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MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 MCS-51单片机原理及应用 姜永军 jiangjun_501 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 讲课进度（共32学时） 第一章 微型机算计基础 (4学时) 第二章 MCS-51单片机的结构及工作原理 (6学时) 第三章 MCS-51单片机的指令系统 (6学时) 第四章 汇编语言程序设计 (2学时) 第五章 输入/输出和中断 （4学时） 第六章 MCS-51内部的I/O口、定时器及其应用 （4学时） 第七章 MCS-51单片机外部存储器的扩展 （4学时） 讲课进度及考核方式： MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 考核方式： 闭卷考试 成绩评定： 期末考试： 70 平时（课堂、作业 ） 30 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 第1章 微型计算机基础 掌握： 1、单片机的组成、发展、应用 2、数制及运算基础 了解： 微型计算机的发展 进度安排：4学时 3、微型计算机的基本工作原理 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 1.1 微型计算机的组成、发展 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 一、单片机的定义 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 单片机 单片微型机 Single-Chip Microcomputer MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 计算机的基本组成 CPU ROMRAMT/C I/O1I/O2I/On 总线 计算机基本组成图 CPU ROMRAMT/C I/O1I/O2I/On CPU ROMRAMT/C I/O1I/O2I/On 时钟电路 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 如果把计算机的基本组成部分集成在一个芯片或一 个完整封装的器件内，那么 单 硅 晶 片 CPU存储器 控制电路定时器时钟电路 I / O口 单片机 （P2）单片微型计算机是把微处理器、半导体存储 器、I/O接口和中断系统集成在一块硅片上的具有 完整功能的微型计算机。 （P1）MPU的定义 .单片机的定义： MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 CPU CPU芯片 内存条 存储器接口 存储器芯片 输入输出接口 输入输出接口 芯片 定时计数器 芯片 A/D、D/A 芯片 单板机 印 刷 电 路 板 单板机 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 计算机系统通常由多块印刷电路板制成： 多板机 主板 显卡 声卡 存储器接口 网卡 输入输出接口 内存条CPU MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 单片机、单片机系统、单片机应用系统、单片机开发系统 单片机：是把微处理器、半导体存储器、I/O接口和中断系统 集成在一块硅片上的具有完整功能的微型计算机。又可以称 为微控制器（MCU）。 单片机：分为通用单片机和专用单片机。 单片机系统：单片机芯片其它电路或芯片（硬件）系统 软件， 构成具有一定应用功能的计算机系统。 单片机应用系统：为控制应用而设计，系统和控制对象结合 在一起。 单片机开发系统：单片机系统的开发调试工具：仿真软件、 仿真器、编程器。 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 投币、刷卡洗衣机 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 二、课程的基本内容 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 单 硅 晶 片 CPU存储器 控制电路定时器时钟电路 I / O口 单片机的基本组成图 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 2.课程的基本内容： (1) 单片机的内部结构 (2)定时计数器 (3) I/O口 (4)中断系统 (5)单片机系统扩展 (6)汇编语言编程 学习用底层语言开发简单控制系统的方法 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 三、单片机的发展以及应用前景 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 单片机 单片微型机 Single-Chip Microcomputer 微控制器MCU Micro controller Unit MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 一个简单的单片机控制电路段 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 洗衣机控制原理 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 单片机的发展应运而生 单片机（ MCU）是典型的嵌入式系统 嵌入式系统在微型机时代应运而生 现代计算机技术出现两大分支 （嵌入式、通用） 单片机开创了嵌入式系统独立发展道路 嵌入式系统的本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去 . MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 单片机应用的现实意义 1）智能产品：单片机与传统的机械产品相结合，使传统机 械产品结构简化、控制智能化，构成新一代的机电一体化的 产品。例如传真打字机采用单片机，可以取代近千个机械器 件；缝纫机采用单片机控制，可执行多功能自动操作、自动 调速、控制缝纫花样的选择。 