第1章 单片微型计算机概述

单片机及应用电气信息学院自动化系张秀芝联系电话：6392175第1章

单片微型计算机概述1.1何为单片机1.2单片机的特点1.3单片机的种类1.4单片微型计算机发展概况1.5微计算机系统概念1.6计算机中的数和编码(自学内容)1.1什么是单片机单片微型计算机简称单片机。由于它的结构及功能均按工业控制要求设计，所以又称单片微控制器（singlechipMicrocontroller）。它是将组成微型计算机机所必须的部件（中央处理器CPU、程序存贮器（ROM)、数据存贮器（RAM)、输入/输出（I/O)接口、定时/计数器、串行口、系统总线等）集成在一个超大规模集成电路芯片上。只要外加少许电子零件便可以构成一套简易的计算机控制系统，故又称单片微型计算机（singlechipMicrocomputer）优点：使用单片机做设计，降低硬件成本；体积小，适合设计小型而且较简单的控制系统。单片机与个人PC机相比较缺点：由于单片机芯片设计及制造技术方面的原因，在有限的芯片上无法设计出太多的内存空间，因此单片机上的ROM及RAM的容量都比较小。个人PC中的CPU一块要卖多少块钱？单片机的？

计算机的主要用途是科学计算、数据处理、图象分析、数据库人工智能、数字模拟与仿真等。所以CPU发展的动力在于人类无止境的海量数位运算的需求。286、386……586、奔腾等，系统速度越来越快，功能越来越强.价格高。单片机：价格并不高，从几元人民币到几十元人民币，体积也不大，一般用40脚封装，当然功能多一些单片机也有引脚比较多的，如68引脚，功能少的只有10多个或20多个引脚，有的甚至只8只引脚。单片机的功能肯定不强，干吗要学它呢？实际工作中并不是任何需要计算机的场合都要求计算机有很高的性能，一个控制电冰箱温度的计算机难道要用PIII？应用的关键是看是否够用，是否有很好的性能价格比。所以8051出来十多年，依然没有被淘汰，还在不断的发展中。1.2单片机的特点（1）体积小、重量轻、功耗低、功能强、性价比高。可嵌入各种设备中组成以之为核心的嵌入式系统。（2）数据大都在单片机内部传送，运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高。（3）结构灵活，易于组成各种微机应用系统。（4）应用广泛，既可用于工业自动控制等场合，又可用于测量仪器、医疗仪器及家用电器等领域。返回本章首页主流产品——Intel单片机主流字长——8位机基础语言——汇编语言核心技术稳定教学机型/典型代表：MCS-51系列（含MCS-52）1.4单片机的发展与应用

第一代（1974-1976）：1974年美国仙童公司生产第一个4位单片机F8问世。发展了各种4位机，多用于家用电器、计算器、玩具。一、单片机的历史第三代（1980-1983）：为高级8位机阶段，发展了高性能8位机，代表产品：IntelMCS-51系列。普遍带串口，有多级中断处理系统，多个16位定时器/计数器，片内ROM、RAM容量加大。寻址范围可达64KB。有的带A/D转换器。用于智能终端、局部网络接口。第四代：1983年以后，16位单片机阶段。发展了MCS-96系列16位机，功能强大，价格迅速下降。片内含有A/D、可用于电机控制；网络通讯能力增强。第二代（1976-1980）为初级8位机阶段，发展了各种中、低档8位机。代表产品：Intel8048。片内含有多个8位并行I/O接口、一个8位定时器/计数器，寻址范围不大于4KB，无串口。可满足一般工业控制和智能化仪表需要。单片机经历了一位、4位、8位、16位及32位的发展阶段，世界上一些著名的半导体器件厂家都开发了单片机如Intel、Motorola、Zilog、Philips等。单片机的品种日益增加，在众多的通用型单片机里，以Intel公司的MCS系列单片机最为著名。MCS-51单片机是目前世界上应用最为广泛的单片机系列。从最早的8031、8051、8751到后来的89C51、89C2051，兼容MCS-51结构和指令.但具有各种新特性的单片机层出不穷，几乎所以单片机厂家的产品中都可以找到兼容MCS-51的成员，熟悉了MCS-51系列的编程和应用就意味着拥有了一个庞大的单片机家族，可以适合绝大多数单片机应用场合二、单片机的发展状况1、CPU的改进采用双CPU结构，以提高处理能力。例：Rockwell公司的R6500/21和R65c29

