单片机基础知识.ppt

1、第1章 单片机基础知识,教学目标 1.1 单片机概述 1.2 数的表示方法及数制间的转换 1.3 二进制的运算 1.4 微机的码制与编码 本章小结 思考题与习题,教学目标,通过本章教学，要求学生达到以下目标： 1. 一般性的了解从微机单片机AT89C51的 发展概况，单片机技术未来发展趋势以及单 片机广泛应用的领域。 2. 建立二进制和十六进制的概念。学会二进制、 十进制和十六进制数相互转换的方法，熟记 016之间二进制、十进制和十六进制数的对 应关系及相互转换。,3. 熟悉二进制和十六进制数的算术运算及逻辑运算方法。 4. 了解二进制数原码、反码和补码的表示方法。 5. 了解BCD码的编码方

2、法、转换关系和加减法运算时出错修正的原因、条件和方法。 6. 了解ASCII码和查表换算方法。,1.1 单片机概述,1.1.1 电子计算机的问世及其经典结构,1946年2月15日，第一台电子数字计算机问世，标志着计算机时代的到来。,ENIAC,开创了计算机科学技术新纪元，对人类生产和生活方式产生了巨大的影响 。,冯诺依曼提出“程序存储”和“二进制运算”的思想，构建了计算机经典结构，如图1.1所示。,图1.1 计算机经典结构示意图,1.1.2 计算机经历的五个时代,(1) 电子管计算机 (2) 晶体管计算机 (3) 集成电路计算机 (4) 大规模集成电路计算机 (5) 超大规模集成电路计算机,结

3、构仍然没有突破冯诺依曼提出的计算机的经典结构框架,1.1.3 微机的组成及其应用形态,1. 微机的组成,1971年1月，INTEL公司的特德霍夫在与日本商业通讯公司合作研制台式计算器时，将原始方案的十几个芯片压缩成三个集成电路芯片。其中的两个芯片分别用于存储程序和数据，另一芯片集成了运算器和控制器及一些寄存器，称为微处理器（即Intel 4004）。,图1.2 4004微处理器,微处理器、存储器加上I/O接口电路组成微型计算机。如图1.3,图1.3 微型计算机的组成框图,2. 微型计算机的应用形态 可以分为以下3种：,(1) 多板机（系统机） 工业PC机 也属于多板机。,(2) 单板机,(3)

4、 单片机: 集成了CPU、 存储器、I/O接口电路的单芯片微型计算机。,图1.4 单板机,3. 三种应用形态的比较,b)单板机,c) 单片机,a)系统机（多板机）,图1.5 微机的三种应用形态,1)系统机（桌面应用）属于通用计算机，主要用于数据处理、办公自动化及辅助设计。,2)单片机（嵌入式应用）属于专用计算机，主要用于智能仪表及传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等系统。,单片机体积小、价格低、可靠性高，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。,1.1.4 单片机的发展状况,1. 单片机的发展过程,(1) 单芯片微机形成阶段 1976年，Intel公司推出了

5、MCS-48系列单片机 。8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。,特点：存储器容量小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统 功能不强。,CHMOS(互补金属氧化物HMOS)是CMOS和HMOS(高密度沟道MOS工艺)的结合,除了保持HMOS高速度和高密度之外,还有CMOS低功耗的特点.两类器件的功能是完全兼容的,区别在CHMOS器件具有低功耗的特点.它所消耗的电流比HMOS器件少很多,主要在于其采用了两种降低功耗的方式:空闲方式和掉电方式.CHMOS器件在掉电方式(CPU停止工作,片内RAM的数据继续保持)下时,消耗的电流可低于10A.采用

6、CHMOS的器件在编号中用一个C来加以区别:如80C51,80C31即为CHMOS芯片等.,目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。 CMOS化 近年，由于CHMOS技术的进小，大大地促进了单片机的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。

7、采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。CHMOS和HMOS工艺的结合。目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。,纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有： 1.低功耗CMOS化 MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺

8、)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。 2.微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定,单片机的发展趋势1制作工艺CMOS化(全盘CMOS化)出于对低功耗的普遍要求，目前各大厂商推出的各类单片机产品都采用了CHMOS工艺。

