单片机原理及接口技术 第1章 单片机概述

1、单片机原理及接口技术信息与电气工程学院电气工程系参考书目：张毅刚 单片机原理及应用 高等教育出版社李朝青单片机原理及接口技术 北京航天航空大学出版社成都木马科技 单片机原理及应用 北京希望电子出版社 2000.5曹琳琳 单片机原理及接口技术 国防科技大学出版社 2000.7推荐网站:单片机学习网（）单片机教程网（）中国电子网（）周立功单片机（）单片机学习网 （ ）电子发烧友 ()老古开发网（）第1章 单片机概述1.1 什么是单片机1.2 单片机的历史及发展概况1.3 8位单片机的主要生产厂家和机型1.4 单片机的发展趋势1.5 单片机的应用1.6 MCS-51系列单片机1.7 补充概念第1章

2、单片机概述 在半导体硅片上集成了微处理器(CPU)，存储器(RAM、ROM、EPROM)和各种输入、输出接口。20世纪70年代问世。已广泛应用在：工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等方面。1.1 什么是单片机单片机技术的应用遍布国民经济与人民生活的各个领域可开发的内部资源：RAM、ROM、I/O等功能部件，全部提供给用户。用户根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心的测控系统。 具有一台计算机的属性。也称为： 嵌入式控制器 EMCU（Embedded MicroController Unit）。我国，习惯使用“单片机”这一名称。按用途可分为通用型和专用型

3、两大类：（1）通用型 微控制器 MCU (MicroController Unit)第1章 单片机概述 嵌入式：IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。嵌入式系统：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。（2）专用型专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机 ，针对性强且数量巨大。对系统结构的最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了全面的考虑 。“专用”单片机具有十分明显的综合优势。第1章 单片机概述 补充51、AVR与 PICCISC（Complex Instru

4、ction Set Computer）RISC（Reduced Instruction Set Computer） ARM（Advanced RISC Machines）不能称为单片机，只是单片机的内核。 DSP（Digital Signal Processer）51偏重于控制，对于运算比较薄弱。DSP偏重于运算，对于控制比较薄弱 1.2 单片机的历史及发展概况四个阶段:第一阶段(1974年1976年)：单片机初级阶段。双片的形式，且功能比较简单。第二阶段（1976年1978年）:低性能单片机阶段。以Intel 公司制造的MCS-48单片机为代表。第三阶段(1978年现在)：高性能单片机阶段。

5、Intel公司的MCS-51系列、Mortorola公司的6801系列等。第四阶段(1982年现在)：8位单片机巩固发展及16位单片机(MCS-96系列)、32位单片机推出阶段。第1章 单片机概述 Intel 主要单片机系列1.3 8位单片机的主要生产厂家和机型（1）美国Intel公司 MCS-51系列及其增强型、扩展型系列。 （2）美国ATMEL公司89C51、89C52、89C55、89S52等。（3）荷兰PHILIPS（菲力浦）公司 8xC552系列 。第1章 单片机概述 MCS-51系列单片机在我国得到了广泛的应用，主流系列，软、硬件设计资料丰富齐全。 1.4 单片机的发展趋势 1.

6、CPU的改进 （1）采用双CPU结构，提高处理能力。（2）增加数据总线宽度，内部采用16位数据总线。（3）串行总线结构，菲利浦公司的I2C总线（InterIcbus）。用两根信号线代替现行的8位数据总线。第1章 单片机概述 第1章 单片机概述 2存储器的发展 （1）加大存储容量。（2）片内EPROM采用E2PROM或闪烁（Flash）存储器（3）程序保密化。补充: 半导体存储器的分类按工作方式不同，分为随机存取存储器（或读写存储器）和只读存储器。 随机存储器RAM（Random Access Memory）可以随意地对任一存储单元进行读写操作，这类存储器按存储单元电路的类型可分为双极型和MOS

7、型随机存储器。 MOS型随机存储器按信息存储方法不同分为静态RAM（SRAM，Static RAM）和动态RAM（DRAM，Dynamic RAM） 。 SRAM在工作过程中信息一旦写入，将一直保持直到下次重新写入新的信息，这期间不需要其它电路支持。DRAM在保持信息的过程中需要不断地对它进行刷新，否则信息就会丢失。因此DRAM需要刷新电路，这是两者的区别。 只读存储器ROM（Read Only Memory）在通常工作情况下只能读取信息，而不能写入信息，但是失电后信息不会丢失。又分为： 掩膜式ROM（MROM），一旦厂家做好内容不能改 可编程ROM（PROM，Programmable ROM

