教 材： 单片机原理及其接口技术 胡汉才编著 清华大学出版社参考书：单片机原理及接口技术 张毅刚主编 人民邮电出版社MCS51单片机原理及接口技术马家辰等编 哈工大出版社ATMEL89系列单片机应用技术余永权编著 北航出版社单片机原理与C51编程 宋彩利等编 西安交大出版社单片机基础知识与技能实训刘起义编 人民邮电出版社 MCS-51系列单片机系统及应用实践教程 毛 敏主编 高等教育出版社预备知识 数字电路：与、或、非门。三极管开关电路（非门）。工作原理：截止，饱和。对应状态:电压高、低；1, 0三态门：L，H，高阻态；译码器：24、38译码器，LS138寄存器：D触发器，具有记忆作用，8位位（bit），字节（byte），字（word），字长； 计算机功能分类:单片机（MCU, 816位），嵌入式(ARM 32位)，DSP;核心：CPU， 主要指标：运算速度：主频，字长，第1章 微型计算机基础1.1 微型计算机概述 电子计算机是科技发展的产物 第一台电子数字计算机于1946年问世， 称ENIAC 由数千个电子管和继电器组成，占地170mm2,速度 为5000次/秒 加法运算 计算机的飞速发展归功于半导体集成技术的发展: 第一代（19461958）电子管数字计算机 第二代（19581964）晶体管数字计算机 第三代（19641971）集成电路计算机 第四代（1971 ）大规模、超大规模集成电 路巨型机，大中型计算机，微型计算机， 微型机是由LSI、VLSI等组成的,具有功能强，结构紧凑、系统可靠性高的特征，它由中央处理器（CPU）、存储器、通用或专用I/O接口电路等组成。 它可分为多板微机、单板微机和单片微机。 组成微型计算机的各主要功能部件：中央处 理器、存储器、I/O接口电路及定时/计数器等，制作在一块集成电路芯片中从而构成完 整的微型计算机，称作单晶片微型计算机。 单片微机发展迅速，根据其性能、用途及工 作特点可大致分成单片机（Single chip microcomputer) 或称微控制器（MCU）、数字 信号处理器（DSP）、和ARM（嵌入式系统）等几大类。一、计算机组成和系统1. 组成（五大组成部分）冯诺依曼型计算机运 算 器输出设备控 制 器输入设备存 储 器C P UROM：程序存储RAM：数据存储概念：硬件、软件；计算机和计算机系统程序存储比较哈佛结构（DSP，MCU）：存放程序的存储区（ROM）和存放数据的 存储区空间分开（RAM）。优点：速度快，效率高。工作原理： 顺序执行特点：程序和数据合用一个存储器空间，如PC机。C P UR O MRA MI/O 接口外设Address BusData BusControl Bus2.微型计算机基本结构示意图电气连接、信息交换：通过三大总线！ROM：主要储存程序，RAM：存储数据3. 系统图1-1 微处理器、微计算机和微计算机系统的关系功能：微型化，巨型化，网络化，智能化速度：取决于： 主频（时钟频率，振荡频率）字长（16位，32位，64位）精简指令结构：RISC，单周期指令工艺：线间距减小：0.13微米，功耗降低构造：通用：CPU，专用：MCU，DSP体积小，抗干扰能力强，省电，成本低二、计算机的发展1.2.1 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。常用的 数制还有二进制、十六进制等。 基数小于10的计数制，可用十进制相应 的数码作为它的数字符号，一个数一般 由多个数码组成。数码在数中的位置不 同，其值也不同。1.2 计算机中的数制和转换一、 二进制数（用B表示） 以2为基数的数制称为二进位计数制，它只包 括0和1两个数码，很容易用电子元件的两种不 同的状态来表示，例如，用高电平表示1，用低 电平表示0。所以，计算机中通常采用二进制数 。 二进制数的计数特征：逢二进一，运算简单。 在加、减、乘、除四则运算中，乘法实质上是 做移位加法，除法则是移位减法。 二、 十六进制数（用H表示） 为了书写和阅读方便，经常采用十六进 制数作为二进制的缩写形式。十进制数 、二进制数、十六进制数的对照表如表1- 1所示。 在计数时，逢十六进一，这样书写长度 短，且可方便将十六进制数转换为二进 制数或将二进制数转换为十六进制数。表1-1 十进制数、二进制数、十 六进制数对照表 1.2.2 不同进制数之间的转换1二进制转换为十进制基本方法：将二进制数按权展开式，利用 十进制数的运算法则求和，即可得到等 值的十进制数。2十进制到二进制的转换十进制整数转换为二进制整数十进制小数转换为二进制小数带小数的十进制数转换为二进制数将二进制数转换为十六进制数，从低位 开始，每四位一组，然后将其转换为对应 的十六进制数。如最后一组不足四位，需 在左边补0。用同样方法可将二进制小数转换十六进制小数。只是分组应从小数点右边开始分 成四位一组。十六进制数转换为二进制数，将每位十六进制数直接转换成相应的二进制数。3二进制、十六进制之间的相互转换1.2.3 数制书写约定 在书写计算机程序时，一般不用基数作为下 标来区分各种进制，而是用相应的英文字母 作后缀来表示各种进制的数。如：B（Binary）表示二进制数。D（Decimal）表示十进制数，一般D 可省略，即无后缀的数字为十进制数。H（Hexadecimal）表示十六进制数。1.3. 