第1章 基础知识

1、1 王雅君自动化教研室单片机原理与应用2关于考试考勤考勤 缺勤缺勤1/3的同学不允许考试。的同学不允许考试。课程成绩总评课程成绩总评 0.5期末考试成绩期末考试成绩0.35平时成绩平时成绩+0.15 实验成绩实验成绩 其中平时成绩：考勤作业其中平时成绩：考勤作业+课堂表现课堂表现Email：3提出几个问题：1.什么叫单片机.2. 接口是什么意思.3. 单片机的工作原理.4. 研究的是什么技术.5. 单片机的应用领域.4第一章第一章 微机基础知识微机基础知识1.1 1.1 单片机概述单片机概述1.2 1.2 常用数制和编码常用数制和编码1.3 1.3 数据在计算机中的表示数据在计算机中的表示1.

2、4 1.4 单片机是如何进行控制的单片机是如何进行控制的51.1 1.1 单单片片机概述机概述 1. 1. 微型计算机的组成：微型计算机的组成： 1.1.1 1.1.1 什么叫单片机什么叫单片机67 CPU： 完成运算、移位及控制 ROM: 程序存储器 存储器存储器： RAM: 数据存储器 I/O 接口接口： 实现CPU与I/O通信联络。 外外设设：键盘、显示器、打印机、扫描仪。 总线总线： 实现CPU、存储器、I/O接口之间的通信 地址总线：流通访问存储器或I/O外设的地址信息 数据总线：流通访问存储器或I/O外设的数据信息 控制总线：流通访问存储器或I/O外设的控制信息 82、什么叫单片机

3、 把把中央处理器中央处理器CPUCPU、程序存贮器（、程序存贮器（ROM)ROM)、数据存贮器（、数据存贮器（RAM)RAM)、输入、输入/ /输出（输出（I/O)I/O)接口、系统总接口、系统总线等线等, ,集集成在一个超成在一个超大规模集成电路芯片上大规模集成电路芯片上, ,该芯片称为该芯片称为单片微型计算机简称单单片微型计算机简称单片机片机。 由由于它的结构及功能均按工业控制要求设计，所以于它的结构及功能均按工业控制要求设计，所以又称单片微控制器（又称单片微控制器（single chip Microcontroller）。）。 只只要外加少许电子零件和集成电路便可以构成要外加少许电子零件

4、和集成电路便可以构成一个功能强大的计算机控制系统，故又称单片微型计一个功能强大的计算机控制系统，故又称单片微型计算机（算机（single chip Microcomputer）。）。9单片机单片机10单片机的特点：单片机的特点：1. 结构简单，体积小；2. 性能价格比高；3. 可靠性高；4. 应用范围广泛。11 机器语言机器语言 汇编语言及高级语言汇编语言及高级语言1.机器语言 机器语言是一种用二进制代码“0”和“1”表示指令和数据的最原始的程序设计语言。2.汇编语言汇编语言 汇编语言是一种用助记符来表示的面向机器的程序设计语言。不同的机器使用的汇编语言一般是不同的，这种语言比机器语言直观、易

5、懂、易于记忆。3.高级语言高级语言 高级语言是一种面向过程的，独立于计算机硬件结构的通用计算机语言，例如PASCAL、C等。121.1.2 单片机应用领域1.智能仪器仪表交直流电压电流表交直流电压电流表 单片机具有单片机具有体积小、功耗低、控制功能体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力度、元

6、素、压力等物理量的测量。采用单片等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。各种分析仪）。 数字式测角数字式测角仪仪132 工业控制数控车床数控车床数控线切割机床数控线切割机床 用单片机可以构成形式多样的用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统控制系统、数据采集系统。例如工。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与

7、计算机化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。联网构成二级控制系统等。 143 家用电器 智能冰箱、空调智能冰箱、空调 智能电饭煲智能电饭煲 智能食品配料机智能食品配料机 4 计算机网络和通信领域 手机、电话机 程控交换机 楼宇自动通信呼叫系统 列车无线通信 日常工作中随处可见的移动电话 集群移动通信 无线电对讲机等。155. 医用设备 医用呼吸机医用呼吸机 各种分析仪各种分析仪 监护仪监护仪 超声诊断设备超声诊断设备 病床呼叫系统等等病床呼叫系统等等电池分析仪医用呼吸机麻醉信息管理系统161.1.3 单片机发展历史和趋势1. 单片机发展历史v第一阶段第一阶段（19741976）

8、：）：v 单片机采用双片形式，即需另加其他外围电路才能构成完整的微型单片机采用双片形式，即需另加其他外围电路才能构成完整的微型计算机。计算机。 eg:仙童公司的仙童公司的F8+3851v第二阶段第二阶段（19761978）：）：v 低性能的单片机阶段。单片机由一片芯片构成，性能低。低性能的单片机阶段。单片机由一片芯片构成，性能低。eg: MCS-48(Intel)；8048，8035(I/O少，存贮器容量小少，存贮器容量小)；v第三阶段第三阶段（1978至今）：至今）：v 高性能单片机阶段。高性能单片机阶段。CPU、并行口、串行口、定时器、并行口、串行口、定时器、RAM、ROM、A/D、多级中