8、），用户只能写入一次，写入后不能再更改 可擦除PROM（EPROM，Erasable PROM），这种EPROM在通常工作时只能读取信息，但可以用紫外线擦除已有信息，并在专用设备上高电压写入信息 电擦除PROM（E2PROM，Electrically Erasable PROM）与EPROM的主要区别是E2PROM用电来擦除，使用更加方便。 闪速存储器是目前取代传统的EPROM和EEPROM的主要非挥发性（永久性）的存储器，目前大部分586主板的BIOS都使用闪速存储器 3片内I/O的改进（1）增加并行口的驱动能力，能直接输出大电流和高电压。（2）增加I/O口的逻辑控制功能。（3）设置了一些特

9、殊的串行接口功能，构成分布式、网络化系统 。第1章 单片机概述 4外围电路内装化 器件集成度的不断提高，把众多的外围功能部件集 成在片内系统的单片化。第1章 单片机概述 5低功耗CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)化 HMOS(高密度金属氧化物半导体工艺)CHMOS (互补高密度金属氧化物半导体工艺) 总之，向高性能、高速、低压、低功耗、低价格、外围电路内装化方向发展。1.5 单片机的应用 单片机卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。使用温度：民用级： 0 +70 工业级： -40 +85 军用级： -65 +125 第1章 单片机概述 也有(如ATMEL公司)分为商业C档、工业I档

10、、汽车A档和军用M档四种档次的，使用温度范围分别为070、4085、40125和55150。 1.6 MCS-51系列单片机20世纪80年代后期:Intel公司以专利的形式把8051内核技术转让给厂家。第1章 单片机概述 如：ATMEL、PHILIPS、ANALOG DEVICES、DALLAS公司。这些厂家生产的兼容单片机，与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺。不应直接称为MCS-51系列单片机，MCS只是Intel公司专用的单片机系列符号。80C51系列：所有具有8051指令系统的单片机。MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：第1章 单片机概述 （1）

11、基本型 典型产品：8031/8051/8751内部RAM增到256字节，8052、8752的内部程序存储器扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个。（2）增强型 典型产品：8032/8052/8752（3）低功耗型典型产品：80C31/87C51/80C51。采用CMOS工艺适于电池供电或其它要求低功耗的场合。（4）专用型 8044/8744，用于总线分布式多机测控系统。美国Cypress公司的EZU SR-2100单片机USB接口。第1章 单片机概述 （5）超8位型 典型产品：PHILIPS公司80C552/87C552/83C552系列单片机。将MCS-96系列（16位单片机）I/O部件

12、如：高速输入/输出（HSI/HSO）、A/D转换器、脉冲宽度调制（PWM）、看门狗定时器（WDT）等移植进来构成新一代51产品。功能介于MCS-51和MCS-96之间。目前已得到了较广泛的使用。第1章 单片机概述 第1章 单片机概述 （6）片内闪烁存储器型 美国ATMEL公司的AT89C51单片机，受到应用设计者的欢迎。 MCS-51系列以及80C51系列单片机有多种类型， 但掌握好MCS-51的基本型（8031、8051、8751或80C31、80C51、87C51）是十分重要的。它们是具有MCS-51内核的各种型号单片机的基础，也是各种增强型、扩展型等衍生品种的核心。1.7 补充概念 一、

13、位（bit）、字节（Byte）、字（Word）和其他。 1Byte = 8bits 1Word2Bytes 1KB = 1024Bytes 1MB = 1024KB 1GB = 1024MB 1.7 补充概念 二、总线我们知道，一个电路总是由元器件通过电线连接而成的，在模拟电路中，连连线并不成为一个问题，因为各器件间一般是串行关系，各器件之间的连线并不很多，但计算机电路却不一样，它是以微处理器为核心，各器件都要与微处理器相连，各器件之间的工作必须相互协调，所以就需要的连线就很多了，如果仍如同模拟电路一样，在各微处理器和各器件间单独连线线，则线的数量将多得惊人，所以在微处理器中引入了总线的概念。

14、 1.7 补充概念 器件的数据线也就被称为数据总线，器件所有的控制线被称为控制总线。在单片机内部或者外部存储器及其它器件中有存储单元，这些存储单元要被分配地址，才能用，分配地址当然也是以电信号的形式给出的，由于存储单元比较多，所以，用于地址分配的线也较多，这些线被称为地址总线。 1.7 补充概念三、数据、地址、指令之所以将这三者放在一起，是因为这三者的本质都是一样的数字，或者说都是一串0和1组成的序列。换言之，地址、指令也都是数据。 指令：由单片机芯片的设计者规定的一种数字，它与我们常用的指令助记符有着严格的一一对应关，不可以由单片机的开发者更改。 地址：是寻找单片机内部、外部的存储单元、输入

