单片机大学课件

1、第1章 绪 论, 教学目标： 介绍计算机的发展历史和单片机发展趋势 介绍计算机数的表示方法及运算 介绍计算机中常用数制与编码 介绍微型计算机基本概念和软硬件结构 学习要求： 熟悉计算机和单片机的发展历史； 掌握各进制数之间的转换和原码、反码、补码的表示及BCD码、ASCII码的表示； 掌握微型计算机常用基本概念；了解微型计算机的硬件结构和软件系统。,1.1计算机和单片机的发展,1.1.1计算机的发展历史 1946年2月，第一台数字式电子计算机诞生。 到今天为止，计算机的发展已经历了四代。 19461957年，第一代计算机是电子管计算机。 计算机的逻辑元件采用的是电子管；主存储器采用磁鼓、磁芯；

2、外存储器开始采用磁带。 软件主要用机器语言编写程序，后期发展为 采用汇编语言编写程序。 这时的计算机主要用于科学计算。,19571965年，第二代计算机是晶体管计算机。 计算机的逻辑元件为晶体管；主存储器仍用磁芯；外存储器已开始使用磁盘。软件有了很大发展，出现了各种高级语言及编译程序。 用于各种事务的数据处理，并开始用于工业控制。19651971年，第三代计算机是集成电路计算机 。 计算机逻辑元件已开始采用小规模和中规模的集成电路(SSI和MSI)，主存储器仍以磁芯为主。 软件方面已出现了分时操作系统，会话式的高级语言也有相当的发展。计算机的应用范围也日益扩大，小型计算机已开始用于企事业管理与

3、工业控制。,从1971年以后，出现了第四代计算机。 计算机逻辑元件采用大规模、超大规模集成电路为主要部件。内存储器逻辑元件开始采用半导体存储器，外存储器采用磁盘和光盘。在软件方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。另外，网络操作系统、数据库管理系统得到广泛应用。微处理器(Microprocessor)和微型计算机(Microcomputer)也在这一阶段诞生，并获得飞速发展。 从以上可以看出，每次计算机逻辑元件的改变，硬件结构和软件技术的改进，都会使计算机得到一次质的飞跃发展。这主要体现在与以前相比：在速度方面，提高了千万倍；在存储容量方面，提高了千万倍；在体积方面，缩小了千万倍；

4、在软件性能方面，提高了百万倍；而在价格方面，降为万分之几。,计算机的发展趋势主要有两方面： 一方面向着高速、智能化的超级巨型机的方向发展；另一方面向着微型机的方向发展。 巨型计算机主要用于大型科学研究和实验以及超高速数学计算。它的研制水平标志着整个国家的科学技术和工业发展的程度，象征着一个国家的实力。 微型机的诞生揭开了计算机神秘的面纱。微型计算机与巨、大、中、小型机的区别主要是，其中央处理器CPU(Central Processing Unit)是集成在一个小硅片上，而巨、大、中、小型计算机的CPU则是由相当多的电路组成的。 在微机的大家族中，单片微型计算机(以下简称单片机)异军突起，发展极

5、为迅速。 单片机也被称作“单片微型计算机”、“微控制器”、“嵌入式微控制器”。单片机一词最初来源于“Single Chip Microcomputer，简称SCM。,1.1.2单片机的发展历史 单片机的发展过程： (1)第一阶段(1976一1978) 以Intel公司首先推出的MCS-48系列单片微型计算机为代表。它以体积小、功能全、价格低等特点，赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展过程中的一个重要阶段。,(2)第二阶段(19781982) Intel公司在MCS-48基础上推出了完善的、典型的MCS-51单片机系列。它在以下几个方面完善了单片机体系。 MCS-51设置了

6、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、控制总线及具有多机通信功能的串行通信接口。 CPU外围功能单元的集中管理模式。 体现工控特性的位地址空间及位操作方式。 指令系统趋于丰富和完善，增加了许多突出控制功能的指令。 Intel公司在MCS-48基础上推出了完善的、典型的MCS-51单片机系列。,(3)第三阶段(19821990) 在8位单片机的基础上，推出了16位单片机 ，也是单片机向微控制器发展的阶段。 随着MCS5l系列的广泛应用，许多电气厂商竞相使用80C51的内核技术，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道AD转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了

