一微型计算机基础课件

1单片机原理及应用徐雁

单片机是什么？

将微处理器、一定容量的存储器、I/O接口电路以及定时/计数器等功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。为什么要学习单片机？学些什么？教学大纲目的1．以高性价比的51单片机为对象，了解微控制器和微处理器的基本原理和设计思想;培养逻辑思维能力;构建和完善知识结构，为解决复杂的实际工程问题奠定基础。2.通过学习初步具备设计单片机应用系统的能力；将知识点与生活实际相联系(如计时器、智能电表、智能手机等），培养学习兴趣和动手实践能力，为后续的实验课和课程设计打好基础。3.根据工程管理方法和原则，讲解复杂工程问题的典型案例,培养学生使用现代工具解决工程实际问题的创新意识和能力。4.注重基础知识和主动学习并重，在学习现有计算机知识的同时，跟踪计算机技术的最新发展，培养发现问题和分析问题以及综合应用知识的能力，逐步树立自主学习和终身学习的观念。课程目标掌握：

1．51单片机系统的基本原理；2.汇编语言程序设计方法；3.基本的接口技术；4.微机整体概念和初步设计方法。了解：嵌入式系统的概念；典型实际应用。培养：

严格的逻辑思维能力；自觉运用计算机技术解决问题的意识。

本课程内容主要教材：

《单片机原理及应用技术》

华中科技大学出版社汪建主编《单片机原理及应用》

清华大学出版社黄勤主编

《MCS51系列单片机原理及应用实验指导书》

西三楼209购买

40学时课堂教学+24学时实验+2周课程设计课堂教学内容1.微型计算机基础2.51单片机基本结构和工作原理3.51单片机指令系统4.汇编语言程序设计5.51单片机存储器扩展技术6.输入/输出与中断系统7.51单片机硬件资源的应用8.51单片机I/O接口技术9.单片机应用系统设计实验课5次实验：结合课堂教学，每次4学时；验证性和自行编程两种实验。1次考试：按要求限时完成设计功能；汇编程序设计和实际操作。

课程设计设计实现一个具有实用功能的小系统可选做，可自定

自行设计，一人一组网上报名

有关本课程学习的几点建议4.听课、复习、作业、实验和设计环环都重要用科学的方法学习2.是一门实践性、应用性很强的课程仅听懂不够,重在培养动手能力3.硬件/软件同样重要、不可偏废

硬件是骨架，软件是灵魂1.前期基础课程：数字电路与微机原理

这方面知识需温习第一章微型计算机基础计算机发展概述1.1单片机概述1.2单片机特点及应用领域1.3单片机应用系统开发简介1.4数制与码制1.521.1计算机的发展概述1.1.1电子计算机的问世及其经典结构

1946年2月15日，第一台电子数字计算机问世.12开创了计算机科学技术的新纪元，对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响。美籍匈牙利数学家冯·诺依曼在方案的设计上做出了重要的贡献。1946年6月，他又提出了“程序存储”和“二进制运算”的思想，进一步构建了计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成这一计算机的经典结构。1.1计算机的发展概述131.1计算机的发展概述冯·诺依曼结构哈佛结构？1.1计算机的发展概述5电子计算机技术的发展，相继经历了五个时代：﹡电子管计算机；﹡晶体管计算机；﹡集成电路计算机；﹡大规模集成电路计算机；﹡超大规模集成电路计算机。

计算机的结构仍然没有突破冯·诺依曼提出的计算机的经典结构框架。1.1计算机的发展概述15微型计算机系统硬件微型计算机（主机）微处理器

(CPU)软件外围设备运算器控制器主存储器

RAMROM外部设备辅助设备

输入设备(键盘、扫描仪、语音识别等)

输出设备(显示器、打印机、绘图仪等)输入/输出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC…)

总线(AB、DB、CB)系统软件(操作系统，编辑、编译程序，故障诊断,监控程序…)应用软件(科学计算，工业控制，数据处理…)程序设计语言(机器语言、汇编语言、高级语言)电源电路时钟电路1.1计算机的发展概述161.1.2微型计算机的组成及其应用形态一、微型计算机的组成

1971年，INTEL公司的与日本商业通讯公司合作研制台式计算器时，将原始方案的十几个芯片压缩成3个集成电路芯片。其中的2个芯片分别用于存储程序和数据，另一芯片集成了运算器和控制器及一些寄存器，称为微处理器（即Intel4004）。4004微处理器1.1计算机的发展概述17

微处理器、存储器加上I/O接口电路组成微型计算机。各部分通过地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）相连。三种总线的作用?1.1计算机的发展概述18二、微型计算机的应用形态从应用形态上，微机可以分成三种：