9、80C51系列单片机采用两种半导体工艺生产。一种是HMOS工艺,即高密度短沟道MOS工艺。另外一种是CHMOS工艺，即互补金属氧化物的HMOS工艺。CHMOS是CMOS和HMOS的结合，除保持了HMOS的高速度和高密度的特点之外，还具有CMOS低功耗的特点。例如8051的功耗为630mw，而80C51的功耗只有120mw。在便携式、手提式或野外作业仪器设备上低功耗是非常有意义的。因此，在这些产品中必须使用CHMOS的单片机芯片。2尽量实现单片化尽管我们常说，单片机是将中央处理器CPU、存储器和I/O接口电路等主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，但由于工艺和其它方面的原因，很多功能

10、部件并未集成在单片机芯片内部。于是，用户通常的做法是根据系统设计的需要在外围扩展功能芯片。随着集成电路技术的快速发展和“以人为本”思想在单片机设计上的体现，很多单片机生产厂家充分考虑到用户的需求，将一些常用的功能部件，如A/D(模/数转换器)、D/A(数/模转换器)、PWM(脉冲产生器)以及LCD(液晶)驱动器等集成到芯片内部，尽量做到单片化；同时，用户还可以提出要求，由厂家量身定作(SOC设计)或自行设计。,3共性与个性共存如今的市场上为我们提供了丰富多彩的单片机产品。从宏观上讲，有RISC和CISC两大类型；从微观上说，有Intel、Motorola、Philips、Microchip、E

11、MC、NEC等公司的相关产品。在未来相当长的时间内，都将维持这种群雄并起、共性与个性共存的局面。究其原因，主要有以下两点。首先，以80C51为代表的单片机的基础地位不会动摇。这是因为80C51的架构和指令系统为后来的单片机提供了参考基准和强大支持，凡是学过80C51单片机的人再去学用其它类型的单片机易如反掌，借梯子爬坡何乐而不为呢？有关这方面的教材建设在出版界也得到了共识，取得了斐然的成果；这足以解释为制么在课堂上大家都以80C51的教材来进行教与学了。其次，个性化的产品如专用单片机等在满足用户需求方面得到了大家的认可，在应用领域大有后来赶上的架势；它们由于先天的优势，在80C51的基础上扬长

12、避短，以用户需要为根本，在市场上受到丁欢迎。总之，80C51作为共性的代表会与个性化的产品相互依存，共同发展，将会给用户带来更大的实惠与方便。,特点：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在MCS-51已成为公认的单片机经典机种 。,(2) 性能完善提高阶段 1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机：8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。,(3) 微控制器化阶段,特点：片内面向测控系统电路增强，使之可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。“微控制器

13、”的称谓更能反应单片机的本质。,1982年，Intel推出MCS-96系列单片机。芯片内集成：16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。,2. 单片机产品近况,ATMEL公司融入Flash存储器技术的AT89系列 Philips公司的80C51、80C552系列 华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列 ADI公司的ADC8xx高精度ADC系列 LG公司的GMS90/97低压高速系列 Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列 Cygn

14、al公司的C8051F系列高速SOC单片机(美国),51系列产品繁多，已推出的主要产品有：,ATMEL公司爱特梅尔半导体成立于1984年，总部位于美国。是世界上高级半导体产品设计、制造和行销的领先者，产品包括了微处理器、可编程逻辑器件、非易失性存储器、安全芯片、混合信号及RF射频集成电路。通过这些核心技术的组合，ATMEL生产出了各种通用目的及特定应用的系统级芯片，以满足当今电子系统设计工程师不断增长和演进的需求。,飞利浦，是世界上最大的电子公司之一，1891年成立于荷兰，主要生产照明、家庭电器、医疗系统。飞利浦现已发展成为一家大型跨国公司，2007年全球员工已达128,100人，在28个国家

15、设有生产基地，在150个国家设有销售机构，拥有8万项专利，实力超群。 华邦电子股份有限公司於1987年9月创立於新竹科学园区，1995年正式於台湾证券交易所挂牌上市，2008年7月总部迁至中部科学园区，以十二吋晶圆厂为主要之研发与生产基地，产品之制程技术涵盖范围0.11m70nm。今日的华邦致力於记忆体产品的生产与设计，其中包含DRAM产品事业群、记忆IC制造事业群及快闪记忆体IC事业群三大领域。,ADI公司美国模拟器件公司（Analog Devices, Inc）是全球领先的精密高性能模拟集成电路制造商，其产品广泛用于模拟信号和数字信号处理领域。公司总部设在美国马萨诸塞州诺伍德市，在全球约有

