单片机基础知识

单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束第1章单片机基础知识教学目标1.1单片机概述1.2数的表示方法及数制间的转换1.3二进制的运算1.4微机的码制与编码1.5微机系统的组成与工作原理本章小结思考题与习题单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束教学目标通过本章教学，要求学生达到以下目标：1.一般性的了解从微机→单片机→AT89C51的发展概况，单片机技术未来发展趋势以及单片机广泛应用的领域。2.建立二进制和十六进制的概念。学会二进制、十进制和十六进制数相互转换的方法，熟记0～16之间二进制、十进制和十六进制数的对应关系及相互转换。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束3.熟悉二进制和十六进制数的算术运算及逻辑运算方法。4.了解二进制数原码、反码和补码的表示方法。5.了解BCD码的编码方法、转换关系和加减法运算时出错修正的原因、条件和方法。6.了解ASCII码和查表换算方法。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束1.1单片机概述1.1.1计算机的问世1.1.2计算机经历了五个时代1.1.3微型计算机结构框图及单片机定义1.1.4单片机的发展状况1.1.5单片机的特点及应用领域单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束1946年情人节，世界上第一台电子计算机诞生重30吨，占地170平方米17468个电子管、6万个电阻器1万个电容器、6千个开关每秒只能运行5千次加法运算耗电174千瓦每15分钟就可能烧掉一支真空管每次一开机，整个费城西区的电灯都为之黯然失色1.1单片机概述1.1.1计算机的问世单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束–电子管计算机–晶体管计算机–集成电路计算机–大规模、超大规模集成电路计算机–智能计算机ENIAC—ElectronicNumericalIntegrator1947年贝尔实验室发明了晶体管第一个半导体集成电路1958年•1.1.2计算机经历了五个时代单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束计算机巨型机微型机通用微机单片机通用单片机专用单片机小型机单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束集成在同一块芯片上——单片机1.1.3微型计算机结构框图及单片机定义微型计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成存储器(ROM、RAM)I/O接口I/O设备(输入/输出)地址总线(AB)数据总线(DB)控制总线(CB)CPU运算器控制器冯.诺依曼单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束冯诺依曼体系结构与哈弗体系结构的区别•哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。Microchip公司的PIC系列、摩托罗拉的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和安谋公司的ARM9、ARM10和ARM11，51单片机也属于哈佛结构•冯·诺伊曼结构也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同，如英特尔公司的8086中央处理器的程序指令和数据都是16位宽。英特尔公司的8086，英特尔公司的其他中央处理器、安谋公司的ARM7、MIPS公司的MIPS处理器也采用了冯·诺伊曼结构。•评论：哈佛结构和冯.诺依曼结构都是一种存储器结构。哈佛结构是将指令存储器和数据存储器分开的一种存储器结构；而冯.诺依曼结构将指令存储器和数据存储器合在一起的存储器结构。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束单片机的定义•单片机是一种把处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口等功能集成到一块芯片上的小而完善的计算机系统。•单片机也被称为微控制（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束单片机与PC机的比较单片机芯片开关输入LED显示数码管显示串行模块键盘输入鼠标输入CRT或LED显示器输出主机内有CPU、存储器、I/O接口等部件单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束单片机与PC机的比较单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束单片机是特殊的计算机单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束1.1.4单片机的发展状况1.单片机的发展过程(1)单芯片微机形成阶段1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机。8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。特点：存储器容量小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束特点：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在MCS-51已成为公认的单片机经典机种。(2)性能完善提高阶段1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机：8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束(3)微控制器化阶段特点：片内面向测控系统电路增强，使之可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。1982年，Intel推出MCS-96系列单片机。芯片内集成：16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束MCS-51系列单片机的缺点：时钟利用率不高。（需要至少12个以上的时钟脉冲才能执行完一条指令）；片内不包含ADC、DAC、WATCHDOG、PWM、CAN控制器等。故现在有些公司对MCS51单片机进行了设计改造，使新一代的MCS-51兼容单片机具有了高速、高效工作的特性，并在51系列芯片中集成了许多新的功能特性（如A/D、D/A等）。国内人们使用最广泛的是MCS-51系列单片机。