第0-1章-基础知识

中南大学交通运输工程学院

中南大学是一所学科齐全、工学和医学见长、具有优良办学传统的教育部直属全国重点大学，是首批进入国家“211工程”重点建设的高校，也是国家“985工程”部省重点共建的高水平大学。2000年4月29日，经国务院批准，由湖南医科大学、长沙铁道学院与中南工业大学合并组建而成。2004年列为中管高校。单片机原理及应用

主讲教师：曾亚波参考教材：单片微机原理系统设计及应用

万福君（第2版）

中国科学技术大学出版社单片机的C语言应用程序设计马忠梅北京航空航天大学出版社交通运输工程学院交通设备与测控系绪论对象传感器执行器适配器驱动器DIA/DDOD/ACPU存储器接口显示键盘打印机上位机通信检测控制计算机测控系统(装置)框图绪论计算机应用系统的实现PC机系列：商用/工控机+A/D、D/A、I/O卡，自行开发应用软件。特点：软件资源丰富，开发周期短，成本较高，整体结合性不好。PLC系列：小/中/大型，最适合逻辑控制，也可处理模拟量。特点：模块化，可靠性高，编程简单，价较高。专用计算机应用系统(嵌入式系统)

硬件、软件根据实际对象配置，产品结合性好，成本低，可靠性好。广泛应用于批量化产品中。

专用芯片的计算机（1）定制电路：根据对象，将适配电路、A/D、D/A、I/O、CPU等集成在一起、专门设计制作IC、体积很小、价廉、但设计费用高。（2）FPGA芯片：Field－ProgrammableGateArray，即现场可编程门阵列。属于EDA（电子设计自动化：ElectronicDesignAutomation）技术。用硬件描述语言（Verilog

或VHDL）编程，进行电路设计，烧录至FPGA上进行调试、运行。

单片机的分类单片机：又称微控制器，其基本结构是将微型计算机的基本功能部件：中央处理器(CPU)、存储器、输入、输出接口、定时器/计数器、串行通信、中断系统（A/D、D/A

）等全部集成在一个半导体芯片上。按位数分：4位机(家电中)、8位(主流)、16位、32位。按机种(内核)分：普通单片机(微控制器)、ARM机、DSP机3.单片机的应用特点具有较高的性能价格比体积小，可靠性高控制功能强使用方便、容易产品化4.单片机的应用领域智能仪器，工业控制，智能化家用电器。

智能化通信产品机电一体化设备办公自动化设备汽车电子产品航空航天系统和国防军事、尖端武器等。有关资料时间：2008-03-26

来源:

中国电子报

全球现在每年交付使用的嵌入式芯片约为400亿片，其中绝大多数还是4位和8位CPU据Microchip介绍，目前8位和16位的总规模达到约90亿美元NXP也认为现在8位的市场的总额已经达到了50亿美元，单位数是350亿块，单位数量的年增长率是17%本课程的任务以国内较流行的MCS-51单片机（AT89C51）为主要对象。掌握：计算机的基础知识

MCS-51单片机的硬件结构

MCS-51单片机的C51语言设计。

MCS-51单片机的系统构成和接口技术基本编程和调试技术本课程是一门实用技术，实践性很强，需多练：编程、上机调试.有关本课程学习的几点建议本课程是一门实践性、应用性很强的学科仅仅听懂还不够,重在培养动手能力本课程的前期基础课程是数字电路、计算机基础和C语言基础；这方面知识掌握得不够好的请自己补上预习、听课、复习、实验环环都重要用科学的方法学习教学目的了解单片机的分类和发展历史。了解单片机的特点及应用。掌握计算机中常用的码制。掌握微型计算机的基本结构与基本原理。学习重点和难点

正负数的补码（符号数）表示方法。微型计算机执行程序的过程。第1章微型机的基础知识1.1微处理器、微型机和单片机的概念1.2微型机模型的组成1.3微机系统1.4单片微型计算机1.1微处理器、微型机和单片机的概念1.微处理器中央处理单元－CPU(IC芯片)，内部集成了运算器ALU、控制器CU、寄存器组R和总线系统。2.微型机

