第1章 单片微型计算机基础知识

1第1章单片微型计算机基础知识

总体要求：

●熟练掌握单片机发展概况的基本知识

●熟练掌握计算机中数和字符表示方法的基本知识

●掌握计算机语言的基本知识

●能够独立完成本章作业学习重点：●单片机的发展概况及应用特点●单片机的主要生产厂商及其产品●

MCS-51系列单片机的分类和性能21.1单片机的发展概况1.2计算机中数的表示方法1.3计算机语言31.1单片机的发展概况1.1.1什么是单片机

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。41.1.2单片机发展概况第一阶段（1974～1978）：初级单片机阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。这个系列的单片机在片内集成了8位CPU、并行I/O口、8位定时/计数器、RAM等，无串行I/O口，寻址范围不大于４Ｋ。第二阶段（1978～1983）：高性能单片机阶段。以MCS-51系列为代表，这个阶段的单片机内均带有串行I/O口，具有多级中断处理系统，定时/计数器为16位，片内RAM和ROM容量相对增大，且寻址范围可达64K。这类单片机应用领域极为广泛。第三阶段（1983～）：

8位单片机巩固完善及16位单片机推出阶段。以MCS-96系列为16位单片机的代表，其内部除了CPU为16位以外，还采用了新颖的寄存器堆/逻辑部件（RALU），片内RAM和ROM的容量进一步增大，片内ROM为8KB甚至更大且可以加密，片内还带有高速输入输出部件、多通道10位A/D转换器，具有８级中断等。近年来，32位单片机也已进入实用阶段。第一章第一节51.1.3单片机的应用及发展

1.单片机的应用领域

(1)生产自动化自动化生产线、机器手、数控机床等自动化生产设备都能由单片机实现其智能化的自动控制功能。

(2)实时测控单片机工作稳定、可靠，抗干扰能力强，体积小使用灵活，适用于各种恶劣环境，最宜承担测控工作。

(3)智能化产品传统的机电产品与单片机结合后，可简化产品结构、升级产品功能、并实现控制智能化。单片机与机械技术相结合，称为机电一体化，是机械工业的发展方向。

(4)智能化仪表用单片机改造、设计制造仪器仪表，大大促进了仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化和柔性化方向发展，并能同时提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构，减小体积。

(5)信息通信技术多机系统（各种网络）中的各计算机之间的通信联系，计算机与其外围设备（键盘、打印机、传真机、复印机等）之间的协作都有单片机的参与。

(6)科学研究小到实验测控台，大到卫星、运载火箭，单片机都发挥着极其重要的作用。

(7)国防现代化各种军事装备管理通信系统都有单片机深入其中。672.单片机的应用特点

(1)面向控制的应用

由于单片机内部采用了微控制技术，其结构及功能均按自动控制的要求设计，因而主要应用于控制领域。微控制技术从根本上改变了传统的控制系统设计思想，它通过对单片机编程的方法代替由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，是对传统控制方式的一次革命。

(2)在线应用

在线应用就是以单片机代替常规模拟或数字控制电路，使其成为测控系统的一部分，在被控对象工作过程中实行实时检测，并实时控制。在线应用为实时测控提供了可能和方便。

(3)嵌入式应用单片机在应用时通常装入到各种智能化产品之中，所以又称嵌入式微控制器(EmbeddedMicroControllerUnitEMCU)。单片机应用系统就是典型的嵌入式系统。单片机以较小的体积、现场运行环境的高可靠性满足了许多对象的嵌入式应用要求。在嵌入式系统中，单片机是最重要也是应用最多的智能核心器件。

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3.单片机应用系统

单片机应用系统，如果按其系统扩展及配置状况，可分为最小系统、最小功耗系统、典型系统等。单片机最小系统是指单片机嵌入一些简单的控制对象（如开关状态的输入/输出控制等），并能维护单片机运行的控制系统。这种系统成本低，结构简单，其功能完全取决于单片机芯片技术的发展水平。单片机最小功耗系统是指系统功耗最小。其系统框图如图1-1所示。10图1-1单片机典型应用系统11