9、断处理，、多级中断处理，RAM、ROM容量大，容量大，I/O种类数量多，寻址范围种类数量多，寻址范围大。大。v eg: MCS-518031、Motorola6801、ZilogZ8v第四阶段第四阶段（1982至今）至今）v 8位单片机巩固发展及位单片机巩固发展及16位单片机推出。位单片机推出。eg: MCS-518031 ， MCS-968096（8098）172、单片机发展趋势一、一、CPU功能的增强功能的增强 双双CPU提高处理能力。提高处理能力。 增加数据总线宽度。增加数据总线宽度。 NEC PD7800系列，内部采用系列，内部采用16位数据总线。位数据总线。 采用流水线结构。指令以队

10、列形式出现在采用流水线结构。指令以队列形式出现在CPU中。中。 串行总线。串行总线。SPI、I2C 用三条数据总线代替用三条数据总线代替8位数据总线，减少引线，降低成本。位数据总线，减少引线，降低成本。二、内部的资源增多二、内部的资源增多 加大存贮容量。加大存贮容量。 片内片内EPROMEPROM开始开始EEPROMEEPROM化。鉴于化。鉴于EEPROMEEPROM中数中数 据写入后就能永久保存，因此，有的单片机将它据写入后就能永久保存，因此，有的单片机将它 作为片内作为片内RAMRAM使用，有的甚至作片内通用寄存器。使用，有的甚至作片内通用寄存器。 I/OI/O数量、能力增强（数量、能力增

11、强（驱动能力，传输速度、控制能驱动能力，传输速度、控制能 力力）18三、外围电路内装化三、外围电路内装化四、低功耗化四、低功耗化 将外围常用电路集成到内部，使得内部功能越来越强大。将外围常用电路集成到内部，使得内部功能越来越强大。 MCS-51MCS-51系列的系列的80318031推出时的功耗达推出时的功耗达630mW630mW，而现在的单片，而现在的单片机普遍都在机普遍都在100mW100mW左右，左右， 随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了商基本都采用了CMOS(CMOS(互补金属氧化物半导体工艺互补金属氧化物

12、半导体工艺) )。 80C5180C51就采用了就采用了HMOS(HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺即高密度金属氧化物半导体工艺) )和和CHMOS(CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺互补高密度金属氧化物半导体工艺) )。CMOSCMOS虽然功耗较低，虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOSCHMOS则具备了高则具备了高速和低功耗的特点，这些特征更适合于在要求低功耗象电池供速和低功耗的特点，这些特征更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。电的应用场合。19五、主流与多品种化五、主流与多品种化 现在虽然单片机的品种繁多

13、，各具特色，但仍以现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C5180C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有统的有PHILIPSPHILIPS公司的产品，公司的产品，ATMELATMEL公司的产品和中国公司的产品和中国台湾的台湾的WinbondWinbond系列单片机。系列单片机。目目 录录203、单片机种类：、单片机种类：INTEL公司：公司： 8位：位： MCS-48 MCS-51 16位：位： MCS-96 MCS-196MOTOROLA公司：公司： 68系列系列ZILOG公司：公司： Z8系列系列ATMEL公司：公司： 89系列

14、系列TI公司：公司： MSP系列系列213. 单片机产品介绍单片机产品介绍 单片机已发展几百个系列的上万个机种。教学首选是89C51系列8位单片机。 资源配置子系列片内ROM的设置片内ROM容量片内RAM容量定时器与计数器中断源无ROMEPROME2PROM8X51系列80318051875189514KB128B2X1658XC51系列80C3180C5187c5189c514KB128B2X1658X52系列80328052875289528KB256B3X1668XC25系列80C23280C25287c25289c2528KB256B3X167221.2 1.2 常用数制和编码常用数制

15、和编码* 1.2.1 数制及数制间转换数制及数制间转换 * 1.2.2计算机中常用编码计算机中常用编码 23 1.2.1 数制及数制间转换数制及数制间转换*1. 1. 数制数制计数的进位制计数的进位制*2 2、不同数制之间的转换、不同数制之间的转换242 2、不同数制之间的转换、不同数制之间的转换1 1、二进制、十六进制转化成十进制：、二进制、十六进制转化成十进制：将二、十六进制数按权展开相加即为相应的十进制数。将二、十六进制数按权展开相加即为相应的十进制数。如：如：1101=11101=12 23 3+1+12 22 2+0+02 21 1+1+12 20 0 =13D=13D如：如：1FH

