单片机应用系统 第0章-绪论和计算机基础知识

单片机应用系统理论课:讲解嵌入式系统的基本原理，结构及系统设计方法。(36学时)实验课:根据教学大纲来完成。(18学时)考试：闭卷考试平时分30%

（出勤、实验、作业、课堂情况）卷面成绩70%参考书：《单片微机原理系统设计与应用》(第二版)万福君主编，中国科技大学出版社，2001年8月课程安排2MCS-51的基本硬件结构程序设计：指令系统、汇编程序的编制中断系统定时/计数器串行口接口设计：存储器扩展：程序存储器和数据存储器A/D,D/A技术键盘与LED显示基础课程：电子技术基础，电路分析基础，算法语言和计算机基础课程的主要内容3本课程的特点实践性强通过课程的学习，掌握软件程序和硬件电路的设计方法，能够进行简单的单片机应用系统的设计，开发和调试工作课程要求4一.计算机的分类二.嵌入式系统概念与应用三.单片机概念，应用与发展

绪论5按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域分为：

大型计算机中型机小型机微型计算机以应用为中心、按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用分为

嵌入式计算机

通用计算机

一、计算机的分类6一、计算机的分类通用计算机通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现，并应用在社会的各个方面。7一、计算机的分类嵌入式计算机嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。8§嵌入式系统的概念国内普遍认同的定义：是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、针对具体应用系统、对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。英国电器工程师协会（U.K.InstitutionofElectricalEngineer）的定义：嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。与通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务，设计人员能够对它进行优化，减小尺寸降低成本。

二、嵌入式系统9§嵌入式系统的应用嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，具有非常广阔的应用前景。它的应用领域包括：制造工业、过程控制、通讯、仪器仪表、汽车、船舶、航空航天、军事装备、家电产品等二、嵌入式系统10二、嵌入式系统§嵌入式系统的应用工业控制仪器仪表信息家电办公电子汽车电子11二、嵌入式系统§嵌入式系统的典型应用勇气号火星探测车(NASA:2003.6.10-2004.1.4)CPU：嵌入式微处理器PowerPC，350MIPS内存:128M闪存:256MOS：Vxworks预定：三个月实际：2695天12§嵌入式系统的分类嵌入式系统按照核心部件分为以下三类：嵌入式微处理器（MicroprocessorUnit-MPU）功能与CPU相同，在功耗，体积，抗扰方面做了优化。嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit-MCU）单片机，将整个计算机系统集成到一个芯片上。嵌入式DSP处理器（DigitalSignalProcessor-DSP）包括乘累加单元，适合执行DSP算法。算法用硬件实现，提高实时性能，集成嵌入式微处理器。二、嵌入式系统13§嵌入式系统的特点(1)产品稳定性不像通用计算机那样更新换代快，嵌入式系统一旦进入市场，则生命周期长。如：51单片机问世20多年，至今方兴未艾。(2)分散，创新，不可垄断性通用计算机具有垄断性,而嵌入式系统微处理器和操作系统没有一个能垄断全世界，各种单片机各有自己的市场。(3)嵌入式系统的软件特性不是以磁盘的形式存储，而是固化在芯片中(4)嵌入式系统的开发需要开发工具与环境嵌入式系统自身无开发能力，需借助开发工具，如编程器、仿真器，开发软件。二、嵌入式系统14§单片机的概念全称单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)又称微控制器MCU(MicroControllerUnit),是计算机的基本功能的微型化,使之集成在一块芯片上的微机。