7、外围电路功能，强化了智能控制器的特征。,(4)第四阶段(1990之后) 在此阶段，随着单片机在各个领域全面、深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的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。 单片机的种类很多，到目前为止，世界各国厂商已研制出大约50个系列、30多个品种的单片机的产品。 最具典型代表的应属Intel公司的MCS-51系列单片机。 虽然它仍然是8位的单片机，但其功能强，具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。因此，MCS-51应用非常广泛，直到现在MCS-51仍不失为单片机中的主流机型。这主要由于在工业控制、智能仪表、家用电器、IC卡等诸多应用领

8、域，8位单片机系列在性能、价格两方面都做到了较好的兼顾。 估计在未来十年内，8位单片机仍将是单片机中的主流机型。故而本书仍以MCS-51系列单片机为主线来进行讲授。,1.1.3单片机的发展趋势 发展趋势主要有以下几个方面 1多功能 在单片机中尽可能多地把应用所需的存储器、各种功能的I/O口都集成在一块芯片内，使单片机的功能更加强大。如把LED、LCD或VFD显示驱动器也开始集成在8位单片机中。,2高性能 进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性，采用精简指令系统计算机RISC（Reduced Instruction Set Computer）结构和流水线技术，大幅度提高

9、运行速度。现指令速度最高者已达100MIPS(Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒)，并加强了位处理功能、中断和定时控制功能，使单片机的性能明显地优于同类型的微处理器。单片机集成度进步提高，有的单片机的寻址能力已突破64 KB的限制，8位、16位的单片机有的寻址能力已达到1 MB和16 MB。片内ROM的容量可达64 KB，RAM的容量可达2 KB。,3低电压、低功耗 允许使用的电压范围越来越宽，一般在36V范围内工作，有的已能在1.2V或0.9V电压下工作。几乎所有的单片机都具有省电运行方式。单片机的功耗已从mA级降到A级，甚至1A以下，在一粒钮扣电池

10、下就可长期工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。4低价格现在，市面上8031，89c51单片机12元15元左右。,1.4 微型计算机的结构,1.4.1微处理器、微型计算机和单片机的概念 微处理器也称中央处理器CPU（Central Processing Unit），它是采用大规模集成电路技术做成的芯片，芯片内集成了运算器、控制器和若干高速存储单元（寄存器）。 微型计算机（Microcomputer）是计算机的微型化，微型计算机又简称微机。它的基本结构同样也是由输入设备、输出设备、运算器，控制器和存储器五个部分组成。,微型计算机的CPU一定是微

11、处理器，或者说采用微处理器作CPU的计算机就是微型计算机。但它还必须配有一定容量的半导体存储器，输入输出设备的接口电路，以及系统总线，才能组成一台计算机,微型计算机系统（Microcomputer system）由硬件和软件两大部分组成。所谓“硬件”，指的是构成计算机的“硬”设备；所谓“软件”，指的是能在计算机上运行的程序，广义的软件还包括由计算机管理的数据以及有关的文档资料。 具体讲，微型计算机系统就是指以微型计算机为中心，再配上所需的外部设备(如键盘、打印机、屏幕显示器、磁盘驱动器等)、电源以及足够的软件而构成的系统。 单片微型计算机(Single chip microcomputer)是

12、指把CPU，内存贮器和某些IO接口电路集成在一块大规模芯片上的微型计算机，简称为单片机。它主要用于工业控制，故又叫单片微控制器。,1.4.2 微型计算机硬件结构,一般微型计算机的结构组成框图如图11所示。它有以下两个特点： 采用了集成在LSI（大规模集成电路）或VLSI（超大规模集成电路）芯片上的微处理器。 整个计算机采用总线结构，所有的部件都与三条总线相连，各部件之间的数据和信号传送均通过总线传送。,图1-1中，从微处理器（CPU）引出了若干信号线，即系统总线。CPU通过它们与存储器、I/O接口和I/O设备进行信息交换。,1系统总线（System Bus）,总线（Bus）就是将多个装置或部件

13、连接起来并传送信息的公共通道。总线实际上是一组传输信号的线路。 系统总线一般分为三种类型，即地址总线、数据总线和控制总线，有时也称为三大总线。 （1）地址总线(Address Bus简称AB) 传输CPU发出的地址信息，选择需要访问的存贮单元和IO接口电路。 地址总线是单向的，只能由CPU向外传送地址信息。地址总线的位数决定了可以直接访问的内存贮器的单元数目。,（2）数据总线(Data Bus简称DB) 用来在微处理器和存贮器以及输入输出（I/O）接口之间传送数据，如从存贮器中取数据到CPU，把运算结果从CPU送到外部输出设备等。微处理器的位数和外部数据总线的位数一致。 数据总线是双向的，即数