增加数据总线宽度例：NEC公司的uPD-7800将ALU作成16位运算部件，内部采用16位数据总线。采用流水线结构，具有很高的运算速度串行总线结构I2C和DDB三条数据总线代替现行的8位数据总线，从而大量减少单片机引线，降低成本。例：非力普公司的MAB8420、SCC83C512、存储器的发展

主要解决容量、ROM的易写、不丢以及软件保密等。单片机应用领域

3、片内I/O的状况

一般单片机都有较多并行口，以满足外围设备、芯片扩展电路的需求，中高档机还配有串口，以满足多机通讯功能要求。（1）传感器接口；(2)各种工业对象的电气接口；（3）驱动的功率接口；（4）人机对化接口；（5）通讯网络接口。

高速I/O能力、中断处理能力、A/D、D/A的速度和精度、位操作能力、功率驱动能力、程序运行监控能力、信号实时处理能力等。4、片内集成更多的外围功能器件。A/D、D/A、DMA控制器、频率合成器、声音发生器、译码驱动器、CRT控制器等。5、半导体工艺技术的发展集成度提高（0.6um工艺）低功耗化（CMOS）总之将向高性能、高可靠性、网络化、低电压、低功耗、低噪音、低成本的方向发展。

单片机的出现是计算机技术发展史上的一个重要里程碑，单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。单片机的微小体积和极低的成本，使其可广泛地嵌入到如仪器仪表、工业控制单元、汽车电子系统、办公自动化设备、家用电器、机器人、个人信息终端及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。

单片机应用领域

1.单片机在智能仪器仪表中的应用；

2.单片机在工业测控中的应用；

3.单片机在计算机网络和通讯技术中的应用；

4.单片机在日常生活及家电中的应用；

5.单片机在办公自动化方面。

遥控机器人在进行灭火演习点焊一个液晶显示的数字式电脑温度计

出租车计价器及电子称参考书1.单片机原理及接口技术学习辅导，朱定华，电子工业出版社，20012.单片微型计算机原理、接口及应用（第2版），徐惠民，北京邮电大学出版社，20003.单片微型计算机与接口技术，李群芳，电子工业出版社，20011.http://www.bol-

中国单片机公共实验室2.

单片机世界广州站3.

乐清单片机联盟4.http://kyxjs.

科宇单片机工作室5./~dz200051单片机世界单片机的常用名词总线:指能为多个部件服务的信息传送线，在微机系统中各个部件通过总线相互通信。地址总线:它是传送由CPU发出的用于选择要访问的器件或部件的地址。数据总线:它是用来传送微型机系统内的各种类型的数据。汇编：是能完成一定任务的机器指令的集合。二进制数:只有0和1两个数码，基数为二。16进制数:采用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F等16个数码，其中A-F相应的十进数为10-15，基数是16。指令:是计算机所能执行的一种基本操作的描述，是计算机软件的基本单元。存储器:用来存放计算机中的所有信息：包括程序、原始数据、运算的中间结果及最终结果等。

暂存器:用来暂存由数据总线或通用寄存器送来的操作数，并把它作为另一个操作数。中断:中断是单片机实时地处理内部或外部事件的一种内部机制。当某种内部或外部事件发生时，单片机的中断系统将迫使CPU暂停正在执行的程序，转而去进行中断事件的处理，中断处理完毕后，又返回被中断的程序处，继续执行下去。掉电保护:指在正常供电电源掉电时，迅速用备用直流电源供电，以保证在一段时间内信息不会丢失，当主电源恢复供电时，又自动切换为主电源供电。

RAM随机存取存储器:主要用来存放各种输入数据、输出数据、中间结果、最终结果以及与外存交换的信息等，当掉电后，RAM中所存储的信息都将消失。ROM只读存储器:

ROM通过特别手段可将信息存入其中，并能长期的保存被存储的信息，一般的情况，CPU只能对它进行写入操作，当断电后，ROM中所存储的信息不会消失。寄存器寻址:操作数在寄存器中，由指令操作码中的rrr三位的值和PSW中RS1及RS0的状态，选中某个工作寄存器区的某个寄存器，然后进行相应的指令操作。波特率:即每秒钟传送二进制数的位数，波特率越高，数据传输的速度越快。

