第1章单片机原理及应用

1、单片机原理及应用单片机原理及应用l介绍单片机介绍单片机基础知识、发展历史、应用领域及发展趋势基础知识、发展历史、应用领域及发展趋势。l详细介绍详细介绍目前目前流行的流行的51单片机单片机的的代表性机型：代表性机型：美国美国ATMEL公司的公司的AT89C5x/AT89S5x系列单片机。系列单片机。l初步了解初步了解嵌入式处理器嵌入式处理器：单片机，数字信号处理器：单片机，数字信号处理器（DSP）、嵌入式微处理器）、嵌入式微处理器l数的表示方法数的表示方法l不同计数制之间的转换不同计数制之间的转换第第1 1章章 单片机概述单片机概述1.1 什么是单片机什么是单片机一片半导体硅片集成一片半导体硅片

2、集成：中央处理单元（中央处理单元（CPU）、存储器（）、存储器（RAM、ROM）、并行）、并行I/O、串行、串行I/O、定时器、定时器/计数器、中断系统、系统计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线时钟电路及系统总线的微型计算机。的微型计算机。国际上通常把单片机称为国际上通常把单片机称为嵌入式控制器嵌入式控制器或或微控制器微控制器1.2 单片机的分类单片机的分类 u 按按二进制位数二进制位数分类分类1、4位单片机 4位单片机主要用于控制诸如洗衣机、微波炉等家用电器及高 档电子玩具。2、8位单片机 8位单片机是目前单片机中的主流机型。由于8位单片机的功能强、价格低廉、品种齐全，因而被广泛应用于各

3、个领域。 3、16位单片机 4、32位单片机 u 按用途分类按用途分类 1、通用型单片机：将资源全部提供给用户使用，如片内寄存器、存储器、中断系统、定时器/计数器、I/O接口等。 2、专用型单片机：针对各种特殊应用场合而专门设计的单片机。 1.3 单片机的发展历史单片机的发展历史第一阶段第一阶段（1974年年1976年）：单片机年）：单片机初级阶段初级阶段。因工艺限。因工艺限制，单片机采用制，单片机采用双片双片的形式而且功能比较简单。的形式而且功能比较简单。第二阶段第二阶段（1976年年1978年）：年）：低性能单片机阶段低性能单片机阶段。1976年年Intel的的MCS-48单片机（单片机（

4、8位）极大地促进了单片机的变革位）极大地促进了单片机的变革和和发展。发展。第三阶段第三阶段（1978年年1983年）：年）：高性能单片机阶段高性能单片机阶段。1980年，年，Intel公司推出公司推出MCS-51系列，系列， Mortorola推出推出6801单片机，单片机，使单片机的性能及应用跃上新的台阶。使单片机的性能及应用跃上新的台阶。第四阶段第四阶段（1983年现在）：年现在）：8位单片机巩固发展及位单片机巩固发展及16位单片位单片机、机、32位单片机位单片机推出阶段推出阶段。 16位典型产品位典型产品Intel公司公司的的MCS-96系列系列单片机。单片机。1.4 单片机的特点单片机

5、的特点 单片机是单片机是集成电路技术集成电路技术与与微型计算机技术微型计算机技术高速发展的产物。高速发展的产物。体积小、价格低、应用方便、稳定可靠，因此，体积小、价格低、应用方便、稳定可靠，因此，给工业自动给工业自动化等领域带来了一场重大革命和技术进步化等领域带来了一场重大革命和技术进步。（1 1）功能齐全，应用可靠，抗干扰能力强。）功能齐全，应用可靠，抗干扰能力强。（2 2）简单方便，易于普及。）简单方便，易于普及。（3 3）发展迅速，前景广阔。）发展迅速，前景广阔。（4 4）嵌入容易，用途广泛，体积小、性能价格比高，应用灵嵌入容易，用途广泛，体积小、性能价格比高，应用灵活性强活性强等特点在

