第1章单片机概述2015

1、HNCUHunan City University单片机原理与应用单片机原理与应用第第1 1章章 单片机概单片机概述述TOPICS单片机的发展单片机的发展1常用的单片机产品常用的单片机产品2单片机的应用单片机的应用34预备知识预备知识运 算 器控 制 器CPU存 储 器输输入入接接口口电电路路输输入入设设备备输输出出设设备备输输出出接接口口电电路路硬件系统软软件件系系统统+微机系统微机系统1 1 单片机的发展单片机的发展两个主要发展方向两个主要发展方向计算机能比现在的运算速度快10000倍吗？要是计算机能放进我的口袋里多好啊！1 1 单片机的发展单片机的发展分支一：通用微型计算机系统分支一：通

2、用微型计算机系统 技术要求技术要求: : 高速计算高速计算 + + 海量存储海量存储 发展方向发展方向: : 总线速度不断提升，存储容量不断扩大总线速度不断提升，存储容量不断扩大 例如：个人计算机例如：个人计算机（Personal Computer）CPU+CPU+存储器存储器+ +主板主板+ +显卡显卡+ +声卡声卡+ +网卡网卡+ +显示器显示器+ +鼠标鼠标+ +键盘键盘基本功能部件基本功能部件接口部件接口部件外部设备外部设备支持它的软件五花八门，应有尽有支持它的软件五花八门，应有尽有分支二：单片机（分支二：单片机（ Single Chip Microcomputer ） C P U存存

3、 储储 器器定定 时时 器器 / 计计 数数 器器中中 断断 系系 统统P0-P3TxDRxD TINT并并行行I/O口口串串行行I/O口口SCM将通用微计算机将通用微计算机基本功能部件基本功能部件集成在集成在一块芯片一块芯片上构成的一种专用微计算机系统。上构成的一种专用微计算机系统。1 1 单片机的发展单片机的发展1.1 单片机的发展历史单片机的发展历史第一阶段（第一阶段（1974-1976）：单片机采用双片形式）：单片机采用双片形式第三阶段（第三阶段（1978-）：高性能单片机阶段）：高性能单片机阶段第二阶段（第二阶段（1976-1978）：低性能的单片机阶段）：低性能的单片机阶段第四阶段

4、（第四阶段（1982-）：）： 16位、位、32位单片机位单片机1.2 单片机的发展趋势单片机的发展趋势（1）CPU功能的增强功能的增强（2）内部资源增多）内部资源增多（3）外围电路内装化）外围电路内装化（4）低功耗化）低功耗化Back1 1 单片机的发展单片机的发展2 2 单片机的应用单片机的应用u 军事技术u 人工智能u 工业控制u 消费类电子产品消费类电子产品B3 3 常用的单片机产品常用的单片机产品 目前生产单片机的厂商主要有目前生产单片机的厂商主要有IntelIntel公司、公司、MotorolaMotorola公司、公司、PhilipsPhilips公司、公司、ATMELATMEL

5、公司、公司、WinBondWinBond公司、公司、MicrochipMicrochip公公司、司、AMDAMD公司、公司、ZilogZilog公司等，产品型号公司等，产品型号规格众多，性能各具特色。规格众多，性能各具特色。 单片机试验箱用的型号：AT89C51、AT89S51philips公司的p80/p87c52x2型单片机 电子设计创新实验室用的型号：ATmega128、MSP430、STM323 3 常用的单片机产品常用的单片机产品型型 号号ROM/ EPROM RAM时钟速度时钟速度(MHz)I/O线线定时器定时器/计数器计数器串串行行口口中中断断源源PCA通道通道A/D通道通道保密

6、保密位位省电省电方式方式8031AH128B1232215008051AH4KB128B12322150008751BH4KB128B12322150028032AH256B1232316008052AH8KB256B12323160008752BH8KB256B123231600287C514KB128B12 243221500380C32256B12 24323160080C528KB256B12 243231600187C528KB256B12 243231600380C5416KB256B12 243231600187C5416KB256B12 243231600387C5832KB2

7、56B12 243231600380C51GB256B12,1648311510887C51GB8KB256B12,164831151083IntelIntel公司公司5151系列单片机典型产品系列单片机典型产品DP-51PROC单片单片机综合仿真实验仪机综合仿真实验仪 TX-1C 51 单片机开发板单片机开发板TKSMonitor51 仿真器仿真器 编程器编程器superpor/L+数字万用表数字万用表本课程所接触到的主要设备和仪器本课程所接触到的主要设备和仪器B4.1 4.1 计算机的数制和码制及其数制间转换计算机的数制和码制及其数制间转换一）计算机的数制一）计算机的数制 逢逢r 进位，数

