单片机原理及应用第1章单片微型计算机基础知识

第1章单片微型计算机基础知识第1页，共34页。学习目标理解单片机应用系统的构成了解单片机的发展概况、应用特点及主流产品理解单片机的各种应用形态了解单片机系统中使用计算机语言的基本知识第2页，共34页。学习重点MCS-51系列单片机的分类和性能常用名词术语等基础知识单片机的发展概况、应用特点及主流产品第3页，共34页。主要内容1.1单片机的发展概况●任务1：什么是单片机●任务3：单片机的应用及发展趋势●任务4：MCS-51系列单片机的分类●任务2：单片机发展历程及产品近况

第4页，共34页。主要内容1.2计算机中数的表示方法

●任务1：进位计数制及其转换

●

任务2：机器数

●

任务3：常用名词术语及字符的表示

第5页，共34页。主要内容1.3单片机系统

●任务1：单片机的硬件系统

●

任务2：单片机的软件系统

●

任务3：单片机开发时用到的程序设计语言

第6页，共34页。1.1单片机的发展概况

1.1.1什么是单片机●介绍把微型计算机的基本功能部件：中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口、定时器/计数器、中断系统等多种资源集成在一个半导体芯片上，使得一块集成电路芯片就能构成一个完整的微型计算机。这种集成电路芯片被称为单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer），简称单片机。●注意强调从其组成、逻辑功能上来看，单片机都具备了微机系统的基本部件。但是需要指出的是，单片机毕竟还只是一个芯片，只有在配置了应用系统所需的接口芯片、输入/输出设备等，才可以构成实用的单片机应用系统。第7页，共34页。1.1单片机的发展概况1.1.2单片机发展历程及产品近况1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机。该系列单片机早期产品在芯片内集成了8位CPU、1KB程序存储器（ROM）、64B数据存储器（RAM）、27根I/O线和1个8位定时/计数器。此阶段的主要特点是：在单个芯片内实现了CPU、存储器、I/O接口、定时/计数器、中断系统、时钟等部件的集成。但存储器容量较小，寻址范围小（不大于4KB），无串行接口，指令系统功能不强。●1．单芯片微机形成阶段单片机技术发展十分迅速，产品琳琅满目。纵观整个单片机技术发展过程，可以分为以下3个主要阶段：第8页，共34页。1.1单片机的发展概况1980年，Intel公司推出MCS-51系列单片机。该系列单片机在芯片内集成了8位CPU、4KB程序存储器（ROM）、128B数据存储器（RAM）、4个8位并行接口、1个全双工串行接口、2个16位定时/计数器，寻址范围为64KB，并集成有控制功能较强的布尔处理器（完成位处理功能）。此阶段的主要特点是：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的经典机型。●2．性能完善提高阶段第9页，共34页。1.1单片机的发展概况1982年，Intel公司推出MCS-96系列单片机。该系列单片机在芯片内集成了16位CPU、8KB程序存储器（ROM）、232B数据存储器（RAM）、5个8位并行接口、1个全双工串行接口、2个16位定时/计数器。寻址范围最大为64KB，片上还有8路10位ADC、1路PWM（D/A）输出及高速I/O部件等。此阶段的主要特点是：片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。至此，“微控制器”的称谓更能反映单片机的本质。●3．微控制器化阶段第10页，共34页。1.1单片机的发展概况随着微电子设计技术及计算机技术的不断发展，单片机产品和技术日新月异。单片机产品近况可以归纳为以下两个方面。（1）8051系列单片机种类繁多，主流地位已经形成。近年来推出与8051兼容的主要产品有：ATMEL公司融入Flash存储器技术推出的AT89系列单片机；Philips公司推出的P80C、P87C系列高性能单片机；Winbond公司推出的W78C51、W77C51系列高速低价单片机；ADI公司推出的ADuC8××系列高精度ADC单片机；LG公司推出的GMS90/97系列低压高速单片机；MAXIM公司推出的DS89C420高速（50MIPS）单片机；Cygnal公司推出的C8051F系列高速SOC单片机等。第11页，共34页。1.1单片机的发展概况（2）非805l结构单片机不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间在8051及其兼容产品流行的同时，一些单片机芯片生产厂商也推出了一些非8051结构的产品，影响较大的有：Intel公司推出MCS-96系列16位单片机；Microchip公司推出PIC系列RISC单片机；TI公司推出MSP430F系列16位低电压、低功耗单片机；ATMEL公司推出AVR系列RISC单片机。目前，单片机正朝着高性能和多品种的方向发展，但由于MCS-51系列的8位单片机仍能满足绝大多数应用领域的需要，所以MCS-51系列单片机，现在及以后的相当一段时期内仍然将占据单片机应用的主导地位。第12页，共34页。1.1单片机的发展概况1.1.3单片机的应用及发展趋势●1．单片机的应用领域单片机的应用极为广泛，已深入到国民经济的各个领域，对各个行业的技术改造和产品的更新换代起着积极的推动作用。单片机的应用领域主要有以下几个方面：（1）生产自动化（2）实时测控（3）智能化产品（4）智能化仪表（5）信息通信技术（6）科学研究（7）国防现代化第13页，共34页。●●1.1单片机的发展概况图1-1单片机典型应用系统2．单片机的应用特点（1）面向控制的应用（2）在线应用（3）嵌入式应用3．单片机应用系统单片机典型应用系统的构成如图1-1所示。一个具有测控功能的单片机典型应用系统通常由单片机、片外程序存储器（ROM）、片外数据存储器（RAM）、扩展输入/输出接口（I/O接口）以及系统工作过程中进行人工干预和输出结果的人机对话通道等组成。第14页，共34页。●1.1单片机的发展概况