6、嵌入式微控制系统中具有十分重要的地位。等特点在嵌入式微控制系统中具有十分重要的地位。1.5 单片机的应用单片机的应用 从从工业自动化、自动控制、智能仪器仪表、消费类电子产品工业自动化、自动控制、智能仪器仪表、消费类电子产品等等方面，方面，直到国防尖端技术领域直到国防尖端技术领域，单片机都发挥着，单片机都发挥着十分重要的作十分重要的作用用。1工业检测与控制工业检测与控制：各种测控系统等。2仪器仪表仪器仪表：智能仪器仪表等。3消费类电子产品消费类电子产品：全自动家用电器等。4通讯通讯：调制解调器控制等。5武器装备武器装备：导弹控制等。6各种终端及计算机外部设备各种终端及计算机外部设备：硬：硬盘驱动

7、器控制等。7汽车电子设备汽车电子设备：点火系统控制。8分布式多机系统分布式多机系统1.6 单片机的发展趋势单片机的发展趋势 单片机的发展趋势将是单片机的发展趋势将是多功能、高性能、高速度、低电压、多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、低价格、外围电路内装化以及片内程序存储器和低功耗、低价格、外围电路内装化以及片内程序存储器和数据数据存储器容量不断增大存储器容量不断增大的方向发展。的方向发展。1CPU的改进的改进（1）增加）增加CPU数据总线宽度数据总线宽度。（2）采用）采用双双CPU结构，以提高数据处理能力。结构，以提高数据处理能力。2存储器的发展存储器的发展（1）片内程序存储器普遍采用）片

8、内程序存储器普遍采用闪速（闪速（Flash）存储器）存储器。（2）加大存储容量加大存储容量。3片内片内I/O的改进的改进（1）增加并行口）增加并行口驱动能力驱动能力，以减少外部驱动芯片。，以减少外部驱动芯片。（2）设置）设置特殊的串行特殊的串行I/O功能功能，为，为构成分布式、网络化系统构成分布式、网络化系统提供方便条件。提供方便条件。4低功耗化低功耗化 CMOS化，功耗小，配置有化，功耗小，配置有等待状态、睡眠状态、关闭状等待状态、睡眠状态、关闭状态态等工作方式。消耗电流仅在等工作方式。消耗电流仅在A或或nA量级，适于电池供量级，适于电池供电的便携式、手持式的仪器仪表以及其它消费类电子产品。

9、电的便携式、手持式的仪器仪表以及其它消费类电子产品。5外围电路内装化外围电路内装化 众多外围电路全部装入片内，即众多外围电路全部装入片内，即系统的单片化系统的单片化是目前发展是目前发展趋势之一。趋势之一。1.6.1 MCS-51系列单片机系列单片机MCS是是Intel公司单片机的系列符号，如公司单片机的系列符号，如MCS-48、MCS-51、MCS-96系列单片机。系列单片机。MCS-51系列单片机主要包括系列单片机主要包括 基本型基本型：8031/8051/8751（低功耗型（低功耗型80C31/80C51/87C51）。）。 增强型增强型：8032/8052/8752。1.6 MCS-51

10、系列与系列与AT89C5x系列单片机系列单片机（1 1）基本型）基本型典型产品：典型产品：8031/8051/87518031/8051/8751。80318031内部包括内部包括1 1个个8 8位位CPUCPU、128B RAM128B RAM，2121个特殊功能寄存器个特殊功能寄存器（SFRSFR）、）、4 4个个8 8位并行位并行I/OI/O口、口、1 1个全双工串行口，个全双工串行口，2 2个个1616位位定时器定时器/ /计数器，计数器，5 5个中断源，但个中断源，但片内无片内无程序存储器程序存储器，需外，需外扩程序存储器芯片。扩程序存储器芯片。80518051是在是在8031803

11、1的基础上，片内又的基础上，片内又集成有集成有4KB ROM4KB ROM作为程序存储作为程序存储器。所以器。所以80518051是一个程序不超过是一个程序不超过4KB4KB的小系统。的小系统。ROMROM内的程内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的。序是公司制作芯片时，代为用户烧制的。87518751与与80518051相比，片内集成的相比，片内集成的4KB EPROM4KB EPROM取代了取代了80518051的的4KB 4KB ROMROM来作为程序存储器。来作为程序存储器。（2）增强型）增强型 INTEL公司在基本型基础上，推出公司在基本型基础上，推出增强型增强型-52子系列子系列