因此我们需要学好、掌握MCS51系列单片机技术。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束2.单片机产品近况ATMEL公司融入Flash存储器技术的AT89系列Philips公司的80C51、80C552系列华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列ADI公司的ADμC8xx高精度ADC系列LG公司的GMS90/97低压高速系列Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列Cygnal公司的C8051F系列高速SOC单片机51系列产品繁多，已推出的主要产品有：单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束非51结构单片机新品不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间，近年来推出的非51系列的主要产品有：Freescale的飞似卡尔系列8/16/32位单片机Microchip的PIC系列RISC单片机TI的MSP430F系列16位低功耗单片机。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束1.1.5单片机的特点及应用领域1.单片机的特点(1)控制性能好、可靠性高可对I/O端口直接操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响。(2)体积小、价格低、易于产品化应用系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束2.单片机的应用领域(1)智能仪器仪表(2)机电一体化产品(3)实时工业控制(4)家用电器单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束1.2数的表示方法及数制间的转换1.2.1微型计算机中的常用数制1.2.2数制间的转换1.2.3微型计算机中数的表示方法单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束1.3二进制数的运算1.3.1算术运算1.3.2逻辑运算单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束1.4微机的码制和编码1.4.1机器数及其真值1.4.2原码、反码和补码1.4.3微型机中常用的编码单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束计算机处理数据的过程键盘输入十进制数据转换成ASCII码转换成BCD码转换成二进制码运算结果转换成BCD码转换成ASCII码1.4.3微型机中常用的编码单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束一、BCD码例如：79D＝0111,1001BCD用4位二进数表示1位十进制数BCD码是将每一位十进制数用二进制数编码，它保留了十进制的权，数字则用二进制数表示，因而也称为二-十进制数。一般用标识符[…]BCD表示。BCD码种类较多，如8421码、2421码、余三码等，其中最常用的编码为8421码。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束美国标准信息交换码，由ANSI于1961年提出，用7位二进制数表示一个字符，后来扩充到8bit。二、ASCII码例如：“0”→30H，“A”→41HAmericanStandardCodeforInformationInterchange美国信息互换标准代码单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束表1.3ASCII码表单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束29列01234567行00000101001110010111011100000NULDLESP0@P`P10001SOHDC1!1AQaQ20010STXDC22BRbR30011ETXDC3#3CScS40100EOTDC4$4DTdT50101ENQNAK%5EUeU60110ACKSYN&6FVfV70111BELETB'7GWgW81000BSCAN(8HXhX91001HTEM)9IYiYA1010LFSUB*:JZjZB1011VTESC+'K[k{C1100FFFS,L\lD1101CRCS-=M]m}E1110SORS.N①n~F1111SIUS/?O②oDEL空空格换行回车删除单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束1.5微机系统的组成与工作原理1.5.1微机系统的组成1.5.2微机基本工作原理单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束1.5.1微机的组成1硬件总线（BUS）：包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等。通过总线（BUS）将计算机的硬件连接起来。地址总线AB：单向传送地址信号，宽度由CPU决定。数据总线DB：双向传送数据信号，宽度由CPU决定。控制总线CB：传送由CPU产生的各个控制信号，如RD/WR/RST等信号。地址总线AB、数据总线DB、控制总线CB，即三总线结构。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束微型计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成存储器(ROM、RAM)I/O接口I/O设备(输入/输出)地址总线(AB)数据总线(DB)控制总线(CB)CPU运算器控制器冯.诺依曼微机结构框图单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束2、软件：分为：系统软件和应用软件系统软件包括：应用软件包括：1.5.1微机的组成OS、计算机语言、数据库各种工具软件和应用系统（如办公软件、游戏软件）等。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束1.5.2计算机基本工作原理1、指令：2、指令系统：一种确定的CPU，它可以执行什么操作/可执行多少种操作，完全由CPU设计师确定，用户只能了解、应用这些操作以完成自己的工作。CPU执行何种操作的命令，由二进码组成，称为机器码。指令由操作码和操作数两部分组成。规定CPU执行操作的全部命令的集合。3、程序：指令按照要求有序排列。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束CPU指令