微型计算机系统：第1章 绪论

1、第一章 绪 论 人类科技发展至今，计算机技术已经取得了惊人的迅猛发展，电子计算机已渗透到国防尖端、工业、农业、企业管理，交通运输等日常生活各个领域。从个人利用计算机进行办公、娱乐，到企业单位利用计算机进行管理，制造业利用计算机进行产品开发、设计、制造、生产控制等等，计算机已无所不在，无所不用，其作用和成就的日益卓著，已成为现代工业水平的标志之一。计算机的发展方向 而计算机的发展主要有两个方向，一个是通用计算机系统，一个是控制领域的微型计算机系统。 通用计算机主要用于运算、管理、辅助设计及制造等，是我们日常生活中最常见的计算机系统。而控制领域的微型计算机是一种嵌入式系统，是将微型计算机嵌入到应用

2、系统中的一种技术应用。在我们全人类进入计算机时代的新世纪，许多人都在从事着与计算机相关的职业，而只有从事嵌入式系统应用的人才真正地进入到计算机系统的内部软、硬件体系中，才能真正领会计算机的智能化本质并掌握智能化设计的知识和技术。第一节 单片机概述 单片机应用的历史并不长，但是单片机的应用却从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。在使用单片机之前的控制系统是由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，而现在已能利用单片机通过软件编程方法实现模拟或数字电路的控制功能。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制系统“软化”技术，称之为微控制技术。因而单片机的应用是对传统控制技术的一场革命。1.1

3、.1单片机 单片机对刚刚接触嵌入式领域的人而言还不是十分熟悉，但是个人计算机是大家在日常中经常见到和使用的，二者都是计算机，它们之间又有什么联系和区别呢？微型计算机单片机而单片机是将微型计算机的主要组成部分集成在一个芯片上的微型计算机。具体地说就是把中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、I/O接口、中断系统和定时器/计数器等接口集成在一块芯片上，构成的微型计算机。SCMC（Single Chip Micro-Computer ），简称单片机。单片机在应用时通常处于被控系统核心地位并融入其中，即以嵌入的方式进行使用。为了强调其“嵌入”的特点，也常常将单片机称为嵌入式微

4、控制器EMCU（Embedded Micro-Controller Unit）。1.1.2单片机系统单片机只是一个芯片，既无显示器也无键盘，而在许多控制系统中或者需要键盘输入控制参数，或者需要显示器显示系统工作状态，那该怎么办呢？单片机系统则是在单片机芯片的基础上扩展其他电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。例如一种温度测控系统。1.1.3单片机应用系统和单片机开发系统单片机开发系统应具备的功能：（1）方便地输入和修改用户的应用程序；（2）对用户系统硬件电路进行检查和诊断；（3）将用户源程序编译成目标代码并固化到相应的ROM中去，并能在线仿真；（4）以单步、断点、连续等方式运行用户程序

5、，能正确反映用户程序执行的中间状态，即能实现动态实时调试。常用的MCS-51硬件开发系统：（1）Keil C51单片机仿真器。 （2）广州周立功单片机发展有限公司的TKS系列仿真器。 （3）Flyto Pemulator单片机开发系统。 （4）Medwin集成开发环境。 （5）E6000系列仿真器。1.1.4 单片机的程序设计语言和软件机器语言是用二进制代码表示的单片机指令，用机器语言构成的程序称之为目标程序。汇编语言是用符号表示的指令，汇编语言是对机器语言的改进，是单片机最常用的程序设计语言。为了使程序设计具有通用性，单片机也开始尝试使用高级语言，其中编译型语言有Pl、M5l、C-5l、C、

6、MBASIC-51等，解释型的有MBASIC和MBASIC-52等。第二节 单片机发展及应用1.2.1单片机发展阶段第一阶段（19711974年）：MCS-4微型计算机；8位微处理器Intel8008第二阶段（19741978年）：单片机探索阶段第三阶段：（19781983年）：高性能单片机完善阶段，第四阶段：（198390年代初）：8位单片机发展及第三代16位单片机推出阶段。第五阶段：（90年代至今）：高档16位单片机和第四代32位的单片机出现阶段。1.2.2单片机的应用1、智能化家用电器2、工业控制3、智能仪器仪表4、办公自动化5、网络和智能化通信产品6、汽车电子产品7、模块化应用8、军事

