《单片机原理与应用》-1

1.1单片机简介1.1.1单片机的基本概念单片机是一种集成在电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。下一页返回1.1单片机简介

单片机也被称为微控制器(MicrocontrollerUnit，常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镰。单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。上一页下一页返回1.1单片机简介概括的讲:一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利的条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU、内存、并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件的性能虽然相对我们的家用电脑弱很多，然而价钱方面也相对低很多，只要外加少许电子零件和集成电路便可以构成一个功能强大的计算机控制系统，用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作完全能够满足要求。上一页下一页返回1.1单片机简介1.1.2单片机的发展历史将8位单片机的推出作为起点，单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段(1)第一阶段(1976-1978:单片机的探索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。MCS-48的推出是在工程领域的探索，参与这一工程的公司还有Mo-torola,Zilog等，都取得了满意的效果。这就是SCM(单片微型计算机，SingleChipMicrocotnpute:的缩写)的诞生年代，“单片机”一词即由此而来。(2)第二阶段(1978-1982:单片机的完善阶段。Intel公司在MCS一48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。上一页下一页返回1.1单片机简介①完善的外部总线。MCS一51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及很多具有通信功能的串行通信接口。②CPU外围功能单元的集中管理模式③体现工控特性的位地址空间及位操作方式④指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令(3)第三阶段(1982-1990:8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。上一页下一页返回1.1单片机简介Intel公司推出的MCS-96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。随着MCS一51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80051为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路功能，强化了智能控制的特征

(4)第四阶段(1990一至今):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，出现了速度快、寻址范围大、运算能力强的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.上一页下一页返回1.1单片机简介1.13单片机的发展趋势MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。如80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗像电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。上一页下一页返回1.1单片机简介

现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储器(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PM1}%(脉宽调制电路)、1}%DT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路越多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。此外，现在的产品普遍要求体积小、质量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，它们使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。上一页下一页返回1.1单片机简介3.主流与多品种共存虽然现在单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80051为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的}X%inbond系列单片机。所以以80051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，以其低价质优的优势，占据一定的市场份额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补、相辅相成、共同发展的道路。上一页下一页返回1.1单片机简介4.语言高级化随着单片机更广泛深入的开发应用，存储器和寻址空间的扩大，高级C语言面向对象的进步以及广大编程人员对C语言的普遍熟悉，加上汇编语言设计复杂程序的固有缺点等原因，使得C语言开发单片机应用软件将成为必然。目前较高档的以80051为核心的单片机系列都将配置C语言资源，较高档的开发系统均已具备C语言应用开发功能。上一页下一页返回1.1单片机简介1.1.4单片机的应用领域目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通信与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。1.智能仪器仪表上一页下一页返回1.1单片机简介

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备(功率计，示波器，各种分析仪)、2.工业自动化控制用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。上一页下一页返回1.1单片机简介3.家用电器现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从智能电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频设备到电子称量设备，五花八门，无处不在。4.在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。上一页下一页返回1.1单片机简介５.在医用设备中的应用例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统，等等。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天、汽车电子等领域都有着十分广泛的用途。上一页返回1.2单片机学习中常用的术语1.2.1位(bit)位是计算机所能表示的最基本、最小的数据单位。由于在计算机中采用二进制，1个位就是1位二进制数，它有两种状态:0和1。若干位二进制数的组合能表示各种数据和字符。1.2.2字节(Byte)

为了便于存取，常把相邻的8位二进制数，称为1个字节，即1Byte=8bit,也就是说1个字节的长度是8位，16位二进制数便是2个字节。在微型计算机中，通常以字节为单位来存放数据。字节是衡量信息量大小、信息存储的基本单位，常用的还有KB(千字节)、MB(兆字节)、(}B(吉字节)等，其换算关系为:下一页返回1.2单片机学习中常用的术语1KB=1024B1MB=1024KB=1024*1MB=1024MR=1024*1024B1024KR=1024*1024*1024R1.2.3字(word)和字长

2个字节16个位为一个字，它代表计算机处理指令或数据的二进制数位数，是计算机进行数据存储和数据处理的运算单位。通常称16位是一个字，32位是一个双字，64位是两个双字。上一页下一页返回1.2单片机学习中常用的术语

在同一时间中处理二进制数的位数叫字长。通常称处理字长为8位数据的CPU叫8位CPU,32位CPU就是在同一时间内处理字长为32位的二进制数据字长与计算机的功能和用途有很大的关系，是计算机的一个重要技术指标。字长直接反映了一台计算机的计算精度，为适应不同的要求及协调运算精度和硬件造价间的关系，大多数计算机均支持变字长运算，即机内可实现半字长、全字长(或单字长)和双倍字长运算。在其他指标相同时，字长越大，计算机的处理数据的速度就越快。早期的微机字长一般是8位和16位，386以及更高的处理器大多是32位。目前市面上的计算机的处理器大部分已达到64位。1.2.4单片机中的存储器上一页下一页返回1.2单片机学习中常用的术语1.程序存储器(ROM)单片机中的程序存储器是一种只读存储器（ＲＯＭ）。只读存储器的特点是信息一经写入，单元的内容就不能改变，即使断电也不消失，但可以读出。单片机系统中的ＲＯＭ用来存放程序、常数和数据表格等。ＭＣＳ－５１系列单片机内部一般都集成了一定数量被称为电可擦除的ＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ），通过专用的擦写工具可以重写其内容。２.随机存储器（ＲＡＭ）上一页下一页返回1.2单片机学习中常用的术语

