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微机原理与应用浙江大学能源工程学院钟崴Email:zhongw@zju.edu.cnTel:13989882228(648222)2课程说明•教材《单片机原理与应用》胡辉主编，中国水利水电出版社，2007.9•课外扩展学习推荐书《实例解读51单片机完全学习与应用》杨欣编著，电子工业出版社，2011.4•教学形式课堂教学（3学时×8周）＋上机实验（2学时×8周）•特点内容非常抽象，自学非常困难；难点是语法+逻辑；高级语言学得好，本课程不一定学得好；•要求按时到堂听课，认真独立完成作业，认真完成上机实验•考核考试成绩＋平时成绩（作业＋实验报告）3课程资料下载百度网盘：手机登录：13989882228密码：w6482224课程目标及内容结构第1章单片机系统基础知识：基本概念、数制、码制…第2章单片机的结构及原理：系统结构、存储机制、I/O口…第3章80C51的指令系统：让单片机执行任务的各种命令…第4章汇编语言程序设计：通过指令的组合，完成一项任务…第5章单片机的定时器、计数器：知识综合应用课程学习目标：以80C51单片微型计算机系统为例，理解微型计算机（MicroComputer）的工作原理并掌握基本应用。5第1章单片机系统基础知识1.1单片机的基本概念及发展1.2单片机的特点及应用1.3单片机中的数制1.4单片机中的码制1.5单片机中的编码1.6单片机系统中的存储器学习重点：理解解单片机的基本概念，掌握单片机中的数制、码制、编码，了解存储器的类型。6单片机在哪里？•输入设备：温度加档、减档按钮•输出设备：4个指示灯、电磁线圈的驱动电路单片机负责完成从输入设备信号到输出设备动作驱动信号的转换和控制。7单片机在哪里？单片机隐藏在我们日常生活的许多电子产品中，如鼠标、遥控器、洗衣机、机器人等，也广泛应用于各种工业仪表及控制系统当中。技术特点：都有输入或输出设备。比如鼠标的按键、遥控器的按键等是输入设备；洗衣机的电机、机器人的执行机构是输出设备。输入到输出的过程是在单片机的控制下协调工作。8加速度传感器DA14580微控制器LED数字显示步行动作单片机在小米智能手环中的应用小米手环原理：在单片机DA14580的控制下通过ADI传感器芯片完成数据采集实现蓝牙通信、监测运动量、睡眠质量、智能闹钟震动唤醒等感应功能。DA14580单片机采用32位ARMCortexM0™的处理芯片，具有蓝牙功能，42KB系统SRAM、84KBROM,支持模拟接口设备完全集成2.4GHzCMOS收发器9认识单片机Intel公司的P8051AH型单片机和Atmel公司AT89S51单片机10微型计算机的基本概念微型计算机（Microcomputer）：微处理器（运算器+控制器）+程序存储器+数据存储器+I/O输出输出电路微型计算机（MP）CPU微处理器控制器ALU算术逻辑单元存储器(程序+数据)输入接口输出接口外部设备外部设备表示数据流表示控制流11§1.1单片机的基本概念•单片机：SingleChipMicrocomputer将微型计算机的各功能部件微型化并集成到一块集成电路芯片上，也称单片微型计算机、微控制器、嵌入式微控制器。•目前国际上逐渐采用MicroControllerUnit(MCU)来替代。12单片机的使用方法1.在计算机上编写和调试程序；2.通过下载器把程序写入单片机ROM；3.单片机、输入设备、输出设备组成单片机系统；4.单片机按照程序功能运行。13单片机的发展历史•第一阶段(1976~1978)探索以Intel公司的MCS-48系列单片机为代表；•第二阶段(1978~1982)完善Intel公司推出MCS-51系列单片机；•第三阶段(1982~1990)巩固发展Intel公司推出MCS-96系列单片机。80年代中期，Intel公司将8051内核使用权以专利互换或出售的形式转给世界许多著名IC制造厂商（Philips,三星,Atmel等），这样8051就变成有众多制造厂商支持的，发展出上百个品种的大家族。此外还有多家厂商的其他系列产品。•第四阶段(1990~)繁荣全面发展，高速、大寻址范围、强运算能力8位/16位/32位通用单片机及小型廉价专用单片机。14单片机的发展趋势•CMOS化CMOS（互补金属氧化物半导体）的特点是低功耗、高密度、低速、低价格，CMOS工艺是今后一段时期单片机发展的主要途径。TTL（晶体管）的特点是功耗较大、密度较低、高速。而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗，如：电池供电。•低功耗化单片机的工作电流已从mA级降到uA级，工作电压在2~6V之间，许多单片机具有空闲模式和掉电模式。•低噪声和高可靠性单片机内部电路采取新的技术措施，满足更高的电磁兼容性标准，使产品能适应恶劣的工作环境。•大容量化以往单片机内ROM为1~4KB,RAM为64~128B，现ROM可达128KB，RAM可达16KB。15单片机的发展趋势•高性能化采用精简指令集(RISC)结构和流水线技术，可大幅提高运行速度，最高已超过100MIPS（MIPS:每秒处理的百万条机器语言指令）。•片内功能更加丰富：外围电路内装化除了CPU、ROM、RAM、定时/计数器以外，还集成了A/D、D/A、DMA（直接存储器访问）、PMW（脉冲宽度调制）、WDT（看门狗）、LCD、USB、I2C（双向两线串行通讯）、SPI、Ethernet、HDLC（高级数据链路控制）、GPS等接口电路。•引脚减少：串行扩展技术串行总线的引入可使单片机引脚大大减少。16§1.2单片机的应用•在智能仪表中的应用广泛地应用于电力系统、交通运输工具、计量等各种仪器仪表之中，使仪器仪表智能化。•在机电一体化中的应用机电一体化产品是指集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于—体，具有智能化特征的机电产品。•在实时控制中的应用如对电站锅炉及工业窑炉的温度、酸度、化学成分的测量和控制。