15、输出口的依据，内单元的地址值已由芯片设计者规定好，不可更改，外部的单元可以由单片机开发者自行决定，但有一些地址单元是一定要有的。 数据：这是由微处理机处理的对象，在各种不同的应用电路中各不相同。 1.7 补充概念四、单板机、单片机、微型计算机、微型计算机系统 单板机：将微处理器（CPU）、存储器、I/O接口电路以及简单的输入输出设备组装在一块印刷线路板上，称其为单板微型计算机，简称单板机。单片机：将微处理器（CPU）、存储器、I/O接口电路和相应实时控制器件集成在一块芯片上，称其为单片微型控制计算机，简称单片机。1.7 补充概念微型计算机：微处理器（CPU）、存储器、I/O接口电路由总线有机地

16、连接在一起的整体，称为微型计算机。微型计算机系统：微型计算机与外围设备、电源、系统软件一起构成的系统，称为微型计算机系统。1.7 补充概念五、其他术语1、字长：指参与运算的数的基本位数，它决定了计算机内部寄存器、加法器以及数据总线等的位数，反映了计算机的精度。2、运算速度：MIPS(Million Instructions Per Second )每秒百万条指令。3、主频：计算机内部的主时钟。动作选择按钮红外线传感器89C2051单片机复位按钮电源指示灯数字电路中由13片IC组成的数字钟数字电路中由13片IC组成的数字钟单片IC（单片机）电子钟以下第2章为补充知识，非课本上的第2章。第2章 计

17、算机运算基础2.1 数制2.2 数的表示方法2.3 常见门电路逻辑符号2.1 数制一、进位计数制1. 十进制ND有十个数码：09、逢十进一。 十进制用于计算机输入输出，人机交互。2. 二进制NB有两个数码：0、1, 逢二进一。 二进制为机器中的数据形式。3. 十六进制NH有十六个数码：09, AF, 逢十 六进一。 十六进制用于表示二进制数。不同进位制数以下标或后缀区别,十进制数可不带下标。如：101、101D、101B、101H2.1 数制不同进位记数制对照表十进制二进制十六进制十进制二进制十六进制000000810008100011910019200102101010A3001131110

18、11B401004121100C501015131101D601106141110E701117151111F1. 十进制ND符号集：09 规则：逢十进一。例 1234.5=1103 +2102 +3101 +4100 +510-1加权展开式以10为基数，各位系数为09。一般表达式：ND= dn-110n-1+dn-210n-2 +d0100 +d-110-1+2.1 数制2.1 数制2. 二进制NB符号集：0、1 规则：逢二进一。例 1101.101=123+122+021+120+12-1+12-3 加权展开式以2为基数，各位系数为0、1。一般表达式：NB = bn-12n-1 + bn-

19、22n-2 +b020 +b-12-1+2.1 数制3.十六进制NH符号集：09、AF 规则：逢十六进一。例：DFC.8=13162 +15161 +12160 +816-1 展开式以十六为基数，各位系数为09，AF。一般表达式：NH= hn-116n-1+ hn-216n-2+ h0160+ h-116-1+2.1 数制二、数制的转换方法1、二、十六进制数转换成十进制数先展开，然后按照十进制运算法则求和。举例：1011.1010B=123+121+120+12-1+12-3=11.625DFC.8H =13162+15161+12160+816-1 = 3580.52.1 数制2、二进制与十

20、六进制数之间的转换24=16 ，四位二进制数对应一位十六进制数。将二进制数转换为十六进制数，从低位开始，每四位一组，然后将其转换为对应的十六进制数。如最后一组不足四位，需在左边补0。用同样方法可将二进制小数转换十六进制小数。只是分组应从小数点右边开始分成四位一组。2.1 数制十六进制数转换为二进制数，将每位十六进制数直接转换成相应的二进制数。举例：3AF.2H = 0011 1010 1111.0010 = 1110101111.001B 3 A F 21111101.11B = 0111 1101.1100 = 7D.CH 7 D C2.1 数制3、十进制数转换成二、十六进制数整数、小数分别

21、转换 1）整数转换法 “除基取余”：十进制整数不断除以转换进制基 数，直至商为0。每除一次取一个余数，从低位 排向高位。2.1 数制举例：1）39转换成二进制数39 =100111B2 39 1 （ b0） 2 19 1 （ b1） 2 9 1 （ b2） 2 4 0 （ b3） 2 2 0 （ b4） 2 1 1 （ b5） 02）208转换成十六进制数 208 = D0H16 208 余 016 13 余 13 = DH 02.1 数制2）小数转换法 “乘基取整”：用转换进制的基数乘以小数部分，直至小数为0或达到转换精度要求的位数。每乘一次取一次整数，从最高位排到最低位。2.1 数制举例：

