《单片机原理及应用》第1章：单片机基础知识

单片机原理及应用第一章：单片机基础知识本章重点：1、计算机的数制和编码2、单片机的引脚及功能3、单片机的存储器结构4、单片机的复位电路及时钟电路第一章：单片机基础知识第一章：单片机基础知识1.1单片机的基础单片机：在一片集成电路芯片上集成了CPU、RAM、ROM、时钟、定时／计数器、多功能串行或并行I／O口的通用IC，从而构成了一个完整的单芯片微型计算机（SingleChipMicrocomputer)，即单片机。1.1单片机的基础—单片机的发展史第一阶段（1976-1978）：单片机的探索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。第二阶段（1978-1982）：单片机的完善阶段。Intel公司在MCS-48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS-51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。第三阶段（1982-1990）：向微控制器发展的阶段。也是8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段。Intel公司推出的MCS-96系列单片机。第四阶段（1990-现在）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。1.1单片机的基础—单片机的应用1、家电领域2、办公自动化领域3、通讯领域4、商业营销领域5、工业控制领域6、仪器仪表领域7、医疗器械领域8、汽车电子领域此外，单片机在工商、金融、科研、教育、交通、国防、航空、航天、航海等领域都有着十分广泛的用途。1.1单片机的基础—数制和编码所谓数制是指计数的规则，按进位原则进行计数的方法，成为进位计数制。数制有很多种，计算机编程时常用的数制为二进制、八进制、十进制和十六进制。不同进制之间的转换1.二进制、八进制、十六进制数转化为十进制数对于任何一个二进制数、八进制数、十六进制数，均可以先写出它的位权展开式，然后再按十进制进行计算，即可将其转换为十进制数。例如，二进制数转化为十进制数：

八进制数转换为十进制数：十六进制转换为十进制数：不同进制之间的转换2.十进制数转换成二进制数、八进制数、十六进制数整数部分：除基取余法。分别用基数R不断地去除N的整数，直到商为零为止小数部分：乘基取整法。分别用基数R（R=2、8或16）不断地去乘N的小数，直到积的小数部分为零（或满足所需精度）为止。3、二进制数和十六进制数的转换从二进制的小数点开始，分别向左、右两边各以4位为一组，不足4位以0补足，然后分别把每组用十六进制数码表示，并按序相连。编码计算机不仅要识别人们习惯的十进制数、完成数值计算问题，而且要大量处理文字、字符和各种符号（标点符号、运算符号）等非数值计算问题。这就是要求计算机必须能够识别它们。也就是说，字符、符号和十进制数最终都转换为二进制格式的代码，即信息和数据的二进制编码。根据信息对象的不同，计算机中的编码方式（码制）也不同，常见的码制有BCD码和ASCⅡ码。编码BCD码：用二进制代码表示十进制数，这种编码方法简称BCD码（binarycodeddecimal）.ASCⅡ码：目前采用的字符编码主要是ASCⅡ码，是americanstandardcodeforinformationinterchange的缩写。ASCⅡ码是用7位二进制数编码来表示128个字符和符号，一个ASCⅡ码存放在一个字节的低7位，字节的高位为0，因此可以表示128个不同字符，如附录所见。数字0-9的ASCⅡ码为0110000B-0111001B（即30H-39H），大写字母A-Z的ASCⅡ码为41H-5AH。同一个字母的ASCⅡ码码制小写字母比大写字母大32（20H）。计算机中数的表示与运算1.无符号数的表示用来表示数的符号的数位称为符号位。无符号数没有符号位，数的所有数位均为数值位。2.有符号数的表示有符号数由符号位和数值位两部分组成，数学中的正、负用符号“+”、“-”来表示，在计算机中规定：用“0”表示“+”、用“1”表示“-”

