单片机原理及其应用

单片机原理及其应用主讲教师赵琳第一章单片机概述1.1什么是单片机1.1.1计算机的分类计算机巨型机微型机通用微机（PC机）单片机——多片机一台能够工作的微机要有以下几个部分：CPU：中央处理器或微处理器ROM：只读存储器RAM：随机存储器I/O：输入/输出设备在个人计算机上这些部分被分成若干块芯片，安装在主板上。在单片机中，这些部分全部被做到一块集成电路芯片中了，称为单片机。1.1.2单片机的基本组成中央处理器或微处理器CPU总线只读存储器ROM输入/输出口I/O定时/计数器TIMER中断随机存储器RAM1.1.3单片机的定义SingleChipMicroComputer单片机是单片微型计算机的简称，即SCMC

单片机是指在一块芯片上集成以下主要部件：

CPU、ROM、RAM、I/O口、定时器/计数器、中断系统等。单片机也称为微控制器

MCUMicroControllerUnit单片机又称为嵌入式微控制器

EMCUEmbeddedMicroControllerUnit1.1.4单片机的特点和优点1、有优异的性价比2、集成度高、体积小、可靠性高3、控制功能强4、系统扩展典型、规范1.1.5单片机的分类通用单片机和专用单片机通用单片机是一个基本芯片，内部资源比较丰富，性能全面且通用性强，覆盖多种应用需求。专用单片机针对某一种产品，或某一种控制应用而专门设计的。设计时已经使系统结构最简；软硬件资源利用最优；可靠性以及经济成本最佳。本课程介绍MCS-51系列单片机，属通用单片机，其结构和原理对所有单片机都是适用的。1.1.6单片机系统、单片机应用系统、单片机开发系统单片机系统是在单片机芯片的基础上，扩展其它电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。单片机应用系统为控制应用而设计，系统和控制对象结合在一起。单片机开发系统是单片机系统开发调试工具。1.1.7单片机的程序设计语言种类机器语言：MachineLanguage

单片机应用系统只使用机器语言（指令的二进制代码，又称指令代码）。机器语言指令组成的程序称目标程序。

汇编语言：Assemble

Language与机器语言指令所对应的英文单词缩写，称为指令助记符。汇编语言编写的程序称为汇编语言程序。高级语言：HighLevel

Language高级语言源程序C-51。1.2单片机发展概况1971年Intel公司研制成功世界上第一台4位微处理器；1973年Intel公司研制成功80808位微处理器；1976年Intel公司推出MCS-48系列8位单片机；80年代初在MCS-48单片机基础上推出MCS-51单片机。主要单片机厂商Intel公司

8048、8051（8位）；8096（16位）；80960（32位）Motorola公司

MC-6801（8位）；68H16（16位）；68HC332（32位）美国Zilog公司；日本NEC公司；荷兰Philips公司等

由于8位单片机基本能满足目前大多数应用系统的要求，所以目前8位单片机仍是应用主流。1.CPU的发展CPU字长：8位、16位、32位时钟频率：6MHz、12MHz、20MHz双CPU结构，处理能力大大提高2.片内存储器的发展片内是相对片外而言：指集成在单片机芯片内的存储单元。存储容量扩大早期单片机新型单片机RAMROM寻址范围64—128字节256字节1—2k字节1—4k字节（212）8—16k字节64k字节（216）片内EPROM开始E2PROM化EPROM：ErasableProgrammableRead-OnlyMemory

可擦写可编程只读存储器E2PROM：电可擦写可编程只读存储器

ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory

能在正常工作电压下进行读写，并能在断电情况下，保持信息不丢失。片内程序的保密措施3.片内输入输出功能加强早期单片机：并行输入/输出口、定时/计数器现代：大功率输入/输出口，可直接驱动

FVD（荧光显示管）

LCD（液晶显示器）

LED（数码显示管）

片内集成A/D、D/A转换器、CRT控制器，正弦波发生器等接口电路。4.单片机制造工艺提高5.片内ROM中固化应用软件和系统软件1.3MCS-51单片机简介51子系列：基本型根据片内ROM的配置，对应芯片依次为