由CPU、存储器、I/O接口、总线系统和外部设备构成

第1章微型机的基础知识

CPUROMRAMI/O外设控制总线CB数据总线DB地址总线AB3.单片机

将微型计算机的基本功能部件：中央处理器（CPU）、存储器、输入、输出接口、定时器/计数器、串行通信、中断系统（A/D、D/A

）等全部集成在一个半导体芯片上。称其为单片微型计算机，简称单片机或微控制器。单板机单片机系统机（多板机）1.2

微型机模型的组成

P.5图1－2微机硬件模型框图1.2.1CPU的内部结构主要由运算器、控制器、寄存器组成,完成运算和控制功能1.运算器

由算术逻辑部件

ALU、累加器A、标志寄存器F、和寄存器组R组成，完成对数据的算术和逻辑运算。2.控制器

由程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、定时和控制逻辑电路组成。它负责从存储器中取出指令并对指令进行译码,根据指令发出控制信号,即执行指令。使计算机的有关部件及设备有条不紊地协调工作。3.CPU中的主要寄存器

(1)累加器A

算术和逻辑运算、数据的输入/输出一般由A完成，是编程中使用频繁最高的寄存器。

(2)数据寄存器DR

内外总线的缓冲寄存器，编程时不可见。

P.5图1－2微机硬件模型框图

(3)寄存器组

CPU内部的工作寄存器，用于暂存数据、参入运算和传送数据。编程时很有用。

(4)指令寄存器IR、指令译码器ID

编程时不可见。

(5)程序计数器PC

地址指针：指向下一条指令码的首地址。

PC的值→地址总线→取指令码同时修改PC到下一条指码的首地址执行指令(6)地址寄存器AR

编程时不可见。4.标志寄存器F

51单片机中称程序状态字PSW，存放运算后的特征状态－标志位。如进/借位、溢出、是否为零等。编程时经常用到(判这些位的状态，确定程序的流程)。

(1)进/借位标志Cy

加法、减法、比较和移位操作影响此位

例如，A＝83H，执行A←A+8DH，结果为110H，

Cy位=1，A=10H

(2)零标志位Z

运算结果为零时“Z”=1

(3)符号标志位S

①计算机中数的表示方法

无符号整数

8位数(单字节):0～255模＝256＝28

16位数(双字节)：0～65535模＝65536＝216

带符号整数在数的表示范围内，一半用于表示正数，另一半用于表示负数。常用补码来表示。

②正负数的补码表示

数X的补码定义为

正数:用原码，最高位为“0”,单字节范围:0~127(00H~7FH)负数:

模－│X│,最高位必为“1”，单字节范围：-1~-128(FFH~80H)求负数补码的方法:用零(或模)减其原码后取所需的字节数将其原码按位取反后+1

例如:［-30］补单字节：100H-1EH=E2H=11100010B

双字节：10000H-001EH=FFE2H

［+75］补=4BH=01001011B③补码的加减运算两补码加减运算后的结果仍为补码对补码表示的负数，再求一次补结果为正数补码的表示范围(n位二进制数)：正数：0～2n－1－1 负数：－1～－2n－1

8位数能表示的范围为:-128~+127,若超过此范围,则为溢出计算机中总是视为补码运算，若结果≥0，则S位＝“0”， 若结果＜0，则S位＝“1”

(4)奇偶标志P

执行后结果中若有奇数个“1”，则P=“1”；否则P=“0”。一般用于数据传输校验。(5)溢出标志OV

补码运算的结果超出范围，称为溢出，OV标志置“1”

例1－1C7H=－57(-39H)两正数加，结果为负数→溢出，OV＝”1”*编程中若只处理无符号数，则不必考虑溢出问题(6)辅助进位标志AC

用于BCD码调整，编程时有专门的BCD码调整指令。011010116BH=107010111005CH=9211000111C7H=199+BCD码：二进制编码的十进制数。BCD码用4位二进制数表示0～9，将多余的6个码A～F(1010B～1111B)去掉，运算时按十进制进位关系。一个字节可以表示2位BCD码，其低位与高位的进制关系为10。