16、=11FH=116161 1+15+1516160 0 =31D=31D2 2、十进制转换成二进制数：十进制转换成二进制数：将十进制数除将十进制数除2 2取余，商为取余，商为0 0止余数倒置。止余数倒置。如：如：11D=1011B11D=1011B 3 3、二进制转换成十六进制数：、二进制转换成十六进制数：将二进制数以小数点为界四位一分，不足补将二进制数以小数点为界四位一分，不足补0 0，用一位十六进，用一位十六进制数代替四位二进制数。制数代替四位二进制数。如：如：1 1 0011 0011 11001100 B= B=0001 0001 00110011 11001100 B= B= 1 1

17、3 3C C H H4 4、十六进制转换成二进制数：、十六进制转换成二进制数：将十六进制数以小数点为界，用四位二进制数代替一位十六将十六进制数以小数点为界，用四位二进制数代替一位十六进制数。进制数。如：如：D D4 4E E H= H=11011101 01000100 11101110 B B2 11 余数余数 2 5 1 2 2 1 2 1 0 0 116 100 余数余数 16 6 4 0 6 25 1.2.2 计算机中常用编码计算机中常用编码1.BCD（Binary Coded Decimal）码）码二十进二十进制码制码2.ASCII（American Standard Code fo

18、r Information Interchange）码）码261. BCD（Binary Coded Decimal）码）码二十进制码二十进制码*BCD码是一种二进制形式的十进制码，也称二十码是一种二进制形式的十进制码，也称二十进制码。它用进制码。它用4位二进制数表示位二进制数表示1位十进制数，最位十进制数，最常用的是常用的是8421BCD码。码。8421BCD码用码用0000H1001H代表十进制数代表十进制数09，运算法则是逢十进一。，运算法则是逢十进一。8421BCD码每位的权码每位的权分别是分别是8，4，2，1，故得此名。，故得此名。例如，例如，1 649的的BCD码为码为0001 0

19、110 0100 1001。27表表 1-2 8421 BCD码表码表十进制数8421BCD码二进制数十进制数8421BCD码二进制数000000000810001000100010001910011001200100010100001 00001010300110011110001 00011011401000100120001 0010 1100501010101130001 0011 1101601100110140001 01001110701110111150001 01011111282. ASCII（American Standard Code for Information I

20、nterchange）码）码ASCII码是一种字符编码，是美国信息交换标准代码码是一种字符编码，是美国信息交换标准代码的简称。它由的简称。它由7位二进制数码构成，共有位二进制数码构成，共有128个字符。个字符。ASCII码主要用于微机与外设通信。当微机与码主要用于微机与外设通信。当微机与ASCII码制的键盘、打印机及码制的键盘、打印机及CRT等连用时，均以等连用时，均以ASCII码码形式进行数据传输。形式进行数据传输。例如，当按微机的某一键时，键盘中的单片机便将例如，当按微机的某一键时，键盘中的单片机便将所按的键码转换成所按的键码转换成ASCII码传入微机进行相应处理。码传入微机进行相应处理。

21、29ASCII码字符表码字符表 高位低位0123456789ABCDEF00000001001000110100010101100111100010011010101111001101111011110000NULSOHSTXETXEOTENQACKDELBSHTLFVTFFCRSOSI1001DLEDC1DC2DC3DC4NAKSYNETBCANEMSUBESCFSGSRSUS2010SP!“#$%&()*+,-。、30110123456789：；?4100ABCDEFGHIJKLMNO5101PQRSTUVWXYZ6110、abcdefghijklmno7111pqrstuvwxy

22、z|DEL30 1.3 数据在计算机中的表示数据在计算机中的表示 1.3.1 有符号数有符号数 1.3.2 无符号数无符号数31 1.3.1 有符号数有符号数v有符号的8位二进制数用最高位D7表示数的正或负，v0代表“+”，1代表“-”，vD7称为符号位，D6D0为数值位。D7D6 D0符号位数值位上述的8位带符号二进制数又有3种不同表达形式，即原码、反码和补码。在计算机中，所有有符号数都是以补码形式存放的。321. 原码原码 一个二进制数，用最高位表示数的符号，其后各位表示数值一个二进制数，用最高位表示数的符号，其后各位表示数值本身，这种表示方法称为原码。本身，这种表示方法称为原码。原码的表示范围是原码的表示范围是-127+127例如例如:X=+1011010B X原原=01011010B；X=-1011010B X原原=11011010B2. 反码反码 正数的反码与原码相同。正数的反码与原码相同。 符号位一定为符号位一定为0，其余位为数值位。，其余位为数值位。 负数的反码符号位为负数的反码符号位为1，数值位将其原码的数值位逐位求反。，数值位将其原码的数值位逐位求反。 反码的表示范围是反码的表示范围是-127+127例如例如:X=-1011010B X 原原=11011010B X 反反=10100101B33