上这些部分被分成若干块芯片，安装在主板上。在单片机中，这些部分全部被做到一块集成电路芯片中了，称为单片机。

  4. 随机 存储器 RAM 只读 存储器 ROM 中央处理器 或 微处理器 CPU 中断 总线 定时/计数器 TIMER 输入/输出口 I/O 1.1.2 单片机的基本组成

  5. 1.1.3 单片机的定义 • 单片机是指在一块芯片上集成以下主要部件： CPU、ROM、RAM、I/O口、定时器/计数器、中断系统等。 • 单片机是单片微型计算机的简称，即SCMC Single Chip Micro Computer • 单片机也称为微控制器MCU Micro Controller Unit • 单片机又称为嵌入式微控制器EMCU Embedded Micro Controller Unit

  6. 1.1.4 单片机的特点和优点 • 1、有优异的性价比 • 2、集成度高、体积小、可靠性高 • 3、控制功能强 • 4、系统扩展典型、规范

  7. 1.1.5 单片机的分类 通用单片机和专用单片机 • 通用单片机 是一个基本芯片，内部资源比较丰富，性能全面且通用性强，覆盖多种应用需求。 • 专用单片机 针对某一种产品，或某一种控制应用而专门设计的。设计时已经使系统结构最简；软硬件资源利用最优；可靠性以及经济成本最佳。 本课程介绍MCS-51系列单片机，属通用单片机，其结构和原理对所有单片机都是适用的。

  8. 1.1.6 单片机系统、单片机应用系统、单片机开发系统 • 单片机系统 是在单片机芯片的基础上，扩展其它电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。 • 单片机应用系统 为控制应用而设计，系统和控制对象结合在一起。 • 单片机开发系统 是单片机系统开发调试工具。

  9. 1.1.7 单片机的程序设计语言种类 机器语言：Machine Language 单片机应用系统只使用机器语言（指令的二进制代码，又称指令代码）。 机器语言指令组成的程序称目标程序。 汇编语言：AssembleLanguage 与机器语言指令所对应的英文单词缩写，称为指令助记符。汇编语言编写的程序称为汇编语言程序。 高级语言：High LevelLanguage 高级语言源程序C-51。

  10. 1.2 单片机发展概况 • 1971年Intel公司研制成功世界上第一台4位微处理器； • 1973年Intel公司研制成功8080 8位微处理器； • 1976年Intel公司推出MCS-48系列8位单片机； • 80年代初在MCS-48单片机基础上推出MCS-51单片机。

  11. 主要单片机厂商 • Intel公司 8048、8051（8位）；8096（16位）；80960（32位） • Motorola公司 MC-6801（8位）；68H16（16位）；68HC332（32位） • 美国Zilog公司；日本NEC公司；荷兰Philips公司等 由于8位单片机基本能满足目前大多数应用系统的要求，所以目前8位单片机仍是应用主流。

  12. 1.CPU的发展 • CPU字长：8位、16位、32位 • 时钟频率：6MHz、 12MHz 、20MHz • 双CPU结构，处理能力大大提高

  13. 早期单片机 新型单片机 256字节 64—128字节 RAM 1—2k字节 8—16k字节 ROM 1—4k字节（212） 64k字节（216） 寻址范围 2.片内存储器的发展 片内是相对片外而言： 指集成在单片机芯片内的存储单元。 • 存储容量扩大

  14. 片内EPROM开始E2PROM化 EPROM：Erasable Programmable Read-Only Memory 可擦写可编程只读存储器 E2PROM：电可擦写可编程只读存储器 Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory 能在正常工作电压下进行读写，并能在断电情况下，保持信息不丢失。 • 片内程序的保密措施

  15. 3.片内输入输出功能加强 • 早期单片机：并行输入/输出口、定时/计数器 • 现代：大功率输入/输出口，可直接驱动 FVD（荧光显示管） LCD（液晶显示器） LED（数码显示管） 片内集成 A/D、D/A转换器、CRT控制器，正弦波发生器等接口电路。 4.单片机制造工艺提高 5.片内ROM中固化应用软件和系统软件

  16. 片内ROM形式 I/O特性 中断源 计数器 并行口 无 寻址 EPROM E2PROM ROM ROM RAM 4kB 128B 8031 8051 8751 8951 64kB 2×16 4×8 5 8kB 256B 8052 8752 8952 8032 64kB 3×16 4×8 6 1.3 MCS-51单片机简介 • 51子系列：基本型 根据片内ROM的配置，对应芯片依次为 8031、8051、8751、8951 • 52子系列：增强型 对应芯片依次为 8032、8052、8752、8952