12、，典型产品典型产品：8032/8052/8752。内部内部RAM增到增到256B，8052、片内程序存储器片内程序存储器扩展到扩展到8KB，16位定时器位定时器/计数计数器器增至增至3个，个，6个中断源，串行口通信速率提高个中断源，串行口通信速率提高5倍。倍。 表表1-1列出了基本型和增强型的列出了基本型和增强型的MCS-51系列单片机系列单片机片内的基本硬件资源。片内的基本硬件资源。1.6.2 AT89C5x（AT89S5x）系列单片机）系列单片机ATMEL公司公司1994年以年以E2PROM技术与技术与Intel公司的公司的80C51内核内核的使用权进行交换。的使用权进行交换。ATMEL公

13、司的公司的技术优势是闪速（技术优势是闪速（Flash）存储器技术）存储器技术，将，将Flash技术与技术与80C51内核相结合，形成了片内带有内核相结合，形成了片内带有Flash存储器存储器的的AT89C5x/AT89S5x系列单片机。系列单片机。AT89C5x/AT89S5x系列与系列与MCS-51系列系列在原有功能、引脚以在原有功能、引脚以及指令系统方面完全兼容及指令系统方面完全兼容。某些品种某些品种又增加了一些新的功能又增加了一些新的功能，如，如看门狗定时器看门狗定时器WDT、ISP（在系统编程也称在线编程）及（在系统编程也称在线编程）及SPI串行接口串行接口技术等。片技术等。片内内Fl

14、ash存储器允许在线（存储器允许在线（+5V）电擦除、电写入或使用编程）电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。器对其重复编程。AT89C5x/AT89S5x单片机单片机还支持由软件选择的还支持由软件选择的两种两种节电工作节电工作方式方式，非常适于，非常适于低功耗的场合低功耗的场合。与与MCS-51系列的系列的87C51单片机相比单片机相比，AT89C51/AT89S51单片单片机机片内的片内的4KB Flash存储器存储器取代了取代了87C51片内的片内的4KB EPROM。AT89S51片内的片内的Flash存储器可在线编程或使用编程器存储器可在线编程或使用编程器重复编重复编程程 。AT8

15、9S5x的的“S”档档系列机型是系列机型是ATMEL公司继公司继AT89C5x系列之系列之后推出的新机型，后推出的新机型，代表性产品为代表性产品为AT89S51和和AT89S52。基本型。基本型的的AT89C51与与AT89S51以及增强型的以及增强型的AT89C52与与AT89S52的硬的硬件结构和指令系统完全相同。件结构和指令系统完全相同。与与AT89C5x系列相比，系列相比，AT89S5x系列的系列的时钟频率以及运算速度时钟频率以及运算速度有了较大的提高有了较大的提高，例如，例如，AT89S51工作频率的上限为工作频率的上限为24MHz，而而AT89S51则为则为33MHz。AT89S5

16、1片内集成有片内集成有双数据指针双数据指针DPTR，看门狗定时器、具有，看门狗定时器、具有低功耗空闲工作方式和掉电工作方式低功耗空闲工作方式和掉电工作方式。l目前某些目前某些非非51单片机单片机也得到了较为广泛的应用，目前应用较也得到了较为广泛的应用，目前应用较广泛是广泛是AVR系列系列与与PIC系列系列单片机，它们博采众长，具独特单片机，它们博采众长，具独特技术，受到广大设计工程师的关注。技术，受到广大设计工程师的关注。 lAVR系列单片机系列单片机:1997年年ATMEL公司挪威设计中心的公司挪威设计中心的A先生先生与与V先生先生共同研发出的共同研发出的精简指令集精简指令集(RISCRed

