《单片机》-第1章 认识单片机

主要内容单片机的主要类型、发展及应用单片机系统设计制作工作过程各种数制的转换方法单片机与计算机单片机属于嵌入式计算机，是计算机微型化的结果，它将计算机中的主要部件集成在一块芯片中，可以方便地嵌入到控制对象中以实现对象的智能化。微型计算机主要是为了实现高速及海量的数据处理。

嵌入式系统与单片机

什么是嵌入式系统？以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，针对具体应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统被称为嵌入式系统。用途：掌上PDA、移动计算设备、电视机顶盒、手机、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、工业自动化仪表与医疗仪器等。嵌入式系统应用嵌入式处理器分类（1）嵌入式微处理器（EmbeddedMicroProcessorUnit，EMPU）（2）嵌入式微控制器（MicroControllerUnit，MCU）（3）嵌入式DSP处理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP）（4）嵌入式片上系统（SystemonChip，SoC）（1）嵌入式微处理器嵌入式微处理器采用“增强型”通用微处理器。在工作温度、电磁兼容性以及可靠性方面的要求较高，在功能方面与标准的微处理器基本上是一样的。嵌入式微处理器组成的系统将嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路主板上，具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但系统的技术保密性较差。嵌入式处理器目前主要有80X86系列、PowerPC系列及68000系列等。（2）嵌入式微控制器嵌入式微控制器又称单片机，它将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O口、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、E2PROM等各种必要的功能部件和外设。为适应不同的应用需求，对功能的设置和外设的配置进行必要的修改和裁减定制。和嵌入式微处理器相比，微控制器使应用系统的体积大大减小，功耗和成本大幅下降、可靠性提高。使得微控制器成为嵌入式系统应用的主流。目前MCU约占嵌入式系统市场份额的70%。最典型的就是MCS-51系列产品。（3）嵌入式DSP处理器由于实际应用中对数字信号进行处理的要求，使DSP算法被大量应用于嵌入式系统。DSP应用从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。DSP处理器在系统结构和指令等方面进行了特殊设计，使之更适合用于运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多的场合。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TI公司的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。（4）嵌入式片上系统随着EDA的推广和VLSI设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，可以在一块硅片上实现一个更为复杂的系统，这就产生了SoC技术。这样除了某些无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简单，对于减小整个应用系统体积和功耗、提高可靠性非常有利。流行的SoC有CirrusLogic公司的Maverick系列——EP7312和EP9312，Motorola公司的MC9328MX1，Intel公司的StrongARM及TI的OMAP等。单片机的发展阶段1974~1978年，为单片机芯片化阶段。1978~1983年，为单片机完善阶段。1983年至今，为单片机向微控制器过渡阶段。单片机的发展趋势（1）采用多核CPU提高处理能力。（2）加大存储容量，采用新型存储器方便用户擦写程序及数据，加强程序的保密措施。（3）单片机内部所集成的部件越来越多，和模拟电路结合越来越紧密，使其应用水平不断提高。如NS（美国国家半导体）公司的单片机已把语音、图像部件也集成到单片机中。（4）通信和联网功能不断加强。（5）集成度不断提高，功耗越来越低，电源电压范围加宽。