三、单片机

CPU

存储器定时器/计数器

中断系统P0-P3TxDRxD

TINT并行I/O口串行I/O口15§单片机的特点

体积小功能全功耗低性能价格比高运行速度快抗干扰能力强三、单片机DIP封装贴片封装16三、单片机

§单片机的发展趋势（1）单片机的字长由4位、8位、16位发展到32由于单片机主要用于控制，目前8位的MCU仍然占主流地位，只有在精度要求特别高的场合如图像处理，高性能电机控制等，才采用16位或32位的MCU,用户可以根据产品的需求进行选择。（2）运行速度不断提高单片机的使用最高频率由6MHz、12MHz、24MHz、33MHz、发展到40MHz。（3）单片机内的存储容量越来越大由1KB、2KB、4KB、8KB、16KB、32KB、发展到64KB等。（4）ROM存储器的编程也越来越方便有ROM型、OTP型、EPROM、EEPROM及FLASH。编程方式也越来越方便，目前有脱机编程、在系统编程（ISP）、在应用编程（IAP）。各类产品并存，可供用户选择。17三、单片机(5）I/O端口多功能化单片机内除集成有并行接口、串行接口外，还集成有A/D、D/A、LED/LCD显示驱动、DMA、PWM、PCA、WDT等。（6）功耗越来越低采用CHMOS制作工艺使单片机集HMOS的高速、高集成度和CMOS的低功耗技术为一体，使单片机的功耗进一步降低，适应的电压范围更宽（2.6~6V）。（7）结合专用集成电路ASIC、精简指令集和RISC技术，使单片机发展成为嵌入式处理器，深入到数字信号处理、图象处理、人工智能、机器人等领域。18

§单片机的种类目前市面上较有影响的单片机厂家有：（1）INTEL：MCS-51、MCS-96系列。（2）MOTOROLA：68HCXX系列。（3）MICROCHIP：16C5X/6X/7X/8X系列。（4）ZILOG：Z86EXXXPSC系列。（5）TEXAS：MSP430FXX系列。

三、单片机19按照存储器ROM配置状态划分：

片内无EPROM型，如80(C)3X片内ROM型，如80(C)5X;

片内EPROM,如87(C)5X；

片内FLASH

EEPROM型，如89C5X;

MCS-51单片机

按照功能划分(1)基本型有8031、8051、8751、89C51/S51等。基本型的代表产品是8051，特性如下：①一个8位CPU②128B片内RAM，4KB片内ROM③21个特殊功能寄存器④32线并行I/O口⑤2个16位定时/计数器⑥一个全双工串行口⑦5个中断源、2个中断优先级的中断结构⑧片内时钟振荡器

⑨片外可扩展64KBROM和64KBRAM.

21(2)增强型有8052AH、8032AH、8752BH,此类型单片机的内ROM和RAM容量比基本型的增大一倍,同时把16位计数器增为3个.87C54内部ROM增加到16KB,87C58增加到32KB.(3)低功耗型有80C5XBH、80C31XBH、87C5X.这类型号带有“C”字的单片机采用CHMOS工艺,其特点是功耗低，另外,87C51还有两级程序存储器保密系统,可防止非法拷贝程序.此外还有内含DMA、PCA、A/D、多并行口、及内含BASIC高级语言型等多类产品，22一.微型计算机的基本结构与工作原理二.微型计算机的数制与码制

第0章计算机基础知识23一.微型计算机的系统结构主机鼠标键盘显示器硬件软件主机外围设备24主机微处理器存储器I/O口总线地址控制数据25微机的系统结构微机系统微处理器（CPU）存储器RAMROM

输入/输出接口并行、串行接口定时器、A/D、D/A总线输入设备（键盘，扫描仪）输出设备（显示器，打印机）辅助设备硬件软件主机外围设备系统软件（操作系统)应用软件（科学计算软件，工业控制软件）26单片微型计算机结构框图CPU输入设备输出设备软件系统+单片微型计算机系统硬件系统输入接口设备输出接口设备运算器控制器存储器单片微型计算机是将计算机主机集成在一个硅片上的微机，又称微控制器。27微型计算机工作原理基本工作原理：存取程序，执行程序基本工作过程：取指，译码，执行28字长：CPU并行处理数据的位数，由此定为8位机、16位机、32位机等。存储容量：存储器单元数，例如256B、8KB、1MB等运算速度：CPU处理速度，它和内部的工艺结构以及外接的时钟频率有关。时钟频率：在CPU极限频率以下，时钟频率越高，执行指令速度越快，对单片机而言，有6MHz、12MHz、24MHz等。微型计算机基本技术指标1B（Byte）即一个字节，是计算机数据的基本单位，一个8位二进制数。1KB=210B=1024B，即10位地址线所对应的容量。1MB=220B，即20位地址线所对应的容量。1GB=230B，

