第1章单片机基础

1、第1章 单片机基础 本章学习要点 本章主要讲述计算机和单片机系统的基本知识。通过学习本章内容要求了解计算机和单片机的发展概况、趋势、硬件系统组成和各功能部件的作用；掌握二进制数、十进制数和十六进制数之间的换算关系；熟悉二进制四则运算的方法；了解二进制原码、反码和补码的表示方法；了解BCD码和ASCII码。 1.1概述1.1.1计算机发展概况1. 计算机的诞生 1945年底，世界上第一台使用电子管制造的电子数字计算机在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院研制成功，并在1946年2月15日举行了计算机的正式揭幕典礼。2. 计算机的发展第一代计算机是电子管计算机（19451954年）。第二代计算机是晶体管计算

2、机（19551964年）。第三代计算机是集成电路计算机（19651971年）。第四代计算机是大规模集成电路计算机。第五代计算机（可能）应用生物技术、纳米技术和量子技术。 使用了18000个电子管，1500个继电器，总体积约90立方米，重达30吨，占地150平方米，需要用一间30多米长的大房间才能存放。 1.1.2计算机分类计算机可分为模拟计算机和数字计算机两大类。 数字计算机按用途又可分为专用计算机和通用计算机。通用机按规模分为巨型机、大中小型机、微型机及单片机。 1.1.3单片机的特点及主要应用领域 单片机，是指在一块芯片上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM、EPRO

3、M、EEPROM、定时/计数器、中断控制器以及串行口，并行I/O接口等部件，构成的一个完整的微型计算机系统 。“SPCE061A”PC机PROBEPROBE见教学视频数字钟视频 1. 单片机的特点 从结构上看，单片机不但与通用微型计算机一样，是一个有效的数据处理机，而且是一个功能很强的过程控制机。从某种意义上讲，一块单片机就具有一台微型计算机的功能，只需要加上所需要的输入/输出设备，就可以构成一个完整的系统，从而满足各应用领域的需要。 单片机与通用微机的相同功能部分在具体构造中存在许多不同。正因如此，单片机与通用微机是两个不同的发展分支。 通用微机的CPU主要面向数据处理，其发展主要围绕数据处

4、理功能、计算速度和精度的进一步提高。单片机主要面向控制，因为控制中的数据类型和数据处理相对简单，所以单片机的数据处理功能比通用微机相对要弱一些，计算速度和精度也要相对低一些。 通用微机中存储器组织结构主要是针对增大存储容量和CPU对数据的存取速度。单片机中存储器的组织结构比较简单，存储器芯片直接挂接在单片机的总线上，CPU对存储器的读写直接用物理地址来寻址存储单元。 通用微机中I/O接口主要考虑标准外设（如CRT、标准键盘、鼠标、打印机、硬盘、光盘等）。即插即用。但单片机应用系统的外设都是非标准的，且千差万别，种类很多。2. 单片机的主要应用领域 因单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、

5、控制功能强等特点，故在国民建设、军事及家用电器等领域均得到广泛的应用。单机应用： 测控系统：温室控制、生产线控制。 智能仪表：生产自动化、楼宇自动化。 机电一体化：数控机床、电脑雕刻机、医疗器械。 智能接口：数据处理。 智能民用产品：家用电器、玩具、收银机。多机应用： 智能路灯控制系统。1.2单片机的发展历史及典型机型1.2.1单片机的发展历史 自1971年美国Intel公司制造出第一块4位处理器以来，在短短的20余年间，单片机技术已发展成为计算机技术中一个非常有活力的分支，它有自己的技术特征、规范、发展道路和应用环境。其发展十分迅猛，到目前为止，大致可分为以下几个阶段。 4位单片机 8位单片