◆多板机（系统机）

将CPU、存储器、I/O接口电路和总线接口等组装在一块主机板（即微机主板）。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软/硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机）。工业PC机也属于多板机。1.1计算机的发展概述19

◆单板机

将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在ROM中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。单板机1.1计算机的发展概述20单板机的I/O设备简单，软件资源少。主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统。

◆单片机在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。三种应用形态的比较：单板机单片机系统机（多板机）1.1计算机的发展概述21

系统机（桌面应用）属于通用计算机，主要应用于数据处理、办公自动化及辅助设计等广泛领域。

单片机（嵌入式）属于专用计算机，主要应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统。

单片机体积小、价格低、可靠性高，其嵌入式应用形态具有独特的优势。1.1计算机的发展概述221.2单片机概述1.2.1单片机的发展过程

单片机技术发展过程可分为三个主要阶段：

◆单芯片微机形成阶段

1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机。8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。

特点是：存储器容量较小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强。23

◆性能完善提高

1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机：8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。

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经典机种。

1.2单片机概述24

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。“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。

1982年，Intel推出MCS-96系列单片机。芯片内集成：16位CPU;8K字节ROM;

232字节RAM;5个8位并口;

1个全双工串行口;2个16位定时/计数器;

8路10位ADC;1路PWM输出等1.2单片机概述251.2.2单片机产品近况

﹡ATMEL公司融入Flash存储器技术的AT89系列；

﹡Philips公司的80C51、80C552系列；

﹡华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列；

﹡ADI公司的ADμC8xx高精度ADC系列；

﹡LG公司的GMS90/97低压高速系列；

﹡Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列；

﹡Cygnal公司的C8051F系列高速SOC单片机。◆

8051系列单片机产品繁多，主流地位已经形成，近年来推出的与8051兼容的主要产品有：1.2单片机概述26

◆非8051结构单片机新品不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间，主要产品有：

﹡Microchip公司RISC单片机；

PIC系列单片机（8位机）﹡TI公司低功耗单片机；

MSP430F系列单片机（16位机）；*TI公司数字信号处理器（单片）

DSP（32位）；*

ARM公司高集成单片机系列1.2单片机概述271.3单片机的特点及应用领域

51系列单片机的特点

近期推出的单片机产品，内部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式等方面都有了进一步的增强。◆控制性能好、可靠性高

实时控制性能强：其CPU可以对I/O端口直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。

可靠性高：由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响。28◆体积小、价格低、易于产品化单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对专用场合，可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系；在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少。从而使应用系统的PCB板减小、接插件减少、安装简单方便。1.3单片机的特点及应用领域29单片机的应用领域

◆智能仪器仪表

单片机用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度，使仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。如智能电气测量仪表、智能传感器等。1.3单片机的特点及应用领域30◆机电一体化产品

机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如（足球）机器人、数控机床、自动包装机、验钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。1.3单片机的特点及应用领域31◆工业实时控制单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。如电流、电压、温度、液位、流量等。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产线等。1.3单片机的特点及应用领域32◆分布式系统的前端模块

在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块，系统具有运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一系列优点。1.3单片机的特点及应用领域33◆家用电器

家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。

另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等。1.3单片机的特点及应用领域341.4单片机应用系统开发简介

单片机应用系统的开发

◆硬件设计和软件功能设计是一个实用的单片机应用系统两项任务。完成这一任务的过程称为单片机应用系统的开发。

◆单片机作为一片集成了微型计算机基本部件的集成电路芯片，与通用微机相比，它自身没有开发功能，必须借助开发机（一种特殊的计算机系统）来完成如下任务：

﹡排除应用系统的硬件故障和软件错误；

﹡程序固化到内部或外部程序存储器芯片中。35单片机应用系统传统开发方式有三种方式：仿真器、串行下载、串行调试。利用仿真器开发（仿真器）USB1.4单片机应用系统开发简介36SST公司推出的SuperFLASH存储器，利用这种存储器可以进行高速读写的特点，能够实现在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）功能。 首先在PC机上完成应用程序的编辑、汇编（或编译）、模拟运行，然后实现目标程序的串行下载。1.4单片机应用系统开发简介37串行下载串行调试

Microchip公司推出的RISC结构单片机PIC16F87X中内置有在线调试器ICD（In-CircuitProgramming）功能；配置具有ICSP（In-Circuit

SerialProgramming）功能的简单仿真器和烧写；通过PC机串行电缆就可完成对目标系统的仿真调试。1.4单片机应用系统开发简介381.5 计算机运算基础二进制NB两个数码：0、1,逢二进一 例1101.101B=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-3