4．单片机的发展趋势

（1）微型化（2）低功耗（3）高速化（4）集成更多资源（5）通信及网络功能加强（6）专用型单片机发展加快第15页，共34页。●1.1.4MCS-51系列单片机的分类

1.1单片机的发展概况型号片内程序存储器RAM/BI/O口线定时器/个×位中断源晶振/MHz805l子系列8031ROMLess128322×1652～12

80514KBROM128322×1652～1287514KBEPROM128322×1652～1280C51子系列80C31ROMLess128322×1652～1280C514KBROM128322×1652～1287C514KBEPROM128322×1652～128052子系列8032ROMLess256323×1662～1280528KBROM256323×1662～1287528KBEPROM256323×1662～1280C52子系列80C32ROMLess256323×1662～1280C528KBROM256323×1662～12/2487C528KBEPROM256323×1662～12/241．MCS-51系列第16页，共34页。1.1单片机的发展概况说明：

该系列单片机的生产工艺有两种：在产品型号中凡不带有字母“C”的为HMOS芯片，带有字母“C”的为CHMOS芯片。HMOS芯片的电平与TTL电平兼容，而CHMOS芯片的电平既与TTL电平兼容，又与CMOS电平兼容。所以在单片机应用系统中应尽量采用CHMOS工艺的芯片。在功能上该系列单片机有基本型和增强型两大类，通常以芯片型号的末位数字来区分。末位数字为“1”的型号为基本型，如8031/8051/8751、80C31/80C51/87C51等。末位数字为“2”的型号为增强型，如8032/8052/8752、80C32/80C52/87C52等。

第17页，共34页。●1.1单片机的发展概况80C51是MCS-51系列单片机中CHMOS工艺的一个典型品种。其他厂商以8051为基核开发出的CHMOS工艺单片机产品也统称为80C51系列。市面上常见的与MCS-51系列单片机兼容的有ATMEL公司的AT89系列单片机。其典型产品AT89C51、AT89C52、AT89C2051、AT89C4051等不但与8051单片机软、硬件完全兼容，还融入了Flash存储器技术，这使得用户在开发调试时更为方便。除此之外，还有Philips、Winbond、Dallas、Siemens等公司的许多产品。虽然这些产品在某些方面有一些差异，但基本结构是相同的，从而奠定了80C51的主流产品地位。2．80C51系列第18页，共34页。●1.2计算机中数的表示方法1.2.1进位计数制及其转换计数制或进位制,常用的十进制，还有二进制、八进制、十二进制等。（1）二进制：由数字符号0、1构成，逢2进1。（2）八进制：由数字符号0～7构成，逢8进1。（3）十进制：由数字符号0～9构成，逢10进1。（4）十六进制：由数字符号0～9和字母A～F构成，逢16进1。1.进位计数制第19页，共34页。1.2计算机中数的表示方法1．十进制数转换为二进制数

需要对其整数和小数部分分别处理进行转换（1）十进制整数转换为二进制整数的方法是：用2不断地去除要转换的十进制数，直至商为0。每次所得的余数即为二进制数位，最初得到的余数是二进制整数的最低位。这就是所谓的“除以2取余，逆序排列”法。●2.数制之间的转换第20页，共34页。1.2计算机中数的表示方法（2）十进制小数转换为二进制小数的方法是：用2不断地去乘要转换的十进制小数，直至乘积的小数部分为0或达到要求的精度为止。每次所得的整数部分即为二进制数位，最初得到的整数是二进制小数的最高位。这就是所谓的“乘2取整，顺序排列”法。第21页，共34页。1.2计算机中数的表示方法2．二进制数转换为十进制数将二进制数转换为十进制数，只需按位权展开求累加和即可。第22页，共34页。3．二进制数与十六进制数的相互转换二进制数转换成十六进制数比较容易，具体方法如下：①把二进制数以小数点为界向左向右每4位分成一组，不足4位的以0补齐。②把每组4位的二进制数转换成1位的十六进制数。③按从左到右的次序写出转换结果。【例1.4】把二进制数10110011.0101111转换成十六进制数。解：分组：10110011.01011110转换：B35E因此：(10110011.0101111)2＝(B3.5E)16十六进制数转换成二进制数的方法更简单，只需从左到右把每位十六进制数写成相应的4位二进制数，并把结果写在一起即可。1.2计算机中数的表示方法第23页，共34页。应当熟记的一张表格1.2计算机中数的表示方法第24页，共34页。4．数的书写方法计算机中经常使用的数的书写方法有二进制（后缀B，Binary）、八进制（后缀Ｏ，Octal或Q，因Ｏ与0容易混淆，所以书写印刷为Q）、十进制（后缀D，Decimal，或者不要后缀）和十六进制（后缀H，Hex）。例：1010B ——表示二进制数。5703Q ——表示八进制数。2048D ——表示十进制数。0A30BH ——表示十六进制数（在汇编语言程序中由字母A～F开头的十六进制数前需要添加0）。1.2计算机中数的表示方法第25页，共34页。1.2计算机中数的表示方法1.2.2机器数

