第01-02讲

1第01讲课程简介一、教材《单片机原理及应用》上官同英主编河南科技版2009.8第1版二、参考书1.《单片机原理及接口技术》胡健主编机工版2008.1第1版2.《单片机原理与接口技术》毕万新主编大连理工2005.8第2版3.《单片微型机原理、应用与实验》张友德等编复旦大学版2000.11第3版4.《MCS-51单片机应用系统设计》何立民编著北航1990.1第1版三、如何学好该课程1.培养兴趣。有兴趣→主动付出→不觉累→收获多无兴趣→不愿付出→累累累→无收获2.正确的学习方法(1)自学（预习）→找出问题→思考→参考书(2)课堂认真听讲→课后复习→讨论解决问题→作业和课程设计(3)重视理论联系实际，认真对待实验课和课程设计。课堂教学40学时，实验12学时+课程设计23学时。实验前要做到：目的明确；准备充分。四、该课程在学科中的地位地位：电气专业的专业主干课程前期课程：《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《电子测量》、《传感器技术》后续课程：毕业设计成绩评定：平时成绩占10%；课程设计占25%；期末考试成绩占50%，实验成绩占15%教学方式：紧密结合实验、课程设计和毕业设计，采用案例驱动的教学方式，以几种典型的单片机典型应用系统设计为主线，分析单片机的组成结构、工作原理、单片机应用系统的组2成原理和设计方法。第1章微型计算机基础知识本章重点：①单片机的概念、发展趋势和主要应用；②数据在单片机中的表示方法及运算方法；③计算机中常用的编码。1.1概述教学目的：了解单片机的概念、发展趋势和主要应用。教学重点：单片机的概念。1.1.1微处理器、微机和单片机的概念电子计算机分为模拟电子计算机和数字电子计算机，我们通常所说的计算机是指数字电子计算机。1.计算机的组成计算机由硬件和软件两部分组成。硬件通常由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5部分组成。软件通常由系统软件、应用软件和用户程序3部分组成。2.微处理器将运算器、控制器集成在一个硅片上，称为微处理器（CPU）。其主要功能是进行算术运算和逻辑运算。为便于快速完成上述运算，其内部通常还含有一定数量的寄存器单元。其字长分为8位、16位、32位和64位等。3.微机通常所说的微机是指以PC机为代表的通用微机。(1)组成：以CPU为核心，配以存储器（主内存、硬盘等）、I/O接口和I/O设备（键盘、鼠标、显示器、打印机等）并安装系统软件、应用软件等组成。(2)特点：运算速度快、精度高；数据处理能力强；存储容量大；总线、外设标准化程度高；软件丰富；应用广泛。4.单片机3将CPU、存储器、I/O接口电路和其他特殊功能部件（中断系统、定时器/计数器、串行通信接口等）集成在一个硅片上，称为单片机。5.单片机系统单片机通常指芯片本身，实际应用中还应为其配上无法集成的晶振电路、复位电路、I/O设备和应用软件，这就构成了单片机系统。6.单片机的特点：面向控制应用领域。(1)控制功能强。CPU可以对I/O口直接进行操作并具有位操作能力，有的单片机还增加了高速I/O口，提高了实时控制能力。(2)抗干扰能力强、可靠性高。几乎全部微机电路集成在一个芯片上，内部连线极短、外部连线极少。(3)低功耗、体积小、重量轻、价格低。(4)数据处理能力比PC机弱；运算速度和精度比PC机低。（系统规模比PC机小得多）7.单片机的应用(1)智能化仪器仪表。具有数据存储、运算处理、逻辑判断和控制能力。可实现自动量程转换、自动校准、自动补偿、故障自检、数据远传和遥测遥控等功能。(2)实时控制。可直接实现小型的自动控制系统、数据采集系统。在大型分布式测控系统中担任前端采集模块和控制模块。(3)机电一体化产品。如机器人、数控机床、可编程控制器等。(4)办公自动化。如键盘、打印机、复印机、传真机和考勤机等。(5)家用电器。如空调器、电冰箱、洗衣机、微波炉、电磁炉、电饭煲、电热水器、DVD等。(6)在儿童玩具、汽车、交通管控、网络与通信、航空航天、军事装备等领域也有广泛应用。几乎是“无孔不入”。1.1.2单片机的发展阶段1.单片机（SCM）阶段：寻求单片形态嵌入式系统的最佳体系结构，确定嵌入式系统与通用微机完全不同的发展方向，Intel功不可没。2.微控制器（MCU）阶段：根据应用对象的需求，不断扩展各种特殊功能部件和接口电路，凸显对对象的智能化控制能力。Intel逐4渐淡出，Philips贡献卓越。3.片上系统（SoC）阶段：将整个应用电子系统（含软件）全部集成在一个芯片上。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，SoC发展迅速。（注：EDA---电子设计自动化。可将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程在计算机上自动处理完成）1.1.3单片机的发展趋势1.低电压、低功耗、CMOS化。低电压为电池供电提供方便，低功耗大大延长电池使用时间。如当初Intel公司的8031为5V、630mW，现在TI公司的MSP430F135为2.2V、15μW。2.高性能、大容量化。如采用精简指令集结构（RISC）和流水线技术，指令运行速度达1000MIPS。（MIPS：兆指令秒）3.专用、低价格化。对于市场需求量很大的单片机应用系统，如标准键盘、电度表、电视机、DVD、IC卡读写器等产品中的单片机，多由产品制造商和芯片制造商合作开发专用单片机，其结构最简、软硬件资源利用率最高、可靠性高、成本低。4.封装小型化。特别是I2C、SPI等串行总线的引入，使单片机的引脚大量减少，系统结构更加简化及规范化。1.1.4单片机主要品种简介由于单片机应用广泛，目前世界各大IC制造商都有自己的单片机产品。按体系结构分，有CISC和RISC两大类型。