随机存储器的特征是单元内容可读可写，掉电即消失。随机存储器分为静态随机存储器(StaticRAM,SRAM)和动态随机存储器(DynamicRAM,DRAM，静态随机存储器在加电运行期间，除非改写，否则其存储信息不会变化，动态随机存储器，需要不断进行刷新以便周期性再生。现在计算机中内存基本都是动态随机存储器，而单片机中的RAM则普遍为静态随机存储器，主要存放的是程序过程中的中间变量。上一页下一页返回1.2单片机学习中常用的术语1.2.5总线(Bus)

总线(Bus)是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束，按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。数据总线(DataBus,DB)

数据总线DB用于传送数据信息。数据总线是双向三态形式的总线，即他既可以把CPU的数据传送到存储器或I/0接口等其他部件，也可以将其他部件的数据传送到CPU。上一页下一页返回1.2单片机学习中常用的术语2.地址总线(AddressBus,AB)

地址总线AB是专门用来传送地址的，由于地址只能从CPU传向外部存储器或I/O端口，所以地址总线总是单向三态的，这与数据总线不同。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，比如8位微机的地址总线为16位，则其最大可寻址空间为2‘}=64KB。3.控制总线(ControlBus,CB)上一页下一页返回1.2单片机学习中常用的术语控制总线CB用来传送控制信号和时序信号。控制信号中，有的是微处理器送往存储器和I/O接口电路的，如读/写信号，片选信号、中断响应信号等;也有是其他部件反馈给CPU的，比如:中断申请信号、复位信号、总线请求信号、设备就绪信号等。因此，控制总线的传送方向由具体控制信号而定，一般是双向的，控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。实际上控制总线的具体情况主要取决于CPU。1.2.6输入/输出接口(I/0接口)I/0接口是CPU与外部设备进行信息交换的部件，负责实现CPU通过系统总线把I/()电路和外围设备联系在一起。目前，大多数接口电路都已标准化和系列化，一般都可编程。上一页返回1.3数制与码制1.3.1数制计算机和单片机系统中通常采用二进制系统。二进制位数较长，不够直观，书写、阅读和记忆均不方便，在单片机语言的表达形式上习惯采用十进制、八进制和十六进制数。掌握各种数制的运算规则以及它们之间的相互转换是学习单片机的基础。数制的概念在计算机基础知识和数字电路课程中都有讲述，这里我们不作赘述下一页返回1.3数制与码制1.3.2码制1.原码、反码、补码计算机在数的运算中，不可避免地会遇到正数和负数，那么正负符号如何表示呢?由于计算机只能识别。和1，因此，我们将一个二进制数的最高位用作符号位来表示这个数的正负。原码:当正数的符号位用。表示，负数的符号位用1表示，数值部分用真值的绝对值来表示的二进制机器数称为原码，用[X}、表示，设X为整数例如可见，真值X与原码[X」原的关系为:上一页下一页返回1.3数制与码制8位二进制原码能表示的范围是:一127一+127

反码:一个正数的反码，等于该数的原码;一个负数的反码，由它的正数的原码按位取反形成。反码用[X}反表示上一页下一页返回1.3数制与码制例如:真值X与反码[X}反的关系为:上一页下一页返回1.3数制与码制补码:使用补码，可以将符号位和其他位统一处理;同时，减法也可按加法来处理。另外，两个用补码表示的数相加时，如果最高位(符号位)有进位，则进位被舍弃。先了解关于“模”的概念。“模”是指一个计量系统的计数量程。如，时钟的模为12。任何有模的计量器，均可化减法为加法运算。仍以时钟为例，设当前时钟指向11点，而准确时间为7点，调整时间的方法有两种，一种是时钟倒拨4小时，即11-4=7;另一种是时钟正拨8小时，即11+8=12+7=7。由此可见，在以12为模的系统中，加8和减4的效果是一样的，即一4=+8(tnod12)。对于n位二进制数来说，数X的补码定义为:上一页下一页返回1.3数制与码制即正数的补码就是它本身，负数的补码是真值与模数相加而得，但由于减法不方便，一般该法不用。实际中常用的负数补码求法是:用原码求反码，再在数值末位加1。例如8位二进制数的补码:上一页下一页返回1.3数制与码制例如:65一21=44，即65+(一21)=44，[65」补=01000001B，即等于44}8位二进制补码能表示的范围为:一128一+127，若超过此范围，则为溢出。2.BCD码上一页下一页返回1.3数制与码制

用4位二进制数来表示1位十进制数中的0一9这10个数码，简称BCD码，是一种二进制的数字编码形式，用二进制编码的十进制代码。由于十进制数共有0,1,2,……、9十个数码，因此，至少需要4位二进制码来表示1位十进制数。4位二进制码共有24=16种码组，在这16种代码中，可以任选10种来表示10个十进制数码。常用的BCD代码为8421码，0000表示0,0001表示1,0010表示2,……，依次类推例如:上一页下一页返回1.3数制与码制3.ASCII码为了提高数字电路传递代码的可靠性，需采用一些编码方法，如:格雷码、余3循环码、奇偶校验码等。国际上还规定了一些专门处理字母、专用符号和数字的二进制代码，比较常见的有ASCII码。ASCII码:美国国家信息交换标准代码，一种使用7个或8个二进制位进行编码的方案，最多可以给256个字符(包括字母、数字、标点符号、控制字符及其他符号)分配或指定数值其中10个数字。}9的