第1章-单片机基础知识

单片机原理与应用张彦E-mail：jdzy08@手机：136776962631.学习方法理论教学软件编程实验验证本门课程提倡的是：学习的整体性，基础性和实践性，先对单片机的系统知识结构，系统的概念有一个整体的认识，然后重点讲述学习单片机必须掌握的基本知识点,同时进行针对知识点的实验训练，强调多分析多动手。本门课程的目标是让大家能独立的实现简单单片机系统的开发设计，同时培养学习者的自学能力和综合能力。2.课程要求1、记笔记2、完成作业（实验）。多问.3、成功的记录在实验报告书上。4、考勤。抽查方式点名。5、成绩计算（平时30%，考试70%）每次课满分1分，共28次课。实验项目（上机编程）作业（习题,实验报告）课堂纪律（不讲话，回答问题情况）。无故缺课一次扣5分3.第1章单片机基础知识1.1单片机的基本概念1.2计算机中的数制和码制4.1.1单片机的基本概念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）。或微控制器(Microcontroller).英文简写为：MCU/MPU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，形成芯片级的微型计算机称为单片微型计算机。5.现代工业控制系统的基本结构以数控机床为例：6.

采用通用PC机组成微机数控系统是一个必然的选择，但这里有一个问题：PC机的可靠性问题?而PC机在工业环境是不可靠的1.采用工业PC（IPC）2.采用可靠性更高的系统组成方案7.几种常见的工业控制系统组成方案的对比：IPC＋DOS系统IPC＋windows系统MCU系统（无OS）MCU＋嵌入式操作系统PLC系统8.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。9.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。10.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。11.单片机发展的起步阶段

最早期的单片机只有4位，功能简单，只能用于简单的控制。1974年出现了8位单片机，由美国仙童公司首先推出,典型的产品有Intel公司的MCS—48系列，Motorola公司的MC6800等，单片机的性能有了较大提高，并正式命名为SingleChipMicrocomputer。一、单片机的发展概况

12.单片机发展的成熟阶段

1979~1982年单片机发展进入成熟阶段，单片机内部的体系结构得到进一步完善，面向对象、突出了控制功能，寻址的空间范围扩大，规范了数据线、地址线的总线结构，有了多功能的异步串行接口UART，设置位地址空间，提供位寻址和位操作和大量的控制转移指令等。形成了单片机标准结构。这时期最典型的产品就是Intel公司的MCS—51系列单片机。13.微控制器形成阶段

1982~1990年单片机完成向微控制器的转换，为进一步满足测控要求，将许多测控对象的接口电路集成到单片机内部，如A/D、D/A、PWM等。形成了不同于SingleChipMicrocomputer特点的微控制器——MCU。14.微控制器百花齐放的阶段

进入20世纪90年代，随着半导体集成电路技术的发展，以及电气制造商和半导体厂商的广泛参与，出现了适合不同领域，面对不同对象的微控制器，微控制器进入百花齐放的发展时期。15.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。常用的单片机的发展16.1、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：飞利浦公司的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。17.

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）人机对话接口；（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。18.4、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。

19.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。20.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。

21.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。

22.一个液晶显示的数字式电脑温度计

23.出租车计价器及电子秤24.25.1.

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://

科宇单片机工作室5./~dz200051单片机世界26.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。数据总线:它是用来传送微型机系统内的各种类型的数据。27.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。28.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。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。29.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。随机存取存储器（RAM）: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。只读存储器（ROM）: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。30.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。31.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。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。通用异步接收器/发送器（UART）: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。32.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。睡觉模式（SLEEPMODI）: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。33.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。特殊功能寄存器区（SFR）: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SFR34.硬件电路设计程序编写、编译程序下载（编程）通电运行观察硬件设计软件设计编程环境编写程序编译目标文件仿真编程器芯片内部（1）（2）（3）（4）单片机应用的设计环节35.任务举例：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、振荡电路：单片机内部采用的是一种时序电路，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。36.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。37.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。要单片机做事，也得要向单片机发命令，计算机能听得懂的命令称之为单片机的指令。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38.怎样才能单片机执行这条指令呢？总不能也对单片机也说一声了事吧。要解决这个问题，还得有几步要走。翻译成单片机能懂的方式，再让计算机去读。单片能懂什么呢？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”。39.我们把它的名字设为：001led.asm最后把生成的001led.hex烧入8051里面。40.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。41.1、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。返回本节1.2计算机中的数制和码制42.位：就是一位的二进制数，其只能存放“1”或“0”，可以用来表示两种不同状态信息，如开关的“通”和“断”，电平的“高”和“低”等。字节：8位二进制数组成一个字节，既可以表示实际的数，也可以表示多个状态的组合信息。8位单片机中数是以字节为基本单位。字：两个字节组成一个字，也即16位的二进制数。一、位、字节、字的概念