单片机主要产品及应用

单片机分为两大类型：复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）。CISC结构的单片机数据线和指令线分时复用，指令丰富，功能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度受限，价格亦高。例：Intel的MCS-51/96系列、Motorola的M68HC系列、Atmel的AT89系列、台湾Winbond（华邦）W78系列、荷兰Pilips的PCF80C51系列等RISC结构的单片机数据线和指令线分离，即所谓哈佛结构。这使得取指令和取数据可同时进行，执行效率更高，速度亦更快。例：Microchip公司的PIC16C5X/6X/7X/8X系列、Zilog的Z86系列、Atmel的ATmega系列等。1.Intel公司MCS-51系列单片机2.Atmel公司的AT89系列单片机AT89系列单片机的型号含义3.Motorola公司MC68HC系列单片机型号片内存储器定时器I/O口串口A/D通道/位数PWM总线频率MHzMC68HC08AZ01KRAM512E2PROM定时器1：4通道定时器2：2通道48SCISPI8/816位8MC68HC08AZ3232KROM1KRAM512E2PROM定时器1：4通道定时器2：2通道48SCISPI8/816位8MC68HC908AZ602KRAM60KFLASH定时器1：6通道定时器2：2通道48SCISPI15/816位8MC68HC908GP20512RAM20KFLASH定时器1：2通道定时器2：2通道33SCISPI8/816位8MC68HC908GP32512RAM32KFLASH定时器1：2通道定时器2：2通道33SCISPI8/816位8MC68HC908JK1128RAM15KFLASH定时器1：2通道15—10/816位8MC68HC908JK3128RAM4KFLASH定时器1：2通道15—10/816位8MC68HC08MR4192RAM定时器1：2通道定时器2：2通道22SCI4或7/812位8MC68HC08MR8256RAM8KFLASH定时器1：2通道定时器2：2通道22SCI4或7/812位83.Motorola公司MC68HC系列单片机4.Microchip（微芯）公司的PIC系列单片机型号ROMRAMI/O口定时器看门狗工作频率MHz管脚封装PIC12C508A5122561Y48PDIPSOICPIC12C509A1024414PIC12C671102412810PIC12C672204812810PIC16C5551224202028PIC16C561024251218PIC16C5720487220285.Atmel公司的AVR系列单片机例：ATmega48-20AU，不带“V”表示工作电压为2.7-5.5V，“20”表示可支持最高为20MHZ的系统时钟，“A”表示TQFP封装，“U”表示无铅工业级。单片机应用领域（1）在智能仪表中的应用（2）在工业方面的应用（3）在电信业的应用（4）军用导航方面的应用（5）日常生活中的应用（6）其它方面的应用单片机系统的开发步骤单片机的数制与编码

1.进位计数制的概念使用有限个基本数码来表示数据，按进位的方法进行计数称为进位计数制。包含两大要素：基数和位权。基数：用来表示数据基本数码的个数，大于此数后必须进位。位权：数码在表示数据时所处的数位所具有的单位常数，简称“权”。任意一个J进制数的表示方法为：

其中Ki=0，1，…，J-1，为第i位的数码。m：小数部分位数,n：整数部分位数。十进制（Decimal）数特点：①基数为10，有0，1，…，9十个数码，逢10进1；②各位的权为10i。任意一个十进制数的表示方法为：

其中Ki=0，1，2，3，4，5，6，7，8，9例：（273.45）10=2×102+7×101+3×100+4×10-1+5×10-2二进制（Binary）数特点：①基数为2，有0，1两个数码，逢2进1；②各位的权为2i

。任意一个二进制数的表示方法为：

其中Ki=0，1例：（1011.101）2=1×23+0×22+1×21+1×20

+1×2-1+0×2-2+1×2-3十六进制（Hexadecimal）数特点：①基数为16，有0~9和A，B，C，D，E，F（对应十进制10~15）十六个数码，逢16进1；②各位的权为16i

。任意一个十六进制数的表示方法为：

其中Ki=0~9，A~F例：（A87.E79）16=A×162+8×161+7×160+E×16-1+7×16-2+9×16-3二进制与十六进制的关系二进制数十六进制数二进制数十六进制数00000100080001110019001021010A001131011B010041100C010151101D011061110E011171111F

各种数制间的转换（1）J进制转换为十进制方法：只需按权展开相加即可。例：101101B=1×25+0×24+1×23+1×22+0×21+1×20=32+0+8+4+0+1=45十进制转换为J进制

十进制转换为J进制时，必须将整数部分和小数部分分开转换。①整数部分的转换把十进制的整数不断地除以所需要的基数J，直至商为零，所得余数依倒序排列，就能转换成以J进制数的整数部分，这种方法称为除基取余法。②小数部分的转换要将一个十进制小数转换成J进制小数时，可不断地将十进制小数部分乘以J，并取整数部分，直至小数部分为零或达到一定精度时为止，将所得整数依顺序排列，就可以得到J进制数的小数部分，这种方法称为乘基取整法。例如：115.375D=（1110011.011）B十进制转换为J进制116.84375D=（74.DB）H十进制转换为J进制二进制与十六进制数的相互转换

