《单片机原理及系统设计教程》课件第1章 基础

第一章单片机结构及设计基础1信息和数制信息:消息中有意义的内容.数制:利用符号和规则实现计数和数学运算的方法。1.1.1信息在计算机中的表示什么是信息？信息：指通信或接收到的有关特定事实或情况的知识。信息是用来消除不确定性的东西。1.1.2数制二进制:以2为基数的数制称为二进制微机使用二进制最经济。可以通过数学证明：若采用X进制，即每位有X个状态，每个状态用一个电路，假设有n位，状态数=nX，设nX=常数时，若最大，则X进制最经济。即电路数一定，表示的数值范围越大越经济。通过求导，令导数=0，则求出：X=2.72，故微机使用二进制或三进制最经济。二进制表示式为：八进制计算机中使用二进制，发现书写太长不便，同时二进制和八进制互相转换方便，所以计算机内也广泛采用八进制。但由于八进制转换成二进制是3位，并不便于计算机存储，所以逐渐被十六进制替代。八进制表示式为：十进制十进制以10为基数，十进制表示式为：十六进制十六进制以16为基数,十六进制表示式为：十六进制书写方便，例如：（1001）B=（9）H，（1010）B=（0A）H。如果十六进制最高位为：A，B，C，D，E，F，书写时前面加0，说明是数字，不是字母。如十六进制数（FF）H，应写为（0FF）H。数制三要素：基、权、进制基：计数制中每个数位所使用数符的总数。权：数符所在位置表示数值的大小，当数符为“1”时所表征的数值即该位的权值。进制：进位规律，如逢基进一（十进制、二进制、十六进制）。不同进制列表常用进制英文表示符号数码符号进位规律进位基数二进制B0、1逢二进一2八进制O0、1、2、3、4、5、6、7逢八进一8十进制D0、1、2、3、4、5、6、7、8、9逢十进一10十六进制H0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F逢十六进一161.1.3数制的转换1.其他进制转换为十进制其它进制转换为十进制转换方法:权值法口诀：按权位展开，各项相加。解释：二进制数、八进制数、十六进制数转换为相应的十进制，只要将被转换进制中的每一位乘以该位对应的权，然后再按十进制计算得到十进制数。数制及其转换例1.1将二进制数(11010.011)B转换为十进制数(11010.011)B=1×24+1×23+0×22+1×21+0×20+0×2-1+1×2-2+1×2-3=16+8+0+2+0+0+0.25+0.125=(26.375)D例1.2将八进制数(37.01)O转换为十进制数(37.01)O=3×81+7×80+0×8-1+1×8-2=24+7+0.015625=31.015625例1.3将十六进制数(1DF)H转换为十进制数。

(1DF)H=2×162+13×161+1×160=256+208+15=(479)D2.十进制转换为其他进制取余法运算口诀：整数除基取余，余数倒排；小数乘基取整，整数顺排。解释：十进制转换为其他进制，需分整数、小数两部分进行。整数部分采用基数除法：

（1）将要转换的整数除以新进制的基，余数作为最低位。

（2）把上一步得到的商再除以新的进制基数，把余数作为次低位。

（3）依次类推，直到商为零，这时的余数就是最高位。小数部分采用基数乘法

（1）将要转换数的小数部分乘以新进制的基数，把得到的整数部分作为小数部分的最高位。

（2）把上一步得的小数部分再乘以新进制的基数，把整数部分作为小数部分的次高位。

（3）依次类推，直到小数部分变成零或达到预定的要求为止。例1.4将（39）D转换为2进制

故(39)D=(100111)B。整数部分小数部分例1.5将（68.125）转换为8进制D

二进制和十六进制的相互转换运算口诀：4合1，1分4，不足补零例1.8将二进制数(11011011011010)B转换为十六进制数。解：(11011011011010)B=(0011，0110，1101，1010)B=(36DA)H

例1.10将十六进制数(0F81)H转换为二进制数。解：(0F81)H=(1111，1000，0001)B=(111110000001)B二进制和八进制的相互转换运算口诀：3合1，1分3，不足补零；例1.11将二进制数(11011011011010)B转换为八进制数。解：(11011011011010)B=(011，011，011，011，010)B=(33332)O常见三种数制转换的方法总结如图附十进制数、二进制数与十六进制DecimalBinaryHexDecimalBinaryHex000000810008100011910019200102101010A300113111011B401004121100C501015131101D601106141110E701117151111F1.2数的表示及编码1.2.1计算机中的数据类型位（Bit）、字节（Byte）、字（Word）、双字（Doubleword）、四字（Quardword）