即30位地址线所对应的容量。29如何理解“半斤八两”？二.微型计算机的数制与码制30■计算机中的数二进制计算机中的数字电路工作在“开”、“关”两种状态，即“0”和“1”两种状态。计算机处理的一切信息均用二进制数表示；二进制数书写起来太长，所以微型计算机中的二进制数都采用十六进制来缩写。十六进制数用0～9、A～F等16个数码表示十进制数0～15

■不同数制的表示方法用字母进行区别B（Binary）表示二进制数制；D（Decimal）或不带字母表示十进制数制；H（Hexadecimal）表示十六进制数制。计算机中的数制例：10100111(二进制)=A7(十六进制)例：

167或167D例：

10100111B例：A7H31不同进制数制转换对照表32§二进制数和十六进制数间的相互转换

三种数制转换二进制数转换为十六进制数

将二进制数从右（最低位）向左每4位为1组分组，若最后一组不足4位，则在其左边添加0，以凑成4位，每组用1位十六进制数表示。

例：1111111000111B11111

11000111B

0001111111000111B1FC7H＝1FC7H

33三种数制转换十六进制数转换为二进制数

只需用4位二进制数代替1位十六进制数即可

例：1111111000111B11111

11000111B

0001111111000111B1FC7H＝1FC7H

34§十六进制数和十进制数间的相互转换

三种数制转换十六进制数转换为十进制数

将十六进制数按权展开相加

例：1F3DH=163×1＋162×15＋161×3＋160×13=4096×1＋256×15＋16×3＋1×13

=4096＋3840＋48＋13

=7997

35三种数制转换十进制整数转换为十六进制数

用除16取余法，即用待转换的十进制数不断地除以16，直至商等于0为止。将所得的各次余数，依倒序排列，即可得到所转换的十六进制数。

例：将38947转换为十六进制数即38947=9823H

36§

机器数与真值机器数：机器中数的表示形式，它将数的正、负符号和数值部分一起进行二进制编码，其位数通常为8的整数倍。有符号数：机器数最高位为符号位，“0”表示正数，“1”表示负数。无符号数：机器数最高位不作为符号位，而当作数值。真值：机器数所代表的实际数值的正负和大小。计算机中数的几个概念37§

数的单位位（Bit）：一个二进制数中的1位，其值不是1，便是0。字节（Byte）：一个字节，就是一个8位的二进制数。字（Word）：两个字节，就是一个16位的二进制数。双字（DoubleWord）：两个字，即四个字节，一个32位二进制数。计算机中数的几个概念38计算机中有符号数的表示■有符号数有原码、反码和补码三种表示法。1.原码数值部分用其绝对值，正数的符号位用“0”表示，负数的符号位用“1”表示。

例：X1=＋5=+00000101B[X1]原=00000101BX2=-5=-00000101B[X2]原=10000101B

符号位

398位原码数的范围为FFH～7FH（-127～127）。原码数00H和80H的数值部分相同、符号位相反，它们分别为+0和-0。16位原码数的范围为FFFFH～7FFFH（-32767～32767）。原码数0000H和8000H的数值部分相同、符号位相反，它们分别为+0和-0。计算机中有符号数的表示原码表示简单易懂，而且与真值的转换方便。但若是两个异号数相加，或两个同号数相减，就要做减法。为了把减运算转换为加运算，从而简化计算机的结构，就引进了反码和补码。40计算机中有符号数的表示2.反码正数的反码：与原码相同；负数的反码：符号位不变，数值部分按位取反。例：求8位反码机器数：x1=+6[x1]原=00000110B[x1]反=00000110B=06Hx2=-6[x2]原=10000110B[x2]反=11111001B=F9H

按位取反

41计算机中有符号数的表示3.补码正数的补码：与原码相同；负数的补码：反码加1。例：求8位补码机器数：x1=+6[x1]原=00000110B[x1]反=00000110B=06Hx2=-6[x2]原=10000110B[x2]反=11111001B=F9H

按位取反

[x2]补

=[x2]反+1=11111010B=FAH

428位补码数的数值范围为-128～127（80H-FFH,0-7FH）16位补码数的数值范围为-32768～32767（8000H-FFFFH,0-7FFFH）字节80H和字8000H的真值分别是-128(-80H)和-32768(-8000H)。计算机中有符号数的表示补码数80H和8000H的最高位既代表了符号为负,又代表了数值为1431.反码加1法：2.快速求法：将负数原码的最前面的1和最后一个1之间的每一位取反。补码求取方法例：x=-4：[x]原=10000100 [x]补=11111100=FCH