4．单片机的发展趋势

(1)微型化早期单片机大量使用双列直插式封装，现在单片机采用了各种符合贴片工艺的封装，大大减小芯片的体积，为嵌入式系统提供了可能。

(2)低功耗新型单片机的功耗越来越小，特别是很多单片机都设置了多种工作方式，包括等待、暂停、睡眠、空闲、节电等工作方式。扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作是当今单片机发展的目标之一。目前，一般单片机都可在3.3～5.5V的条件下工作，一些厂家甚至生产出可以在2.2～6V条件下工作的单片机。

(3)高速化早期MCS-51单片机的典型时钟为12MHz，目前西门子公司的C500系列单片机的（与MCS-51兼容）时钟频率为36MHz；EMC公司的EM78系列单片机的时钟频率高达40MHz；现在已有更快的32位100MHz的单片机产品出现。

(4)集成更多资源新型单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一些常用的电路，例如，定时器、比较器、A/D转换器、D/A转换器、串行通信接口、Watchdog看门狗电路、LCD控制器等。有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部网络控制模块，甚至将网络协议固化在其内部。

12(5)通信及网络功能加强在某些单片机内部由于封装了局部网络控制模块，因此这类单片机十分容易构成网络。特别是在控制系统较为复杂时，构成一个控制网络十分有用。目前，将单片机嵌入式系统和Internet连接起来已是一种趋势。

(6)专用型单片机发展加快专用型单片机具有最大程度简化的系统结构，资源利用率最高，大批量使用有着可观的经济效益。1314

1.1.4单片机的主要生产厂商及产品

1．单片机的主要生产厂商及产品在国际上影响较大的公司及其产品如表1-1所示。公司典型产品系列IntelMCS-48、MCS-51、MCS-96系列Philips与MCS系列兼容的51系列MotorolaMC68系列TMEL与MCS系列兼容的51系列MicrochipPICl6C5X系列ZilogZ8系列表1-1单片机主要生产厂商及产品15

2．单片机主要产品

(1)Intel公司系列单片机

Intel公司的系列单片机可分为MCS-48、MCS-51、MCS-96三个系列。Intel的单片机每一类芯片的ROM根据型号一般有片内掩膜ROM、片内EPROM和外接EPROM三种方式，这是Intel公司的首创，现已成为单片机的统一规范。最近Intel公司又推出了片内带E2PROM型单片机。片内掩膜ROM型单片机适合于已定型的产品，可以大批量生产；片内带EPROM型、外接EPROM型及片内带E2PROM型单片机适合于研制新产品和生产产品样机。16型号程序存储器RAM(B)I/O口线定时器(个×位)中断源晶振(MHz)805l8031无128322×1652～1280514KBR0M128322×1652～1287514KBEPR0M128322×1652～1280528032无256323×1662～1280528KBR0M256323×1662～1287528KBEPROM256323×1662～1280C5180C31无128322×1652～1280C514KBROM128322×1652～1287C514KBEPROM128322×1652～1280C5280C32无256323×1662～1280C528KBR0M256323×1662～1280C5487C5416KBROM256323×1662～2080C5416KBR0M256323×1662～2080C5887C5832KBEPROM256323×1662～20表1-2MCS-51系列单片机性能表17

(2)Philips公司单片机

Philips公司生产与MCS-51兼容的80C51系列单片机，片内具有I2C总线、A/D转换器、定时监视器、CRT控制器（OSD）、“看门狗”（WTD）电路、电源监测和时钟监测等丰富的外围部件。其某些产品工作电压甚至可低至1.8V，并且扩大了接口功能，如设置高速口，扩展I/O数量，增加外部中断源以及将ADC、PWM做入片内。为提高运行速度，时钟频率已达16/24MHz。主要产品有80C51、80C52、80C31、80C32、80C528、80C552、80C562、80C751等。18(3)Motorola公司单片机