计算机码制位（bit）与字节（byte）：1byte8bits 1.3.1 原码、反码和补码l 原码：在符号位中用0表示正、用1表示负 的二进制数，称为原码。例如，x1=1110111B， x1原=01110111Bx2=1110111B， x2原=11110111B数0可是0或0。因此，0在原码中形式：0原=0000 0000B， 0原=1000 0000Bl 反码：正数的反码=原码；负数的反码 =原码的符号位不变而数值按位取反。所 谓按位取反，即将各位的1变成0，0变成 1。例如，x1=13， x1反=13原=00001101B 。又如，x2=13， x2原=13原=10001101B，x2反=13反=11110010B。0反=0000 0000B， 0反=1111 1111B即符号位不变，其余求反。负数的补码=反码1。例如，x1=110 1101B， x1补=x1原=0110 1101B 。又如，x2=110 1101B， x2反=1001 0010B，x2补=10010011B。在补码表示中，“0”是唯一的，即0补=0000 0000B。e.g.八位数补码 1111 1111 表示的十进制数是：1八位数补码 1000 0001 表示的十进制数是：八位数补码 1000 0000 表示的十进制数是：补码：正数的补码=原码，l 定点表示法：表示小数点的位置是 固定不变的。分为纯整数和纯小数两类 。数符尾数纯整数表示方法 纯小数表示方法数符尾数其格式如下所示：1.3.2数的小数点表示方法浮点表示法中小数点的位置是不固定的。 任意二进制数N一般可表示为：N=2PS一个浮点数分为阶码和尾数两部分，二者 各有表示正负的阶符和数符，常用存储 格式：阶符阶码数符尾数l 浮点表示法（1）四字节浮点数格式（如图1-2所示），它由一个字节指数（EXP）、三个字节尾数构成，共用四个存储单元。 （2）三字节浮点数格式（如图1-3所示）。在微计算机中常用的浮点数表示有：图1-2 四字节浮点数格式 D7 D6 D0第一字节 第二字节 第三字节 第四字节阶符Pf阶码数符S f尾数高字节尾数中字节尾数低字节图1-3 三字节浮点数格式 第一字节第二字节第三字节 数符Sf阶符Pf阶码尾数高字节尾数低字节D7 D6 D5D0 1.4 计算机常用编码 二进制编码：用二进制数表示一种状态或符 号 常见的编码有BCD码、ASCII码等。1二 十进制编码 是一种用二进制编码的十进制数，称BCD码 。BCD码用标准的8421的纯二进制码的十六 个状态中的十个（如表1-2所示）。 用BCD码表示十进制数，只要将每位十进制 数用适当的四位二进制码代替即可。表12 BCD编码 微机普遍采用的是ASCII码（如表1-3所示）。ASCII码是一种八位代码，最高位一般用于奇偶校验，其余七位二进制码对128个字符进行编码。见书P4382字母和符号的编码表13 ASCII(美国标准信息交换 码)表 作业：P46，1.5: 1，2； 1.7: 1，2; P47 , 1.15: 3，4; 1.21: 1，21 单片机的发展历史 初级阶段（19741976）FAIRCHILD 两片集成芯片（集成工艺限制） 低性能阶段（19761978）INTER MCS-48 高性能阶段（19781982）MCS51 更高性能阶段（1983 )多种机型并行发展1.6 单片微型计算机概述存储器、并行接口、串行接口计数器/定时器、中断控制接口A/D、D/A接口、 2. 单片机的构成CPU + 功能部件 3. 单片机的特点（1）体积小、重量轻、功耗低、功能强、性价 比高。 （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。 4. 单片机的应用应用特点 体积小：基本功能部件满足要求 可靠性高：BUS大多在内部；易采取电磁屏 蔽 功能强：实时响应速度；I/O直接操作 使用方便：硬件设计简单；提供开发工具资 料 性能价格比高：电路板小；接插件少 易产品化：研制周期短 量大面广，成本低廉 机电一体化：电脑缝纫机 智能仪表：测温仪、温控仪 实时控制：汽车 家电：冰箱、洗衣机、电视 网络通信：通信协议集成其中 计算机外设：键盘、打印机 工农业、国防单片机的出现使得 电路设计简单化应用对象：应用模式 应用系统结构5. 典型单片机产品 器件厂家 美国：Intel、Motorola、 Microchip 、Atmel 、 SST、STC 等 荷兰: Philips 德国： Siemens 日本： Nec 等 台湾: Winbond等 MCS系列存储器的类型分类： 无ROM型 :8031 ROM型:8051 EPROM:8751 EEPROM 型:89C516. 单片机的发展趋势 性能不断提高 CPU功能增强：速度、精度 内部资源增多：A/D、D/A、EEPROM 多功能引脚： 寻址范围大 高新技术下移，重点发展8位机性能 单片机的多品种： 微型化： 89C2051，MC68HC705等：20PIN，2KEPROM 低功耗，低电压：CHMOS工艺、空闲等待和 掉电停机方式 、电 压 2.45.5V。 在线应用系统： ISP，IAP 嵌入式系统概念 通用计算机系统：嵌入式系统：面向工控领域，嵌入到应用系统中特点：面向控制对象与工控应用系统结合成一个整体 运行可靠突出控制功能（I/O控制） 种类: 工控机（类似PC机）通用CPU模块嵌入式微处理器（如ARM7）微控制器（M