16、9,000名员工，并且在马萨诸塞州、加利福尼亚州、北卡罗来纳州、爱尔兰和菲律宾都有制造厂。ADI公司的股票在纽约证券交易所上市，并被纳入标准普尔500指数（S&P 500 Index）。,Maxim公司成立于1983年，总部在美国加州。该公司在设计、发展、生产线性和混合信号集成电路产品方面处于世界领先地位。至1999年6月26日为止，其净销售收入已达6亿美元。公司雇员超过3000人，分布在美国总部及世界各地的分支机构。Mixim公司发布的模拟集成电路产品已超过1780种，处于同行业领先水平，其中1480多种产品是Mixim公司专有产品。其产品主要应用于微处理器类电子产品，包括个人计算机、测试设

17、备、手持设备、无线通信产品及视频显示设备等。主要产品包括微处理机监控电路、数据转换器、基准电源、RS-232接口电路、放大器，电源管理、定时器、计数器、显示电路、多路转换器、开关、电压监测、光纤传输器、压力和温度传感器、无线产品、模拟滤波器等。,非51结构单片机新品不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间 ，近年来推出的非51系列的主要产品有：,Intel的MCS-96系列16位单片机 Microchip的PIC系列RISC单片机 TI的MSP430F系列16位低功耗单片机 。,MICROCHIP 美国微芯科技公司，美国微芯半导体 Microchip Technology Incorporat

18、ed（纳斯达克股市代号：MCHP）是全球领先的单片机和模拟半导体供应商，为全球数以千计的消费类产品提供低风险的产品开发、更低的系统总成本和更快的产品上市时间。 Microchip公司自成立以来，就密切关注嵌入控制半导体产品市场。为了占领市场，集中了所有的技术、设计、生产、销售等各方面资源发展了两大拳头产品：PIC8位单片机（MCU）和高品质的串行EEPROM。到目前为止，Microchip公司已推出微控制器外围设备、模拟产品、RFID智能卡、KEELOQ保安产品，可设计出更全面,更具价值的嵌入控制系统方案，以满足用户日益增长的需求 成立于1989年 美国上市公司（纳斯达克股票代码：MCHP）

19、全球拥有员工4,500名 全球设有45家销售办事处 全球设有34家区域培训中心 生产厂：美国亚利桑那州Tempe、美国俄勒冈州Gresham和泰国曼谷 设计中心：印度班加罗尔、瑞士洛桑、美国加州Santa Clara和亚利桑那州Chandler、罗马尼亚布加勒斯特 公司已通过ISO/TS-16949:2002质量体系认证 据业界权威研究机构Gartner资料，Microchip单片机全球8位单片机（MCU）付运量排名第一,TI公司简介 德州仪器（Texas Instruments），简称TI，是全球领先的半导体公司，为现实世界的信号处理提供创新的数字信号处理（DSP）及模拟器件技术。除半导体业

20、务外，还提供包括教育产品和数字光源处理解决方案（DLP）。TI总部位于美国得克萨斯州的达拉斯，并在25个多国家设有制造、设计或销售机构,1.1.5 单片机的特点及应用领域,1. 单片机的特点,(1) 控制性能好、可靠性高 可对I/O端口直接操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响。,(2) 体积小、价格低、易于产品化 应用系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。,2. 单片机的应用领域,(1) 智能仪器仪表,(2) 机电一体化产品,(3) 实时工业控制,(4) 分布式系统的前端模块,(5)

21、 家用电器,1.2 数的表示方法及数制间的转换,1.2.1 微型计算机中的常用数制 微型计算机中常用的数制有三种，即十进制数、二进制数和十六进制数。,1十进制数 十进制数是我们最熟悉的一种进位计数制， 其主要特点是： (1) 它由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9不同的基本数码符号构成，基数为10。 (2) 进位规则是“逢十进一”，一般在数的后面加符号D表示十进制数。 所谓基数，在数学中指计数制中所用到的数码的个数。,2二进制数 二进制数是计算机内的基本数制，其主要 特点是： (1) 任何二进制数都只由0和1两个数码组 成，其基数是2。 (2) 进借位规则是“逢二进一，借一当二”。 一般在

22、数的后面用符号B表示这个数是二进制数。 二进制数同样可以用幂级数形式展开。,(3) 字节：8位二进制数约定为1字节,一个字节可表示28个值（0255） LSB： 最低有效位，D0位 MSB：最高有效位，D7位,图1.6 字节的定义,(4) 字：2字节，16位二进制数,LSB： 最低有效位， D0位 MSB： 最高有效位， D15位,一个字有216个值（065535）,在微机软件编程时，十六进制数常用于代码和数据的缩写，其主要特点是： (1) 十六进制数由16个数符构成：0、1、2、9、A、B、C、D、E、F，其中A、B、C、D、E、F分别代表十进制数的10、11、12、13、14、15，其基数