Motorola公司的单片机从应用角度可以分成两类：高性能的通用型单片机和面向家用消费领域的专用型单片机。通用型单片机具有代表性的是MC68HCll系列，有几十种型号。专用型单片机性能价格比高，应用时一般采用“单片”形式，原则上一块单片机就是整个控制系统。这类单片机无需外接存储器，如MC68HC05／MC68HC04系列。

(4)ATMEL51系列单片机

ATMEL公司生产的CMOS型51系列单片机，具有MCS-51内核，用FlashROM代替ROM作为程序存储器，具有价格低、编程方便等优点。例如89C51就是拥有4KBFlashROM的单片机。ATMEL公司生产的单片机主要有89C51、89F51、89C52、89LV52、89C55等。

(5)Microchip公司的单片机

Microchip公司推出了PICl6C5X系列的单片机。它的典型产品PICl6C57具有8位CPU、2KB×l2位E2PROM程序存储器、80BRAM、1个8位定时器/计数器、21根I/O口线等硬件资源。指令系统采用RISC指令，拥有33条基本指令，指令长度为12位，工作速度较高。主要产品有PICl6C54、PICl6C55、PICl6C56等。

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(6)Zilog公司的单片机

Zilog公司推出的Z8系列单片机是一种中档的8位单片机。它的典型产品为Z8601，具有8位CPU、2KBROM、124BRAM、2个8位定时器/计数器、32位I/O口线、1个异步串行通信口、6个中断向量等。主要产品型号有Z8600／10、Z8601／11、Z86C06、Z86C21、Z86C40、Z86C93等。2021

1．MCS-51系列单片机按照系列分类

(1)8031/8051/8751(2)8032/8052/8752(3)80C31/80C51/87C51(4)其它系列产品有80C52、80C54、80C58等。1.1.5MCS-51系列单片机的分类22

2．MCS-51系列单片机按照功能分类

(1)基本型基本型主要有8031、8051、8751、8031AH、8051AH、8751AH、8751BH、80C31BH、80C51BH、87C51BH等。

(2)增强型

①增大内部存储器型

该型产品将内部的程序存储器ROM和数据存储器RAM增加一倍。如8032AH、8052AH、8752BH等，内部拥有8KBROM和256BRAM，属于52子系列。23②可编程计数阵列（PCA）型型号中含有字母“F”的系列产品，如80C51FA、83C51FA、87C51FA、83C51FB、87C51FB、83C51FC、87C51FC等，均采用CHMOS工艺制造，具有比较捕捉模块及增强的多机通信接口。

③A/D型该型产品如80C51GB、83C51GB、87C51GB等具有下列新功能：8路8位A/D转换模块，256B内部RAM、2个PCA监视定时器，增加了A/D和串行口中断，中断源达7个，具有振荡器失效检测功能。241.2计算机中数的表示方法

1.2.1进位计数制及其转换

(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。在计算机内部，数的表示仅采用二进位计数制，即计算机内部处理的数据（数值数据、字符、图形、声音等）必须用0、1的代码表示，计算机能够理解的语言也只能是由0、1构成的语言。而用户在书写时则是可以采用任何进制形式的数来表示的。25

1.十进制数转换为二进制数

需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

[例1.1]

将十进制数25转换成二进制数。解：26(2)十进制小数转换为二进制小数

[例1.2]

将十进制数0.8125化成二进制数。解：当十进制小数不能用有限位二进制小数精确表示时，可根据精度要求，采用“零舍一入”的方法，取有限位二进制小数近似表示27

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。

[例1.3]

把二进制数11001.0101转换为十进制数。

解：

因此：(11001.0101)2＝(25.3125)10任意进制数与十进制数转换的一般方法如下所示。

28因此：(11001.0101)2＝(25.3125)10任意进制数与十进制数转换的一般方法如下所示。

293.二进制数与十六进制数的相互转换

[例1.4]把二进制数10110011.0101111转换成十六进制数。解：分组：1011，0011，0101，1110

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。30[例1.5]

把十六进制数3BD.A5转换成二进制数。因此：(3BD.A5)16＝(1110111101.10100101)2

(已去掉最左边没有意义的0）

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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，所以一般用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

