第一章 认识单片机

嵌入式系统开发与设计教师：王楚月第一章认识单片机1.1计算机的诞生与发展1.2计算机的基本结构

1.3计算机的数制与编码1.4单片机的基础知识1.1计算机的诞生与发展1946-1958:第一代电子管计算机。磁鼓存储器，机器语言汇编语言编程。世界上第一台通用计算机ENIAC。1958-1964:第二代晶体管计算机。磁芯作主存储器,磁盘作外存储器，开始使用高级语言编程。1964-1971:第三代集成电路计算机。使用半导体存储器，出现多终端计算机和计算机网络。1971-1980:第四代大规模集成电路计算机。出现微型计算机、单片微型计算机，外部设备多样化。1981-:第五代人工智能计算机。模拟人的智能和交流方式。1、计算机发展/124/ENIAC长30.48米，宽6米，高2.4米，占地面积约170平方米，30个操作台，重达30英吨，耗电量150千瓦，造价48万美元。它包含了17,468根真空管（电子管）7,200根晶体二极管，1,500个中转，70,000个电阻器，10,000个电容器，1500个继电器，6000多个开关，计算速度是每秒5000次加法或400次乘法，是使用继电器运转的机电式计算机的1000倍、手工计算的20万倍。1.1计算机的诞生与发展电子管1.1计算机的诞生与发展晶体管1.1计算机的诞生与发展电子器件发展1.1计算机的诞生与发展（1）运算速度快,计算能力强（2）计算精度高（3）具有记忆功能（4）具有逻辑判断功能（5）高度自动化2、计算机特点1.1计算机的诞生与发展微型化─便携式、低功耗巨型化─尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高速度智能化─模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力网络化─网络计算机和信息高速公路多机系统─大型设备、生产流水线集中管理(独立控制、 故障分散、资源共享)3、计算机发展趋势1.1计算机的诞生与发展1.2计算机的基本结构1、硬件系统1.2计算机的基本结构1.2计算机的基本结构（1）中央处理器

中央处理器（Central

Processing

Unit，CPU）主要包括运算器（ALU）和控制器（CU）两大部件，是计算机的核心部件。主要指标有：CPU字长运算速度工作频率①

运算器：是进行算术运算和逻辑运算的部件：与、或、非。②

控制器：从内存储器中取出指令并对指令进行分析、判断，并根据指令发出相应的各种控制信号，使计算机的有关设备或电子器件有条不紊地协调工作，保证计算机能自动、连续地工作。1.2计算机的基本结构（2）存储器

具有记忆能力的部件，用来保存程序和数据。分类：

内存储器和外存储器按位置分有内存（或主存）和外存。前者暂时存储，速度快，容量小。后者长期存储，速度慢，容量大。操作：

写入操作和读出操作1.2计算机的基本结构（3）输入/输出接口（I/O接口）完成外设与CPU的连接；转换数据传送速度；转换电平；将I/O设备的状态信息反馈给CPU等。常用设备：（输入）鼠标、键盘、扫描仪等。（输出）显示器、打印机等。1.2计算机的基本结构（4）总线（Bus）总线是将CPU、存储器和I/O接口等相对独立的功能部件连接起来，并传送信息的公共通道。数据总线DB（DataBus）：双向通信总线。地址总线AB（AddressBus）：单向通信总线。控制总线CB（ControlBus）：单向通信总线。1.2计算机的基本结构AB

即Address

Bus；又称：位址总线，是由

CPU

或有

DMA

能力的单元，用来沟通这些单元想要存取(读取/写入)电脑内存元件/地方的实体位址。DB（DataBus）：数据总据总线，用于传送数据信息。数线是双向三态形式的总线，即它既可以把CPU的数据传送到存储器或输入输出接口等其它部件，也可以将其它部件的数据传送到CPU。CB（ControlBus）：控制总线。控制总线主要用来传送控制信号和时序信号。控制信号中，有的是微处理器送往存储器和输入输出设备接口电路的，如读/写信号，片选信号、中断响应信号等；也有是其它部件反馈给CPU的，比如：中断申请信号、复位信号、总线请求信号、限备就绪信号等。1.2计算机的基本结构2、软件系统（1）系统软件

系统软件通常是用来有效地运行计算机系统、给应用软件开发与运行提供支持、为用户管理与使用计算机提供方便的一类软件。主要有操作系统、各种程序设计语言及其解释、编译系统以及数据库管理系统。（2）应用软件

应用软件是指利用计算机及系统软件为解决各种实际问题而编制的、具有专门用途的计算机程序。主要有各种字处理软件、各种用于科学计算的软件包、计算机辅助软件、各种图形软件等。1.2计算机的基本结构3、微机和单片机的概念微机：微处理器加上同样采用大规模集成电路制成的用于存储程序和数据的存储器，以及与输入输出设备相衔接的输入输出接口电路就构成了微型计算机(Microcomputer)。单片机：如果将微处理器、存储器和输入输出接口电路集成在一块集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。