22、1） 0.625转换成二进制数0.625 2 1.250 1 (b-1) 2 0.5 0 0 (b-2) 2 1.0 1 (b-3)0.625 = 0.101B2）0.625转换成十六进制数 0.625 16 = 10.0 0.625 = 0.AH3）208.625 转换成十六进制数 208.625 = D0.AH2.2 数的表示方法 机器中，数的符号用“0”、“1” 表示。最高位作符号位，“0”表示“+”，“1”表示“”。 一、机器数与真值机器数：机器中数的表示形式，其位数通常为8的倍数。 真 值：机器数所代表的实际数值。举例:一个8位机器数与它的真值对应关系如下： 真 值：X1=+84=+

23、1010100B X2=-84= -1010100B 机器数：X1机= 01010100 X2机= 110101002.2 数的表示方法二、定点数和浮点数1、定点数：数据的小数点位置是固定不变的，定点整数的小数点定在最低位的右边（纯整数）；定点小数的小数点定在最高位的左边（纯小数）。表示形式：N=2PS（S称为尾数，P为阶码）举例：N=+1001.101=2-1110011012100.10011012.2 数的表示方法2、浮点数：数据中小数点的位置是不固定的。 一个浮点数分为阶码和尾数两部分，二者各有表示正负的阶符和数符，常用存储格式： 2.2 数的表示方法三、原码、反码和补码1、原码：在符

24、号位中用0表示正、用1表示负的二进制数，称为原码。例如， x1=1110111B， x1原=01110111B x2=1110111B， x2原=11110111B数0可是0或0。因此，0在原码中形式： 0原=0000 0000B， 0原=1000 0000B原码表示简单易懂，由原码求真值很容易。2.2 数的表示方法字长为n位的原码表示法的一般规律：2.2 数的表示方法2、反码：正数的反码=原码；负数的反码=原码的符号位不变而数值按位取反。所谓按位取反，即将各位的1变成0，0变成1。例如，x1=13， x1反=13原=0 0001101B 。又如，x2=13， x2原=13原=1 000110

25、1B， x2反=13反=1 1110010B。2.2 数的表示方法字长为n位的反码表示法的一般规律：2.2 数的表示方法3、补码：正数的补码=原码；负数的补码=反码1。例如，x1=1101101B，x1补=0 1101101B 。又如，x2=1101101B，x2反=10010010B， x2补=10010011B。在补码表示中，“0”是唯一的。即0补=00000000B 1000 0000B 不是0，而是128 。2.2 数的表示方法数的补码与“模”有关 “模”即计数系统的量程。补码的作用将减法运算变成加法运算。 A=5, B=3计算A+B；A-B2.2 数的表示方法字长为n位的补码表示法的

26、一般规律：2.2 数的表示方法4、已知一个数的机器数，求其真值要看机器数用哪一种编码表示，若是原码，则求真值简单，直接按权展开相加即得；若是反码或补码，则先求该数的原码。例：已知 x补= 11111100，求x的真值 先求x的原码，如果x是正数，原码与补码相同；如果x是负数，则将该数的补码按位（除符号位）取反后，在最低位加1。 x原= 10000100，x = - 42.2 数的表示方法5、补码运算 1）正数补码运算 与原码运算相同2）负数补码运算（用补码可以将二进制数的减法运算转换为加法运算。） X+Y补 = X补 + Y补 X - Y补 =X补 +-Y补补码的减法运算，可以归纳为：先求X补

27、 、再求-Y补 ，然后进行补码的加法运算。 补码加减法的结果仍然是补码，要得到结果的真值，必须求它对应的原码，再按定义展开相加。2.2 数的表示方法例1：求64 10 ，用补码做 解：设 z = 64 10 = 64+（- 10） +64补=01000000 ，- 10原= 10001010 - 10补= 11110110 z补= 64-10补=+64补+ - 10补= 01000000 +11110110 = 00110110 结果为正数，所以 z = +54例2：求34 68 解：设 z = 34 68 = 34+（- 68） +34补=00100010 ， - 68原= 11000100 - 68补= 10111100 z补=+34补+ - 68补=00100010 +10111100 = 11011110 结果为负数，z原= 10100010 ，z = - 342.2 数的表示方法8位机器数表示的真值8位机器数无符号数有符号数十六进制二进制原码反码补码00017F80FEFF00000000000000010111111110000000111111101111111101127128254255