1.CISC型：Intel的80C51是其中的佼佼者，Intel将其内核以出售或互换专利的方式授权给Philips、NEC、Atmel等很多公司，他们生产几百种以80C51为内核的有不同特色的单片机，统称为80C51系列，本课程就是以其中在国内较流行的Atmel的89C51为模型讲解。2.RISC型：精简指令集结构的单片机，近年来发展迅速。主要特点5是运行速度快。低时钟（如32kHz）运行时，功耗极低，速度却能与CISC相当。1.1.5学习重点1.硬件。单片机芯片内部的组成、原理以及单片机系统的组成方法。2.软件。单片机应用软件的编制方法。第02讲1.2数据在单片机中的表示及运算教学目的：①掌握数据在单片机中的表示方法及运算方法；②掌握计算机中常用的编码。教学重点：数据在单片机中的表示方法及运算方法，计算机中常用的编码。1.2.1二进制、十进制、十六进制及数制间转换1.进位计数制的概念(1)十进制计数：有0～9十个数字符号，特点：“逢十进一”,权为i10（i=-m…0…n）。十进制数的数尾不加标识，如386。例如6在百位代表600（2106），而在小数点后第1位则表示0.6（1106）。(2)计算机中的进位计数制：计算机中采用二进制计数，有0、1两个数字符号，特点：“逢二进一”,权为i2（i=-m…0…n）。二进制数的数尾加标识B或加右下标2，如二进制数100101可记为100101B或(100101)2。由于人们目前只能找到具有两个稳定状态的电路元件，例如晶体管的“截止”与“饱和”、电容的“充电”与“放电”等，可用这两个状态分别代表“0”和“1”两个数字符号，故计算机中只能采用二进制计数。由于十六进制与二进制间有着非常简单的对应关系，所以在书写和阅读时常常采用十六进制。十六进制数的数尾加标识H或加右下标16，如十六进制数3BF6可记为3BF6H或(3BF6)16。6表1-2三种计数法的对应关系十进制二进制十六进制十进制二进制十六进制000000910019100011101010A200102111011B300113121100C401004131101D501015141110E601106151111F7011171610000108100081710001112.任意进制数的表示任意一个n位整数，m位小数的R进制数的位权展开式如下22111nnnnnmiiiRrRrRrs…1100RrRr…mmRr其中ir为第位数码，R为基数。例如，26.507106102107100105)26.507(210121037212021202021)100101(01234522101216164161216816111613)4.8(CDB765625.3512256/1416/11218161125613可见，按位权展开式的和就是该数转换为十进制的值。3.常见的不同进制数间的转换(1)二进制与十进制数的相互转换二进制数转换为十进制数直接按位权展开求和。十进制数转换为二进制数，整数部分采用“除2取余法”，小数部分采用“乘2取整法”。除2取余法：用2连续去除要转换的十进制数，直到商为0为止，将所得余数由下而上依次排列起来得到的数便是所求的二进制数（高位在下）。乘2取整法：用2连续去乘要转换的十进制小数，直到积的小数7部分为0为止（或直到所要求的位数），每次乘得的整数由上而下依次排列起来得到的数便是所求的二进制小数（高位在上）。例1-3将(43.625)10转换为二进制数。解将整数部分和小数部分分别转换如下：整数部分小数部分21243……余1低位250.12625.0…取整数1高位10221……余1↑500.02250.0…取整数0↓5210……余0↑000.12500.0…取整数1低位225……余1↑122……余0↑021……余1高位故：(43.625)10=(101011.101)2(2)二进制与十六进制数的相互转换1）二进制数转换为十六进制数：从小数点开始分别向左、向右每4位分为一段，不足4位填0补足，每段二进制数用一位十六进制数替代即可。例1-4将(1011011100011.0011011)2转换成十六进制数。解0001011011100011.0011011016E3.36故：(1011011100011.0011011)2=(16E3.36)162）十六进制数转换为二进制数：将十六进制数的整数部分和小数部分分别用相应的4位二进制数替代即可。例1-6将(AE7.D2)16转换成二进制数。解AE7.D2101011100111.11010010故：(AE7.D2)16=(101011100111.1101001)21.2.2有符号数和无符号数在计算机中是用一位二进制数表示带符号数的符号，称为“符号位”，放在有效数字的前面，用“0”表示正，用“1”表示负。在计算机中，带符号的二进制数有三种表示形式：原码、反码和补码。1.原码、反码和补码的表示方法8(1)原码：在数值前面直接加一符号位的表示法称为原码表示法。例1-8分别求+7和-7的原码。解符号位数值位7原=00000111B7原=10000111B注意：1）0的原码有两种形式：0原=00000000B，0原=10000000B2）字长是8位的计算机，原码的表示范围为-127～+127。即：最小为127原=11111111，最大为127原=01111111(2)反码：正数的反码与原码相同，负数的反码是符号位仍为“1”，数值部分“按位取反”。例1-9分别求+7和-7的反码。解符号位数值位7反=00000111B=07H7反=11111000B=F8H注意：A.0的反码有两种形式：0反=00000000B，0反=11111111BB.字长是8位的计算机，反码的表示范围为-127～+127。即：最小为127反=10000000，最大为127反=01111111(3)补码：1）补码的概念：以指针式钟表为例，若当前时间是5点，表的指示为7点，对表可用顺拨10小时(+10)，或倒拨2小时(-2)。顺拨