8、的第进位，数的第i个数位对应于一个固定的值个数位对应于一个固定的值rn， rn 称为该位的称为该位的“权权”。小数点左面各位的权是一个。小数点左面各位的权是一个基数基数r 的的正次幂，小数点右面各位的权是一个正次幂，小数点右面各位的权是一个基数基数r 的的负次负次幂。常用的数制有：幂。常用的数制有：二进制二进制(Binary) ) 、八进制八进制( (Octadic) ) 、十进制十进制( (Decimal) )和和十六进制十六进制(Hexadecimal)，分别用分别用B、O、D和和H表示。表示。eg1：十进制数：十进制数 r =10其权为：其权为：，102，101，100，10 1，10

9、2，(987.32)10= 9102 + 8101 + 7100 + 310-1 + 210-2 4 4 预备知识预备知识eg2：二进制数：二进制数 r =2其权为：其权为：，22，21，20，2-1，2-2，(1011.101)2 =123 +022 + 121 + 1 20 + 1 2 1 + 02 2+ 1 2 3eg3：八进制数：八进制数 r =8其权为：其权为：，82，81，80，8-1，8-2，(70613.304)8 =784 +083 + 682 + 1 81 + 3 80 + 3 8 1+ 08 2 + 4 8 3eg4：十六进制数：十六进制数 r =16其权为：其权为：，1

10、62，161，160，16-1，16-2，(- -A0.8F)16 = - -（10161 +0160 + 816 1 + 1516 24 4 预备知识预备知识二）计算机的码制二）计算机的码制 BCD（Binary Coded Decimal）码为用二进制表示码为用二进制表示的十进制数。的十进制数。 常用二进制编码的十进制数有：常用二进制编码的十进制数有： 8421码码、2421码码、5211码码 、余余3码码eg：7（0111、1101），（），（1100、1011） ASCII码码（American Standard Code for Information Interchange），即）

11、，即美国信息交换标准码美国信息交换标准码。ASCII码为一码为一种种8位代码，但采用位代码，但采用7位位代码编码（一般其最高位为代码编码（一般其最高位为0），），共可编码为共可编码为128个个字符编码。字符编码。 表示的十进制数不唯一表示的十进制数不唯一常用常用4 4 预备知识预备知识表 1 ASCII 码 表 三）各数制间的转换三）各数制间的转换 1）直接相乘法直接相乘法数数M是是r 进进制数，转换成制数，转换成十进制数，方十进制数，方法是：法是：将将M 的的各位数字用十各位数字用十进制数字来表进制数字来表示，然后作乘示，然后作乘法和加法。法和加法。好麻烦！好麻烦！4 4 预备知识预备知识2

12、）余数法余数法此方法适此方法适合于整数部分合于整数部分转换。转换。数数M 是是r 进制数，转换进制数，转换成成 t 进制数的进制数的整数，整数，除以除以t , , 取取余数余数。eg：十进制数十进制数62转换为二进制数转换为二进制数同理：同理：(62)10=(76)8 8 62 6 7(62)10=(3E)16 16 62 E 3 (62)10=(111110)22 622 312 15 2 7 2 3 2 1 0011111低位低位高位高位4 4 预备知识预备知识3）取整法取整法此方法适合于此方法适合于小数部分转换。小数部分转换。数数M 是是 r 进制进制数，转换成数，转换成 t 进制进制数

13、的小数，数的小数，乘以乘以t , 取取整数整数。eg：十进制数十进制数0.375转换为二进制数转换为二进制数同理：同理： （0.375） 10=（0.3）8= 0.（38-1） 0.3758=3.000 整数为整数为3（0.375） 10=（0.6）16= 0.（616-1） 0.37516=6.000 整数为整数为60.3752=0.75 整数为整数为0 高位高位 0.75 2=1.5 整数为整数为1 0.5 2=1.0 整数为整数为1 低位低位 （0.375）10=（0.011）2 = 0.（02-1+ 12-2+12-3）4 4 预备知识预备知识eg：676.53转换为十六进制数转换为十