5.堆栈与堆栈指针SP

堆栈：在RAM中划分出的一个专门区域，由SP指向该区域。主要用于子程序调用、中断和数据保护。三个主要特点:(1)先进后出(FILO)顺序；

(2)SP始终指向桟顶；

(3)堆栈的两种操作：压入(数据进桟)，弹出(数 据出桟)应成对进行1.2.2存储器1.分类随机存储器RAM:

静态、动态,可读/写，掉电后数据消失;只读存储器ROM:掉电后数据不消失掩膜ROM由芯片制造厂写入信息;

可编程PROM由用户写入，只能写一次;

可再编程的EPROM由用户写入,用紫外光擦除后可再写，

EEPOM由用户写入,用电擦除后可再写，

FLASH由用户写入,用电擦除后可再写。2.存储器的基本结构存储矩阵以字节为单位─单元，由若干个单元组成，读

/写哪个单元的数据由地址线确定。地址译码器将n位地址线的编码惟一地选中所对应的单元.集成度高，需刷新，用于PC机读/写控制三态缓冲器每一位有三种状态:“0”，“1”和高阻。挂接在数据总线DB上的芯片都应是三态的，因为每一时刻只能有一个(所选中)的芯片通过DB与CPU交换数据，其余芯片对DB的连接为“高阻”。地址译码器单元0单元1单元2单元14单元15A0A1A2A3三态缓冲器DB控制读/写片选图1－3简化的存储器结构

4根地址线，其编码值(0～15)经译码器选中所对应的单元，由片选线接通三态门，根据读/写信号将该单元的数据送DB，或将DB上的数据送该单元。1.2.3I/O接口和外设外设，如打印机，显示器等需经接口芯片与CPU交换数据，接口芯片的连接同存储器一样：地址线、数据线、控制线。1.2.4模型机的工作过程指令和指令系统程序代码→指令→CPU进行的各种操作:传送数据、运算等。指令系统：全部指令的集合。(1)指令的格式操作码操作数

操作码决定了指令要执行的动作，操作数指定了参加操作的对象(数据或存储单元地址)。(2)指令执行过程

PC→地址总线、取指令到CPU、修改PC到下一指令地址执行指令

*在时钟脉冲的作用下，按节拍进行*若执行的指令有转移操作，则CPU会自动修改PC值2.程序执行过程设完成A=15H+30H的运算复位，PC=00PC→AB，CPU发读程序存储器信号，操作码74H→指令译码器，取操作数，PC←PC+2；执行指令：操作数15H→APC→AB，CPU发读程序存储器信号，操作码24H→指令译码器，取操作数，PC←PC+2；执行指令：A←A+30HPC→AB，CPU发读程序存储器信号，操作码80H→指令译码器，取操作数，PC←PC+2；执行指令：PC←PC－2地址指令码助记符注释00H74H15HMOVA,#15HA←15H02H24H30HADDA,#30HA←A+30H04H80HFEHSJMP$跳转到本指令1.3微机系统两大部分：硬件系统和软件系统。见P.12图1－71.3.1微机硬件的组成CPUROMRAMI/O外设控制总线CB数据总线DB地址总线AB辅助电路图1－8微型计算机框图1.总线总线(BUS)是计算机各部件之间传送信息的公共通道。微机中有内部总线和外部总线两类。内部总线是CPU内部之间的连线。外部总线是指CPU与其它部件之间的连线。外部总线有三种:数据总线DB（DataBus）,地址总线

AB（AddressBus）和控制总线

CB(ControlBus）。(1)数据总线一般为双向，用于CPU与存储器、I/O接口间的传送数据，或外设与外设之间的传送数据(DMA方式)。总线的位数与CPU的位数一致。(2)地址总线为单向，用于传送地址信息，其位数确定存储容量(地址范围).如16根地址线，可以寻址216种状态：0000H~FFFFH,64KB。(3)控制总线传送的信息是控制信息。有CPU产生的，如读、写，取指信号，也有外部产生的，如复位、中断请求信号等。2.三态门*连接数据总线的各芯片必须是三态的DYTSC真值表TSCDY0000111X高阻1.3.2软件系统1.程序设计语言(1)机器语言计算机能执行的指令代码(2)汇编语言用助记符代替机器码

