单片机基础知识

第1章单片机基础知识,教学目标1.1单片机概述1.2数的表示方法及数制间的转换1.3二进制的运算1.4微机的码制与编码1.5微机系统的组成与工作原理本章小结思考题与习题,教学目标,通过本章教学，要求学生达到以下目标：1.一般性的了解从微机单片机AT89C51的发展概况，单片机技术未来发展趋势以及单片机广泛应用的领域。2.建立二进制和十六进制的概念。学会二进制、十进制和十六进制数相互转换的方法，熟记016之间二进制、十进制和十六进制数的对应关系及相互转换。,3.熟悉二进制和十六进制数的算术运算及逻辑运算方法。4.了解二进制数原码、反码和补码的表示方法。5.了解BCD码的编码方法、转换关系和加减法运算时出错修正的原因、条件和方法。6.了解ASCII码和查表换算方法。,1.1单片机概述,1.1.1计算机的问世1.1.2计算机经历了五个时代1.1.3微型计算机结构框图及单片机定义1.1.4单片机的发展状况1.1.5单片机的特点及应用领域,1946年情人节，世界上第一台电子计算机诞生,每秒只能运行5千次加法运算,1.1单片机概述,1.1.1计算机的问世,电子管计算机晶体管计算机集成电路计算机大规模、超大规模集成电路计算机智能计算机,ENIACElectronicNumericalIntegrator,1947年贝尔实验室发明了晶体管,第一个半导体集成电路1958年,1.1.2计算机经历了五个时代,计算机,巨型机,微型机,通用微机,单片机,通用单片机,专用单片机,小型机,1.1.3微型计算机结构框图及单片机定义,微型计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成,冯.诺依曼,冯诺依曼体系结构与哈弗体系结构的区别,哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。Microchip公司的PIC系列、摩托罗拉的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和安谋公司的ARM9、ARM10和ARM11，51单片机也属于哈佛结构冯诺伊曼结构也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同，如英特尔公司的8086中央处理器的程序指令和数据都是16位宽。英特尔公司的8086，英特尔公司的其他中央处理器、安谋公司的ARM7、MIPS公司的MIPS处理器也采用了冯诺伊曼结构。评论：哈佛结构和冯.诺依曼结构都是一种存储器结构。哈佛结构是将指令存储器和数据存储器分开的一种存储器结构；而冯.诺依曼结构将指令存储器和数据存储器合在一起的存储器结构。,单片机的定义,单片机是一种把处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口等功能集成到一块芯片上的小而完善的计算机系统。,单片机也被称为微控制（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。,单片机与PC机的比较,单片机芯片,开关输入,LED显示,数码管显示,串行模块,键盘输入,鼠标输入,CRT或LED显示器输出,主机内有CPU、存储器、I/O接口等部件,单片机与PC机的比较,单片机是特殊的计算机,1.1.4单片机的发展状况,1.单片机的发展过程,(1)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：存储器容量小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强。,特点：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。,(2)性能完善提高阶段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。,(3)微控制器化阶段,特点：片内面向测控系统电路增强，使之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。寻址范围64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。,MCS-51系列单片机的缺点：时钟利用率不高。（需要至少12个以上的时钟脉冲才能执行完一条指令）；片内不包含ADC、DAC、WATCHDOG、PWM、CAN控制器等。故现在有些公司对MCS51单片机进行了设计改造，使新一代的MCS-51兼容单片机具有了高速、高效工作的特性，并在51系列芯片中集成了许多新的功能特性（如A/D、D/A等）。,国内人们使用最广泛的是MCS-51系列单片机。因此我们需要学好、掌握MCS51系列单片机技术。,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ADC8xx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,51系列产品繁多，已推出的主要产品有：,非51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，近年来推出的非51系列的主要产品有：,Freescale的飞似卡尔系列8/16/32位单片机Microchip的PIC系列RISC单片机TI的MSP430F系列16位低功耗单片机。,1.1.5单片机的特点及应用领域,1.单片机的特点,(1)控制性能好、可靠性高可对I/O端口直接操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，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。,(2)体积小、价格低、易于产品化应用系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。,2.