17、uced Instruction Set Computer)的的高速高速8位单片机，简称位单片机，简称AVR。lPIC系列单片机系列单片机:美国美国Microchip公司的产品公司的产品1.9 各类嵌入式处理器简介各类嵌入式处理器简介具有各种不同体系结构的处理器，构成了具有各种不同体系结构的处理器，构成了嵌入式处理器家族嵌入式处理器家族，是嵌入式系统的核心。按是嵌入式系统的核心。按体系结构主要分为如下几类体系结构主要分为如下几类：嵌入式微控制器（嵌入式微控制器（单片机单片机）嵌入式数字信号处理器（简称嵌入式数字信号处理器（简称DSP）嵌入式微处理器嵌入式微处理器片上系统（片上系统（SOC）。）

18、。1.9.1 嵌入式微控制器（单片机）嵌入式微控制器（单片机）u将用于测控目的的计算机小系统集成到一块芯片中。将用于测控目的的计算机小系统集成到一块芯片中。一般以一般以某一种微处理器内核为核心某一种微处理器内核为核心，片内集成，片内集成 ROM/EPROM、RAM、总线及总线控制逻辑、定时、总线及总线控制逻辑、定时/计数器、计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash存储器等存储器等各种必要的功能部件和外设。各种必要的功能部件和外设。u单片机最大特点是单片机最大特点是单片化，价廉单片化，价廉，功耗和成本下降、可靠性功耗和成本下降、可靠

19、性提高提高。是目前嵌入式系统工业的主流。是目前嵌入式系统工业的主流。1.9.2 嵌入式嵌入式DSP处理器处理器(DSP)uDSPDSP（Digital Signal Processor)Digital Signal Processor)，擅长于高速实现各种擅长于高速实现各种数字信号处理运算（如数字滤波、数字信号处理运算（如数字滤波、FFTFFT、频谱分析、频谱分析等）等）。由于硬件结构和指令的特殊设计，使其能够高速完成各种由于硬件结构和指令的特殊设计，使其能够高速完成各种数字信号处理算法。数字信号处理算法。u应用于各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终应用于各种带有智能逻辑的消费类产品，

20、生物信息识别终端，实时语音压解系统、数字图像处理等。端，实时语音压解系统、数字图像处理等。u与单片机相比，与单片机相比，DSP的的高速运算能力高速运算能力和和多总线多总线，处理的算处理的算法的复杂度法的复杂度和和大的数据处理流量大的数据处理流量是是单片机单片机不可企及的。不可企及的。1.9.3 嵌入式微处理器嵌入式微处理器l嵌入式微处理器嵌入式微处理器(Embedded MicroProcessor Unit， EMPU)的的基础是通用计算机中的基础是通用计算机中的CPU。l与单片机相比与单片机相比，单片机本身（或稍加扩展）就是一个小的计，单片机本身（或稍加扩展）就是一个小的计算机系统，可独立

21、运行，具有完整的功能。而嵌入式微处理算机系统，可独立运行，具有完整的功能。而嵌入式微处理器仅仅相当于单片机中的器仅仅相当于单片机中的CPU。l嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种一般都做了各种增强。增强。l代表性产品为代表性产品为ARMARM系列系列，ARMARM是是Advanced RISC Machines Advanced RISC Machines 的的缩写，其中缩写，其中RISCRISC是精简指令集计算机的缩写。是精简指令集计

22、算机的缩写。1.9.4 嵌入式片上系统嵌入式片上系统SOC(System On Chip)l随着超大规模集成电路设计技术发展，一个硅片上实现一随着超大规模集成电路设计技术发展，一个硅片上实现一个复杂的系统，即个复杂的系统，即System On Chip(SOC)，即，即片上系统片上系统。l核心思想核心思想是把整个电子系统全部集成在一个芯片中是把整个电子系统全部集成在一个芯片中。l除无法集成的器件外，整个系统大部分均可集成到一块或除无法集成的器件外，整个系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，系统电路板简洁，几块芯片中去，系统电路板简洁，对减小体积和功耗、提对减小体积和功耗、提高可靠性非常有利高