1.2计算机的基本结构(1)PC机：PC机系统全力实现海量高速数据处理，兼顾控制功能。(2)单片机：单片机系统全力满足测控对象的测控功能，兼顾数据处理能力。形成两大分支：1.2计算机的基本结构1、位（Bit）：2、字、字长、字节只有“1”和“0”

，计算机所能表示的最小数据单位。CPU通过内部数据总线一次存取、加工和传送的数据长度称为字；通常一个16位二进制数（2个字节）称为一个字，四个字节称为双字。字（Word）：1.3计算机的数制与编码字节（Byte）：一个8位二进制数称为一个字节，数据处理的最小单位，即以字节为单位存储和解释信息。1KB=210=1024Bytes（字节）1MB=210KB=220字节=1048576（字节）1GB=210MB=230字节=1073741824（字节）1TB=210GB=240字节=1099511627776（字节）

字长（WordLength）：

指字的二进制数的位数。是计算机一次所能处理的实际位数的长度,是衡量性能的重要指标。8位微处理器的字长为8位,每个字由1个字节构成16位微处理器中,每个字由2个字节构成32位微处理器中,每个字由4个字节构成64位微处理器中,每个字由8个字节构成1.3计算机的数制与编码3、指令（Instruction）：

是计算机能够识别和执行的操作命令。一条指令，通常包括两方面内容：操作码和地址码。其中，操作码用来表征一条指令的操作特性和功能；地址码给出参与操作的数据在存储器中的地址。4、指令系统（Instructionset）：

是计算机能够识别和执行的全部指令的集合。指令系统一般都包括以下几大类指令：（1）数据传送类指令。（2）运算类指令，包括算术运算指令和逻辑运算指令。（3）程序控制类指令，主要用于控制程序的流向。（4）输入/输出类指令，简称I/O指令，这类指令用于主机与外设之间交换信息。5、程序（Program）：

是指令的有序集合。是一组为完成某种任务而编制的指令集合。1.3计算机的数制与编码1.3.1数制数制：是按进位原则进行计数的一种方法，即进位计数制。十进制数（1）记数符号：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9；书写时用“D”作后缀（一般省略）。（2）进位原则：“逢十进一”。（3）按权展开式：1.3计算机的数制与编码二进制数（1）记数符号：0、1；书写时用“B”作后缀。（2）进位原则：“逢二进一”；（3）按权展开式：1.3计算机的数制与编码八进制数（1）记数符号：0、1、2、3、4、5、6、7；书写时用“O”作后缀。（2）进位原则：“逢八进一”；（3）按权展开式：1.3计算机的数制与编码八进制数（1）记数符号：0、1、2、3、4、5、6、7；书写时用“O”作后缀。（2）进位原则：“逢八进一”；（3）按权展开式：十六进制数（1）记数符号：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F；书写时用“H”作后缀。（2）进位原则：“逢十六进一”；（3）按权展开式：1.3计算机的数制与编码记住：十六进制与十进制、十六进制与二进制对应关系。1.3计算机的数制与编码1.3.2数制之间的相互转换1.二进制及其他进制转换为十进制数二进制、八进制和十六进制转换十进制的方法是：将二进制、八进制或十六进制写成按权展开式，然后各项相加，则得相应的十进制数。【例】把二进制数10101.1011B转换成相应的十进制数。解：10101.1011B

＝1×24＋0×23＋１×22＋0×21＋1×20

＋1×2-1＋1×2-3＋1×2-4

＝21.6875D1.3计算机的数制与编码2.十进制数转换成二进制数十进制数据转换成二进制数是将整数部分按“除2倒读余数法”的原则进行转换；小数部分按“乘2顺读整数法”的原则进行转换。【例】把十进制数15.625转换成为对应二进制数。解：所以十进制数15.625＝1111.101B1.3计算机的数制与编码3.二进制数与十六进制数相互转换二进制数转换成十六进制数时，从小数点开始，分别向左、向右每4位二进制数划为一组，整数部分不足4位前面添0，小数部分不足4位后面添0，然后每一组（4位二进制数）用1位十六进制数代替（4位二进制数与1位十六进制数对应关系见表），小数点位置保持不变。

【例】二进制数1111000111.100101B转换成为十六进制数。解：

1111000111.100101B＝001111000111.10010100B

＝3C7.94H1.3计算机的数制与编码3.二进制数与十六进制数相互转换十六进制数转换成二进制数时，1位十六进制数用4位二进制数来替换，小数点位置保持不变。【例】将十六进制数2F5.CH转换成为二进制数解：