6、机 16位单片机 32位单片机本书以8位机为主介绍1. 4位单片机 1971年11月，Intel公司设计了集成度为2000只晶体管/片的4位微型处理器Intel4004，并配有RAM、ROM和移位寄存器，构成第一台4位微处理器。这种微处理器虽仅用于简单控制，但价格便宜，至今仍不断有多功能的4位机问世。4位单片机主要用于家用电器、电子玩具等。 2. 8位单片机 1976年9月，美国Intel公司首先推出了MCS-48系列8位单片机以后，单片机发展进入了一个新阶段，8位单片机纷纷应运而生。随着集成电路工艺水平的提高，在1978年到1983年期间集成度提高到几万只管/片，因而一些高性能的8为单片机相

7、继问世，例如MCS-51系列8位单片机。因此，把这类单片机称为高档8为单片机。3. 16位单片机 Intel公司于1983年推出16位单片机8096，其它公司也相继推出了同档次的产品。由于16位单片机采用了最新的制造工艺，其计算速度和控制功能也大幅度提高，具有很强的实时处理能力。4. 32位单片机 近年来，各个计算机生产厂家已经进入更高性能的32位单片机研制、生产阶段。由于控制领域对32位单片机需求并不十分迫切，所以32位单片机的应用并不是很多。 单片机的发展并没有出现推陈出新、以新代旧的局面。4位、8位、16位单片机仍各有应用领域，4位单片机在一些简单家用电器、高档玩具中仍有应用；8位单片机

8、在中、小规模应用场合仍占主流地位；16位单片机在比较复杂的控制系统应用。1.2.2常用单片机的机型 目前单片机产品多达50个系列，300多种型号。国内单片机应用中常见的有Intel公司的MCS系列，ATMEL公司的89系列和AVR系列，Philips公司的80C51系列，MicroChip公司的PIC16系列，台湾凌阳61系列，和国内STC等，其中对Intel公司的MCS系列产品做如下简要介绍。 MCS系列单片机是Intel公司生产的单片机的总称。Intel公司是生产单片机的创始者，其产品在单片机的各个发展阶段具有代表性。Intel公司生产的单片机大体上可分为三大系列：MCS-48系列、MCS

9、-51系列、MCS-96系列。三大系列产品如表1-1所示。表1-1 MCS系列单片机主要机型系列型号片 内 存 储 器（字节）片外存储器直接寻址（字节）I/O口线中 断源定时器/计数器（个位）ROM/EPROMRAMRAMEPROM并行串行MCS48（8位）8048874880358049874980391K/1K2K/2K6464641281281282562562562562562564K4K4K4K4K4K272727272727222222181818181818MCS51（8位）80518751803180528752803280C5180C3187C514K/4K8K/8K4K/4

10、K12812812825625625612812812864K64K64K64K64K64K64K64K64K64K64K64K64K64K64K64K64K64K323232323232323232UARTUARTUARTUARTUARTUARTUARTUARTUART555666555216216216316316316216216216MCS96（16位）809480958096809723223223223264K64K64K64K64K64K64K64K32324848UARTUARTUARTUART88884164164164161.3计算机中的数制及相互转换1.3.1计算机中的数

11、的表示方法 在日常生活中人们最熟悉的是十进制数，但在计算机中，采用二进制数“0”和“1”可以很方便地表示机内的数据与信息。在编程时，为了便于阅读和书写，人们还常用八进制数或十六进制数来表示二进制数。 1. BCD码的定义及运算 人们习惯使用十进制数，为使计算机能识别、存储十进制数，并能直接识别十进制数进行运算，需要对十进制数进行编码。将十进制数表示为二进制编码的形式，称为二十进制编码，即BCD(Binary Coded Decimal)码。 1位十进制数有09共10个不同的数码，至少需要4位二进制数表示。4位二进制数有16种组合，取其中10种组合代表10个十进制数码。最常用的方法是8421BC

12、D码，其中8、4、2、1分别为4位二进制数的位权值。表1-3给出了十进制和8421BCD码的对应关系。表1-2 8421BCD编码表十进制数8421BCD码十进制数8421BCD码00000501011000160110200107011130011810004010091001 例如写出69.25的BCD码： 根据表 1-3, 可直接写出相应的BCD码: 69.25 =（01101001.00100101）BCD 例如 2. ASCII码 目前国际上比较通用的是1963年美国标准会ANSI制订的美国国家信息交换标准字符码(American Standard Code for Informat