1bit=1个二进制位1Byte=8bit1Word=2Byte1Doubleword=2Word=4Byte1Quardword=4Word……0110110001111110101011001111000001010011bit(1B)

Byte(53H)Word(0F053H)Doubleword(7EACF053H)Quardword低字节高字节高字低字1.2.2数的表示1.有符号数8位二进制数可以表示一个有符号数。8位有符号数用D7表示符号位，0代表“+”，1代表“-”，D0~D6为数值位。D7D6~D0符号位数值位原码用最高位表示符号位，其余位表示数值位的二进制数，称为原码。8位二进制数原码的表示范围是-127~+127。原码的特点是：最高位为0表示正数。最高位为1表示负数。其余位不变。例1.12求+20，－20的原码。解：［＋20］原＝＋10100＝00010100（“＋”的符号位用0代替）［－20］原＝－10100＝10010100（“－”的符号位用1代替）反码正数的反码与其原码相同；负数的反码是对其原码逐位取反，但符号位除外。8位二进制数反码的表示范围是-127~+127。反码的特点是：正数的反码和原码相同。负数的反码的符号位为1，其余取反。例1.13求+20，－20的反码。解：［＋20］反＝［＋20］原＝＋10100＝00010100（正数的反码和原码相同）［－20］反＝－10100＝（10010100）原＝11101011（符号位为1，其余取反）补码正数的补码与其原码相同；负数的补码是在其反码的末位加1。补码的特点是：正数的补码和原码相同。负数的补码为反码最低位加１。例1.14求+20，－20的补码。解：［＋20］补＝［＋20］原＝＋10100＝00010100（正数的补码和原码相同）［－20］补＝［－20］反＋1＝11101011+1＝11101100（负数的补码为反码最低位加１）8位二进制数表示的原码、反码与补码8位二进制数十六进制数无符号数原码补码反码0000000000H0+0+0+00000000101H1+1+1+10000001002H2+2+2+2····································011111017DH125+125+125+125011111107EH126+126+126+126011111117FH127+127+127+1271000000080H128-0-128-1271000000181H129-1-127-1261000001082H130-2-126-125····································11111101FDH253-125-3-211111110FEH254-126-2-111111111FFH255-127-1-02.无符号数8位二进制数也可以表示一个无符号数，8位无符号数D0~D7为数值位，表示范围为0~+225。3.机器数与真值机内数或机器数：在计算机中，以二进制表示的数称为机内数或机器数。计算机不仅可以用0，1编码的形式表示一个数的数值部分，也可以用0，1表示正、负号。机器数有无符号数、原码、反码、补码等多种表示方式。由于一个字节为8bit，所以机器数一般用8bit表示。真值：机器数代表的实际值叫真值，如＋36，－35。例如，机内数（10001011）B，表示的真值为：无符号数139原码-11

反码-116

补码-117定点数—小数点位置固定（例如纯整数和纯小数）浮点数—小数点位置不固定（充分利用有限位数，扩大数的表示范围和精度）浮点数的表示方法SE1E2E3E4

…Eib1b2b3b4

…bp-1(-1)S2E(b0

b1b2b3…bp-1)S=0正数S=1负数小数点位置与b0=1省略符号指数尾数4.定点数与浮点数微机系统的三种浮点数类型浮点数中的参数单精度浮点数双精度浮点数扩充精度浮点数浮点数长度32位64位80位尾数长度p23位52位64位符号位S1位1位1位指数长度E8位11位15位最小指数-126-1022-16382最大指数+127+1023+16383指数的偏移量值+127+1023+16383【例1.3】将十进制数219.125表示成单精度浮点数。219.125D=11011011.001B=1.1011011001

27E=7+127=134=10000110B。得到二进制表示的规格化的浮点数形式：尾数（共23位），包括隐含的b0共24位指数符号010000110101101100100000000000001.1.6计算机中常用码制1．BCD码（BinaryCodedDecimal）

用二进制编码表示十进制数称为BCD码。一位十进制数需要用4位二进制编码表示。例如(0100100101111000.000101001001)BCD

(4978.149)D压缩BCD码：一个字节表示两位十进制数非压缩BCD码：一个字节表示一位十进制数（使用低四位）BCD码加法，可以通过半字节（四位二进制数）BCD码的加法实现，规则:和≤9不调整；9＜和≤15先加6调整，有AC=1（低4位）或CY=1（高4位）；15＜和有AC=1（低4位）或CY=1（高4位），后加6调整。表1-3几种常见的BCD编码

十进制数常见的编码842154212421631-1余3码73210000000000000000000110000100010001000100100100000120010001010000101010100103001100111001010001100011601101001110010001001011181000101111101101101110019100111001111110011001010