UART通用异步接收器/发送器:用于数据的串/并转换，硬件UART由三部分组成：接收部分、发送部分和控制部分，接收和发送都具有双缓冲结构。D/A转换:即将二进制数量转换成与其量值成正比的电流信号或电压信号。A/D转换:即将模拟量转换成相应的数字量，然而送计算机处理。Eprom存储器:一、紫外光擦除的EPROM它的基本存储电路由一个浮栅雪崩注入MOS管和一个普通MOS管组成。其中浮栅雪崩注入MOS管作为存储器用，另一个普通MOS管作为地址选择用。二、电擦除可编程EEPROM：它的某些型号编程和擦除可在普通电压下进行，另外，它是实行在线操作的，既在写入一个字节的数据之前，自动的对要写入的单元进行擦除。串行方式:指数据的各位分时传送，只需一条数据线，外加一条公共信号地线和若干条控制信号线。并行方式:指数据的各位同时传送，每一条数据都需要一条传输线。伪指令:用于告诉汇编程序如何进行汇编的指令，它既不控制机器的操作也不被汇编成机器代码，只能为汇编程序所识别并指导汇编如何进行。

SLEEPMODI睡觉模式:保证程序内部运行，但与外部的传输等动作已停止的一种运行模式。linking连接:把编译后生成的*.obj文件与其它*.obj文件合并成机器能识别的机器文件。

I2C:输入与输出共用一条传输线，而时钟由另一条线控制的一种串行传输方式。SFR特殊功能寄存器区:8051把CPU中的专用寄存器、并行端口锁存器、串行口与定时器/计数器内的控制寄存器集中安排到一个区域，离散地分布在地址从80H到FFH范围内，这个区域称为特殊功能寄存器区SFR1.5微计算机系统概念 图1-1微处理器、微计算机和微计算机系统的关系返回本章首页任务：点亮一个发光管（8051）

拿到一块芯片，想要使用它，首先必须要知道怎样连线1、电源：这当然是必不可少的了。单片机使用的是5V电源，其中正极接40引脚，负极（地）接20引脚。2、振蒎电路：单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，使用晶体振荡器，接18、19脚。只要买来晶振，电容，连上就可以了，按图1接上即可。

3、复位引脚：按图1中画法连好，至于复位是何含义及为何需要复要复位，在单片机功能中介绍。

4、EA引脚：EA引脚接到正电源端。至此，一个单片机就接好，通上电，单片机就开始工作了。任务分析：第一个任务是要用单片机点亮一只发光二极管LED。要能够让1引脚P1.0按要求变为高或低电平。当1脚是高电平时，LED不亮，只有1脚是低电平时，LED才发亮。要计算机做事，也得要向计算机发命令，计算机能听得懂的命令称之为计算机的指令。一个引脚输出高电平的指令是SETB，让一个引脚输出低电平的指令是CLR。因此，只要写SETBP1.0，要P1.0输出高电平，

CLRP1.0要P1.0输出低电平怎样才能计算机执行这条指令呢？总不能也对计算机也说一声了事吧。要解决这个问题，还得有几步要走。翻译成计算机能懂的方式，再让计算机去读。计算机能懂什么呢？它只懂一样东西——数字。因此我们得把SETBP1.0变为（D2H,90H），把CLRP1.0变为（C2H,90H），至于为什么是这两个数字，这也是由51芯片的设计者--INTEL规定的，我们不去研究。第二步，在得到这两个数字后，怎样让这两个数字进入单片机的内部呢？这要借助于一个硬件工具“编程器”。我们把它的名字设为：001led.最后把生成的001led.hex烧入8051里面。然后把芯片换到试验卡座里，这时候我们可以看到p1.0这个灯亮了。为啥要用单片机搞得这么复杂？接一个电池，灯不就亮了？如果我们不要p1.0亮。而是要p2.0亮，那么写入clrp2.0就可以啦，不需要你动烙铁来改线。这样我们看到，硬件电路的连线没有做任何改变，只要改变写入单片机中的内容，就可以改变电路的输出效果。第二个试验：点亮一个闪烁的发光管