2）智能仪表：用单片机微处理器改良原有的测量、控制仪表 ，能使仪表数字化、智能化、多功能化、综合化。而测量仪 器中的误差修正、线性化等问题也可迎刃而解。 3）测控系统：用单片机可以设计各种工业控制系统、环境控 制系统、数据控制系统，例如温室人工气候控制、水闸自动 控制、电镀生产线自动控制、汽轮机电液调节系统等。 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 4）数控型控制机：采用单片机可提高可靠性，增强其功能、 降低成本。例如在两坐标的连续控制系统中，用805l单片机 微处理器组成的系统代替Z-80组台系统，在完成同样功能的 条件下，其程序长度可减少50，提高了执行速度。 5）智能接口：微电脑系统，特别是较大型的工业测控系统中 ，除外围装置外，还有许多外部通信、采集、多路分配管理、 驱动控制等接口。这些外围装置与接口如果完全由主机进行管 理，势必造成主机负担过重，降低执行速度，如果采用单片机 进行接口的控制与管理，单片机微处理器与主机可并行上作， 大大地提高了系统的执行速度。 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 单片机技术的应用遍布国民经济与人民生活的各个领域 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 单片机实验系统（仿真器） MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 单片机发展概况： 第一阶段（19741976）：单片机起步阶段（Intel 8080） 第二阶段（19761978）：单片机发展阶段（Intel 48系列） 第三阶段（19791982）：8位机成熟阶段（Intel 51系列） 第四阶段（83年后）：16位机和高性能8位机并行阶段 （Phlips 80C51，Intel MCS96系列） 据统计，八位机占全球单片机销量的65。在八位机中，Intel的8051 单片机内核已成为8位单片机事实上的标准。因此，对初学者而言，选择 8051单片机来学习不失为明智的选择。 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 MCS51系列单片机： MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 ATMEL，MicroChip,TI,凌阳（台湾） 现为“飞思卡尔”公司 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 1、Renasas瑞萨电子（日本， M32系列） 2、Freescale半导体(就是原来的摩托罗拉的一个部门） 3、NEC 4、Fujitsu富士 5、Infineon 英飞凌科技 6、Microchip（pic单片机 7、ST 意法半导体 （ARM单片机) 8、TI德州仪器 (MSP430系列， 以Arm为内核的Cortex系列） 9、Atmel(以8051为内核的单片机, 51的扩展AVR：ATmega系列 ) 10、NXF （飞利浦的，LPC系列mcu，实际上是ARM内核) MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 单片机的应用前景（续） 单片机的硬件配置没有通用计算机那么高，例如运 算速度一般只有几兆至几十兆 ，存储器空间也比较 小。虽然单片机微型计算机的性能无法和电脑相比 ，但是单片机具有高可靠性、体积小、实时性、可 塑性强（只要写入不同的程序，同一片单片机能够 完成不同的工作）等诸多特点，而且价格低廉。正 是这些特点，使单片机成为工程师们开发嵌入式应 用系统和小型智能化产品的首选！ 单片机应用前景 广阔，不会被微 型机取代！ MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 AMTEL微控制器市场的惊人增长 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 参 考 书 1.张志良主编,单片机原理与控制技术(第2版）机械工业出版社 2.李群芳编著,单片微型计算机与接口技术电子工业出片社 3.张俊谟编著,单片机教程习题与解答北京航空航天大学出版社 4.李朝青编著,单片机原理及接口技术-北京航空航天大学出版社 参 考 网 址 周立功单片机 单片机学习网站 /jiaoxue/microcomputer/index.asp MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 1.1 微型计算机的运算基础 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 思考 计算机最早的功能是什么？ 计算机为什么采用二进制？ 二进制数在机器中是怎么表示的？ MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 计算机最早是作为一种计算工具出现的，所以它最基 本的功能是对数进行加工和处理。 二进制中只含0和1，使用有两种稳定状态的物理器 件就可表示； 运算规则特别简单； 可进行逻辑运算。 一个具有两种不同的稳定状态并且能相互转换的器件就 可以用来表示1位（bit）二进制数。 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 1.1.1 计算机的数制 十进制ND 十个数码:09、逢十进一。用于计算机输入输出,人机交互。 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。 十六进制NH 十六个数码:09, AF, 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、101H MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 符号集：09 规则：逢十进一。 一般表达式： ND= dn-110n-1+dn-210n-2 +d0100 +d-110-1+ 十进制 例：1234.5=1103 +2102 +3101 +4100 +510-1 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 符号集：0、1 规则：逢二进一。 