单片机系统基础知识.ppt

第1章单片机系统基础知识 2学时 目的 了解微处理器 微型计算机 单片机 嵌入式系统 SOC概念了解单片机的发展概况及特点 掌握单片机中的数制表示法重点和难点 带符号数的表示方法及运算补码的概念单片机形态与组成 第1章单片机系统基础知识 1 1概述1 1 1基本概念微处理器微型计算机单片机嵌入式系统SOC1 1 2单片机的发展概况1 1 3单片机的特点和应用1 1 4单片机的系列产品介绍1 2单片机的数制表示法1 3单片机常用逻辑电路简介 微处理器 MPU MicroprocessorUnit 是集成在同一块芯片上的具有运算和控制功能的中央处理器 微处理器不仅是构成微型计算机 单片微型计算机系统 嵌入式系统的核心部件 而且也是构成多微处理器系统和现代并行结构计算机的基础 BACK 微型计算机 由微处理器 大规模集成电路制成的程序存储器和数据存储器 输入 输出设备相连接的I O接口电路构成微型计算机 微型计算机简称MC microcomputer BACK 单片机 单片机是单片微型计算机的简称单片机是把微处理器 CPU 一定容量的程序存储器 ROM 和数据存储器 RAM 输入 输出接口 I O 时钟及其它一些计算机外围电路 通过总线连接在一起并集成在一个芯片上 构成的微型计算机系统 其它名称 微控制器MCU MicroControllerUnit 嵌入式微控制器 EmbeddedMicrocontroller BACK 嵌入式系统 嵌入式系统泛指嵌入于宿主设备的系统中 嵌入的目的主要是用智能化提升宿主设备的功能 嵌入式系统是以应用技术产品为核心 以计算机技术为基础 以通信技术为载体 引入各类传感器 可接入Internet网络 以适应应用环境的机电 电子产品 特点 嵌入式微处理器对实时多任务有很强的支持能力 嵌入式微处理器具有功能很强的存储区保护功能 嵌入式微处理器功耗很低 BACK SOC SOC是片上系统的简称 SOC是一种高度集成化 固件化的系统集成技术 使用SOC技术设计系统的核心思想 就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片中 使用SOC技术设计应用系统时 除了无法集成的外部电路或机械部分以外 其他所有的系统电路全部集成在一起 BACK 1 1 2单片机的发展概况 计算机是应数值计算要求而诞生的 长期以来 电子计算机技术都是沿着满足海量高速数值计算要求的道路发展的 直到20世纪70年代 电子计算机在数字逻辑运算 推理 实际控制方面显露出非凡能力后 在工业控制领域才开始对计算机技术发展提出了与传统海量高速数值计算完全不同的要求 一 单片机的发展阶段 第一阶段 1974 76 初始阶段 以4位单片机为主 功能比较简单 如美国Fairchild公司生产的第一台单片机F8 采用双片形式 功能简单 第二阶段 1976 78 探索阶段 如76年Intel公司生产的MCS 48系列单片机是第一台完全的8位低档单片机 此后各种8位单片机纷纷应运而生 第三阶段 1978 82 完善阶段 提高电路的集成度 增加8位单片机的功能 如在MCS 48基础上推出的高档8位单片机系列MCS 51 第四阶段 1982 90 巩固和发展阶段 巩固发展8位单片机 推出16位单片机 向微控制器发展 强化了智能控制器的特征 如将ADC DAC PWM WDT DMA集成到单片机 第五阶段 1990至今 全面发展阶段 适合不同领域要求的单片机 如各种高速 大存储容量 强运算能力的8位 16位 32位通用型单片机 还有用于单一领域的廉价的专用型单片机 二 单片机技术发展方向 1 主流机型发展趋势2 全盘CMOS化趋势3 RISC体系结构的大发展4 大力发展专用型单片微机5 OTPROM FlashROM成为主流供应状态6 ISP及基于ISP的开发环境7 单片微机中的软件嵌入8 实现全面功耗管理9 推行串行扩展总线 BACK 1 1 3单片机的特点和应用 特点 1 体积小 成本低 运用灵活 性能价格比高 易产品化 研制周期短 能方便构成智能化的控制设备和仪器 2 可靠性高 抗干扰性强 BUS大多在内部 易采取电磁屏蔽 适用温度范围宽 在各种恶劣环境下都能可靠工作 3 实时控制功能强 实时响应速度快 可直接操作I O口 4 可方便地实现多机和分布式控制 提高系统效率和可靠性 应用 1 工业测控 