汽车电子中，微型控制器的使用越来越多。•在智能家电等消费类领域中的应用目前家用电器几乎都是单片机控制的产品。例如：空调、冰箱、洗衣机、微波炉、彩电、音响、家庭报警器、电子宠物、手机、MP3等。•在物联网中的应用。17§1.3单片机中的数制单片机中的常用数制：二进制、十六进制、十进制，“基”和“权”是数制中的关键概念。•基：数制中使用数码的个数•权：每一位所代表的值十进制(Decimal)采用0～9共10个数码，基=10。每位的权从低到高位分别为100、101、102、…例：526D=5×102+2×101+6×10018单片机中的数制（续）•基：数制中使用数码的个数•权：每一位所代表的值二进制(Binary)采用0、1共2个数码，基=2。每位的权从低到高位分别为20、21、…例：1011B=1×23+0×22+1×21+1×20=11十六进制(Hexadecimal)采用0~9、A、B、C、D、E、F共16个数码，基=16。每位的权从低到高位分别为160、161、…首位为字母时添加0。例：0A38H=10×162+3×161+8×160=261619数制间的转换二进制或十六进制→十进制方法：按“权”展开后相加例:10110B=1×24+0×23+1×22+1×21+0×20=220F31H=15×162+3×161+1×160=3889二进制←→十六进制方法:从低位算起，每4位二进制数对应于1位十六进制数0000B←→0H1000B←→8H1101B←→DH0001B←→1H1001B←→9H1110B←→EH0010B←→2H1010B←→AH1111B←→FH0011B←→3H1011B←→BH0100B←→4H1100B←→CH20数制间的转换十进制→二进制或十六进制方法:①十进制数连续÷“基”，直至商=0，记下各次的余数。②将各次的余数逆序排列。例1：26D=11010B226余数2130261230211201例1：179D=0B3H16179余数161131601121§1.4单片机中的码制有符号数最高位为“0”表示正数，最高位为“1”表示负数，8位计算机中，用D7位表示符号位，D6~D0位表示数值。把数码化的有符号数称为“机器数”，原来的数称为“真值”。机器数有3种表示方法：原码、反码、补码。8位无符号数范围(0~255)；8位有符号数补码范围(-128~+127)。D7D6D5D4D3D2D1D0符号数值0001011010010110x1=+22x2=-22以8位二进制数为例，设x1为正数22，x2为负数22:22单片机中的码制（续）•原码[x1]原码=00010110[x2]原码=10010110•反码[x1]反码=00010110[x2]反码=11101001•补码[x1]补码=00010110[x2]补码=11101010•正数：反码=原码•负数：符号位不变，数值位按位取反•正数：补码=原码•负数：补码=反码+加1无论正数或负数的补码，把补码连同符号位一起取反再加1，就是其相反数的补码（负数的补码变为其绝对值正数）。23理解“补码”•“模”是指一个计量系统的计数范围。例如：时钟的计量范围是0～11，模=12。n位的计算机计量范围是0～2n-1，模=2n。“模”实质上是计量器产生“溢出”的量。•任何有“模”的计量器，均可化减法为加法运算。例如：把时针从10点调整到6点可有以下两种拨法：一种是倒拨4小时，即：10-4=6，另一种是顺拨8小时：10+8=12+6=6•对“模”而言，8和4互为补数。以12模的系统中，11和1，10和2，9和3，7和5，6和6都有这个特性。24例1:22-7=15即16H-07H=0FH采用原码计算：采用补码计算([-7]补=11111001)：有符号数的运算计算机中普遍用补码表示有符号数，因无论是加法还是减法，都可采用加法运算（简化了运算器电路）。00010110-000001110000111100010110+11111001100001111丢弃进位25例2:-7-11=-18即[-7]补+[-11]补=F9H+F5H=EEH=-18采用补码计算([-7]补=11111001)：有符号数的运算（续）11111001+11110101111101110丢弃进位26§1.5单片机中的常用编码BCD（8421）码（Binary-CodedDecimal）是采用二进制编码的十进制代码，采用4位二进制数来储存一个十进制的数码，使二进制和十进制之间的转换得以快捷的进行。压缩BCD码一个BCD码占4位，而一个字节有8位。把2个BCD码放在一个字节中，就叫压缩的BCD码，而一个字节只放一个BCD码，高位置0，则叫非压缩的BCD码。十进制BCD码00000100012001030011401005010160110701118100091001例如：[01010111]BCD=57[000100101000]BCD=12827单片机中的常用编码（续）ASCII码（美国信息交换标准代码）是字母、数字、常用的符号（例如*、#、@等）在计算机中存储时对应的二进制数表示，是人为制定的一套编码。例如：A:010000015:00110101%:0010010128§1.6单片机中的存储器①一个存储单元由几位二进制数组成(字长)例如：8位(Byte)、16位(Word)。②存储器上共有多少个存储单元例如：1KB(1024Bytes)、1MB(1024KB)。每个单元都有其唯一的地址。•容量•速度读写一个单元数据所需的时间：一般为几十~几百ns。存储器的主要技术指标29单片机存储器的分类材料磁芯（已淘汰），半导体，电荷耦合与微处理器关系内存(速度快，容量小)，外存(速度慢，容量大)功能只读，随机存取，现场可改写非易失存储器•只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)非易失型†掩膜ROM（芯片生产厂家定制，一次性写）†可编程ROM:PROM(ProgrammableROM)†可改写的ROM:EPROM(