第一章 单片机基础知识.ppt

1、,第一章 单片机基础知识,1.1 单片机中的数,计算机最基本的特点是用电信号来表示二进制信息，这些二进制信息可以是数据、地址、控制命令等。从某种意义上说，整个计算机系统的工作就是对这些二进制信息进行存储、传送、运算和逻辑判断。,单片机 中的数,二-十 进制数 （BCD码）,十进制数,它仅有0和1两个数字，这是因为单片机只能使用高低两个电平来表示数。,它有十个不同的数字：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9。在表示数时，处于不同位置（或数位）的数字代表的值是不同的。,十进制数,二进制数,十六 进制数,二-十 进制数 （BCD码）,在二-十进制数（BCD数）中，用四位二进制数中的十种状态来表示一

2、位十进制数09。,它具有16个不同的数字：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F，其中AF相当于十进制数中的1015。,各数制间的对照关系,1.1.5 数制转换,1.1.6 数的表示,数的定点和浮点表示方法 1.定点表示法 通常，对于任意一个二进制数总可以表示为正整数（或纯小数）和一个2的整数次幂的乘积。例如，二进制数N可写成： 其中，S称为数N的尾数，P称为数N的阶码。此处P、S都是用二进制表示的数。尾数S表示了数N的全部有效数字，阶码P指明了小数点的位置。,例如，N=+1010111的表示格式为,2.浮点表示法 如果阶码是个可变的数值，称这种表示方法为数的浮点表示法

3、。这样的数称为浮点数。设 ，其中，阶码P为整数，可为正数，也可为负数；用Pf表示阶码的符号位，当Pf =0时，表示阶码为正， Pf =1时表示阶码为负。同样，尾数S用1位二进制数Sf表示尾数的符号。,浮点数在机器中的表示方法如图： 例1-2 例1-3,原码、补码、反码。 1.模的概念 我们把一个计量器的容量称为模或模数，记为模M或modM。可见一个n位二进制寄存器，它的容量为2n。所以，它的模为M=2n。模具有这样的性质，当模为2n时，2n和0在机器中表示方法是相同的。,2.原码表示法 原码表示法是最简单的一种机器数表示法，只要把真值的符号部分用0或1表示即可。 例如： 其原码记为 0的原码有

4、两种表示形式，即+0和-0：,3.反码表示法 反码是二进制数的另一种表示形式，正数的反码与原码相同；负数的反码是将其原码除符号位外，按位求反，即原来为1变为0，原来为0变为1。 例如： 则 0的反码也有两种形式,4.补码表示法 把09十个数字刻在一个圆盘上，用来作加、减法。例如AB，它是先将指针转到A的位置上，然后根据B的正负将指针在数字拨盘上按顺时针或逆时针转动|B|格，这时在数字拨盘上指针所指的数字就是运算结果。,在二进制中，通常以2n为模，这样其补码表达式为：X补= 2n +X（模2nn位二进制数） 从上式可以看出，当X为正整数时，X补就是X本身；当X为负数时，从2n中减去|X|，便可得

5、到 X补；当X等于0时， X补为0。显然，0的补码是唯一的。,例1-5：X1=+101001 X2=-1010011，求补码（n=8） 补码的求法只要使其符号位不变，将数值部分逐位求反，末位加 即可。可见，反码通常是作为补码求法过程的中间形式。通过反码的概念求取补码更为直观、简单。,数的表示方法小结,1.2单片机的硬件基础,1.2.1布尔代数,逻辑加：L=A+B 其规则为： 0+0=0,0+1=1, 1+0=1,1+1=1 逻辑乘：L=AB 其规则为： 00=0，01=0，10=0，11=1 逻辑非： 其规则为：,布尔代数是专门处理二进制变量和逻辑运算的数学工具。二进制变量用A，B，C，X，Y

6、，Z来表示，基本逻辑运算有“与”（逻辑乘）、“或”（逻辑加）、“非”三种，对于二进制变量的每一个给定值，布尔代数的值可为0或1。,普通代数与 布尔代数,布尔代数 基本运算,布尔代数 基本公式,化简布尔代数 的基本公式,反演律： 吸收律： 分配律：,0A=0； 1A=A； 0+A=A； 1+A=1； A+A=A；,一个真值表唯一地确定一个函数与各变量之间的逻辑关系；在保持逻辑上等效的前提下，同样的逻辑关系用布尔代数来表示则可以有多种不同的代数式，通过布尔代数的演算，可以获得最简表达式，即可找到最优化的逻辑电路。,布尔代数 的作用,1.2.2基本逻辑器件,1. 基本门电路 基本门电路包括实现布尔代