  17. 80C51系列 • 80C51是在8051芯片基础上发展起来的。 • 80C51与8051从外形看是完全一样的，引脚信号、总线等完全一致（完全兼容），保证在系统扩展和接口方面的一致性。 • 指令系统一致（兼容），保证软件的可移植性。 ◆ 80C51的制造工艺是在8051基础上进行了改进。

  18. 8051系列单片机采用的是HMOS工艺：高速度、高密度8051系列单片机采用的是HMOS工艺：高速度、高密度 80C51系列单片机采用的是CHMOS工艺：高速度、高密度、低功耗； 即80C51系列是一种低功耗单片机，常用的产品有： ﹡Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、 80C52、87C52等； ﹡ ATMEL的：89C51、89C52等； ﹡Philips、华邦、Dallas 、STC 、Siemens(Infineon)等公司的许多产品 。

  19. 80S51系列 • ISP在线编程功能 • 最高工作频率提高到33MHz • 全新的加密算法 • 完全兼容全部51子系列产品 典型产品为ATMEL的89S51

  20. 1.4 单片机的应用 • 一、 单片机在仪器仪表中的应用：智能仪器、医疗器械、色谱仪 • 二、 工业应用：电机控制、工业机器人、过程控制、数字控制、智能传感器等。 • 三、 民用方面：电子玩具、录像机、数码机 • 四、 通讯方面：程控交换机、网关、网卡、手机等 • 五、导弹与控制：导弹控制、智能武器装置 • 六、数据处理：打印机、移动硬盘、优盘 • 七、汽车方面：点火控制、变速器控制、排气控制、防滑刹车等。

  21. 1.5 数制和码制的简单回顾 1.5.1 数制：是计数的规则。 • 十进制：是日常生活中最熟悉的进位计数制。 • 符号：0，1，···,9 • 规则：逢十进一 • 二进制：是在计算机中采用的进位计数制。 • 符号：0，1 • 规则：逢二进一 • 特点：便于实现，不便记忆

  22. 位号： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 字节： MSB LSB • 字节：8个位 ◇有28个值（0～255） ◇ LSB：最低有效位，D0位 ◇ MSB：最高有效位，D7位

  23. 字：2字节，16位 ◇有216个值（0～65535） ◇ MSB：D15位 • 十六进制：方便人们对二进制数的阅读和书写 • 符号：0，1，···,9，A，B，C，D，E，F • 规则：逢十六进一 • 特点：4位二进制 → 1位十六进制

  24. 为区分不同进制，在数的结尾以一个字母标示：为区分不同进制，在数的结尾以一个字母标示： • 十进制：D（或不带字母） • 二进制：B • 十六进制：H

  25. 部分自然数的3种进制表示

  26. 三种数制间的转换方法 1、二进制和十进制间的转换 （1）二进制→十进制： 按权相加法：将各位二进制的权值乘上系数，相加 例：求二进制数11010.101相应的十进制数。 11010.101 B ＝1×24＋1×23 ＋0×22 ＋1×21 ＋0×20 ＋1×2－1 ＋0×2－2 ＋1×2－2 =26.625

  27. 16 … 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 －1 －2 －3 －4 65536 … 8192 4096 2048 1024 512 256 128 64 32 16 8 4 2 1 0.5 0.25 0.125 0.0625 常用二进制的权

  28. （2）十进制→二进制： • 十进制整数：除2取余法 低 高 直到商为零

  29. 十进制小数：乘2取整法 例：将十进制纯小数0.562转换成误差不大于2-6的二进制数。 高 低

  30. 2、十六进制和十进制间的转换 （1）十六进制→十进制： 按权相加法 例：求十六进制数7A.58H相应的十进制数。 7A.58 H ＝7×161＋A×160 ＋5×16－1 ＋8×16－2 =122.34375

  31. 余数 16 3901 低 13 → D 16 243 3 → 3 15 16 15 → F 高 0 （2）十进制→十六进制： • 十进制整数：除16取余法 例：求3901所对应的十六进制数。 故 3901= F3DH • 十进制小数：乘16取整法（类似于十进制转二进制小数）

  32. 3、二进制和十六进制间的转换 例：把二进制数1101111100011.100101转换为十六进制数。 0001 1011 1110 0011.1001 0100 =1BE3.94H 例：把十六进制数3AB.7A5转换为二进制数。 3AB.7A5 H=0011 1010 1011.0111 1010 0101B