SETBP1.0CLRP1.0……这是不行的，有两个问题，第一，计算机执行指令的时间很快，执行完SETBP10后，灯是灭了，但在极短时间（微秒级）后，计算机又执行了CLRP10指令，灯又亮了，所以根本分辨不出灯曾灭过。第二，在执行完CLRP10后，不会再去执行SETBP10指令，所以以后再也没有机会让灭了。主程序：LOOP：SETBP1.0；（１）LCALLDELAY；（２）CLRP1.0；（３）LCALLDELAY；（４）AJMPLOOP；（５）以下为子程序DELAY：MOVR7，#250；（６）D1：MOVR6，#250；（７）D2：DJNZR6，D2；（８）DJNZR7，D1；（９）RET；（１０）END；（１１1.4计算机中的数和编码1.4.1计数制 1.4.2二进制数（用B表示）1.4.3十六进制数（用H表示）1.4.4不同进制数之间的转换1.4.5数制书写约定1.4.6计算机中数的表示 1.4.7计算机常用编码返回本章首页1.4.1计数制日常生活中广泛使用的数为十进制数，这是一种逢十进一的计数方法。用的数制还有二进制、八进制和十六进制等。基数小于10的计数制，可用十进制相应的数码作为它的数字符号，一个数一般由多个数码组成。数码在数中的位置不同，其值也不同。返回本节1.4.2二进制数（用B表示）以2为基数的数制称为二进位计数制，它只包括0和1两个数码，很容易用电子元件的两种不同的状态来表示，例如，用高电平表示1，用低电平表示0。所以，计算机中通常采用二进制数。二进制数的计数特征：逢二进一，运算简单。在加、减、乘、除四则运算中，乘法实质上是做移位加法，除法则是移位减法。返回本节1.4.3十六进制数（用H表示）为了书写和阅读方便，经常采用十六进制数作为二进制的缩写形式。十进制数、二进制数、十六进制数的对照表如表1-1所示。在计数时，逢十六进一，这样书写长度短，且可方便将十六进制数转换为二进制数或将二进制数转换为十六进制数。表1-1十进制数、二进制数、十六进制数对照表返回本节1.4.4不同进制数之间的转换1．二进制转换为十进制基本方法：将二进制数按权展开式，利用十进制数的运算法则求和，即可得到等值的十进制数。2．十进制到二进制的转换l

十进制整数转换为二进制整数l

十进制小数转换为二进制小数l

带小数的十进制数转换为二进制数3．二进制、十六进制之间的相互转换将二进制数转换为十六进制数，从低位开始，每四位一组，然后将其转换为对应的十六进制数。如最后一组不足四位，需在左边补0。用同样方法可将二进制小数转换十六进制小数。只是分组应从小数点右边开始分成四位一组。十六进制数转换为二进制数，将每位十六进制数直接转换成相应的二进制数。返回本节二进制与十进制、十六进制的转换有专用的计算器。采用电脑，这时你可以点击开始然后点击程序再点附件这时我们会看到有一个计算器的程序，我们点击一下计算器，这时一个计算器的操作界面就出来了。如果你看到的是一个跟我们普通计算器一样的界面，这时你还需要进行一个小小的设定，点击计算器界面上的查看，这时会下拉一个菜单，即标准型，科学型，我们选择科学型，这时一个可进行二、十、十六进制运算的计算器就出来了。

1.4.5数制书写约定在书写计算机程序时，一般不用基数作为下标来区分各种进制，而是用相应的英文字母作后缀来表示各种进制的数。例如：B（Binary）——表示二进制数。

D（Decimal）——表示十进制数，一般D可省略，即无后缀的数字为十进制数。

H（Hexadecimal）——表示十六进制数。返回本节1.4.6计算机中数的表示1．原码、反码和补码l

原码：在符号位中用0表示正、用1表示负的二进制数，称为原码。例如，x1=＋1110111B，[x1]原=01110111Bx2=－1110111B，[x2]原=11110111B数0可是＋0或－0。因此，0在原码中形式：[＋0]原=00000000B，[－0]原=10000000Bl

反码：正数的反码=原码；负数的反码=原码的符号位不变而数值按位取反。所谓按位取反，即将各位的1变成0，0变成1。例如，x1=＋13，[x1]反=[＋13]原=00001101B。又如，x2=－13，[x2]原=[－13]原=10001101B，[x2]反=[－13]反=11110010B。l

补码：正数的补码=原码；负数的补码=反码＋1。例如，x1=＋1101101B，[x1]补=[＋13]原=01101101B。又如，x2=－1101101B，[x2]反=10010010B，[x2]补=10010011B。