以上两种由芯片制造厂提供，无通用性。(3)高级语言如C,C++，符合表达习惯，通用性好。但最终要译成机器代码才能执行。2.系统软件管理计算机的操作平台，如DOS,Windows，RTOS等3.应用软件针对具体任务/对象所编制的程序。1.3.3衡量计算机性能的主要技术指标1.字长CPU一次能处理的位数，如4位，8位，16位，32位，位数越多者处理数据的速度越快。2.存储容量以字节(或KB)为单位，与地址总线的位数有关。3.指令系统指令条数越多，则CPU功能越强，但掌握越困难。4.指令执行时间取决于主时钟频率和CPU作业方式，现在一般用MIPS(每秒执行的百万条指令数)。5.外设扩展能力及配置6.软件配置

1.4单片微型计算机1.发展概况

第一阶段初级阶段，集成度不高，片内资源不多；

第二阶段完善阶段，以Intel公司的MCS-48为代表，功能有所增强，逐步进入市场；

第三阶段

8位机和16位机争艳阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段，以Intel公司的MCS-51和MCS-96为代表；

第四阶段微控制器全面发展阶段。形成了规格、品种繁多的新一代单片机，如Atmel公司的8XC5X系列，Motorola公司的68HC08/11/12系列，MicroChip公司的PIC16/17/18/24系列，TI公司的MSP430系列等。性能有很大的提高，以满足各种应用领域的要求。2.发展趋势速度提高，精简指令集(RISC)结构和流水线技术，指令执行时间大大缩短；片内程序存储器采用FLASH，容量增加，可在线编程；片内RAM存储器容量可达数十KB，片内集成EEPROM;多功能化，把众多的各种外围功能器件集成在片内：片内集成A/D、D/A转换器、PWM脉冲宽度调制输出接口、可编程计数阵列PCA，IIC、SPI、CAN总线、USB等接口，LCD驱动接口，定时复位(Watchdog)监控电路等。将DSP和微控制器集成在一起→DSP控制器(DSC)。增强抗干扰能力和降低功耗。1.4.3单片机内部结构P.18图1－13在一块芯片上集成：CPU、存储器(RAM、Flash)、并行I/O口，串口、定时/计数器，中断系统以及各种功能部件(A/D、PWM、IIC等)。1.4.4单片机应用系统1.基本系统(最小应用系统)单片机复位电路电源输入/出设备时钟电路图1－14单片机基本系统2.扩展系统用外部总线可进一步扩展系统，以满足测控系统的要求图1－15单片机扩展系统单片机复位电路电源时钟电路FLASH串行接口A/DRAM并行接口D/A模拟量入模拟量出1.4.5单片机典型产品

世界上单片机生产厂商很多,如:Intel、Motorola、ST、Atmel、Philips、Microchip、TI、Siemens、NEC、ADM、

Zilog等公司,其主流产品有几十个系列,几百个品种。尽管其各具特色,名称各异,但作为集CPU、RAM、ROM、I/O接口、定时/计数器、中断系统为一体的单片机,其原理大同小异。8位机

Intel公司MCS-51系列：80C31/32(程序存储器外接)，

128/256字节RAM，16根地址线，可32根I/O线，2个16位的定时/计数器，一个双工串口，5个中断源，频率12MHz。

Atmel公司AT89C系列：89C51/52，4/8kFlash程序存储器，频率24MHz，其余同8031/32，与80C31/32完全兼容。

Motorola(FreeScale)公司68HC08系列：几十KB的Flash程序存储器，多路A/D，IIC接口，PWM控制等，并具有很好的抗干扰性能。如

68HC908SR12/AP64/GB32等。

Microchip公司的PIC16/17/18系列16位单片机

Intel公司MCS-96系列：80C196KB/KC，增加了高速I/O，PWM控制，A/D转换