单片微机原理第一章单片单片微机原理第一章单片微机与机电一体化微机与机电一体化建议教材建议教材:单片微型计算机与机电接口技术（上篇）单片微型计算机与机电接口技术（上篇）房小翠主编房小翠主编国防工业出版社出版国防工业出版社出版单片机实用系统设计技术单片机实用系统设计技术房小翠房小翠王金凤王金凤编著编著国防工业出版社出版国防工业出版社出版单片微型计算机原理、应用及接口技术单片微型计算机原理、应用及接口技术张迎新张迎新编著编著国防工业出版社出版国防工业出版社出版参考书：参考书：（2 2） 单板机单板机将将CPU芯片、芯片、存储器存储器芯片、芯片、I/O接口接口芯片和芯片和简单的简单的I/O设备设备（小键盘、（小键盘、LED显示器）等显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序监控程序（固化在（固化在ROM中），就构成了一台单板微中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。型计算机（简称单板机）。单单板机板机图图片片单单板板机机的的I/O设设备备简简单单，软软件件资资源源少少，使使用用不不方方便便。早早期期主主要要用用于于微微型型计计算算机机原原理理的的教教学学及及简简单单的的测测控控系系统统，现现在在已已很很少少使用。使用。（3 3）单片机）单片机在一片集成电路芯片上集成微处理器、在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、存储器、I/O接口电路，从而构成了接口电路，从而构成了单芯片单芯片微型计算机，即单片机微型计算机，即单片机。三种应用形态的比较三种应用形态的比较：单单板机板机单单片机片机系系统统机（多板机）机（多板机）系系统统机机（桌桌面面应应用用）属属于于通通用用计计算算机机，主主要要应应用用于于数数据据处处理理、办办公公自自动动化化及及辅辅助助设计。设计。单单片片机机（嵌嵌入入式式应应用用）属属于于专专用用计计算算机机，主主要要应应用用于于智智能能仪仪表表、智智能能传传感感器器、智智能能家家电电、智智能能办办公公设设备备、汽汽车车及及军军事事电电子子设设备等应用系统。备等应用系统。单片机单片机体积小体积小、价格低价格低、可靠性高可靠性高，其其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应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。用需求具有独特的优势。单片机单片机(Micro-controller)(Micro-controller)： (single-chip microcomputer) (single-chip microcomputer) 在一个集成芯片一个集成芯片中，集成有微处理器CPU、存储器RAM和ROM、基本的IO接口以及定时计数定时计数部件，即在一个芯片上实现一台微型计算机的基本功能。1.2单片微机的特点与发展概况单片微机的特点与发展概况单单片片机机的的系系统统扩扩展展、系系统统配配置置较较典典型型、规规范范，易易于构成各种规模的应用系统于构成各种规模的应用系统一、特点一、特点体积小，成本低，效益好。体积小，成本低，效益好。具有较高的性能价格比。具有较高的性能价格比。系统不易受到干扰，可靠性高，使用方便。系统不易受到干扰，可靠性高，使用方便。控制功能强控制功能强初级阶段初级阶段普及阶段普及阶段发展阶段发展阶段1CPU的改进的改进2存储器的发展存储器的发展(大容量、高性能大容量、高性能)3片内片内I/O接口（外围电路内装化、接口（外围电路内装化、A/D、D/A与芯片做在一起）与芯片做在一起）4半导体工艺技术的进步（位数扩展半导体工艺技术的进步（位数扩展、光科技术、光科技术、高集成度高集成度）二、发展概况二、发展概况第一阶段第一阶段（76-78）第二阶段第二阶段78年以后年以后第三阶段第三阶段82年以后年以后5 5 单单片机开片机开发发方式的方式的发发展展SSTSST公司推出的公司推出的SST89C54SST89C54和和SST89C58SST89C58芯片分芯片分别别有有20KB20KB和和30KB30KB的的SuperFLASHSuperFLASH存存储储器，利用器，利用这这种存种存储储器可以器可以进进行高速行高速读读/ /写的特点，能写的特点，能够够实现实现在系在系统编统编程（程（ISPISP）和在）和在应应用用编编程程（IAPIAP）功能。