13、ion Interchange),简称ASCII码，它的编码如表 1-3所示，从表中可见，ASCII 码采用二进制编码，它包括26个大写英文字母；26个小写英文字母；10个数字09；32个通用控制符号；34个专用符号，共128个字符。表 1-3 ASCII 码 表例如1.3.2进位计数制1.十进制 有10个不同的数字符号：0、1、2、9； 低位向高位进位的规律是“逢十进一”。2. 二进制数 在二进制数中，只有两个不同数码：0和1，进位规律为“逢二进一”。3. 八进制数 八进制数有0、1、2、7共8个不同的数码，采用“逢八进一”的原则进行计数。4. 十六进制 十六进制中有0、1、2、9、A、B、

14、C、D、E、F共16个不同的数码，进位方法是“逢十六进一”。表1-4各种进位之间的关系十进制二进制八进制十六进制十进制二进制八进制十六进制000091001119111110101012A2102211101113B3113312110014C41004413110115D51015514111016E61106615111117F71117716100002010810001081.3.3进位计数制之间的转换. 二、八、十六进制数转化成十进制数 根据各进制的定义表示方式，按权展开相加，即可将二进制数、八进制数、十六进制数转化成十进制数。【例1-1】将数 (10.101), (46.12),

15、(2D.A4) 转换为十进制数。2. 十进制数转化成二、八、十六进制数 任意十进制数N转化成R进制数，需将整数部分和小数部分分开，采用不同的方法分别进行转换，然后用小数点将两个部分连接起来。注意学会使用计算器注意学会使用计算器 (1)整数部分：除基取余法。 分别用基数R不断的去除N的整数，直到商为零为止，每次所得的余数依次排列即为相应进制的数码。最初得到的为最低有效数字，最后得到的位最高有效数字。 【例1-2】将(168)转换成二、八、十六进制数。 (2) 小数部分：乘基取整法。 分别用基数R（R=2、8或16）不断得去乘N的小数，直到积的小数部分为零（或直到所要求的位数）为止，每次乘得的整数

16、依次排列即为相应进制的数码。最初得到的为最高有效数字，最后得到的为最低有效数字。 【例1-3】将(0.645)转换成二、八、十六进制数（用小数点后五位表示）3. 二进制与八进制之间的相互转换 4. 二进制数与十六进制数之间的转换 由于2X2X2X2=16，故可采用“合四为一”的原则，每位十六进制数分别向左、右两边各以4位为一组进行二十六换算；若不足4位以0补足，即可将二进制数转换为十六进制数。反之，采用“一分为四”的原则，将每位十六进制数用四位二进制数表示，便可将十六进制数转化为二进制数。 在程序设计中，为了区分不同进制的数，通常在数的后面加字母作为标注。其中，字母B表示二进制数；字母D或不加

17、字母表示十进制数；字母H表示十六进制数。如1101B、57Q、512D、3AH等。要求达到口算程度熟练掌握熟练掌握1.4二进制数的运算 二进制数只有 0和1两个数字，其算术运算较为简单，加、减法遵循“逢二进一”、“借一当二”的原则。1.4.1二进制数的加法规则: 0+0=0; 0+1=1; 1+0=1; 1+1=10(有进位) 即 1001B+1011B=10100B1.4.2二进制数的减法规则: 0-0=0; 1-1=0; 1-0=1; 0-1=1(有借位)即 1100B-111B=101B 规则: 00=0; 01=10=0; 11=1即 1011B1101B=10001111B 1.4.3二进制数的乘法规则: 0/1=0; 1/1=1即 10100101B/1111B=1011B 1.4.4二进制数的除法1.5单片机的组成及工作过程1.5.1单片机的组成 一个8位CPU； 4KBROM或EPROM（8031无ROM）；128字节RAM数据存储器；21个特殊功能寄存器SFR；4个8位并行I/O口，其中P0、P