2F5.CH＝001011110101.1100B

＝1011110101.11B4.十进制数转换十六进制数先将十进制数转换成二进制数，再将二进制数转换成十六进制数。1.3计算机的数制与编码1.3.3二进制数的算术运算1．加法运算加法规则：

0＋0＝0；0＋1＝1；1＋0＝1；1＋1＝10进位原则：逢二进位。【例】求0111B与0110B之和。解：0111……（7）

＋）0110……（6）

1101……（13）∴0111B＋0110B＝1101B1.3计算机的数制与编码2．减法运算减法规则：

0－0＝0；1－0＝1；1－1＝0；0－1＝1（借位）【例】求1110B－0101B＝？解：1110……（14）

－）0101……（5）

1001……（9）∴1110B－0101B＝1001B1.3计算机的数制与编码3．乘法运算在计算机系统中，都是将乘法作为连续的加法来执行。其中，自身相加的数为被乘数，相加的次数为乘数。【例】求1101B×11B＝？解：1101B×11B＝1101B＋1101B＋1101B

＝100111B 4．除法运算除法可以归结为连续的减法，即从被除数中不断地减去除数，所减的次数是相除的商，而剩下的值则是相除的余数。注意：因为减法可以转换为加法（见二进制数补码的加减运算），所以除法也能转换成加法。这样，二进制数的加、减、乘、除都可以转换加法运算。1.3计算机的数制与编码1.3.4二进制数的逻辑运算1．逻辑与运算

运算规则

0∧0＝0；0∧1＝0；1∧0＝0；1∧1＝1

记忆口诀：有0为0，全1为1。2．逻辑或运算

运算规则

0∨0＝0；0∨1＝1；1∨0＝1；1∨1＝1

记忆口诀：有1为1，全0为0。1.3计算机的数制与编码3．逻辑异或运算

运算规则

0⊕0＝0；0⊕1＝1；1⊕0＝1；1⊕1＝0

记忆口诀：相同为0，不同为1（仅指两位异或运算）。4．逻辑非运算

运算规则

记忆口诀：取反。1.3计算机的数制与编码1.3.5计算机中数的表示与编码1．计算机中数的表示在计算机中，为了运算的方便，数的最高位用来表示正、负数。最高位为“0”表示正数，最高位为“1”表示负数。真值:带“+、－”号的数。机器数:数码化了的带符号数。1.3计算机的数制与编码【例】正数59H真值和机器数表示法。解：真值的表示法：+1011001B或+59H

机器数表示法：01011001B或59H【例】-59H真值和机器数表示法。解：真值的表示法：-1011001B或-59H

机器数表示法：11011001B或D9H1.3计算机的数制与编码微型计算机中一个符号数的机器数的表示方法有原码、反码、补码等三种表示法。原码：用最高位表示符号位，后面各位表示该数的绝对值。（注意：符号位：0代表＋，1代表-)【例】

（＋56）原码＝00111000B＝38H

（－56）原码＝10111000B＝B8H从例题中可以看出：一个负数的原码只要在其对应的正数原码基础上加80H就可以方便地求出其原码。（－56）原码＝（＋56）原码＋80H＝38H＋80H＝B8H1.3计算机的数制与编码反码：正数的反码与原码相同；负数的反码是在其原码的基础上，保留符号位不变，数值位各位取反。【例】

（＋56）反码＝00111000B＝38H

（－56）反码＝11000111B＝C7H从例题中可以看出：一个负数的反码只要在其对应的正数反码（即原码）基础上各位取反就可以方便地求出其反码。而取反的方法也很简单，只要用FFH去减该数即可。

（－56）反码＝FFH-（＋56）原码＝FFH-38H＝C7H1.3计算机的数制与编码补码：正数的补码与原码、反码相同；负数的补码是在其反码的基础上加1即可。【例】