23、可靠性非常有利。lSOC使系统设计技术发生革命性变化使系统设计技术发生革命性变化，标志着一个全新时，标志着一个全新时代到来。代到来。不同计数制之间的转换不同计数制之间的转换1.十进制数十进制数一个十进制数，它的数值是由数码一个十进制数，它的数值是由数码0，1，2，8，9来表示来表示的。数码所处的位置不同，代表数的大小也不同。十进制数的。数码所处的位置不同，代表数的大小也不同。十进制数的权是以的权是以10为底的幂。为底的幂。 例如：例如：53478=5104+3103+4102+7101+8100对应于：对应于：53478万 千 百 十 个十进制104103102101100 2. 二进制数二进

24、制数二进制是按二进制是按“逢二进一逢二进一”的原则进行计数的。二进制数的基的原则进行计数的。二进制数的基为为“2”，即其使用的数码为，即其使用的数码为0、1，共两个。二进制数的权是，共两个。二进制数的权是以以2为底的幂。为底的幂。 例如：例如：10110100=127+026+125+124+023+122+021+020对应于：对应于： (10110100)2127+026+125+124+023+122+021+020进制27 26252423222120 3. 十六进制数十六进制数十六进制数的基为十六进制数的基为16，即基数码共有，即基数码共有l6个：个：0，1

25、，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F。其中。其中A，B，C，D，E，F分别代表值为十进制数中的分别代表值为十进制数中的10，11，12，13，14，15。十六进制的权为以十六进制的权为以16为底的幂。为底的幂。 例如：例如：4F8E=4163+F162+8161+E160=20366对应于：对应于：4EF8十六进制163162161160常用计数制表示数的方法比较常用计数制表示数的方法比较 十进制十进制二进制二进制十六进制十六进制0 00 1 11 2 102 3 113 4 1004 5 1015 6 1106 7 1117 8 10008 9 10019 10 1010

26、A 11 1011B 12 1100C 13 1101D 14 1110E 15 1111F 16 1000010 不同进制数之间的转换不同进制数之间的转换1. 十进制数转换成二进制数的方法十进制数转换成二进制数的方法除二取余法：除二取余法：就是用就是用2去除该十进制数，得商和余数，去除该十进制数，得商和余数，此余数为二进制代码的最小有效位此余数为二进制代码的最小有效位(LSB)或最低位的值；或最低位的值；再用再用2除该商数，又可得商数和余数，则此余数为除该商数，又可得商数和余数，则此余数为LSB左邻的二进制代码左邻的二进制代码(次低位次低位)。依此类推，从低位到高位。依此类推，从低位到高位逐

27、次进行，直到商是逐次进行，直到商是0为止，就可得到该十进制数的二为止，就可得到该十进制数的二进制代码。进制代码。 6722331022216184220012100余数余数余数余数余数余数余数低位高位即：即：(67)10=(1000011)2例如：将例如：将(67)10转换成二进制数，过程如下：转换成二进制数，过程如下：2. 十进制数转换成二进制数的方法十进制数转换成二进制数的方法乘二取整法：乘二取整法：将已知十进制的小数乘以将已知十进制的小数乘以2之后，可能有之后，可能有进位，使整数位为进位，使整数位为1(当该小数大于当该小数大于0.5时时)，也可能没有，也可能没有进位，其整数位仍为零。该整

28、数位的值为二进制小数进位，其整数位仍为零。该整数位的值为二进制小数的最高位。再将乘积的小数部分乘以的最高位。再将乘积的小数部分乘以2，所得整数位的，所得整数位的值为二进制小数的次高位。依此类推，直到满足精度值为二进制小数的次高位。依此类推，直到满足精度要求或乘要求或乘2后的小数部分为后的小数部分为0为止。为止。 例如：将例如：将(0.625)10转换成二进制数，其过程如下：转换成二进制数，其过程如下： 0.625 2 1.250 0.250 2 0.500 0.500 2 1.000 整数部分为 1 就是二进制小数的第一位为 1 整数部分为 0 就是二进制小数的第二位为 0 整数部分为 1 就