加权展开式以2为基数，各位系数为0、1 一般表达式： NB=bn-1×2n-1+bn-2×2n-2+…+b0×20+b-1×2-1+…一、进位计数制39十六进制NH十六个数码0～9、A～F，逢十六进一 例：DFC.8H=13×162+15×161+12×160+8×16-1

展开式以十六为基数，各位系数为0～9，A～F。一般表达式： NH=hn-1×16n-1+hn-2×16n-2+…+h0×160+h-1×16-1+…1.5 计算机运算基础40一.十进制ND有十个数码0～9、逢十进一

十进制用于计算机输入输出，人机交互进位计数制小结：二.二进制NB两个数码:0、1,逢二进一

二进制为机器中的数据形式三.十六进制NH16个数码:0～9,A～F,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、101H1.5 计算机运算基础41二、不同进位计数制之间的转换先展开，然后按照十进制运算法则求和。举例：十六进制数转换成十进制数

进位计数制的一般表达式：

Nr=an-1rn-1+an-2rn-2+…+a1r1＋a0r0＋a-1r-1…＋a-mr-m将r1进制的数转换成r2进制的数：

先展开，然后按r2进制的运算法则求和计算DFC.8H=13×162+15×161+12×160+8×16-1=3580.51011.1010B=1×23+1×21+1×20+1×2-1+1×2-3=11.6251-5 计算机运算基础42十进制数转换成二、十六进制数1.整数转换法“除基取余”从低位排向高位。举例：(1)39转换成二进制数

39=100111B2391（b0）

219 1（b1）

29 1（b2）

24 0（b3）

22 0（b4）

21 1（b5）

0(2)208转换成十六进制数208=D0H16208余01613余13=DH 01.5 计算机运算基础432. 小数转换法：“乘基取整”：从最高位排到最低位。举例0.625转换成二进制数

0.625 ×2 1.251(b-1) 0.25 ×2 0.50(b-2) × 2 1.0 1(b-3)0.625=0.101B1.5 计算机运算基础44二进制与十六进制数之间的转换3AF.2H=0011

1010

1111.0010=1110101111.001B 3AF2.0101B=1011

1000.0101=1111101.11B=0111

1101.1100=7D.CH7DCB8.5H24=16，四位二进制数对应一位十六进制数。举例：1.5 计算机运算基础45三、有符号数的表示方法机器数：机器中数的表示形式真值：机器数所代表的实际数值（一）机器数与真值

举例:一个8位机器数与它的真值对应关系如下：真值：X1=+84=+1010100BX2=-84=

-1010100B

机器数：[X1]机=01010100[X2]机=11010100

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“-”1.5 计算机运算基础46最高位为符号位，0表示“+”，1表示“－”数值位与真值数值位相同 例8位原码机器数：真值： x1=+1010100B x2=－1010100B

机器数： [x1]原=01010100

[x2]原=11010100原码表示简单直观,但0的表示不唯一，加减运算复杂。有符号数三种表示方法：(二)原码(TrueForm)1.5 计算机运算基础47正数的反码与原码表示相同

负数反码符号位为1，数值位为原码数值各位取反（三）反码（One’sComplement）

x=-4： [x]原=10000100 [x]反=11111011

例求8位原码机器数：

x=+4： [x]原=00000100 [x]反=000001001.5 计算机运算基础48（四）补码（Two’sComplement）正数的补码表示与原码相同

负数补码的符号位为1，数值位等于反码加1

例：求8位补码机器数：

x=+4：[x]原=[x]反=[x]补=00000100 x=-4： [x]原=10000100 [x]反=11111011 [x]补=11111100补码表示的优点：

0的表示唯一，加减运算方便，用加法代替减法1.5 计算机运算基础498位机器数表示的真值8位机器数有符号数十六进制二进制无符号数原码反码补码0001…7F80…FEFF……01…127128…254255+0+1…+127-0…-126-127+0+1…+127-

127…-1-0+0+1…+127-128…-2-11.5 计算机运算基础50四.机器数与真值之间的转换

1)X1=+127，X2=-127，求[X]原、[X]补[X1]原=[X1]补=01111111=7FH [X2]原=11111111=FFH [X2]补=10000001=81H

1.真值®机器数

2)X1=+255，X2=-255，求[X]原、[X]补

[X1]原=[X1]补=11111=00FFH [X2]原=11111=80FFH [X2]补=1111111100000001=FF01H 1.5 计算机运算基础51

1) [X1]原=59H， [X2]原=D9H，求真值？ [X1]原=01011001 [X1]原=110110012.机器数®真值

＊ 注意机器数表示（原码、补码）

＊