首先在）功能。首先在PCPC机上完成机上完成应应用程序的用程序的编辑编辑、汇编汇编（或（或编译编译）、模）、模拟拟运行，然后运行，然后实实现现目目标标程序的串行下程序的串行下载载。1.3 1.3 机电一体化的特点机电一体化的特点1.3.1机电一体化系统组成机电一体化系统组成机械部分、执行装置、传感器、控制装置机械部分、执行装置、传感器、控制装置1.3.2机电一体化技术的发展机电一体化技术的发展半导体大规模集成电路技术的迅速发展。计算机及其控制技术的不断发展,使控制小型化、灵活化、智能化。传感器技术的发展，使信号采集更加方便。1.3.3机电一体化设备的特点机电一体化设备的特点体积小，重量轻。体积小，重量轻。速度快，精度高。速度快，精度高。可靠性提高。可靠性提高。柔性好。柔性好。1.4单片微机在机电一体化中的应用单片微机在机电一体化中的应用1、机电一体化设备的控制核心机电一体化设备的控制核心2、数据采集系统的现场采集单元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分布控制系统的前端控制器4、智能化仪表的机芯智能化仪表的机芯5、消费类电子产品控制消费类电子产品控制6、终端及外部设备控制终端及外部设备控制1.5常用单片机系列简介常用单片机系列简介单片机系列（上百个品种、几百种系列）世界十大CPU厂商的单片机在中国均有销 售 ， 其 中 主 要 有 Intel、 Motorola、ATMEL、 NEC、 三 菱 、 日 立 、 TI、Philips、松下、东芝、三星、等公司厂商。主要有两大公司：主要有两大公司：Intel:MCS-48系系列列、MCS-51系系列列、MCS-96/98系列系列Motorola:68系列系列 单单片机片机产产品近况品近况 （1 1）80C5180C51系列系列单单片机片机产产品繁多，品繁多，主流地位已主流地位已 经经形成，形成，近年来推出的近年来推出的与与80C5180C51兼容兼容的主要的主要产产品品有：有： ATMELATMEL公司融入公司融入FlashFlash存存储储器技器技术术的的AT89AT89系列；系列； Philips Philips公司的公司的80C5180C51、80C55280C552系列；系列； 华华邦公司的邦公司的W78C51W78C51、W77C51W77C51高速低价高速低价系列；系列； ADI ADI公司的公司的ADC8xxADC8xx高精度高精度ADCADC系列；系列； LG LG公司的公司的GMS90/97GMS90/97低低压压高速高速系列；系列； Maxim Maxim公司的公司的DS89C420DS89C420高速（高速（50MIPS50MIPS）系列；系列； Cygnal Cygnal公司的公司的C8051FC8051F系列高速系列高速SOCSOC单单片机。片机。（2）非非80C51结构单片机新品结构单片机新品不断推出，给不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间用户提供了更为广泛的选择空间，近年来推出，近年来推出的非的非80C51系列的主要产品有：系列的主要产品有： Intel的的MCS-96系列系列16位单片机位单片机； Microchip的的PIC系列系列RISC单片机单片机； TI的的MSP430F系列系列16位位低功耗低功耗单片机单片机。1.6本课程的主要内容、特点及要求本课程的主要内容、特点及要求一、主要内容：一、主要内容：结构结构原理原理指令系统指令系统程序设计方法程序设计方法接口技术（本学期不讲）接口技术（本学期不讲）二、特点二、特点软硬件相结合软硬件相结合培养两种能力：培养两种能力：硬件系统设计能力硬件系统设计能力程序设计能力程序设计能力三、要求三、要求教教学学练练相结合相结合1.7存储器（存储器（Memory）存储器存储器:是计算机的主要组成部分。即可用来存储数据，也可用来存放计算机的运算程序。存储单元存储单元：存储器由寄存器组成，每个存储单元相当于一个缓冲寄存器。存储器分类：存储器分类：按功能分：掩膜ROMPROM只读存储器(ROM)EPROME2PROM静态RAM随机存储器（RAM）动态RAM1.8计算机中的数和编码计算机中的数和编码1.8.1 1.8.1 计数制计数制1.8.2 1.8.2 二进制数（用二进制数（用B B表示）表示）1.8.3 1.8.3 十六进制数（用十六进制数（用H H表示）表示）1.8.4 1.8.4 不同进制数之间的转换不同进制数之间的转换1.8.5 1.8.5 数制书写约定数制书写约定1.8.6 1.8.6 计算机中数的表示计算机中数的表示1.8.7 1.8.7 计算机常用编码计算机常用编码 1.8.1计数制计数制日常生活中广泛使用的数为十进制数，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。