8031、8051、8751、895152子系列：增强型对应芯片依次为8032、8052、8752、8952片内ROM形式无ROMEPROME2PROM80318051875189518032805287528952ROM4kBRAM128B寻址64kB计数器并行口中断源I/O特性2×164×858kB256B64kB3×164×8680C51系列80C51是在8051芯片基础上发展起来的。80C51与8051从外形看是完全一样的，引脚信号、总线等完全一致（完全兼容），保证在系统扩展和接口方面的一致性。指令系统一致（兼容），保证软件的可移植性。◆

80C51的制造工艺是在8051基础上进行了改进。

8051系列单片机采用的是HMOS工艺：高速度、高密度

80C51系列单片机采用的是CHMOS工艺：高速度、高密度、低功耗；即80C51系列是一种低功耗单片机，常用的产品有：﹡

Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；﹡ATMEL的：89C51、89C52等；﹡

Philips、华邦、Dallas、STC、Siemens(Infineon)等公司的许多产品。80S51系列ISP在线编程功能最高工作频率提高到33MHz完全兼容全部51子系列产品全新的加密算法典型产品为

ATMEL的89S511.4单片机的应用一、单片机在仪器仪表中的应用：智能仪器、医疗器械、色谱仪二、工业应用：电机控制、工业机器人、过程控制、数字控制、智能传感器等。三、民用方面：电子玩具、录像机、数码机四、通讯方面：程控交换机、网关、网卡、手机等五、导弹与控制：导弹控制、智能武器装置六、数据处理：打印机、移动硬盘、优盘七、汽车方面：点火控制、变速器控制、排气控制、防滑刹车等。1.5数制和码制的简单回顾1.5.1数制：是计数的规则。符号：0，1，···,9规则：逢十进一十进制：是日常生活中最熟悉的进位计数制。二进制：是在计算机中采用的进位计数制。

符号：0，1规则：逢二进一特点：便于实现，不便记忆字节：8个位MSBLSBD7D6D5D4D3D2D1D0位号：字节：

有28个值（0～255）

LSB：最低有效位，D0位

MSB：最高有效位，D7位字：2字节，16位

有216个值（0～65535）

MSB：D15位十六进制：方便人们对二进制数的阅读和书写

符号：0，1，···,9，A，B，C，D，E，F规则：逢十六进一特点：4位二进制→1位十六进制为区分不同进制，在数的结尾以一个字母标示：十进制：D（或不带字母）二进制：B十六进制：H部分自然数的3种进制表示

十进制二进制十六进制十进制二进制十六进制00000B0H91001B9H10001B1H101010BAH20010B2H111011BBH30011B3H121100BCH40100B4H131101BDH50101B5H141110BEH60110B6H151111BFH70111B7H1610000B10H81000B8H1710001B11H三种数制间的转换方法1、二进制和十进制间的转换例：求二进制数11010.101相应的十进制数。（1）二进制→十进制：按权相加法：将各位二进制的权值乘上系数，相加11010.101B＝1×24＋1×23＋

0×22＋1×21＋0×20＋1×2－1＋0×2－2＋1×2－2=26.625常用二进制的权16…13121110987654321065536…81924096204810245122561286432168421－1－2－3－40.50.250.1250.0625（2）十进制→二进制：十进制整数：除2取余法直到商为零高低十进制小数：乘2取整法例：将十进制纯小数0.562转换成误差不大于2-6的二进制数。高低2、十六进制和十进制间的转换（1）十六进制→十进制：按权相加法7A.58H＝7×161＋A×160＋5×16－1＋8×16－2=122.34375例：求十六进制数7A.58H相应的十进制数。（2）十进制→十六进制：十进制整数：除16取余法例：求3901所对应的十六进制数。

3901

16

243

16

15

16

0余数

15

13

3

→F

→D

→3高低故3901=F3DH十进制小数：乘16取整法（类似于十进制转二进制小数）3、二进制和十六进制间的转换例：把二进制数1101111100011.100101转换为十六进制数。0001101111100011.10010100=1BE3.94H例：把十六进制数3AB.7A5转换为二进制数。3AB.7A5H