7、数三种基本逻辑运算的物理部件，即与门、或门和非门。,（1）与门 实现逻辑“与”操作的电路叫与门。两个二进制数的逻辑乘关系称之为逻辑“与”操作，常用记号“”或“”来表示，对于表达式L=AB的表示符号以及真值表如图所示。,（2）或门 实现逻辑“或”操作的电路叫或门。两个二进制数的逻辑加关系称之为逻辑“或”操作，常用记号“”或“+”来表示，对于表达式L=A+B的表示符号以及真值表如图所示。,（3）非门 实现输出状态与输入状态相反的逻辑电路叫非门。输出相对于输入实现逻辑非关系的操作也称之为“求反”操作，常用变量上方加一横来表示，对于表达式 的表示符号以及真值表如图所示。,2. 组合门电路 组合门电路由

8、三种基本门电路的简单组合而构成，也是一种常见和常用的器件，包括与非门、或非门、异或门、同或门等。,（1）与非门 与门之后接一个非门即可构成与非门。对于表达式 的表示符号以及真值表如图所示。,（2）或非门 或门之后接一个非门即可构成或非门。对于表达式 的表示符号以及真值表如图所示。,（3）异或门 对两个二进制数进行逻辑异或的电路称之为异或门。其操作为以 为模的按位求和，所以逻辑异或又称“按位加”，常用符号“ ”来表示。其逻辑关系为： ，或表示为 ，其表示符号以及真值表如图所示。,（4）同或门 对两个二进制数进行逻辑同或的电路称之为同或门。常用符号“”来表示。其逻辑关系为 ，或表示为L=AB，其表

9、示符号以及真值表如图所示。,3. 正逻辑与负逻辑 用于实现逻辑关系的逻辑电路中，表达逻辑的方法可以有两种：一种是用高电平表示逻辑1、用低电平表示逻辑0，这种规定下的逻辑关系称之为正逻辑；另一种是用低电平表示逻辑1、用高电平表示逻辑0，这种规定下的逻辑关系称之为负逻辑。,4. 三态逻辑元件 （1）单向三态缓冲器,单向三态电路真值表,单向三态电路图,单向三态电路符号图,（2）三态双向缓冲器 当TSC1=1，TSC2=0时， 输出等于输入。 当TSC1=0，TSC2=1时， 输入等于输出。 当TSC1、TSC2=0， 均为低电平时，呈高阻状 态，即相当于断开。,双向三态电路符号图,5. 运算电路 （

10、1）一位二进制加法（半加器） 考虑进位后，一位二进制数A+B等于由进位位C和该位的和S组成。由逻辑关系可以推出C、S与A、B的逻辑关系为：S=AB；C=AB；因此，一位二进制加法（半加器）可由一只异或门和一只与门构成。,一位二进制加法半加器的逻辑符号,一位二进制加法半加器真值表,一位二进制加法半加器的电路原理图,（2）多位二进制加法（全加器） 全加器的逻辑关系为： （3）二进制减法 被减数以补码表示后即可方便地用全加器来实现。,一位二进制加法全加器的逻辑符号,1.2.3触发器,1组合逻辑电路,（1）电路输入信号每一组组合状态 必定对应有一个输出信号,（2）某一组输入信号一旦消失，输出 信号立即

11、发生变化，即电路无记忆功能,（3）任一时刻的输出信号状态仅与当 前输入信号状态有关，而与电路以往历 史无关,组合逻辑电路 的特点,2时序逻辑电路,时序逻辑电路的基本电路单元是触发器 时序电路有同步、异步这两种类型：输入状态起作用要借助于时钟脉冲，各触发器同步进行，称为同步时序电路；输入信号无须时钟脉冲的控制，随到随时起作用，各触发器异步工作，称为异步时序电路。,3触发器的功能,4. 基本R-S触发器 基本R-S触发器是构成其他形式触发器的基础，其结构如图所示。,基本R-S触发器结构,R-S触发器在实际应用中还希望触发器受一个时钟信号的控制，实现按时钟信号的节拍翻转。这种起控制作用的时钟脉冲信号

12、称作CP（Clock Pulse），这种R-S触发器就是同步R-S触发器。,同步R-S触发器结构,5. D触发器 同步R-S触发器工作时不允许R端和S端的输入信号同时为1。如果将R端改接到电路另一与非门的输出端，只在S端加入信号，S端改称为D端，同步R-S触发器就成了D触发器。D触发器在微处理机系统中常用作状态锁存器。,D触发器真值表,D触发器的逻辑符号,1.2.4半导体存储器,存储器是计算机存放程序和数据的部件，由许多存储信息的单元组成。单元越多，可存放的信息量越短，存储器的容量就越大。存储器的容量和数据存取的速度是衡量计算机的两个基本性能指标。 在微机内部广泛使用MOS工艺制作的半导体存储