用的数这是一种逢十进一的计数方法。用的数制还有二进制、八进制和十六进制等。制还有二进制、八进制和十六进制等。基数小于基数小于10的计数制，可用十进制相应的计数制，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由多个数码组成。数码在数中的位置不同，其值也不同。同，其值也不同。1.8.2二进制数（用二进制数（用B表示）表示）以以2为为基基数数的的数数制制称称为为二二进进位位计计数数制制，它它只只包包括括0和和1两两个个数数码码，很很容容易易用用电电子子元元件件的的两两种种不不同同的的状状态态来来表表示示，例例如如，用用高高电电平平表表示示1，用用低低电电平平表表示示0。所所以以，计算机中通常采用二进制数。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，运算二进制数的计数特征：逢二进一，运算简单。简单。在加、减、乘、除四则运算中，乘法实在加、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。质上是做移位加法，除法则是移位减法。1.8.3十六进制数（用十六进制数（用H表示）表示）为为了了书书写写和和阅阅读读方方便便，经经常常采采用用十十六六进进制制数数作作为为二二进进制制的的缩缩写写形形式式。十十进进制制数数、二二进进制制数数、十十六六进进制制数数的的对对照照表表如如表表1-1所示。所示。在在计计数数时时，逢逢十十六六进进一一，这这样样书书写写长长度度短短，且且可可方方便便将将十十六六进进制制数数转转换换为为二二进进制数或将二进制数转换为十六进制数。制数或将二进制数转换为十六进制数。表表十十进进制制数数、二二进进制制数数、十十六六进进制制数数对对照照表表1.8.4不同进制数之间的转换不同进制数之间的转换1二进制转换为十进制二进制转换为十进制基基本本方方法法：将将二二进进制制数数按按权权展展开开式式，利利用用十十进进制制数数的的运运算算法法则则求求和和，即即可可得得到到等等值值的十进制数。的十进制数。2十进制到二进制的转换十进制到二进制的转换l l十进制整数转换为二进制整数十进制整数转换为二进制整数l l十进制小数转换为二进制小数十进制小数转换为二进制小数l l带带小小数数的的十十进进制制数数转转换换为为二二进进制制数数3二进制、十六进制之间的相互转换二进制、十六进制之间的相互转换将将二二进进制制数数转转换换为为十十六六进进制制数数，从从低低位位开开始始，每每四四位位一一组组，然然后后将将其其转转换换为为对对应应的的十十六六进进制制数数。如最后一组不足四位，需在左边补如最后一组不足四位，需在左边补0。用用同同样样方方法法可可将将二二进进制制小小数数转转换换十十六六进进制制小小数数。只是分组应从小数点右边开始分成四位一组。只是分组应从小数点右边开始分成四位一组。十十六六进进制制数数转转换换为为二二进进制制数数，将将每每位位十十六六进进制制数数直接转换成相应的二进制数。直接转换成相应的二进制数。数的进位制表示数的进位制表示1 1、进位计数制的一般表达式：、进位计数制的一般表达式：N ND D= d= dn-1n-1aan-1n-1+d+dn-2n-2aan-2 n-2 +d+d0 0aa0 0 +d+d-1-1aa-1-1+一个a1进制的数转换成a2进制数的方法：先展开，然后按a2进制的运算法则求和计算。2 2、十六进制数转换成十进制数、十六进制数转换成十进制数1011.10101011.1010B B=12=123 3+12+121 1+12+120 0+12+12-1-1+12+12-3-3=11.625=11.625DFC.8DFC.8H H =1316 =13162 2+1516+15161 1+1216+12160 0+816+816-1 -1 = 3580.5= 3580.5数和数制数和数制数和数制数和数制3 3、二进制与十六进制数之间的转换、二进制与十六进制数之间的转换24=16 ，四位二进制数对应一位十六进制数。