一般表达式： NB = bn-12n-1 + bn-22n-2 +b020 +b-12-1+ 二进制 例：1101.101=123+122+021+120+12-1+12-3 加权展开式以2为基数，各位系数为0、1。 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 符号集：09、AF 规则：逢十六进一。 一般表达式： NH= hn-116n-1+ hn-216n-2+ h0160+ h-116-1+ 十六进制 例：DFC.8=13162 +15161 +12160 +816-1 展开式以十六为基数，各位系数为09，AF。 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 不同进位计数制对照表 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 1.1.2 计算机中的编码 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 计算机中的编码是指在计算机中用来表示 一个符号的二进制数码。 十进制数的编码BCD码 字符的编码ASCII码 汉字的编码GB2312-80 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 计算机中采用二进制，但二进制书写冗长，阅读不 便，所以在输入输出时人们仍习惯使用十进制。如果计 算量不大，可采用二进制数对每一位十进制数字进行编 码的方法来表示一个十进制数，这种数叫做BCD码。由于 采用BCD码进行运算绕过了二进制、十进制间的复杂转化 环节，从而节省了机器时间。 BCD码有多种形式，最常用的是8421 BCD码，它是用 4位二进制数对十进制数的每一位进行编码，这4位二进 制码的值就是被编码的一位十进制数的值。 十进制数的编码BCD码 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 表1-5 十进制数与BCD码的对应关系 十进制数BCD码十进制数BCD码 000001000010000 100011100010001 200101200010010 300111300010011 401001400010100 501011500010101 601101600010110 701111700010111 810001800011000 910011900011001 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 字符的编码 如英文的大小写字母（A，B，C，a，b，c， ），数字符号（0，1，2，9）以及其他常用符 号（如：？、%、+等）。在计算机中，这些符 号都是用二进制编码的形式表示。 目前，一般都是采用美国标准信息交换码，它 使用七位二进制编码来表示一个符号，通常把它称 为ASCII码。由于用七位码来表示一个符号，故该 编码方案中共有128个符号（27=128）。(P317) MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 计算机要处理汉字信息，就必须首先解决汉字的表 示问题。同英文字符一样，汉字的表示也只能采用二进 制编码形式，目前使用比较普遍的是我国制定的汉字编 码标准GB2312-80，该标准共包含一、二级汉字6763个， 其他符号682个，每个符号都是用14位（两个7位）二进 制数进行编码，通常叫做国标码。 如“啊”的国标码为1110000，1100001。新的国标汉 字库已包括两万多个汉字和字符。 汉字的编码 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 1.1.3 数制之间的转换 二进制、十六进制转换为十进制 二进制转换为十六进制 十进制转换为二进制、十六进制 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 1.1.3 不同进位计数制之间的转换 举例： 1011.1010B=123+121+120+12-1+12-3=11.625 DFC.8H =13162+15161+12160+816-1 = 3580.5 二、十六进制数转换成十进制数 先展开，然后按照十进制运算法则求和。 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 举例： 3AF.2H = 0011 1010 1111.0010 = 1110101111.001B 3 A F 2 1111101.11B = 0111 1101.1100 = 7D.CH 7 D C 二进制与十六进制数之间的转换 24=16 ，四位二进制数对应一位十六进制数。 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 十进制数转换成二、十六进制数 整数转换法“除基取余”： 十进制整数不断除以转换进制基数，直至商为0。每除一次取一 个余数，从低位排向高位。 （1） 39转换成二进制数 39 =100111B 2 39 1 （ b0） 2 19 1 （ b1） 2 9 1 （ b2） 2 4 0 （ b3） 2 2 0 （ b4） 2 1 1 （ b5） 0 （2） 208转换成十六进制 数 208 = D0H 16 208 余 0 16 13 余 13 = DH 0 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 小数转换法 “乘基取整” 用转换进制的基数乘以小数部分，直至小数为0或达到转换精 度要求的位数。每乘一次取一次整数，从最高位排到最低位。 （1） 0.625转换成二进制数 1) 0.625 2 2) 1.250 1 2 3) 0.5 0 0 2 1.0 1 0.625 = 0.101B （2） 0.625转换成十六进制数 0.625 16 = 10.0 0.625 = 0.AH （3） 208.625 转换成十六进制 数 208.625 = D0.AH MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 1.1.4 计算机中有符号数的表示方法 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 由于计算机只能识别0和1组成的数或代码，所以 有符号数的符号也只能用0和1来表示，一般用0表示 正，用1表示负，但由于数值部分的表示方法不同， 有符号数可有三种表示方法，分别叫做原码、反码 和补码。 