（＋56）补码＝00111000B＝38H

（－56）补码＝（－56）反码＋1＝C7H＋1＝C8H从求反码的方法中可以推导：（－56）补码＝（－56）反码＋1＝FFH-（＋56）原码＋1

＝100H-（＋56）原码＝100H-38H=C8H1.3计算机的数制与编码负数原码、反码、补码求法归纳：（负数）原码＝（对应正数）原码＋80H（负数）反码＝FFH－（对应正数）原码（负数）补码＝100H－（对应正数）原码在计算机系统中，数值一律用补码来表示和存储。原因在于，使用补码，可以将符号位和数值域统一处理；同时，加法和减法也可以统一处理。此外，补码与原码相互转换，其运算过程是相同的，不需要额外的硬件电路。1.3计算机的数制与编码注意：在原码和反码，0有两种表示法，即＋0和－0的表示法不同；而在补码中0的表示法只有一种。1.3计算机的数制与编码2.二进制编码BCD码：用二进制数表示的十进制数称为二进制编码的十进制数。非压缩BCD码：8位码表示1位十进制数（高4位填0）的编码。压缩的BCD码：8位码表示2位十进制数（高4位、低4位各代表一位十进制数）。非法码：4位代码在1010B~1111B范围时。（2个BCD码的运算可能出现非法码，这时要对所得结果进行调整。）1.3计算机的数制与编码ASCII码：美国标准信息交换码（即ASCII码）。字符0～9的ASCII码：30H～39H大写英文字母A～Z的ASCII码：41H～5AH小写英文字母a～z的ASCII码：61H～7AH1.3计算机的数制与编码1.4单片机的基础知识1.4单片机的基础知识1、单片机特点（1）体积小，功耗低，性价比高。（2）可靠性高，抗干扰能力强。因为数据大都在单片机内部传送。（3）使用方便，控制功能强，结构灵活，应用广泛。2、单片机的应用应用5、仪表及传感器1、工控3、办公自动化4、商业2、家电6、医疗设备7、其它1.4单片机的基础知识控制应用：应用范围广泛，从实时性角度可分为离线应用和在线应用。软硬件结合：软硬件统筹考虑，不仅要会编程，还要有硬件的理论和实践知识。应用现场环境恶劣：电磁干扰、电源波动、冲击震动、高低温等环境因素的影响。要考虑芯片等级选择、接地技术、屏蔽技术、隔离技术、滤波技术、抑制反电势干扰技术等。应用空间大：工业自动化、仪器仪表、家用电器、信息和通信产品、军事装备等领域。

单片机的应用特点MCS-51系列单片机简介1、51系列51系列单片机源于Intel公司的MCS—51系列，在Intel公司将MCS—51系列单片机实行技术开放政策之后，许多公司，如Philips、Dallas、Siemens、Atmel、华邦、LG等都以MCS—51中的基础结构8051为基核推出了许多各具特色、具有优异性能的单片机。这样，把这些厂家以8051为基核推出的各种型号的兼容型单片机统称为51系列单片机。Intel公司MCS—51系列单片机中的8051是其中最基础的单片机型号。1.4单片机的基础知识（1）STC89系列STC89系列单片机是深圳宏晶科技公司的产品。它是MCS—51系列的派生产品，具有高速（最高90MHz）、超低功耗、超强抗干扰、加密性强、在系统中可编程、无须编程器和仿真器等特点。

事实上STC是美国公司开发的，技术卖给深圳宏晶科技公司，宏晶现在委托台湾megawin贴牌生产。宏晶自己销售。宏晶科技/1.4单片机的基础知识（2）C8051F系列C8051F系列单片机是Cygnal（已被SiliconLab，即芯科实验室收购）公司的产品。该系列的单片机大部分指令都可以在一个时钟周期内完成，同时还增加了中断源、复位源的数量，带有JTAG接口，可实现在系统编程调试，还可实现捕捉、高速输出及PWM功能，是51单片机中的高端产品。JTAG接口：

JointTestActionGroup，联合测试行动小组，是一种国际标准测试协议（IEEE1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。现在多数的高级器件都支持JTAG协议，如DSP、FPGA器件等。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。)

现在，JTAG接口还常用于实现ISP（In-SystemProgrammable，在线编程），对FLASH等器件进行编程。JTAG编程方式是在线编程，传统生产流程中先对芯片进行预编程现再装到板上因此而改变，简化的流程为先固定器件到电路板上，再用JTAG编程，从而大大加快工程进度。

1.4单片机的基础知识（3）LPC系列LPC系列单片机是PHLIPS公司的产品，是基于51内核的微控制器，每机器周期只要6个时钟，比标准51快一倍；嵌入了掉电检测、模拟、片内RC振荡器等功能，且具有低功耗，成本低的特点。1.4单片机的基础知识2、PIC系列PIC（PeripheralInterfaceController），系列单片机是美国Microchip公司的产品。其最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源的需求也是不同的。

CISC（复杂指令集）结构，数据线和指令线分时复用，即所谓冯·诺伊曼结构。它的指令丰富，功能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度受限，价格亦高。属于CISC结构的单片机有Motorola的M68HC系列、Atmel的AT89系列、台湾Winbond（华邦）W78系列、荷兰Philips的PCF80C51系列等；

RISC（精简指令集）结构，数据线和指令线分离，即所谓哈佛结构。的有Intel8051系列、Microchip公司的PIC系列、Zilog的Z86系列、Atmel的AT90S系列、韩国三星公司的KS57C系列4位单片机、台湾义隆的EM-78系列等。3、AVR系列PIC（PeripheralInterfaceController），系列单片机是美国Microchip公司的产品。其最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源