=001110101011.011110100101B1.5.3计算机中带符号数的表示一、机器数及其真值

数本身称为真值

数在计算机内的表示形式称为机器数例：正数

+1000101B（+45H）真值

1000101B0（45H）机器数例：负数－1010101B（－

55H）真值

1010101B1

（D5H）机器数机器数通常有原码、反码和补码三种形式。二、原码和反码原码：最高位为符号位，数值为绝对值

反码：

正数的反码：与其原码相同

负数的反码：原码的符号位不变（为1），其余位取反带符号正数+1000101B(+45H)，原码为01000101B(45H)，反码为01000101B(45H)带符号负数-1010101B(-55H)，原码为11010101B(D5H)，反码为10101010B(AAH)采用原码和反码表示时，符号位不能同数值一道参加运算。三、补码计算机中，带符号数的运算均采用补码。设二进制数的位数为n，则模为2n。二进制数的模：

例：8位二进制数的模为2^8，即256。

二进制数的补码：

正数不变，负数即用模减去绝对值。已知一个数X，其

8位字长的补码定义为：负数的补码，就是用100000000，减去该数字的绝对值[X]补

=X，

0≤X≤+127；28

－|X|，

－128≤X＜0；（正数和0的补码，是其本身）例：负数

-1010101B（-55H）真值原码反码补码+12701111111B01111111B01111111B（7FH）+12601111110B01111110B01111110B（7EH）············+100000001B00000001B00000001B（01H）+000000000B00000000B00000000B（00H）-010000000B11111111B00000000B（00H）-110000001B11111110B11111111B（FFH）············-12611111110B10000001B10000010B（82H）-12711111111B10000000B10000001B（81H）-128------------------10000000B（80H）

正数的补码、反码、原码均相同

负数的补码是反码加1（但“－0”与“－128”除外）采用补码时，“0”只有一种表示方式，单字节表示的范围是：+127～-128。

8位二进制数，其原码、反码、补码所能表示的范围是不同的。已知一个负数的补码求其真值的方法是：

对该补码求补（符号位不变，数值位取反加1）即得到该负数的原码（符号位+数值位）;

依原码求真值。补码为：11111111B求补得：10000001B真值为：-1

原码易于被人们识别，但运算复杂，符号位需要单独处理；

补码虽不易被人们识别，但方便运算。有符号数用补码表示后，计算机运算后的结果仍是补码；符号位和数值位一起参加运算，符号位的进位略去不计。1.补码加法运算[X＋Y]补＝[X]补＋[Y]补

例：已知X=+19，Y=－7，求X+Y的二进制值。[X＋Y]补＝[X]补＋[Y]补

=[+19]补＋[－7]补

[+19]补

=00010011B+[－7]补

=11111001B[X＋Y]补

=100001100B真值为：+0001100B2.补码减法运算[X－Y]补＝[X]补＋[－Y]补

例：已知X=+6，Y=+25，求X－Y的二进制值。[X－Y]补＝[X]补＋[－Y]补

=[+6]补＋[－25]补

[+6]补

=00000110B+[－25]补

=11100111B[X＋Y]补

=

11101101B真值为：－

0010011B参加运算的数及运算结果不能超出8位数所能表示的范围，否则运算会出现溢出，运算结果就不正确。注意对有符号数，采用补码时，8位数的表示范围是：

-128

～+127对无符号数，8位数的表示范围是：

0

～255（00000000～

11111111）1.5.2编码计算机中数字、字母以和符号要进行二进制编码。

遵循一定的规则编制代码，称为编码。

BCD码----十进制数的二进制编码1.8421BCD码十进制数BCD码十进制数BCD码00000B50101B10001B60110B20010B70111B30011B81000B40100B91001B二进制码在1010B~1111B范围时，属于非法码。

（压缩）BCD码：1个字节表示2位十进制数的编码十进制数BCD码00000B10001B20010B30011B40100B50101B60110B70111B81000B91001B十进制数BCD码1000010000B1100010001B1200010010B······2000100000B2100100001B······9710010111B9810011000B9910011001B注意