２、单片机中数的表示方法43.1、数制

1)十进制数（Decimal）特点：基数为10，由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十个数码构成。进位规则是“逢十进一”。例如,543.21Ｄ可表示为543.21D=5×102+4×101+3×100+2×10-1+1×10-2二、数制与数制转换

44.一般而言,对于用R进制表示的数N,可以按权展开为幂级数形式：式中,ai是0、1、…、（R-1）中的任一个,m、n是正整数,R是基数。在R进制中,每个数字所表示的值是该数字与它相应的权Ri的乘积,计数原则是“逢R进一”。45.2)二进制数（Binary）特点：基数为2，由0和1两个数码构成。进位规则是“逢二进一”。任何一个数N,可用二进制表示为例如,二进制数1011.01可表示为1011.01B=1×23+0×22+1×21+1×20+0×2-1+1×2-246.3)十六进制数（Hexadecimal）特点：基数为16，由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F十六个数码构成，其中A、B、C、D、E、F分别表示10、11、12、13、14、15进位规则是“逢十六进一”。例如,3A8.0DH可表示为3A8.0DH=3×162+10×161+8×160+0×16-1+13×16-247.

在单片机编程应用中，可以用上面的任一种数制来表示数，但要在数的后面要加表示数制的符号，二进制数为“B”，十六进制数为“H”，十进制数为“D”，十进制数的符号“D”可以省略。

十六进制数本质上就是二进制数，4位二进制数构成1位十六进制数。实际应用中一般用十六进制数。注：存储器的地址一般都采用16进制数来表达比较方便48.十进制十六进制二进制数十进制十六进制二进制数00H0000B88H1000B11H0001B99H1001B22H0010B10AH1010B33H0011B11BH1011B44H0100B12CH1100B55H0101B13DH1101B66H0110B14EH1110B77H0111B15FH1111B十进制数、十六进制数、二进制数对应关系表

49.2、数制转换1）二进制数与十六进制数间的转换二进制→十六进制方法：以小数点为界分成左侧整数部分和右侧小数部分，整数部分从小数点开始，向左每4位一组，不足4位在数的前面补0，小数部分从小数点开始，向右每4位一组，不足4位在数的后面补0，然后每组用十六进制数码表示，并按序相连即可。[例1-1]把111010.011110B转换为十六进制数。00111010.01111000=3A.783A.78H前面加两个零后面加两个零练习：11100.01001=?H50.

十六进制→二进制方法：将每位十六进制数分别用4位二进制数码表示，然后把它们按序连在一起即为对应的二进制数。[例1-2]把2BD4H和20.5H转化为二进制数2BD4H=0010101111010100B20.5H=00100000.0101B练习：86.9H=?B51.2）二进制数与十进制数间的转换二进制→十进制方法：将二进制数按权展开后求和即得到十进制数。[例1-3]把1001.01B转换成十进制数。

1001.01B=1×23+0×22+0×21+1×20+0×2-1+1×2-2

=9.25练习：11010.01B=?52.

十进制→二进制方法：整数部分和小数部分分别转换成二进制数的整数和小数。整数部分转换通常采用“除2取余法”，小数部分转换通常采用“乘2取整法”。[例1-4]将十进制数47转换为二进制数。2|472|232|112|52|2余数111101除取余，先有低位，依次到高低位高位则：47=101111B2|10练习：33=?B53.[例1-5]将十进制数0.8125转换成二进制数。0.8125×21.62500.6250×21.25000.2500×20.5000×21.0000整数110则：0.8125=0.1101B高位低位1乘取整，先有高位，依次到低练习：0.125=?B54.3）十六进制数与十进制数间的转换十六进制→十进制方法：将十六进制数按权展开后求和即得到十进制数[例1-6]将十六进制数3DF2H转换成十进制数。3DF2H=3×163+13×162+15×161+2×160

=1585855.十进制→十六进制方法：整数部分和小数部分分别转换成二进制数的整数和小数。整数部分转换通常采用“除16取余法”，小数部分转换通常采用“乘16取整法”。[例1-7]将十进制数47转换为十六进制数。余数16|4716|215（FH）低位02高位则47=2FH除取余，先有低位，依次到高练习：50=?H56.[例1-8]将十进制数0.48046875转换成十六进制数。整数0.48046875×167.687500007高位0.68750000×1611.0000000011(BH)低位则0.48046875=0.7BH乘取整，先有高位，依次到低57.十进制数转换为二进制数，可先将其转换为十六进制数，再由十六进制数转换为二进制数，可以减少许多计算。如：