有符号数的表示---原码、反码、补码有符号数的表示---原码、反码、补码（2）反码正数的反码表示与其原码相同，负数的反码是其原码的符号位不变、数值各位取反，记为。【例1-7】X=+1101011，Y=-1000011求。0在反码中有两种表示形式：，有符号数的表示---原码、反码、补码反码：有符号数的表示---原码、反码、补码数的运算1.无符号数的运算无符号数的运算主要是无符号数的加、减、乘、除运算与溢出。（1）二进制数的加减运算二进制加法运算，每一位遵循如下法则：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=0（向高位有进位），逢二进一。0-0=0，1-1=0，1-0=1，0-1=1（向高位有借位），借一位二。（2）二进制数乘法运算二进制乘法运算，每一位遵循如下法则：00=0，01=0，10=0，11=1。特点是：当且仅当两个1相乘时结果为1，否则为0.二进制数乘法运算过程是若乘数位为1，则将被乘数加于中间结果上：若乘数为0，则加0于中间结果上。二进制数除法运算【例1-10】除数为101，被除数为011010，求商的值。二进制数的逻辑运算1）.逻辑与运算逻辑与运算常用算符“∧”表示，逻辑与运算的运算法则为：0∧1=1∧0=0，0∧0=0，1∧1=1。逻辑与运算法则可概括为“只有对应的两个二进位均为1时，结果位才为1，否则为0”。2）.逻辑或运算逻辑或运算常用算符“∨”表示，逻辑或的运算法则：0∨1=1∨0=1，0∨0=0，1∨1=1。逻辑或运算法则可概括为“只要对应的二个二进位有一个为1时，结果位就位1”。3）.逻辑非运算逻辑非运算常采用算符“”表示，运算法则：=0，=14）.逻辑异或运算逻辑异或运算常采用算符⊕表示，逻辑异或的运算法则：0⊕1=1⊕0=1，0⊕0=1⊕1=0。逻辑异或运算可总结为“两对应的二进位不同时，结果为1，相同时为0”。1.2目前我国主流的单片机系列1.80C51系列2.PIC系列3.AVR系列AVR系列单片机是Atmel公司推出的较为新颖的单片机，其显著的特点为高性能、速度低功耗。AVR系列的I/O脚类似PIC，它也有用来控制输入/输出的方向寄存器，输出驱动虽不如PIC，但比80C51系列强。AVR系列单片机工作电压2.76.0V，可以实现耗电量最优化，芯片上的Flash存储器附在用户的产品中，可随时编程和再编程，使用户的产品设计容易，更新换代方便。1.351单片机基本知识51单片机基本知识有如下部件和特性：（1）8位微处理器（CPU)；

（2）程序存储器（4KFlashROM），可进行1000次重复擦写和三级加密；（3）128B数据存储器（RAM）；（4）26个特殊功能寄存器（SFR）；（5）4个8位可编程并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）；（6）1组全双工可编程串行通道；（7）2个可编程的16位定时器/计数器；（8）1个看门狗定时器；（9）5个中断源；（10）低功耗模式有空闲和掉电模式，且具有断电模式下的中断恢复模式；

（11）灵活的在系统程序设计（ISP）单片机的引脚介绍控制引脚RST：复位输入端。ALE/：地址锁存允许/编程脉冲。在访问外部存储器时，这个输出信号用于锁存低字节地址。在对Flash内存编程时，这条引脚用于输入编程脉冲PROG。一般情况下，ALE是振荡器频率的6分频信号，可用于外部定时或时钟。：外部程序存储器的选通信号。它用于读外部程序存储器的选通信号，低电平有效。EA/VPP：外部程序存储器访问允许端/编程电源输入端。接地，单片机从地址为0000H～FFFFH的外部程序内存中读取代码。接到VCC，单片机先从内部程序内存中读取代码，然后自动转向外部程序状态字寄存器CY(PSW.7)：进位标志。在执行某些算术和逻辑指令时，它可以被硬件或软件置位或清零

AC(PSW.6)：辅助进位标志。当进行加法或减法操作而产生由低4位数向高4位数进位或借位时，AC将被硬件置位，否则就被清零。AC被用于BCD码调整，详见指令系统中的“DAA”指令。OV(PSW.2)：溢出标志。带符号加减运算中，超出了累加器A所能表示的符号数有效范围（－128～＋127）时，即产生溢出，OV=1，表明运算运算结果错误。P(PSW.0)：奇偶标志。存贮器结构

51单片机存储器在物理结构上分成四个存储空间：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。从用户使用的角度，即从逻辑上考虑，则有三个存储空间：片内外统一编址的64KB程序存储器地址空间（0000H~FFFFH）、256B的片内数据存储器地址空间（00H~FFH）及片外数据存储器地址空间（0000H~FFFFH）。51单片机程序存储器的分配

从地址0003H开始，系统每隔8个单元为6个中断服务子程序分配有一个固定的入口地址。如外部中断0的入口地址为0003H；定时器0的入口地址为000BH；外部中断1的入口地址为0013H；定时器1的入口地址为001BH；以此类推。内部数据存贮器1.工作寄存器组区最低32个单元(地址为00H～1FH)是4个通用工作寄存器组。每个寄存器组含有8个8位寄存器，编号为R0～R7。2.位寻址区