3A0BH ；表示十六进制数

2048D ；表示十进制数331.2.2机器数计算机中的数据简称为机器数，一个完整的机器数应能表示无符号数和符号数。对于一个长度为n位的机器数而言，若表示无符号数时，其n位应全部用于表示数值。如：

若表示符号数时，其最高位用于表示数的符号（用0表示正数，用1表示负数，这样的处理称为数字符号的数字化表示），其余的n-1位用于表示数值。如：34

无论是无符号数，还是符号数，都是计算机能够直接处理的两种数据。在计算机中对于符号数有不同的编码方式，通常采用两种编码表示：原码、补码。

1.原码最高位为符号位（正数用0，负数用1），其他位为数值位，称为符号数的原码表示。

[例1.6]X＝+45＝+00101101B [X]原＝00101101B

X＝-45＝-00101101B [X]原＝10101101B

2.补码

正数的补码与原码相同，即符号位用0表示，数值位不变；负数的补码则是符号位取1，数值位逐位取反，末位加1。35

[例1.7]X＝+45＝+00101101B [X]补＝00101101B

X＝-45＝-00101101B [X]补＝11010011B

3.补码数的表示范围一个n位二进制补码数的表示范围是：

-2n-1≤N≤2n-1-1

当n=8时数的表示范围是：-128≤N≤+127

当n=16时数的表示范围是：-32768≤N≤+32767

如果两个8位二进制补码数的运算结果超过-128≤N≤+127，或者两个16位二制补码数的运算结果超过-32768≤N≤+32767，则称为运算结果溢出。

361.2.3常用名词术语及字符的表示

1.常用的名词术语

(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。位用b表示。

(2)字节（Byte）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）及字长字是计算机内部进行数据传递、数据处理的基本单元。一个字所包含的二进制位数称为字长。字用W表示。在一般的微机中定义一个字长为2个字节。

2.ASCII码计算机在处理信息时，有时需要处理字符或字符串，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ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）。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。[例1.8]

写出字符0、9、A及a的ASCII码值。解：通过查附录A表，字符0、9、A及a的ASCⅡ码值依次为30H、39H、41H、61H。3738

3.BCD码

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，表示规律如表1-4所示。

[例1.9]

写出十进制数314.78所对应的BCD码值。解：[314.78]所对应的8421BCD码值为：001100010100.01111000391.3计算机语言

1.3.1机器语言一条机器指令通常由操作码和操作数两部分构成，操作码在前，操作数在后。其格式为：

操作码指出计算机所执行的是何种操作，即该指令的功能；而操作数则指出在指令操作过程中所需的操作数据，即操作对象。在指令中可以直接给出操作数本身或者操作数存放的地址，以及操作结果送往何处等信息。

操作码操作数40

机器语言有以下特征：

(1)是唯一的能够被计算机直接识别并执行的语言。

(2)是由0、1代码构成的语言，和自然语言相差甚远，不便于阅读和理解。

(3)是面向机器的语言（低级语言）。41

1.3.2汇编语言为了克服机器指令的上述缺点，采用容易记忆的英文符号名（称为助记符）来表示指令和数据及地址，例如,用ADD、SUB、JMP等英文文字或其缩写形式取代原来的二进制操作码，来表示加、减、转移等操作。这种用助记符来表示的机器指令，称为汇编指令。汇编指令：又称为符号指令，是机器指令符号化的表示。汇编语言：是由汇编指令、汇编伪指令及汇编语言的语法规则组成。42

汇编语言源程序：按照严格的语法规则用汇编语言编写的程序，称为汇编语言源程序或源程序。汇编程序：由于计算机不能直接识别和执行汇编语言源程序，因此需要把汇编语言源程序要翻译成机器语言程序才可以由计算机执行。这个翻译的过程称为“汇编”，这种把汇编语言源程序翻译成目标程序的语言加工程序称为汇编程序。汇编程序进行翻译的过程叫做汇编。其过程如下：43依上所述，汇编语言有以下特征：

(1)机器指令中使用助记符，较接近自然语言，容易编