2.ASCII码美国国家信息交换标准代码ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）已成为计算机字符编码的国际标准。它由7位2进制数码构成，共128个字符。

ASCII码主要用于微机与外设通信ASCII码表

012345670NULDLESP0@P`P1SOHDC1!1AQaQ2STXDC2“2BRbR3ETXDC3#3CScS4EOTDC4$4DTdT5ENQNAK%5EUeU6ACKSYN&6FVfV7BELETB‘7GWgW8BSCAN(8HXhX9HTEM)9IYiYALFSUB*:JZjZBVTESC+;K[k{CFFFS,<L\l|DCRGS-=M]m}ESORS.>N^n~FSIUS/?O_oDELNUL空SOH标题开始STX正文结束ETX本文结束EOT传输结束ENQ询问ACK承认BEL报警符BS退格HT横向列表LF换行VT垂直制表FF走纸控制CR回车SO移位输出SI移位输入SP空格DLE数据链换码DC1设备控制1DC2设备控制2DC3设备控制3DC4设备控制4NAK否定SYN空转同步ETB信息组传送结束CAN作废EM纸尽SUB减ESC换码FS分隔符GS组分隔符RS记录分隔符US单元分隔符DEL作废控制符号的定义3.中文编码中文字符用二个字节表示，每个字节的最高位置1，余下的14位表示字符，构成汉字内码(GB2312-80)。汉字内码是对汉字的唯一标识。汉字输入码