由于二进制的基数是2，而十六进制的基数为16=24，即4位二进制数正好对应一位十六进制数，因此二者之间的转换十分方便。方法如下：

以小数点为中心，整数部分从右向左，每4位二进制数对应为一位16进制数，整数部分不足4位高位加0；小数部分从左向右，每4位二进制数对应一位16进制数，小数部分不足4位低位加0。例：B6.8H=1011

0110.1000=（10110110.1）B11011.011B=0001

1011.0110=（1B.6）H练习一二进制十进制十六进制010110011B

110010010B

245

108

0FFH

76H计算机中数的表示——编码

1.机器数与真值

机器数是指机器中数的表示形式。它将数值连同符号位一起数码化，表示成一定长度的二进制数，其长度通常为8的整数倍。机器数通常有两种：有符号数和无符号数。有符号数的最高位为符号位，代表了数的正负，其余各位用于表示数值的大小；无符号数的最高位不作符号位，所有各位都用来表示数值的大小。

真值是指机器数所代表的实际正负数值。

有符号数的符号数码化的方法通常是将符号用“0正1负”的原则表示，并以二进制数的最高位作为符号位。有符号数的表示方法有符号数的表示方法有原码、反码和补码三种。（1）原码表示法

将8位二进制数的最高位（D7位）作为符号位（0正1负），其余七位D6-D0表示数值的大小。例如：+55的原码为

00110111B −55的原码为10110111B

有符号数的原码表示范围为−127～+127（FFH~7FH），其中0的原码有两个00H和80H，分别是+0的原码和−0的原码。原码表示简单，与真值转换方便，但进行加、减运算时电路实现较为繁杂。（2）反码表示法

正数的反码与原码相同，但负数的反码其符号位不变，其余各数值位按位取反。例：+0的反码为00000000B；

+127的反码为0

1111111B−0的反码为11111111B；−127的反码为

1

0000000B

有符号数的反码表示的范围为−127～+127，其中0的反码与原码类似，也有两个值。有符号数的表示方法（3）补码表示法

正数的补码与原码相同，负数的补码等于其反码加1（即相应数值的原码按位取反，再加1）。例：−127的补码为

10000001B；−1的补码为1

1111111B

有符号数补码表示的范围为−128～+127，其中0的补码只有一种表示，即+0=−0=00000000。当有符号数用补码表示时，可以把减法转换为加法进行计算。有符号数的表示方法练习二原码反码补码01111111B10000000B11110000B01010101B0FEH03H常用编码

1.BCD码（BinaryCodeDecimal）

BCD码就是二—十进制编码。它用4位二进制数表示一位十进制数。因为4位二进制数共有24=16种组合状态，故可选其中十种编码来表示0~9十个数字，不同的选法对应不同的编码方案。按编码方案的不同又可分为有权码和无权码。

有权码主要有8421、2421等，

无权码有余3码、格雷码等。8421BCD码8421BCD码是一种最常用的编码。4位二进制码的权分别为8、4、2、1。其特点如下：①由4位二进制数0000~1001分别表示十进制数0～9；②每4位二进制数进位规则应为逢“十”进一；③当进行两个BCD码运算时，为了得到BCD码结果，需进行十进制调整。

调整方法：加（减）法运算的和（差）数所对应的每一位十进制数大于9时或低4位向高4位产生进（借）位时，需加（减）6调整。十进制数与8421BCD码十进制数BCD码十进制数BCD码00000501011000160110200107011130011810004010091001例1：9172=（1001

0001

0111

0010）BCD例2：用BCD码运算48+69=？

01001000（48）

+01101001（60）

10110001（B1）

+01100110100010111（117）8421BCD码

高4位值大于9且低4位向高4位产生了进位，要进行调整。在高低4位分别进行+6调整

在计算机中有专门的调整指令用于完成调整操作，不需要编程完成加6操作。压缩BCD与非压缩BCD压缩BCD码与非压缩BCD码的区别

压缩BCD码的每一位用4位二进制