29、是二进制小数的第三位为 1 即：即：(0.625)10=(0.101)2 3. 二进制数转换为十进制数的方法二进制数转换为十进制数的方法将二进制数转换成十进制数时，只要将二进制数各位的权将二进制数转换成十进制数时，只要将二进制数各位的权乘以各位的数码乘以各位的数码(0或或1)再相加即可。再相加即可。例如例如：将：将(1101.1001)2制转换成十进制数：制转换成十进制数：(1101.1001)2123+122+021+120+12-1+02-2+02-3+12-48+4+0+1+0.5+0+0+0.0625=(13.5625)104. 二进制与十六进制数之间的转换方法二进制与十六进制数之间的

30、转换方法二进制数转换成十六进制数二进制数转换成十六进制数例如例如：把：把(101101101.1100101)2转换成十六进制数转换成十六进制数。1 0 1 1 0110 1.11110001 0 1 1 0110 1.11110000 0 00二进制十六进制二进制16DCA.即：(101101101.1100101)2=(16D.CA)162）十六进制数转换成二进制数）十六进制数转换成二进制数将十六进制数转换成二进制数时，只要将每将十六进制数转换成二进制数时，只要将每1位十六进制数位十六进制数用用4位相应的二进制数表示即可完成转换。位相应的二进制数表示即可完成转换。例如例如：将：将(ECA1

31、6)16转换成二进制数。转换成二进制数。101 100101011100 0二进制十六进制ECA161 1 00即：即：(ECA16)16=(11101100101000010110)2 二进制数的算术运算规则二进制数的算术运算规则 1. 1. 二进制加法基本规则二进制加法基本规则0+0=00+0=00+1=1+0=10+1=1+0=11+1=01+1=0向邻近高位有进位向邻近高位有进位1+1+1=11+1+1=1向邻近高位有进位向邻近高位有进位2. 2. 二进制减法基本规则二进制减法基本规则0-0=00-0=01-1=01-1=01-0=11-0=10-1=10-1=1向邻近高位有借位向邻近

32、高位有借位3. 二进制乘法基本规则二进制乘法基本规则00=001=10=011=14. 二进制除法基本规则二进制除法基本规则1/1=10/1=01. 逻辑与运算基本规则逻辑与运算基本规则00=010=01=011=12. 逻辑或运算基本规则逻辑或运算基本规则00=010=01=111=1 逻辑运算逻辑运算3. 3. 逻辑非运算基本规则逻辑非运算基本规则/0=1/0=1/1=0/1=04. 4. 逻辑异或运算基本规则逻辑异或运算基本规则0 0 0=10=1 1=01=01 1 0=00=0 1=11=11. 真值与机器数真值与机器数单片机用来单片机用来表示数的形式称为机器数表示数的形式称为机器数

33、，也称为机器码。而，也称为机器码。而把对应于把对应于该机器数的算术值称为真值该机器数的算术值称为真值。 设设： N1=+1010101 N2=-1010101这两个数在机器中表示为：这两个数在机器中表示为：N1：01010101N2：11010101数的表示方法数的表示方法01010101符号位数值部分11010101符号位数值部分在计算机中还有一种数的表示方法，即机器中的在计算机中还有一种数的表示方法，即机器中的全部有效全部有效位均用来表示数的大小位均用来表示数的大小，此时无符号位，这种表示方法称，此时无符号位，这种表示方法称为为无符号数的表示方法无符号数的表示方法。 01010101110

34、101018位全用来表示一个数表示无符号数558位全用来表示一个数表示无符号数D51. 原码表示法原码表示法原码表示法是最简单的一种机器数表示法，只要把真值的原码表示法是最简单的一种机器数表示法，只要把真值的符号部分用符号部分用0 0或或1 1表示即可。表示即可。例如例如：真值为：真值为+34+34与与-34-34的原码形式为：的原码形式为：+34+34原原=00100010=00100010-34-34原原=10100010=101000100 0的原码有两种形式：的原码有两种形式：+0+0原原=00000000=00000000-0-0原原=10000000=10000000数的表示方法数的表示方法8位二进制数原码的表示范围为位二进制数原码的表示范围为: 1111111101111111， 对应于对应于: -127+127。 2. 反码表示法反码表示法反码是二进制数的另一种