14、据可从CPU传出，也可以从外部送入CPU。,（3）控制总线(Control Bus简称CB),可以是CPU的控制信号或状态信号送往外界，也可以是外部设备的请求信号或联络信号输入到CPU。对于每一条具体的控制线，信号的传送方向则是固定的，个别信号线还兼有双向功能。 系统总线是传送信息的通道，非常繁忙。其使用特点如下： 在某一时刻，只能由一个总线主控设备控制总线，其它总线主控设备必须放弃总线的控制权。 在连接系统总线的各个设备中，同时只能有一个发送者向总线发送信号，但可以从总线上同时获取信号。,2存储器（Memory）,存储器就是存放程序和数据的部件。有了存储器，计算机才能进行程序的运行和数据的处

15、理。 微机上的存储器分为“主存”和“辅存”两类，当前它们主要由半导体存储器和磁盘、光盘存储器等分别构成。 比较： （1）半导体存储器造价高、速度快、但容量小，主要用来存放当前正在运行的程序和正在待处理的数据；磁盘、光盘造价低、容量大、信息可长期保存，但速度慢，主要用来存放暂不运行的程序和暂不处理的数据。 （2）半导体存储器被安排在机内的电路板上，CPU可以通过总线直接存取，因而也称“内存”； 磁盘、光盘被安装在主机箱内或主机箱外，CPU通过I/O接口进行存取，所以也称“外存”。,半导体存储器分为“只读存储器”ROM （Read Only Memory）和“随机存取存储器”RAM（Random

16、Access Memory）。 ROM只允许只读操作，即在正常工作时只能读取其中的信息；RAM可进行读写操作，除读出外也可写入，所以又称为“读写存储器”。 一般的RAM在断电后原存放信息将会丢失，而ROM中的信息可在断电后长期保存。,3 I/O设备和I/O接口,I/O设备是指微机上配备的输入输出设备，也称外部设备或外围设备（简称外设），其功能是为微机提供具体的输入输出手段。 微机配置的常见I/O设备： 键盘、显示器、鼠标器、打印机、绘图仪、扫描仪磁盘驱动器等。 I/O接口：匹配外设与CPU的工作速度、完成信号变换、数据缓冲和CPU联络等工作。 在微机系统中，较复杂的I/O接口电路一般都被做在电

17、路插板上，这种电路插板又被称为“卡”（Card），只要将它们插入总线插槽(I/O通道)就等于将它们连到了系统总线。,微机的软件系统由系统软件和应用软件组成:,1系统软件 系统软件通常包括：操作系统、语言处理程序、诊断调试程序、设备驱动程序、以及为提高机器效率而设计的各种程序。 在系统软件中，最重要的软件是操作系统、即OS (Operating system)。所有的应用程序、包括系统软件中的一些程序，都要在操作系统构筑的平台上运行。,操作系统的基本功能是：, 负责管理、调度整个系统的软硬件资源，包括：CPU、存储器、各I/O设备等硬件资源，以及文件、目录、进程、任务等软件资源。 向用户提供最基

18、本的交互界面，以方便用户的使用、提高系统的工作效率。当前，新型操作系统还向用户提供了更多可利用的软件资源，如各种实用程序和函数库等。 对于单片机控制系统开发完成后，其系统里的监控程序，也相当一个小的操作系统的功能，它完成管理和协调各控制源的要求任务。,小 结,本章主要介绍了计算机和单片机的发展历史及单片机的发展趋势，对计算机的一些基础知识和概念做了阐述。要求掌握的内容有：各进制数之间的转换；原码、反码和补码的表示；BCD码、ASCII码的表示；微处理器、微型计算机、单片机、三大总线即地址总线、数据总线、控制总线等概念的解释；微型计算机硬件结构和软件系统的基本框架内容。,思考题与习题一,1将下列二进制数转换为十进制数和十六进制数。 (1) 0001 1010 B (2) 0011 0100 B (3) 1010 1011 B 2将下列十进制数转换成BCD码和十六进制数。 （1）29 （2）53 （3）35.75 （4）47.5 3将下列BCD码转换为十进制数。 （1）（0100 00