443.互补法：针对“模”而言，“模”即计数系统的过量程回零值补码求取方法例：时钟以12为模（12点也称0点）4和8互补；一位十进制数模为101＝10

4和6互补；两位十进制数模为102＝10035和65互补；8位二进制数，模为28＝100000000B=100H

453.互补法：设有原码机器数X,X>0,[X]补=[X]原X<0，[X]补=模-｜X｜补码求取方法例：对于八位二进制数：

x1=+9：[x1]补=00001001=09H；

x2=-9：[x2]补=100H-9=F7H对于16二进制位数：

x2=+9：[x2]补=0009H；

x2=-9：[x2]补=10000H-9=FFF7H

46几点说明1.根据两数互补的原理，对补码求补码就可以得到其原码，将原码的符号位变为正、负号，即是它的真值2.补码所表示数的绝对值：若最高位为0，则其余几位即为此数的绝对值；若最高位为1，其余几位不是此数的绝对值，必须把该数求补（按位取反（包括符号位）加1），才得到它的绝对值。例：求补码数FAH的真值.[FAH]补＝100-7AH=86H=-6求补码数78H的真值.

[78H]补＝78H=+120

47几点说明例：以X=-15为例X的补码表示：[-15]补＝100H-0FH=F1H＝11110001BX的绝对值：求补得00001110＋1＝00001111B=15

48补码数F2H所表示数的绝对值？

几点说明3.当数采用补码表示时，就可以把减法转换为加法。例：64-10=64+(-10)=54[64]补=40H=01000000B[-10]原=-0AH=10001010B[-10]补=11110110B

用补码相加过程由于数的八位限制，最高位的进位是自然丢失的（在计算机中，进位存放在进位标志CY中。）在微机中，凡是有符号数一律是用补码表示的。用加法器完成加、减运算，用加法器和移位寄存器完成乘、除运算,从而简化计算机的结构。49几点说明例：34-68=34+(-68)＝-3434=22H=00100010B68=44H=01000100B[-68]补=10111100B

做减运算过程用补码相加过程50几点说明由上面两个例子还可以看出：

1）当用补码相加完成两数相减，相减若无借位，化为补码相加就会有进位；相减若有借位，化作补码相加就没有进位2）补码运算后的结果为补码，需再次求补才能得到运算结果的真值。51进位与溢出例：105＋50＝155

105＝69H50＝32H若把结果视为无符号数，结果为155。若将此结果视为有符号数，结果为-101。因为超出补码表示范围-128127

§溢出两个补码数相加结果超出补码的表示范围。溢出标志：OV=CyCy-1

52进位与溢出例：-105-50=-155-105[补]=256-105=151=97H-50[补]=256-50=206=CEH 两个负数相加，而结果01100101B却为正数，这显然是错误的。其原因是和数-155超出8位符号数的补码数范围，也产生了溢出。

53进位与溢出例：

74＋74＝4AH+4AH01001010

001100101010010100CyCy-1CyCy-1=01=1有溢出OV＝1无进位Cy=0

§

进位运算结果超出计算机位数的限制，产生进位。加法中表现进位，减法中表现借位。

54进位与溢出没有必然联系。

65H-3EH=?OV?CY?

随课练■生活中人们习惯于十进制数，计算机只能识别二进制数，为了将十进制数变为二进制数，出现了BCD(BinaryCodedDecimal)码，即二进制代码表示的十进制数。■故名思意，它即是逢十进一，又是一组二进制代码。■用8位二进制数表示1个十进制数位称为非压缩的BCD码。■用4位二进制数表示1位十进制数称为压缩的BCD码，也就是8位二进制数可以放2个十进制。BCD码55表0.4BCD编码表56BCD码例：求十进制数976的BCD码压缩的BCD码：[976]BCD=100101110110B=976H非压缩的BCD码：[976]BCD=000010010000011100000110B＝090706H[2044]压缩的BCD码＝2044H[2044]非压缩的BCD码＝02000404H

57■

BCD码运算应该得到BCD码结果，由于计算机是按二进制运算，结果不为BC