47=2FH=101111B58.1、加法运算运算规则：0+0=0，0+1=1+0=1，1+1=10（向高位进位）。[例1-9]01101010B

+00111011B三、二进制数运算

A算术运算

1B101001059.2、减法运算运算规则：0-0=0，1-0=1，1-1=0，0-1=1（向高位借1）。[例1-10]10110101B

-01001101B01101000B60.3、乘法运算运算规则：0×0=0，0×1=1×0=0，1×1=1。[例1-11]1010被乘数

×1001乘数101000000000

10101011010积61.10110)110010110001110001011110101

商除数被除数[例1-12]余数则11001011B÷110B=100001B，余数101B。4、除法运算

除法运算是乘法的逆运算。与十进制数类似，从被除数的最高位开始取出与除数相同的位数，减去除数，够减商记为1，不够减商记为0，然后将被除数的下一位移到余数上，重复前面的减除数操作，直到被除数的位都下移为止。62.Ｂ二进制数的逻辑运算

1.“与”运算“与”运算是实现“必须都有,否则就没有”这种逻辑关系的一种运算。运算符为“·”,其运算规则如下:0·0=0,0·1=1·0=0,1·1=1例5若X=1011B,Y=1001B,求X·Y。

.即X·Y=1001B

63.

2.“或”运算“或”运算是实现“只要其中之一有,就有”这种逻辑关系的一种运算,其运算符为“+”。“或”运算规则如下:0+0=0,0+1=1+0=1,1+1=1例6若X=10101B,Y=01101B,求X+Y。101010110111101+即X+Y=11101B

64.

3.“异或”运算“异或”运算是实现“必须不同,否则就没有”这种逻辑的一种运算,运算符为“”。其运算规则是:例8若X=1010B,Y=0110B,求XY。

101001101100即XY=1100B65.二进制数算术运算的加、减、乘、除运算(可以归纳为加、减、移位三种操作),以及逻辑运算中的与、或、异或运算,单片机都有相应的操作指令，将在后面的章节中对其相应的指令进行讲解。66.1、无符号数、有符号数

无符号数：8位单片机中数是以字节为单位，即8位二进制数的形式存在，一个字节存放数的范围为0~255。

有符号数：最高位表示数的符号，并且规定0表示“+”，1表示“-”。其余位为数值位，表示数的大小。D7D6D5D4D3D2D1D0四、数的表示符号位数值位67.机器数：数码化了的带符号位的数称为机器数。真值：机器数所代表的实际的数称为机器数的真值。例如：00000001B和10000001B为机器数，+1和-1分别为它们的真值。机器数的表示方法有三种形式：原码、反码和补码。

68.2．原码用原码表示一个带符号数，其最高位为符号位，0表示+，用1表示-，其余各位与该数的实际数值大小一致。正数的原码与原来的数相同，负数的原码符号位为1，数值位与对应的正数数值位相同。例：[+1]原=00000001B，[-1]原=10000001B，[+0]原=00000000B，[-0]原=10000000B单字节原码表示的范围为：-127~+127。0的原码有两种表示方法，+0和-0。69.3．反码一个数的反码可以由它的原码求得，正数的反码与正数原码相同，负数的反码符号位为1，数值位为对应原码的数值位按位取反。[+1]反=[+1]原=00000001B[-1]反=11111110B[+0]反=[+0]原=00000000B[-0]反=11111111B单字节反码表示的范围为：-127~+127。70.4．补码数学关系：[X]补=模+X一个数的补码可由该数的反码求得。正数的补码与正数的反码和原码一致，负数的补码等于该数的反码加1。[+1]补=[+1]原=[+1]反=00000001B[-1]反=11111110B；加1得11111111B。[-1]补=11111111B[-0]反=11111111B，加1得00000000B。所以：[-0]补=00000000B=[+0]补，0的补码只有一种表示方法。单字节补码范围：-128~127。71.二进制数原码反码补码00000000+0+0000000001+1+1+100000010+2+2+2…………01111101+125+125+12501111110+126+126+12601111111+127+127+12710000000-0-127-12810000001-1-126-12710000010-2-125-126…………11111101-125-2-311111110-126-1-211111111-127-0-1单字节二进制数原码、反码、补码对应关系72.从该例可以看出，对于加减运算，数据是补码表示的，运算的结果也是补码表示的数。单片机（微机也是一样的）处理数据时，加减法用补码，乘除法用原码。73.[例1-14]求-5的补码，再将结果作为原码，求其补码。10000101（-5的原码）11111010（-5的反码）11111011（-5的补码）11111011（原码）10000100（反码）10000101（补码）一次求补二次求补可以看出：对一个负数进行两次求补过程，又得到这个数本身，正数的原码和补码又是一致的。因此：原码和补码是互补的，相互转换的方法和步骤也是一样的。74.一、ASC-II码

ASCII码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange，美国信息交换标准代码），用于处理字符、控制等信息。ASCII用7位二进制数表示，共有128个字符，其中包括数码0~9，英文字母，标点符号和控制字符。数码“0”的编码为0110000B，即30H，字母A的编码为1000001B，即41H。ASC-II码常用于键盘编码3、常用编码75.b7b6b50000010100111001011101110000NULDLESP