23、是16。 (2) 进借位规则是“逢十六进一，借一当十六”。一般在数的后面加一个字母H表示是十六进制数。,3十六进制数,表1.1 各种进位制的对应关系,1二进制数与十六进制数的转换 （1） 二进制数转化成十六进制数 采用四位二进制数合成一位十六进制数的方法，以小数点开始分成左侧整数部分和右侧小数部分。 例1.1 把10111110100.0011101B转换成十六进制数 。 解：101 1111 0100 . 0011 1010 B = 5F4.3AH,1.2.2 数制间的转换,（2） 十六进制数转换成二进制数 将十六进制数的每位分别用四位二进制数码表示，然后把它们连在一起即为对应的二进制数。

24、例1.2 把13CA.58H转换成二进制数。 解： 13CA.58H=1 0011 1100 1010. 0101 1B,2. 二进制数与十进制数间的转换 （1）二进制数转换成十进制数 将二进制数按权展开后相加即得到对应的十进制数。 例1.3 将1001B转换成十进制数。 解：按权相加得： 1001B = 123+120 = 8+1 = 9D = 9 其中，十进制数的后缀“D”可省略。,（2） 十进制数转化成二进制数 十进制数的整数部分和小数部分转化成二进制数的方法不同，要将它们分别转换，然后将结果合并到一起即得到对应的二进制数。 十进制整数转成二进制整数的常用方法是“除2取余法”，即用2连续

25、去除要转换的十进制数和所得的商，直到商小于2为止，依次记下各个余数，然后按最先得到的余数为最低位，最后得到的余数为最高位依次排列，就得到转换后的二进制整数。,十进制小数转换成二进制小数的常用方法是“乘2取整法”，即用2连续去乘要转换的十进制小数部分和前次乘积后的小数部分，依次记下每次乘积的整数部分，直到小数部分为0或满足所需要的精度为止，然后按最先得到的整数为二进制小数的最高位，最后得到的为最低位依次排列，就得到转换后的二进制小数。,例1.4 将45.6789转换为二进制数，其中二进制小 数保留4位。 解：, 45.6789 = 101101.1011B,3十六进制数和十进制数间的转换 （1）

26、十六进制数转换成十进制数 将十六进制数按权展开后相加即得到对应的 十进制数。 例1.5 将十六进制数3FEA换成十进制数。 解：3FEAH = 3163+15162+14161+10160 = 16362 D = 16362,(2) 十进制数转换成十六进制数 与十进制数转换成二进制数类似， 十进制整数部分采用“除16取余逆排法”， 十进制小数部分采用“乘16取整顺排法”。,例1.6 将3901.76171875转换成十六进制数。, 3901.76171875=F3D.C3H,1.3 二进制数的运算,1.3.1 算术运算 1. 加法运算 运算规则为：0+0=0 、1+0=0+1=1、 1+1=1

27、0(向高位有进位)。 2. 减法运算 运算规则为：0-0=0、1-0=1、1-1=0、 0-1=1(向高位借1当作2)。,3. 乘法运算 运算规则为：00=0、01=10=0、 11=1。 4. 除法运算 除法运算是乘法运算的逆运算。与十进制类似，从被除数最高位开始取出与除数相同的位数，减去除数。,1.3.2 逻辑运算 微机内二进制信息的逻辑运算由专门的逻辑电路完成。 1. 逻辑与运算 逻辑与常用符号“”表示，运算规则为：00=0，10=0，01=0，11=1。两个位数相同的二进制数进行逻辑与时，只是对应位进行与运算。,2. 逻辑或运算 逻辑或又称为逻辑加，常用符号“”表示，其运算规则为：00

28、=0，10=1，01=1，11=1。 3. 逻辑非运算 逻辑非运算又称逻辑取反，常用运算符号“-”表示，运算规则为： = 1， = 0。,4. 逻辑异或运算 逻辑异或又称半加，是不考虑进位的加法，常用运算符号 表示。 例1.7 72H ABH = ？ 解： 0111 0010 B 1010 1011 B 1101 1001 B 72H ABH = 11011001B = D9H,1.4 微机的码制和编码,数在计算机内的表示形式称为机器数这个数本身称为真值。,例1.8 正数 +100 0101B（+45H）,100 0101B,0,（45H）,机器数,真值,例1.9 负数 - 101 0101B