7、领域第三节 单片机分类1.3.1 单片机按位分类4位单片机:OKI公司的MSM64164C、MSM64481、NEC公司的75006系列、EPSON公司的SMC62系列等。 8位单片机 :目前主要分为MCS-51系列及其兼容机型和非MCS-51系列单片机。 16位单片机 :TI的MSP430系列、凌阳SPCE061A系列、Motorola的68HC16系列、Intel的MCS-96/196系列等。32位单片机:飞利浦的LPC2000系列、三星的S3C/S3F/S3P系列等。1.3.2 主要单片机性能分类Intel公司的MCS-51系列Atmel公司的AT89系列PIC系列单片机Motorola

8、单片机Intel公司的MCS-51系列片内资源基本型型号增强型型号80318031AH80C3180518051AH80C5187518751BH87C5180328032AH80C3280528052AH80C5287528752BH87C52ROM/4K8B/8K8B/EPROM/4K8B/8K8BRAM1288 B1288 B1288 B2568 B2568 B2568 B并行接口4个8位4个8位4个8位4个8位4个8位4个8位串行接口UART111111中断源555666定时器/计数器2个16位2个16位2个16位316位316位316位掉电和待机模式/工作频率12MHZ12MHZ12

9、MHZ12MHZ12MHZ12MHZAtmel公司的AT89系列片内资源单片机型号AT89C51AT89S51AT89C52AT89S52AT87F51AT89LS51Flash ROM4K8B4K8B8K8B8K8位/4K8BOTP/8K8B/RAM1288B1288B2568B2568B1288B1288B工作频率24MHZ33MHZ24MHZ33MHZ24MHZ16MHZ并行接口4个8位4个8位4个8位4个8位4个8位4个8位串行接口UART111111中断源556665定时器/计数器2个16位2个16位3个16位3个16位2个16位2个16位掉电和待机模式有有有有有有看门狗电路/有/有

10、/有PIC系列单片机PIC系列单片机与MCS-51系列单片机相比各有特点:（1）总线结构：MCS-51的总线结构是冯-诺依曼型，计算机在同一个存储空间取指令和数据，两者不能同时进行；而PIC的总线结构是哈佛结构，指令和数据空间是完全分开的，一个用于指令，一个用于数据，由于可以对程序和数据同时进行访问。(2)指令结构：MCS-51的取指和执行采用单指令流水线结构。(3)寄存器结构：PIC的所有寄存器，包括I/O口，定时器和程序计数器等都采用RAM结构形式，而且都只需要一个指令周期就可以完成访问和操作。第四节 数的进制及编码由于计算机只能识别“1”和“0”的数字量信息，所以在计算机处理中，所有数据

11、和信息的存储以及指令的编码都是以二进制的形式存在的，下面介绍一下计算机中常用的数制和编码以及数据在计算机中的表示方法。1.4.1数制表示数码中每一位的构成及进位的规则称为进位计数制，简称数制。一种数制中允许使用的数码符号的个数称为该数制的基数，记作R。而某个数位上数码为1时所表征的数值，称为该数位的权值，简称“权”。各个数位的权值均可表示成 的形式，其中i是各数位的序号。利用基数和“权”的概念，可以把一个R进制数D用下列形式表示：1、十进制数十进制的按权展开式如下：十进制数的计数规律是：低位向其相邻高位“逢十进一，借一为十”。也就是说，每位数累计不能超过10，计满10就应向高位进1；而从高位借

12、来的1，就相当于低位的数10。十进制各位的权值为10i，i是各数位的序号。一般情况，N位十进制，可表示10N个不同的数值，从0开始并包括0，其最大数为10N -1。2、二进制数所谓二进制，就是基数R为2的进位计数制，它只有0和1两个数码符号。二进制数一般用下标2或B表示，如11012，1101B等。二进制的按权展开式如下：二进制加法：0 + 0 = 00 + 1 = 11 + 0 = 11 + 1 = 10 （“逢二进一”）二进制减法二进制的减法运算有如下规则：0 0 = 01 0 = 11 1 = 00 1 = 1 （“借一为二”）二进制乘法二进制的乘法运算有如下规则：0 0 = 00 1