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 例如：假设某机器为8位机，即一个数据用8位（二进制）来表示，则 ： +23的原码为 00010111 -23的原码为 10010111 其中最高位是符号位，后7位是数值位。 真值 机器数 机器数 真值 问题：无符号数与 带符号数的区别？ 8位二进制原码表示的数字范围： -127 +127 原码 最高位为符号位，数值位部分就是该数的绝对值。 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 例如：+23的反码为 00010111 -23的反码为 11101000 反码表示的数字范围与原码相同。 反码 正数的反码：与原码相同； 负数的反码：原码的符号位不变，数值位按位取反 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 例如： +23的补码为 00010111B -23的补码为 11101001B 8位二进制补码表示的数字范围： -128 +127 补码 正数的补码:与原码相同。 负数的补码：反码末位加1。 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 0的原码、反码、补码 +0原00000000B -0原10000000B +0反00000000B -0反11111111B +0补00000000B -128补10000000B 原码表示简单直观, 但0的表示不唯一， 加减运算复杂。 规定：0000 0000B为0， 1000 0000B不是0，而 是-128 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 已知(X)补=11101110B，求X的原码和真值。 课堂作业 解：X为一负数，原码为数值部分求反加1 (X)原 = 10010010 真值 X = -18 P3 ，“模”的概念 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 1.1.5 定点数与浮点数 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 所谓定点表示法，是指计算机中小数点位置是固定不 变的。 根据小数点位置的固定方法不同，又可分为定点整数 和定点小数表示法。前者小数点固定在数的最低位之后， 后者小数点固定在数的最高位之前。设计算机的字长是 位，则上述两种表示法的格式如下： 定点表示法 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 所谓浮点表示法，是指计算机中的小数点位置不是固定 的，或者说是“浮动”的。为了说明它是怎样浮动的我们 引入“阶码表示法”。对于任何一个二进制数都可表示 为： （k） b 尾数 阶码 浮点数的表示形式： X XXXX X XXXX 阶符 阶码 尾符(数符) 尾码 例： -13x23 浮点表示形式： 0 11 1 1101 阶符 阶码 尾符 尾码 浮点表示法 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 1.1.6 计算机中的运算 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 加法运算 0 00 00 0 1 10 00 01 11 1 1 11 110 10 1 11 11 11111 例如：计算18722。 被加数 10111011B 加数 00010110B 进位 00111110 和 11010001B MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 减法运算 0 00 00 0 1 10 01 1 1 11 10 0 0 01 11 1 例如：计算18722。 被减数 10111011B 减数 00010110B 借位 00000100 差 10100101B MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 乘法运算 0X00X00 0 0X10X11X01X00 0 1X11X11 1 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 除法运算 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 使用补码进行运算，使同一个微处理机中既能运算带符号数 又能运算不带符号的数；两个数的减法可以用加法来实现。 补码运算 X+Y补=X补+Y补 X-Y补=X补+-Y补 在进行带符号数的加减运算时，应把参与运算的数据转换成 补码形式进行运算。当使用8位二进制数表示带符号的数时， 它所能表示的数值范围在(-128)(+127)之间，如果相加结 果超出了这个范围，就会导致错误发生。 如何判断是 否溢出？ MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 （P22）只有当两个同符号相加时才有可能溢出。 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 + B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 C8 C7 C6 C5 C4 C3 C2 C1 C0 S7 S6 S5 S4 S3 S2 S1 S0 OV = C7 C8 C7=C8,OV=0,无溢出 C7=C8,OV=1, 溢出 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 例：（用补码表示形式计算）已知X=11，Y-7，求XY。 解： 11-7=4 XY补X补Y补 11补= 00001011 -7补= 11111001 11补 +- 7补= 1000001004补 真值= 4 C7C81，OV0，无溢出，结果正确。 MCS-51 单片机原理及应用 广东工业大学机电学院 例：（用补码表示形式计