  33. 1.5.3 计算机中带符号数的表示 一、机器数及其真值 • 数本身称为真值 • 数在计算机内的表示形式称为机器数 真值 例：正数+100 0101B（+45H） 机器数 100 0101B 0 （ 45H） 真值 例：负数 －101 0101B（ － 55H） 机器数 101 0101B 1 （ D5H） 机器数通常有原码、反码和补码三种形式。

  34. 二、原码和反码 • 原码：最高位为符号位，数值为绝对值 • 反码： ◇ 正数的反码：与其原码相同 ◇ 负数的反码：原码的符号位不变（为1），其余位取反 • 带符号正数 +100 0101B (+45H)，原码为 0100 0101B (45H)，反码为0100 0101B (45H) • 带符号负数 - 101 0101B (-55H)，原码为 1101 0101B (D5H)，反码为1010 1010B (AAH) 采用原码和反码表示时，符号位不能同数值一道参加运算。

  35. 三、补码 计算机中，带符号数的运算均采用补码。 • 二进制数的模： 设二进制数的位数为n，则模为2n。 例：8 位二进制数的模为 2^8，即 256。 • 二进制数的补码： 正数不变，负数即用模减去绝对值。

  36. X，  0 ≤X ≤ +127 ； [X]补= （正数和0的补码，是其本身） 28－|X|， －128 ≤X ＜0 ； 已知一个数 X，其 8 位字长的补码定义为： 负数的补码，就是用 1 0000 0000，减去该数字的绝对值 例：负数- 101 0101B （- 55H）

  37. 正数的补码、反码、原码均相同 • 负数的补码是反码加1（但“－0”与“－128”除外） • 8位二进制数，其原码、反码、补码所能表示的范围是不同的。 • 采用补码时，“0”只有一种表示方式，单字节表示的范围是：+127 ～ -128。

  38. 补码为：1111 1111B 求补得：1000 0001B 真值为： - 1 • 已知一个负数的补码求其真值的方法是： ◇ 对该补码求补（符号位不变，数值位取反加1）即得到该负数的原码（符号位+数值位）; ◇ 依原码求真值。

  39. 原码易于被人们识别，但运算复杂，符号位需要单独处理；原码易于被人们识别，但运算复杂，符号位需要单独处理； • 补码虽不易被人们识别，但方便运算。 有符号数用补码表示后，计算机运算后的结果仍是补码； 符号位和数值位一起参加运算，符号位的进位略去不计。

  40. [+19]补= 00010011B + [－7]补= 11111001B [X＋Y]补=100001100B 1. 补码加法运算 [X＋Y]补 ＝ [X]补 ＋ [Y]补 例： 已知X=+19，Y=－7，求X+Y的二进制值。 [X＋Y]补 ＝ [X]补 ＋ [Y]补= [+19]补 ＋ [－7]补 真值为：+0001100B

  41. [+6]补= 00000110B + [－25]补= 11100111B [X＋Y]补=11101101B 2. 补码减法运算 [X－Y]补 ＝ [X]补 ＋ [－Y]补 例： 已知X=+6，Y=+25，求X－Y的二进制值。 [X－Y]补 ＝ [X]补 ＋ [－Y]补= [+6]补 ＋ [－25]补 真值为：－0010011B

  42. 对有符号数，采用补码时，8位数的表示范围是：对有符号数，采用补码时，8位数的表示范围是： -128～ +127 对无符号数，8位数的表示范围是： 0～ 255 （00000000 ～11111111） 注意 参加运算的数及运算结果不能超出8位数所能表示的范围，否则运算会出现溢出，运算结果就不正确。

  43. 1.5.2 编码 遵循一定的规则编制代码，称为编码。 计算机中数字、字母以和符号要进行二进制编码。

  44. BCD码----十进制数的二进制编码

  45. 1. 8421BCD码 二进制码在1010B~1111B范围时，属于非法码。

  46. ◇ （压缩）BCD码：1个字节表示2位十进制数的编码

  47. 注意 要注意一个8位二进制代码表示的数究竟是二进制数？还是二进制编码的十进制数（BCD）？其值不同。 例如：00011000B，当作为二进制数时，其值为24；但作为2位BCD码时， 其值为18。 例如：00011100B，当作为二进制数时，其值为28；但不能作为BCD码，因为在8421BCD码中，它是个非 法码 。

  48. 0011 1000B + 0100 1001B 1000 0001B ≠1000 0111B 2. BCD运算 由于计算机总是把数当作二进制数来运算，若将BCD码直接交计算机去运算，结果可能会出错。 例：用BCD码求38+49。

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