2 智能设备3 家用电器 4 消费类电子产品5 网络与通信的智能接口 BACK 1 1 4单片机的系列产品介绍 1 8051类单片机2 Atmel的AT89系列3 Atmel的AVR系列4 Motorola单片机5 Microchip单片机 BACK Atmel公司的AT89系列单片机 AT89系列单片机不但具有一般MCS 51单片机的所有特性 而且其Flash程序存储器可以用电擦除方式瞬间擦除 改写 写入单片机内的程序还可以进行加密 AT89系列单片机主要有AT89C51 C2051 1051等型号 AT89C51最为实用 它不但和8051指令 管脚完全兼容 而且其片内含有4KBFlash型程序存储器 性价比远高于8751 AT89C2051去掉了P0口和P2口 内部的Flash程序存储器也只有2K 封装形式也由40脚改为20脚 AT89C1051在AT89C2051的基础上 再次精简掉了串口等功能 程序存储器减小到1KB BACK Atmel公司的AVR单片机 Atmel公司的AVR单片机 是增强型RISC 精简指令集 内载Flash的单片机 由于采用增强的RISC结构 使其具有高速处理能力 在一个时钟周期内可执行复杂的指令 AVR单片机工作电压为2 7 6 0V 可以实现耗电最优化 BACK Motorola公司M68HC08系列单片机 M68HC08系列单片机 具有速度快 功能强 价格低 功耗低 指令系统丰富等特点 内部程序存储器采用成熟的Flash存储器技术 编程速度快 可靠性高 单一电源电压供电 片内集成电荷泵 可由单一工作电压在片内产生编程电压 支持在线编程 允许单片机内部运行的程序去改写Flash存储器内容 这样可代替外部电可擦除存储器芯片 减少外围部件 增加嵌入式系统开发的方便性 高频噪声低 抗干扰能力强 BACK MicroChip公司单片机 MicroChip公司的主要产品是PIC16C系列和PIC17C系列8位单片机 CPU采用RISC结构 分别仅有33 35 58条指令 采用Harvard双总线结构 运行速度快 工作电压低 低功耗 有较大的输入 输出直接驱动能力 价格低 能一次性编程 体积小 适用于用量大 档次低 价格敏感的产品 BACK 1 2单片机中的数和编码 1 2 1数制1 2 2数制的转换1 2 3原码 反码 补码1 2 4数的运算1 2 5常用的编码 BACK 1 2 1数制 进位计数制 使用有限个基本数码来表示数据 按进位的方法进行计数 两大要素 基数和位权 二进制 以2为基数的数制 0和1两个数符十进制 以10为基数的数制 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9等10个数符 十进制 以16为基数的数制 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F等16个数符 BACK 1 2 2数制的转换 1101 11B 1 23 1 22 0 21 1 20 1 2 1 1 2 2 13 753BH 3 161 11 160 591A6CH 1 163 10 162 6 161 12 160 6764 1 2 2数制的转换 除基取余法 把一个十进制整数依次除以2 并记下每次所得的余数 1或0 最后所得的余数的组合即为转换的二进制数 第一位余数为LSB最后一个余数为MSB126D 1111110B 1 2 2数制的转换 十进制转换成十六进制与十进制转换成二进制方法一样 只是除数为16而不是2 而余数是0 F中的任一个数 9168D 23D0H 1 2 2数制的转换 乘基取整法 0 318 0 010100010 B 1 2 2数制的转换 101 1011 0110 1010B 7B6AH38AFH 0011 1000 1010 1111B BACK 1 2 3原码 反码 补码 计算机中 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 机器数 数据连同数码化的符号位一起表示的编码数 真值 把机器数实际代表的数称为机器数的真值 机器数有三种表示方法 原码 反码 补码 1 原码 符号位0表示正数 1表示负数 数值位保持原样 8位二进制原码表示的数的范围为 127 127 特点 1 正数的原码与原来的数相同 2 负数的原码为符号位置1 