内部RAM区中的20H～2FH单元(16字节)可供位寻址，这16个单元共有128位，每位均可直接寻址，其位地址范围为00H～7FH，具体情况见表1-5。

这些位地址有两种表示方式：一种是采用位地址形式，即00H～7FH；

一种是用字节地址(20H～2FH).位数方式表示。例如，位地址00H～07H也可表示为20H.0～20H.7。位存储器用户RAM区

30H～7FH共80个字节单元，为字节寻址的内部RAM区，可供用户作为数据存储区。这一区域的操作指令非常丰富，数据处理方便灵活，是非常宝贵的资源。但是，如果堆栈指针初始化时设置在这个区域，就要留出足够的字节单元作为堆栈区，以防止在数据存储时，破坏了堆栈的内容。堆栈堆栈：是按先进后出或后进先出原则进行读/写的特殊RAM区域。51单片机的堆栈区是不固定的，原则上可设置在内部RAM的任意区域内。实际使用时要根据对片内RAM各功能区的使用情况而灵活设置，应避开工作寄存器区、位寻址区和用户实际使用的数据区，一般设在2FH地址单元以后的区域。堆栈的作用：主要用在子程序调用或中断处理过程中，用于保护断点和现场，实现子程序或中断的多级嵌套处理。特殊功能寄存器因为这些寄存器的功能已作专门规定，所以称其为专用寄存器或特殊功能寄存器（SpecialFunctionRegisters），简称SFR。地址位于80H~FFH。1.累加器ACC；2.B寄存器；3.堆栈指针SP4.双地址指针DPTR0和DPTR1；5.端口P0～P3；6.串行数据缓冲器SBUF7.定时器/计数器；8.看门狗定时器WDT9.辅助寄存器1（AUXR1）；10.辅助寄存器（AUXR）(11)其它控制寄存器

IP、IE、TMOD、TCON、SCON和PCON寄存器

复位电路复位状态CPU时序（1)时钟周期：时钟周期也称振荡周期，即振荡器的振荡频率fosc的倒数，是时序中最小的时间单位。（2)状态周期：时钟周期经2分频后成为内部的时钟信号，用作单片机内部各功能部件按序协调工作的控制信号，称为状态周期，用S表示。一个状态周期包含两个时钟周期，前半状态周期相应的时钟周期定义为P1，后半周期对应的时钟周期定义为P2。（3)机器周期：执行一条指令的过程可分为若干个阶段，每一阶段完成一规定的操作，完成一个规定操作所需要的时间称为一个机器周期。CPU时序图1个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期1.4常用电路元件及电平特性电阻的基本知识电阻器的标识方法电阻器的标识方法有直标法、文字符号法、数码法和色环法4种①直标法。直标法是用阿拉伯数字和单位文字符号在电阻器表面直接标出标称阻值和允许偏差的方法。允许偏差用百分数表示。②文字符号法。文字符号法是用阿拉伯数字和文字符号有规律地组合来表示标称阻值及允许偏差的方法。③数码法。数码法是用三位整数表示电阻阻值的方法。数码是从左向右，前面的两位数为有效值，第三位数零的个数（或倍率10），单位为。④色环法。色环法是用不同颜色的色环在电阻器表面标出电阻值和误差的方法，是目前常用的电阻值标识方法。能否识别色环电阻，是考核电子行业人员的基本项目之一。四环、五环标示法。每种颜色对应数字：棕1，红2，橙3，黄4，绿5，蓝6，紫7，灰8，白9，黑0例如，红、红、红、银四环表示阻值为，

允许偏差为10%；又如绿、蓝、金、金四环表示的阻值为

，允许偏差为5%。

电容的基本知识电容器（简称为电容）是组成电子电路的主要元件。电容量是表现电容器容纳电荷本领的物理量。电容主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、充电放电、储能、隔直流等电路中。电容的符号：电感线圈的基本知识电感是闭合回路的一种属性。当线圈通过电流后，在线圈中形成感应磁场，感应磁场又会产生感应电流来抵制通过线圈中的电流。这种线圈中的电流与磁场的相互作用关系称为电的感抗。电感器电感量的大小，主要取决于线圈的圈数（匝数）、绕制方式、有无磁芯及磁芯的材料等。通常，线圈圈数越多、绕制的线圈越密集，电感量就越大。有磁芯的线圈电感量大；磁芯导磁率越大的线圈，电感量也越大。电平特性1.TTL电平用+5V等价于逻辑“1”，OV等价于逻辑“0”，这被称作为TTL（晶闸管-晶体管逻辑电平）信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。TTL电路的电平就叫作TTL电平（在其他数字电路中，TTL电平就是由TTL电子元器件组成的电路使用的电平。电平是一个电压