13、器，分为只读存储器ROM和随机存取储存器RAM两大类，在微机系统中ROM和RAM存储器各有其功能。,1.只读存储器ROM ROM中内容在操作运行过程中只能被CPU读出，而不能写入或更新。ROM是一种非易失性器件，只要一通电，ROM中信息立即恢复。在单片机中，ROM常用来存放程序和常数，所以人们习惯称之为程序存储器。ROM中的内容是由制造厂或用户通过专门设备和方法固化进去的。,由微机或仪器生产厂家将程序写入，无法更改。其成本较低，适用于大批量生产。,由器件生产厂家在设计集成电路时一次性固化。成本低廉，适用于大批量生产。,固定掩膜型 ROM,可编程ROM （PROM）,紫外光 可擦PROM （EP

14、ROM）,电可擦PROM （E2PROM）,该器件只需输入一定条件的电信号，就可以擦除字节或整片信息，这样修改程序更方便。适用于科研、开发调试。,该器件表面有一透明窗口，在一定量的紫外光照射后，能将存储器片内所有的信息清除，使其内容全为“1”。用户可以方便地将程序写入，若出错时，可以光照擦除后修改。,2.随机存取存储器RAM RAM中内容是能够随机存入或取出的，即允许CPU对其读或写操作，所以又称读写存储器。它是一种易失性器件，即一旦断电，所存信息就会丢失，复电后得到的只是随机数。 RAM有静态RAM和动态RAM。静态RAM在电源接通期间，写入的信息一直能保持，除非再写入新的内容。动态RAM只

15、能保持信息几毫秒，因此必须有专门的刷新电路每隔两毫秒按其内容不断刷新。,1.3 单片机的特点,1.3.1 典型单片机的结构,单片机结构框图,我们从中结构图可以看出：,单片机除包括微机所有 的基本单元以外，还可 包括一定量的外围电路， 如时钟电路。 外围电路内装化是单片 机的发展趋势，无疑简 化了外电路结构；,在一般的微机中，连 接CPU、ROM、I/O 的系统总线在单片机中 构成了内部总线，这样 不仅减小了体积、降低 了成本，而且提高了整 个微机系统的抗干扰性 和运算速度。,单片机中一般包括定 时器/计数器，它是微 机系统常用的部件。 有些还具有A/D转换 器和D/A转换器等等。,1.3.2

16、MCS-51单片机,MCS-51的典型产品是8051，其基本特性如下： （1）使用于控制的8位CPU和指令系统； （2）具有位寻址功能的布尔处理能力； （3）32线平行I/O口； （4）一个全双工的串行口； （5）两个优先级、5个中断源的中断结构； （6）两个16位定时器/计数器； （7）128字节的片内数据存储器RAM； （8）21个专用寄存器SFR； （9）4K字节的片内程序存储器ROM； （10）片外可扩展64K字节程序存储器ROM； （11）片外可扩展64K字节数据存储器RAM； （12）片内时钟振荡器，频率范围1.212MHz。,1.3.3 单片机工作过程,微机基本组成图,总线包括地

17、址总线、控制总线和双向数据总线。微型计算机的这种连接方式，常称为三总线结构。在整个微机系统中，微处理器（CPU）通过外部总线与存储器（M）和输入/输出（I/O）接口电路交换信息，输入输出接口则通过各个端口与外围设备交换信息。,1.微处理器 微处理器CPU是整个微机系统的核心，它是由算术逻辑运算单元（ALU）和控制器组成。它的功能是进行算术逻辑运算，也就是对数据进行处理；并且控制数据和指令在计算机中运行，即控制计算机根据给定的要求而操作。,CPU取指令和执行指令原理图,4）执行指令所规定的操作；,6）有实时中断处理的能力。,2）通过数据总线从 存储器中取出指令， 并且对指令译码；,3）按指令的地

18、址码，取出指令所需的操作数；,微处理器 的操作过程,1）按程序计数器PC的内容，将指定的存储地址放在地址总线上；,5）提供表示状态的标志信号、控制信号及定时信号，以供微机系统使用；,2.输入/输出设备 输入/输出设备是计算机与外界交换信息的设备。 输入/输出设备不能与计算机直接交换信息，而必须通过I/O接口电路，以达到逻辑电平、速度、时序等方面匹配。 输入接口电路一般采用三态缓冲器，在规定外部信号输入时刻，才打开三态门，读入数据，避免干扰总线，影响计算机正常运行；输出接口电路一般采用锁存器，能锁存短促的CPU输出信息，以供速度较慢的外围设备使用。,1.4 单片机在机电一体化中的应用,1、机电一体化设备的控制核心,6、终端及外部设备控制,2、数据采集系统的现场 采集单元,3、分布控制系统的前端控制器,5、消费类电子产品控制,4、智能化仪表的机芯,小结,1、电子计算机通常用电信号来表示数，一般用高电平表示“1”、而低电平表示“0”，采用二进制计数法。 2、我们日常生活使用十进制数，采用“除2取余”方法就能得到二进制数；反之将二进制数按权展开相加即能得到十进制数。 3、为书写等方便，常将二进制数写成十六进制形式，四位二进制数对应一位