29、（- 55H）,101 0101B,1,（ D5H）,机器数,真值,1.4.1 机器数及其真值,1.4.2 原码、反码和补码 在8位微型计算机中约定，最高位D7用来表示符号，而其他7位用于表示数值。如图1.7所示，D7=0表示正数，D7=1表示负数。,图1.7 8位机器数结构,最高位,1. 原码,最高位为符号位，数值为绝对值,2. 反码 正数的反码与其原码相同。 负数的反码符号位为1，数值位为其原码数值位逐位取反。,采用原码和反码表示时，符号位不能同数值一道参加运算。,3. 补码,正数的补码与其原码相同； 负数的补码为其反码末位加1。,计算机中，带符号数的运算均采用补码。,例1.11 正数 +

30、100 0101B（+45H）,100 0101B,0,反码,100 0101B,0,补码,例1.10 负数 - 101 0101B （- 55H）,010 1010B,1,反码（AAH）,010 1011B,1,补码（ABH）,由补码求其真值的方法 求补得到原码（符号位+数值位），依原码求真值。如：,补码为：1010 1011B,求补得：1101 0101B,真值为：-55H。,1BCD码 BCD码是将每一位十进制数用二进制数编码，它保留了十进制的权，数字则用二进制数表示，因而也称为二-十进制数。一般用标识符BCD表示。BCD码种类较多，如8421码、2421码、格雷码等，其中最常用的编码为

31、8421码。,1.4.2 微型机中常用的编码,补码的优点：将减法运算转换为加法，且数值连同符号位可一起参加运算,例1.12 45H-55H= -10H,45H补： 0100 0101,+-55H补： 1010 1011,-10H补： 1111 0000,求补得原码： 1001 0000,真值： - 001 0000 （10H）,(1) 8421码编码方法 8421码编码原则是每位十进制数用4位二进制数来表示，8、4、2、1代表4位二进制数每一位的权。8421码名称也由此而得。十进制数共有09十个数字，而4位二进制数共有16种组合。8421码用其中0000B1001B组合表示09十个十进制数。而

32、1010B1111B六个编码舍去不用。它们之间的对应关系如表1.2所示。,表1.2 8421码与十进制数的对应关系,(2) BCD码的运算 BCD码用4位二进制数表示09十个十进制数，但4位二进制数可表示16种状态。因而有六种状态在BCD编码中为非法码。这样在BCD码的运算中必须进行修正才能得到正确的结果。, BCD码加法运算： 两个BCD码相加的原则是“逢十进位”，其和也是一个BCD数。 BCD码减法运算： BCD码作减法运算时也需要修正。修正的原则是：低4位出现非法码(大于9)或低4位向高4位有借位，则低4位减6修正；高4位出现非法码(大于9)或高4位最高位有借位，则高4位减6修正。,(3

33、) 非压缩BCD码：8位码表示1位十进 制数（高4位填0）的编码。,采用压缩BCD码比采用非压缩BCD码节省存储空间。,(4) 非法码： 4位代码在1010B1111B范围时，称之 为BCD码的非法码。,2. ASCII码,ASCII码（American Standard Coded for Information Interchange）是“美国信息交换标准码”的简称，后来由国际标准组织（ISO）确定为国际标准字符编码。它是微机中最常使用的字符编码。 ASCII码由7位二进制码构成，可表示128（27=128）个字符，ASCII码表见表1-3 。,表 1.3 ASCII 码 表,本章小结,1

34、. 将算术逻辑部件ALU、控制部件CU、寄存器组以及片内总线等集成在同一块芯片上的，具有运算和控制功能的中央处理单元，称为微处理器，简称为CPU或MPU。微型计算机是以CPU为核心，再配上存储器、I/O接口电路及相应的外部设备。微机的组成结构决定了它具有体积小、重量轻、功耗低、结构灵活、价格低廉和应用广泛等特点。,2. 按一定的进位原则进行计数的科学方法称为数制。二进制、十进制和十六进制是微机中的常用进制。它们都有各自的特点和运算规则，并且相互可以进行转换。十进制数转换为二进制数采用“除2取余/乘2取整”法，转换为十六进制数采用“除16取余/乘16取整”法；二进制数转换为十进制数可采用“按权相加”法，转换为十六进制数采用“四位合一位”法；十六进制数转换为十进制数亦采用“按权相加”法，转换为二进制数采用“一位分四位”法。,3. BCD码是一种具有十进制权的二进制编码，每位十进制数用四位二进制码来表示。由BCD码构成的数即为BCD数，BCD数运算时的进位原则是逢十进一，其运算结果也应是一个BCD数。ASCII码由7位二进制码构成，因此能表示128个编码