14、六进制数0.5316=8.48 整数为整数为80.4816=7.68 整数为整数为70.6816=10.88 整数为整数为A16 67616 42 416 2 A 0 2 （676.49）10 =（2A4.87A）164）二进制与十六进制间的转换二进制与十六进制间的转换1 1 1 0 1 0 1 .1 0 1 0 0 1 1 1 (75.A7)16 (5A.3C)16 0 1 0 1 1 0 1 0 .0 0 1 1 1 1 0 04 4 预备知识预备知识4.2 4.2 计算机中数的表示方法计算机中数的表示方法一）真值和机器数一）真值和机器数一个数是由符号和数值两部分组成的。一个数是由符号和数

15、值两部分组成的。 eg: +74 = +1001010 01001010 - -74 = - -1001010 11001010 真值机器数真值机器数机器本身只能机器本身只能表示表示0，1，不能，不能表示表示 +、- -，故一，故一般用般用“ 0 ”表示表示“ + ”，用，用“ 1 ”表示表示“ - - ”。真值真值：直接用正号：直接用正号“ + ”和负号和负号“ - ”来表示的二进制数。来表示的二进制数。机器数机器数：一个数在机器中的表示形式。：一个数在机器中的表示形式。 二）带符号数的表示二）带符号数的表示 Dn-1 Dn-2 . D0 符号位符号位 数数 值值 部部 分分4 4 预备知识

16、预备知识eg: 11001010 = - -(26 + 23 +21 )= - -74 机器数机器数最高位为符号位最高位为符号位，用用“ 0 ”表示表示“ + ”，用，用“ 1 ”表示表示“ - - ”。其余的（其余的（n-1）位为数值部分。）位为数值部分。三）无符号数的表示三）无符号数的表示无符号数没有符号位，机器的全部有效位都用来表无符号数没有符号位，机器的全部有效位都用来表示数的大小。示数的大小。Dn-1Dn-2D0（11001010 ）2= （202）10eg:D7 D6 D0100110014 4 预备知识预备知识定点数：定点数：小数点小数点固定固定。浮点数：浮点数：小数点小数点不固

17、定（位置不固定）随阶码浮动不固定（位置不固定）随阶码浮动。四）数的定点和浮点表示四）数的定点和浮点表示1）定点表示法）定点表示法符号符号 . 数值部分数值部分 或或 符号符号 数值部分数值部分 .小数点小数点固定固定在数值部分的最高位之在数值部分的最高位之前前或最低位之或最低位之后后。 eg: 1.101011或或1101011.2）浮点表示法）浮点表示法 阶符阶符 阶码阶码 数符数符 尾数尾数决定小数点位置决定小数点位置4 4 预备知识预备知识N= S*2 PS 二进制小数，称二进制小数，称 “尾数尾数”，S 0P 称为数称为数N的阶码的阶码,为非负正数为非负正数2 阶码阶码“底底”尾数尾数

18、S15 1410 9 8 71 0阶符阶符阶码阶码数符数符五）原码、补码、反码五）原码、补码、反码原码、补码、反码都是带符号数在机器中的表示方法原码、补码、反码都是带符号数在机器中的表示方法1）原码）原码原码原码把真值的符号部分用把真值的符号部分用0或或1表示。表示。 N1 = +1001010 N 原原 = 01001010 N2 = - -1001010 N 原原 = 110010104 4 预备知识预备知识2）补码）补码模数模数 一个计量器的容量。一个计量器的容量。eg：一个一个n位二进制数它的容量为位二进制数它的容量为2n ,所以它的模数为所以它的模数为2n。同余同余 如果两个整数如果

19、两个整数a、b,当用某一个正整数当用某一个正整数M（模）（模）去除所得余数相等时，则称去除所得余数相等时，则称 a 和和 b 对模对模 M 是同余的。是同余的。eg：16 = 4（mod 12)即：即：16和和4对对12是同余，即是同余，即16点钟和点钟和4点钟在以点钟在以12为模的为模的钟面上，其指示是一样的。钟面上，其指示是一样的。若若x = + xn-2 xn-3x1x0则：则： x补补 = 2n+x = 0 xn-2 xn-3x1x04 4 预备知识预备知识若若x = - xn-2 xn-3x1x0则：则：x补补 =1xn-2 xn-3x1x0+1按位取反加按位取反加1x补补=x0 x