13、= 01 0 = 01 1 = 1 二进制数的除法是乘法的逆运算，这与十进制数的除法是乘法的逆运算一样。3、八进制数八进制数的基数R是8，它有0、1、2、3、4、5、6、7共八个有效数码。八进制数一般用下标8或O表示，如6178，521O等。对照公式（1-1），八进制的按权展开式如下：八进制01234567二进制0000010100111001011101114、十六进制数十六进制的计数规则是：低位向相邻高位“逢十六进一，借一为十六”。十六进制数一般用下标16或H表示，如B216，AC16等。对照公式（1-1），十六进制的按权展开式如下：十六进制0123456789ABCDEF十进制01234

14、567891011121314151.4.2进制转换八进制和二进制之间的相互转换非常简单。八进制能表示的最大十进制数值是7，二进制计数系统需要3位数来表示7（由于231 = 7）。因此，每个八进制位需要3位二进制数来表示八进制01234567二进制0000010100111001011101111、二进制数与八进制数的相互转换2、二进制数与十六进制数的相互转换十六进制和二进制之间的相互转换非常简单。十六进制能表示的最大十进制数值是15（十六进制是F），二进制计数系统需要四位数来表示15（由于241 =15）。因此，每个十六进制位需要4位二进制数来表示十六进制01234567二进制0000000

15、1001000110100010101100111十六进制89ABCDEF二进制10001001101010111100110111101111十进制数与任意进制数的相互转换把非十进制数转换成十进制数采用按权展开相加法。具体步骤是，首先把非十进制数写成按权展开的多项式，然后按十进制数的计数规则求其和。1、非十进制数转换为十进制数2、十进制数转换为其它进制数 采用基数连除法，即除基取余法。把十进制整数N转换成R进制数的步骤如下：（a）将N除以R，记下所得的商和余数；（b）将上一步所得的商再除以R，记下所得的商和余数；（c）重复做第2步，直至商为0；（d）将各个余数转换成R进制的数码，并按照和运算

16、过程相反的顺序把各个余数排列起来（把第一个余数作为LSB，最后一个余数作为MSB），即为R进制的数。 整数转换 纯小数转换（a）将M乘以R，取整数部分；（b）将上一步乘积中的小数部分再乘以R，再取整数部分；（c）不断重复（b），直至小数部分为0或者满足预定精度要求为止；（d）将各步求得的整数部分转换成R进制的数码，并按照和运算过程相同的顺序排列起来，即为所求的R进制数。1.4.3二进制数的编码8421BCD码2421BCD码1、加权二进制码2、不加权的二进制码余3码:余3码是一种特殊的BCD码，它是由8421BCD码加3后形成的，所以叫做余3码格雷码是另一种不加权的二进制码，它不属于BCD类型

17、的编码。格雷码又叫循环码，具有多种编码形式，但有一个共同的特点，就是任意两个相邻的格雷代码之间，仅有一位不同，其余各位均相同。3.字母数字码计算机处理的数据不仅有数码，还有字母、标点符号、运算符号及其它特殊符号。这些符号都必须使用二进制代码来表示，计算机才能直接处理。通常，可同时用于表示字母和数字的编码称为字母数字码。4、补码在计算机中，数总是存放在由存储元件构成的各种寄存器中，而二进制数码0和1也总是由存贮元件的两种相反状态来表示，所以对于正号“+”或负号“”也只能用这两种相反的状态来区别，而负数在计算机中总是以补码形式表现的。数的符号在机器中的一种简单表示法为，正数符号位用“0”表示，负数符号位用“1”表示。这样，数的符号标示也就“数码化”了。也就是说，带符号数的数值部分和符号部分统一由数码形式（仅用0和1两种数字符号）来表示。练习题1.简述单片机与普通PC机的区别。2.对比找出MCS-51系列单片机和PIC系列单片机各自的特点。3.简述机器语言、汇编语言、高级语言之间的关系。4.简述单片机的特点，并举例说明单片机应用系统。5.在MCS