1.进位计数制第26页，共34页。1.2计算机中数的表示方法在计算机中对于符号数有不同的编码方式，通常采用两种编码方式：原码、补码。1．原码最高位为符号位（正数为0，负数为1），其他位为数值位。2．补码正数的补码与原码相同；负数的补码则是符号位取1，数值位逐位取反，末位加1。3．补码数的表示范围当n＝8时数的表示范围是：-128≤N≤+127。超出为溢出当n＝16时数的表示范围是：-32768≤N≤+32767。超出为溢出第27页，共34页。●1.2.3常用名词术语及字符的表示1.2计算机中数的表示方法（1）位（bit）

位是指一个二进制位，它是计算机中信息存储的最小单位，用bit表示。（2）字节（B）

字节指相邻的8个二进制位，通常存储器是以字节为单位存储信息的。字节用B表示。（3）字（Word）及字长一个字所包含的二进制位数称为字长。在一般的微机中定义一个字长为2个字节。字用W表示。1．常用的名词术语第28页，共34页。●●计算机在处理信息时，有时需要处理字符或字符串，例如从键盘输入的信息或打印的信息都是以字符方式处理的，因此，计算机必须能用二进制数表示字符。计算机中最常用的字符编码是美国信息交换标准代码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange，ASCII）。ASCII码用7位二进制数表示字符编码。附录A给出了字符的ASCII码表。1.2计算机中数的表示方法BCD码是用4位二进制数表示1位十进制整数。表示的方法有多种，常用的是8421BCD码。2.ASCII码3.BCD码第29页，共34页。1.3.1单片机的硬件系统1.3单片机系统在单片机的应用中，需要围绕单片机芯片以及扩展外部电路和外部芯片、连接输入和输出设备组建一个能完成特定应用功能的硬件组合实体，它能在编制程序的控制下完成预定的任务，称它为单片机的硬件系统。它实际上就是为实现某一种实际应用所设计的，以单片机芯片为核心而组成的单片机应用系统的实体部分。第30页，共34页。1.3.2单片机的软件系统单片机本身无编制程序的能力，需要借助其他微型计算机配之以相应的开发软件来进行编程。在单片机应用系统的编程中有机器语言、汇编语言和高级语言三种编程方式：（1）机器语言机器语言使用二进制代码表示的单片机指令，用机器语言构成的程序称为目的程序（机器码）。（2）汇编语言汇编语言是采用容易记忆的英文符号名（助记符）表示的机器指令，它是对机器语言的改进。用汇编语言编程是单片机应用中最常用的编程方式，其编写的程序称为汇编语言源程序。。（3）高级程序设计语言高级程序设计语言接近人类自然语言的语法习惯，与计算机硬件无关，用户易于学习、阅读、掌握和使用。目前支持MCS-5l单片机编程的高级语言有多种，如C51等。1.3单片机系统第31页，共34页。1.3.3单片机开发时用到的程序设计语言1.3单片机系统

在单片机开发时用到的程序设计语言单片机开发时用到的程序设计语言现多为汇编语言和C语言。由于汇编语言与计算机硬件密切相关，使用汇编语言编写的源程序汇编后的目标程序短小精悍，占用存储空间较小；程序执行所需时间短，目标程序效率高，运行速度快。因此特别适用于单片机实时控制系统、智能化仪器仪表控制程序的编写。由于C语言既具有高级语言的简洁、便于记忆、通用性好、表达能力强等优点，又能直接对计算机硬件进行操作，运算能力也较强，许多以前只能采用汇编语言来解决的问题现在都可以改用C语言来解决了。第32页，共34页。本章结束本章结束在一块集成电路芯片上集成了中央处理器、存储器、输入/输出（I/O）接口等基本功能部件的微型计算机称为单片微型计算机（SingleChipMicro