各种输入法所采用的汉字编码统称为输入码

汉字内码

输入的汉字在机器中必须转换为统一的机内码汉字输出码

用于输出汉字字型的点阵编码

4.奇偶校验码在数据的存取、运算和传送过程中，难免会发生错误，把“1”错成“0”或把“0”错成“1”。奇偶校验码是一种能检验这种错误的代码。它分为两部分；信息位和奇偶校验位。一些常用数据1字节＝8位，即：1BYTE=8BIT1024字节称为1KB(YTE)1024KB=1MB1024MB=1GB有时商家把1000也称为1K，于是80G硬盘在电脑中就识别为76G地址线条数对应可寻址（访问）的存储器大小具有如下关系：1线1字节，10线1KB，20线1MB，30线1GB显然：11线2KB，12线4KB，..16线64KB。PC机地址线32线（位），可以组装的最大内存是：4GB单板机:将CPU、存储器、I/O接口、中断系统集成在一块印制电路板上，有完整功能的微型计算机微型计算机系统：多板机+电源+外设+软件系统。微型计算机开发系统：一种有专门用途的微型计算机系统，用来开发单片机应用系统。1.4单片机系统组成原理单片机系统组成原理一般单片机系统的组成结构是采用冯·诺依曼型，而DSP常用哈佛结构冯·诺依曼型的主要工作特点是：由五部分组成：存储器、运算器、控制器、总线、接口和外设存储程序方式二进制表示数据和命令指令由操作码和地址码组成以运算器为中心，数据传送通过运算器单片机系统基本结构单片机系统基本结构包括存储器：ROM、RAM、EPROM……微处理器：运算器、控制器总线：AB、DB、CB接口和外设微处理器的结构如图1-2所示微型计算机的基本原理指令系统和程序编制如下：指令：机器可以执行的控制代码，称指令码。指令系统：指令的集合或指令的全体，不同机型有不同的指令系统。程序：根据题目要求，排列起来的有序指令的集合。程序执行过程如下：（1）PC送出指令地址，并自动加一。（2）存储器选中单元，取出指令码送存储器的数据寄存器DR。（3）指令码由DR到指令寄存器IR再到指令译码器ID。（4）ID结合时序部件产生该指令对应的微操作序列，发送控制字。完成功能。1.5AT89S51单片机内部结构1.中央处理器中央处理器（CPU）由运算器、控制器组成运算器组成部分包括：8位算术逻辑运算单元ALU（ArithmeticLogicUnit）、8位累加器A（Accumulator）、8位寄存器B、程序状态字寄存器PSW（ProgramStatusWord）、8位暂存寄存器TMP1和TMP2等。运算器的功能：ALU和运算寄存器组成运算部分，ALU从暂存寄存器TMP1、TMP2中取得操作数，运算后再送到运算寄存器、通用寄存器和存储单元中，并根据运算结构设置相应的状态标志PSW，完成算术运算和逻辑运算。2.存储器MCS-51单片机的存储器分为程序存储器和数据存储器，每种存储器又分为片内和片外两类。MCS-51单片机采用将程序存储器和数据存储器分开，独立寻址的哈佛结构，但采用3条总线：数据总线、地址总线、控制总线。不允许在一个机器周期内同时获得指令字和操作数，不允许取指和执行完全重叠，不允许指令和数据有不同的数据宽度。程序存储器MCS-51片外程序存储器的可寻址空间为64KB，用于存放用户程序、数据和表格等信息，用指令MOVC访问。图1-8程序存储器结构数据存储器数据存储器可寻址空间为64KB。MCS-51单片机的数据存储器可分为片内和片外两类。片外RAM：最大范围：0000H～FFFFH，64KB；用指令MOVX访问。片内RAM：最大范围：00H～FFH，256B；用指令MOV访问。片内RAM分为两部分：低128字节（00～7FH）为数据的RAM区，高128字节（80～FFH）为特殊功能寄存器（SFR）区。图1-9片内RAM数据的RAM区中的20H～2FH单元为位寻址区，既可作为一般单元用字节寻址，也可对该单元的位进行寻址。位地址为00H～7FH。CPU能直接寻址这些位（称MCS-51具有布尔处理功能）表1-6位地址分配3.特殊功能寄存器（SFR）MCS-51有21个特殊功能寄存器（也称为专用寄存器），包括算术运算寄存器、指针寄存器、I/O口锁存器、定时器/计数器、串行口、中断、状态、控制寄存器等。除PC外，特殊功能寄存器分散地分布在内部RAM的80H～FFH地址单元中，共占用128个字节，构成了SFR存储块。其字节地址可被8整除的SFR可位寻址。4.I/O接口89S51内部有4个8位并行接口P0，P1，P2，P3，功能如下：P0口：并口/数据地址总线。P1口：并行接口。P2口：并口/地址高8位。P3口：并口/第二功能，第二功能包括1个全双工的可编程串行I/O接口、2个中断和两个时钟输入口。1.5.1MCS-51单片机外部引脚89S51单片机有40个引脚，分为电源脚、端口脚和控制脚三类。P0口（P0.0～P0.7）8位双向三态I/O口，可作为外部扩展时的数据总线/低8位地址总线的分时复用口。又可作为通用I/O口，每个引脚可驱动8个TTL负载，但内部没有上拉电阻，作为通用I/O口需外接上拉电阻。其内部结构如图P1口（P1.0～P1.7）8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可作为通用I/O口。每个引脚可驱动4个TTL负载。其内部结构如图P2口（P2.0～P2.7）8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可作为外部扩展时的高8位地址总线。又可作为通用I/O口，每个引脚可驱动4个TTL负载。其内部结构如图表1-13P3口的第二功能各位的作用管脚第二功能说明P3.0RXD（串口接收口）P3.1TXD（串口发送口）P3.2INT0（外部中断0请求输入）P3.3INT1（外部中断1请求输入）P3.4T0（定时/计数器0外部输入）P3.5T1（定时/计数器1外部输入）P3.6WR（外部写选通信号）P3.7RD（外部读选通信号）3.控制线RST/VPDRST/VPD：复位/备用电源线引脚。上电时，在RST/VPD引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统产生复位。

：地址锁存/编程引脚。功能1：地址锁存。当访问外部程序存储器时，ALE用于锁存地址的低位字节，以便P0口实现地址/数据复用。当不访问外部程序存储器时，ALE端输出1/6时钟频率信号。功能2：编程。当对EPROM型芯片（如8751）进行编程和校验时，此引脚传送52ms宽的负脉冲选通信号，单片机可以读入存储在EPROM芯片内的程序，并执行。片外程序存储器允许/编程电源引脚。

功能1：当需要访问外部存储器时，片外程序存储器允许脚必须接地。当需要访问内部存储器时，片外程序存储器允许脚必须接高电平。

功能2：是片内EPROM编程/校验时的电源线。在编程时，VPP脚需加上21V的编程电压。XTAL1和XTAL2XTAL1脚为片内振荡电路的输入端，XTAL2脚为片内振荡电路的输出端。时钟的连接方式有两种：一种是片内时钟振荡方式，需在XTAL1和XTAL2脚外接晶振和振荡电容；另外一种是外部时钟方式，将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入片外ROM选通线。在执行访问片外ROM的指令MOVC时，8051自动在引脚产生一个负脉冲，用于对片外ROM的选通。其他情况下，该引脚均为高电平封锁状态。1.5.2MCS-51单片机的工作方式MCS-51系列单片机的工作方式可分为：复位方式、程序执行方式、单片执行方式、掉电保护方式、节电工作方式和编程/校验方式。单片执行方式，主要用于程序的调试，掉电保护方式为主要节电模式1.6单片机的时序CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序称为时序。时序是用定时单位来描述的，MCS-51的