20、 2n-12n+x-2n-1 x 0（mod 2n）当当x为正数时，补码与原码相同。为正数时，补码与原码相同。当当x为负数时，为负数时， 2n+x= 2n |x|性质：性质：x+y补补= x补补 + y补补 x -y补补= x补补 - - y补补 当当x为纯小数时，为纯小数时，x = x-1x-2x-n-14 4 预备知识预备知识3）反码）反码用用0代替符号位代替符号位符号位为符号位为1，其它位按位取反，其它位按位取反x反反=0 xn-2 xn-3x1x0 0 x 2n-11xn-2 xn-3x1x0 -2n-1 x 04.3 4.3 计算机的二进制数运算计算机的二进制数运算一）算术运算一）算

21、术运算 1）加法运算）加法运算二进制二进制加法法则加法法则为：为：0+0 = 0；1+0 = 0+1 = 1；1+1 = 10 ；（向邻近（向邻近高位高位有有进位进位）1+1+1 = 11 ；（向邻近（向邻近高位高位有有进位进位） 4 4 预备知识预备知识eg: 两个二进制数两个二进制数X=10110110B，Y=11011001B，试求，试求X+Y。解：解：X+Y可写成如下竖式：可写成如下竖式： X 10110110B Y 11011001B X+Y 110001111B被加数被加数 加数加数 和和 X + Y = 10110110B + 11011001B = 110001111B 两个二

22、进制数相加时要两个二进制数相加时要注意注意低位的进位，两个低位的进位，两个 8 位位二进位数的和最大不会超过二进位数的和最大不会超过 9 位。位。 4 4 预备知识预备知识二进制二进制减法法则减法法则为：为：0 0 = 0；1 1 = 0；1 0 = 1；0 1 = 1 ；（向邻近高位（向邻近高位借借1当作当作2） eg: 两个二进制数两个二进制数X= 10010111B，Y= 11011001B，试求，试求X Y。解：由于解：由于Y X，故有，故有X Y = （Y X），相应竖式为：），相应竖式为： 被减数被减数 Y 11011001B 减数减数 X 10010111B 差数差数 Y X 0

23、1000010B X Y = 01000010B2）减法运算）减法运算4 4 预备知识预备知识 XY=1101B 1011B = 10001111B 3）乘法运算）乘法运算二进制加法法则为：二进制加法法则为：10 = 01 = 0；11 = 1；eg: 两个两个4位二进制数位二进制数X = 1101B和和Y = 1011B，试用手，试用手工算法求出工算法求出X Y之值。之值。 被乘数被乘数 1 1 0 1 B 乘数乘数 1 0 1 1 B 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 + 1 1 0 1 乘积乘积 1 0 0 0 1 1 1 1 B 4 4 预备知识预备知识除法是乘法的逆运算

24、除法是乘法的逆运算。与十进制类似，二进制除法。与十进制类似，二进制除法也是从被除数也是从被除数最高位最高位开始，查找出开始，查找出够减够减除数的位数，并除数的位数，并在其最高位处上商在其最高位处上商 1 和完成它对除数的减法运算，然后和完成它对除数的减法运算，然后把被除数的下一位移到余数位置上。若余数把被除数的下一位移到余数位置上。若余数不够减不够减除数，除数，则上商则上商 0，并把被除数的再下一位移到余数位置上。若，并把被除数的再下一位移到余数位置上。若余数够减除数，则上商余数够减除数，则上商 1，余数减除数。，余数减除数。4）除法运算）除法运算eg: 设设X = 10101011B，Y =

25、 110B， 试求试求XY之值。之值。解：解：X Y的竖式是：的竖式是： XY = 10101011B110B = 11100B 余余11B4 4 预备知识预备知识 逻辑乘又称逻辑与逻辑乘又称逻辑与，常用，常用“”运算符表示，逻辑运算符表示，逻辑乘运算法则为：乘运算法则为： 00 = 0； 10 = 01 = 0； 11 = 1 两个二进制数进行逻辑乘，其运算方法类似于二两个二进制数进行逻辑乘，其运算方法类似于二进制算术运算。进制算术运算。二）逻辑运算二）逻辑运算1）逻辑乘运算）逻辑乘运算XY = 01100000B 解：解：XY的运算竖式为：的运算竖式为： 01100110B 11110000B 01100000Beg: 已知已知X = 01100110B，Y = 11110000B，试求，试求XY的的值。值。4 4 预备知识预备知识2）逻辑加运算）逻辑加运算 逻辑加又称逻辑或，逻辑加又称逻辑或，常用算符常用算符“”表示，逻辑加表示，逻辑加的运算规则为：的运算规则为：00 = 0；10 = 01 = 1；11 = 1eg: 已知已知X = 01100110B