单片机的应用领域,(1)智能仪器仪表,(2)机电一体化产品,(3)实时工业控制,(4)家用电器,1.2数的表示方法及数制间的转换,1.2.1微型计算机中的常用数制1.2.2数制间的转换1.2.3微型计算机中数的表示方法,1.3二进制数的运算,1.3.1算术运算1.3.2逻辑运算,1.4微机的码制和编码,1.4.1机器数及其真值1.4.2原码、反码和补码1.4.3微型机中常用的编码,计算机处理数据的过程,键盘输入十进制数据,转换成ASCII码,转换成BCD码,转换成二进制码,运算结果,转换成BCD码,转换成ASCII码,1.4.3微型机中常用的编码,一、BCD码,例如：79D0111,1001BCD,用4位二进数表示1位十进制数,BCD码是将每一位十进制数用二进制数编码，它保留了十进制的权，数字则用二进制数表示，因而也称为二-十进制数。一般用标识符BCD表示。BCD码种类较多，如8421码、2421码、余三码等，其中最常用的编码为8421码。,美国标准信息交换码，由ANSI于1961年提出，用7位二进制数表示一个字符，后来扩充到8bit。,二、ASCII码,例如：“0”30H，“A”41H,AmericanStandardCodeforInformationInterchange美国信息互换标准代码,表1.3ASCII码表,29,空,空格,换行,回车,删除,1.5微机系统的组成与工作原理,1.5.1微机系统的组成1.5.2微机基本工作原理,1.5.1微机的组成,1硬件,总线（BUS）：,包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等。通过总线（BUS）将计算机的硬件连接起来。,地址总线AB：单向传送地址信号，宽度由CPU决定。数据总线DB：双向传送数据信号，宽度由CPU决定。控制总线CB：传送由CPU产生的各个控制信号，如RD/WR/RST等信号。,地址总线AB、数据总线DB、控制总线CB，即三总线结构。,微型计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成,冯.诺依曼,微机结构框图,2、软件：分为：系统软件和应用软件系统软件包括：应用软件包括：,1.5.1微机的组成,OS、计算机语言、数据库,各种工具软件和应用系统（如办公软件、游戏软件）等。,1.5.2计算机基本工作原理,1、指令：,2、指令系统：,一种确定的CPU，它可以执行什么操作/可执行多少种操作，完全由CPU设计师确定，用户只能了解、应用这些操作以完成自己的工作。,CPU执行何种操作的命令，由二进码组成，称为机器码。指令由操作码和操作数两部分组成。,规定CPU执行操作的全部命令的集合。,3、程序：,指令按照要求有序排列。,CPU指令：由操作码和操作数两部分组成的二进制代码（机器码）。,指令=操作码操作数,注意：大多数指令为1个或为2个操作数，有些指令没有操作数,操作码：决定CPU做什么及该怎么做；操作数：确定CPU操作的内容。,注意：一条指令的代码长度可以是一个字节（称为单字节令），也可以是多个字节（称为多字节指令）。,CPU执行指令的过程,1）取指令（CPU接收任务）2）译指令（使CPU知道下一步该做什么及该怎么做）3）取操作数（CPU执行对象）4）执行指令（CPU执行任务）5）重复1-4（直至遇到动态停机指令或复位、断电）,7407H;240AH;,编程举例：设计实现Y=7+10,0111010000000111B;0010010000001010B;,指令=操作码操作数,表示将数据07H送到寄存器A的操作。,表示将寄存器A的数据与数据0AH相加并将结果送回至寄存器A的操作。,机器码,7407H;240AH;,编程举例：设计实现Y=7+10,表示将数据07H送到寄存器A的操作。,表示将寄存器A的数据与数据0AH相加并将结果送回至寄存器A的操作。,MOVA,#07H;ADDA,#0AH;,汇编语言指令,用符号写出的二进制代码（机器码），称为CPU的汇编语言。汇编语言与二进码指令一一对应。,指令=操作码操作数,对于MCS-51单片机中的CPU:7407HMOVA,#07H;240AHADDA,#0AH;,表示将数据07H送到寄存器A的操作。表示将寄存器A的数据与数据0AH相加并将结果送回至寄存器A的操作。,机器码,汇编语言指令,一种CPU指令数量与种类的多少及寻址方式的多少，反映了该CPU功能的强弱，但并不是越多越好！,作业,1.21.31.5-31.6-61.15-1、41.16-1、41.20-1、41.21-1、4,本章小结,1.将算术逻辑部件ALU、控制部件CU、寄存器组以及片内总线等集成在同一块芯片上的，具有运算和控制功能的中央处理单元，称为微处理器，简称为CPU或MPU。微型计算机是以CPU为核心，再配上存储器、I/O接口电路及相应的外部设备。微机的组成结构决定了它具有体积小、重量轻、功耗低、结构灵活、价格低廉和应用广泛等特点。,2.按一定的进位原则进行计数的科学方法称为数制。二进制、十进制和十六进制是微机中的常用进制。它们都有各自的特点和运算规则，并且相互可以进行转换。十进制数转换为二进制数采用“除2取余/乘2取整”法，转换为十六进制数采用“除16取余/乘16取整”法；二进制数转换为十进制数可采用“按权相加”法，转换为十六进制数采用“四位合一位”法；十六进制数转换为十进制数亦采用“按权相加”法，转换为二进制数采用“一位分四位”法。,3.BCD码是一种具有十进制权的二进制编码，每位十进制数用四位二进制码来表示。由BCD码构成的数即为BCD数，BCD数运算时的进位原则是逢十进一，其运算结果也应是一个BCD数。ASCII码由7位二进制码构成，因此能表示128个编码。这128个编码分为图形字符和控制字符两类。,4.微机中有符号数的表示可分别用原码、反码和补码表示。正数的原码、反码和补码均相同。负数的原码、反码和补码各不相同。负数的原码的符号位为0，其余数值位保持原样；负数的反码，是将其绝对值的原码按位取反所得。负数的补码等于其反码加1。补码的一个重要特性是：补码减法可以由加法运算实现。,5.微机中数的表示方式有定点数和浮点数之分，分别对应定点机和浮点机。,思考题与习题,1.1什么是单片微型计算机？它与微处理器、微型计算机、微型计算机系统有何区别？1.2单片机的发展分为哪几个阶段？各阶段的特点是什么？1.3AT89系列单片机分为几类？各类的主要技术特点是什么？都有哪些型号？1.4微型计算机中常用的数制有几种？计算机内部采用哪种数制？,1.5十六进制数能被计算机直接执行吗？为什么要用十六进制数？1.6将下列十进制数转换为二进制数和十六进制数。(1)125(2)0.525(3)121.687(4)47.9451.7将下列二进制数转换为十进制数和十六进制数。(1)