3AF.23AF.2H H = = 00110011 10101010 11111111. .00100010 = 1110101111.001 = 1110101111.001B B 3 A F 2 3 A F 2 1111101.111111101.11B B = = 01110111 11011101. .11001100 = 7D.C = 7D.CH H 7 D C7 D C 例例 1. 39 1. 39转换成二进制数转换成二进制数39=100111B2391（b0）2191（b1）291（b2）240（b3）220（b4）211（b5）04 4、十进制数转换成二、十六进制数、十进制数转换成二、十六进制数 （1) 1) 整数转换法整数转换法“除基取余”：十进制整数不断除以转换进制基数，直至商为0。每除一次取一个余数，从低位排向高位。 例例2. 2082. 208转换成十六进制数转换成十六进制数208=D0H16208余01613余13=DH0数和数制数和数制数和数制数和数制（2) 2) 小数转换法小数转换法 “乘基取整”：用转换进制的基数乘以小数部分，直至小数为0或达到转换精度要求的位数。每乘一次取一次整数，从最高位排到最低位。例3. 0.6250.625转换成二进制数转换成二进制数0.62521.2501(b-1)20.500(b-2)21.01(b-3)0.625=0.101B数和数制数和数制例4. 0.6250.625转换成十六进制数转换成十六进制数 0.62516=10.00.625=0.AH例例5. 208.625 5. 208.625 转换成十六进制数转换成十六进制数 208.625=D0.AH1.8.5数制书写约定数制书写约定在在书书写写计计算算机机程程序序时时，一一般般不不用用基基数数作作为为下下标标来来区区分分各各种种进进制制，而而是是用用相相应应的的英文字母作后缀来表示各种进制的数。英文字母作后缀来表示各种进制的数。例如：例如：B（Binary）表示二进制数。表示二进制数。D（Decimal）表表示示十十进进制制数数，一一般般D可可省省略略，即即无无后后缀缀的的数数字字为为十十进进制制数。数。H（Hexadecimal）表示十六进制数。表示十六进制数。1.8.6计算机中数的表示计算机中数的表示1原码、反码和补码原码、反码和补码l l原原码码：在在符符号号位位中中用用0表表示示正正、用用1表表示示负负的二进制数，称为原码。例如，的二进制数，称为原码。例如，x1=1110111B，x1原原=01110111Bx2=1110111B，x2原原=11110111B数数0可是可是0或或0。因此，。因此，0在原码中形式：在原码中形式：0原原=00000000B，0原原=10000000Bl反反码码：正正数数的的反反码码=原原码码；负负数数的的反反码码=原原码码的的符符号号位位不不变变而而数数值值按按位位取取反反。所所谓谓按按位取反，即将各位的位取反，即将各位的1变成变成0，0变成变成1。例如，例如，x1=13，x1反反=13原原=00001101B。又如，又如，x2=13，x2原原=13原原=10001101B，x2反反=13反反=11110010B。l l补补码码：正正数数的的补补码码=原原码码；负负数数的的补补码码=反码反码1。例如，例如，x1=1101101B，x1补补=13原原=01101101B。又如，又如，x2=1101101B，x2反反=10010010B，x2补补=10010011B。在补码表示中，在补码表示中，“0”是唯一的。即是唯一的。即0补补=00000000B1.8.7计算机常用编码计算机常用编码常见的编码有常见的编码有BCD码、码、ASCII码等。码等。1二二十进制编码十进制编码是是一一种种用用二二进进制制编编码码的的十十进进制制数数，称称BCD码码。BCD码码用用标标准准的的8421的的纯纯二二进进制制码码的的十六个状态中的十个（如表十六个状态中的十个（如表1-2所示）。所示）。用用BCD码码表表示示十十进进制制数数，只只要要将将每每位位十十进进制数用适当的四位二进制码代替即可。制数用适当的四位二进制码代替即可。表表1-2BCD编编码码2字母和符号的编码字母和符号的编码微微机机普普遍遍采采用用的的是是ASCII码码（如如表表1-3所所示示）。ASCII码码是是一一种种八八位位代代码码，最最高高位位一一般般用用于于奇奇偶偶校校验验，其其余余七七位位二二进进制制码码对对128个字符进行编码。个字符进行编码。表-ASCII(美国标准信息交换码)表