而数值位不变 3 0的原码表示法有两种 即正0和负0 0 原 00000000 0 原 10000000 2 反码 8位二进制反码表示的数的范围为 127 127 1 正数的反码 正数的原码 2 负数的反码 符号位为1 数值位对原码按位求反 3 0在反码中也有两种表示法 正0和负0 0 反 00000000 0 反 11111111 3 补码 8位二进制补码表示的数的范围为 128 127补码计算方法 1 正数的补码 正数的原码 2 负数的补码 反码加1 3 0的补码表示只有一种 0 补 0 补 00000000B 4 比原码多一种组合 即10000000 128 其最高位 1 既表示符号 又表示数值 补码的加法规则是 X Y 补 X 补 Y 补补码的减法规则是 X Y 补 X 补 Y 补补码的符号位作为数值的一部分 可以参加运算 3 补码 求十进制数76 28的运算76的2进制是0100110028的2进制是00011100 28的补码是11100100 3 补码 求十进制数36 52的运算 16 补 11110000 原码 反码 补码之间的关系 对于正数 x 原 x 反 x 补对于负数 x 反 x 原数值位取反 符号位不变 x 补 x 反 1采取求补运算 可以将计算机中的减法运算转换成加法运算 从而节约了计算机的硬件成本 负数的补码如何转换为原码 BACK 1 2 4数的运算 进位 CY 指运算结果最高位D7向更高位有进位或借位 溢出 OV 运算结果超出数的表示范围 128 127 1 加法正数 正数 负数 负数 可能产生溢出 正数 负数 不会溢出 结果总是正确 2 减法 相当于正数 负数 不会有溢出 结果正确 溢出的判断方法 看有没有破坏符号位 即观察CY CS 异或结果为 1 时 OV位置1 即溢出 BACK 1 2 5计算机中常用的编码 1 ASC 码ASC 编码表 AmericanstandardCodeforinformationinterchange美国信息交换标准代码 ASC 码用7位二进制数表示 可表达128个字符 其中包括数码0 9 英文大小写字母 标点符号和控制字符 7位ASC 码分成二组 高3位一组 低4位一组 分别表示这些符号的列序和行序 2 BCD 8421 码 用4位二进制数表示一个十进制数 因共有24 16种组合状态 故可选其中十种编码来表示0 9十个数字 最常用的编码方式称为BCD码 BinarycodedDecimalCode 表十进制与二进制的对照 BCD码加法 逢十进一 若各位的和均在0 9之间 则其加法运算规则完全同二进制数加法的规则一样 若相加后的低4位大于9 或有进位 则应对低4位加6修正 类似 高4位加60H修正 例 BCD码X 59 Y 78 求X YX 01011001Y 01111000 BCD码减法 BCD码减法修正的条件和方法是 低4位向高4位借位 或低4位出现非法码 低4位减6修正 高4位出现非法码 或高4位向更高的借位 高4位减6修正 例如 BCD码X 55 Y 38 求X YX 01010101 Y 00111000 BACK 1 3单片机常用逻辑电路简介 1 3 1基本门电路1 3 2触发器1 3 3寄存器1 3 4计数器1 3 5三态门与缓冲器1 3 6译码器 BACK 1 3 1基本门电路 与门芯片74LS0874LS0974LS1174LS21 或门芯片74LS32 非门芯片74LS04 六反相器 74LS05 集电极开路型六反相器 与非门芯片74LS0074LS1074LS2074LS3074LS01 03 或非门芯片74LS0274LS2774LS25 BACK 1 3 2触发器 1 基本RS触发器 1 3 2触发器 2 D触发器 1 3 2触发器 3 JK触发器 TTL电路JK触发器有74LS70 74LS7274LS73 74LS76 BACK 1 3 3寄存器 1 简单的寄存器常用的有74LS75 74LS175 CC4076等 2 移位寄存器常用的有74LS194 74LS195 74LS164 74LS165 74LS166等 BACK 1 3 4计数器 1 同步计数器4位二进制计数器74161十六进制加法计数器CC4520十六进制加 减计数器74LS19174LS193 1 3 4计数器 2 异步计数器异步十进制计数器74LS29074LS90异步二进制计