單片機技術及應用

1、單片機技術及應用電氣工程學院彭世林目 錄第1章微型計算機基礎知識31.1 微型計算機的組成及工作原理31.2 典型單片機產(chǎn)品簡介51.3 單片機的應用模式81.4 單片機的應用81.5 數(shù)制與編碼91.6 計算機數(shù)值數(shù)據(jù)表示與運算14第2章 MCS-51系列單片機芯片結構192.1 MCS51系列單片機的結構原理192.2 MCS51單片機的存儲器242.3 MCS51單片機輸入/輸出（I/O）口282.4 單片機的工作方式31第3章 MCS-51單片機指令系統(tǒng)363.1 MCS-51單片機指令格式363.2 尋址方式373.3 指令系統(tǒng)41第4章 匯編語言程序設計604.1 匯編語言程序設計

2、概述604.2 順序程序設計644.3 分支程序設計664.4 循環(huán)程序設計704.5 子程序設計72第5章 單片機存儲器擴展技術775.1 存儲器系統(tǒng)基本知識775.3 訪問外部程序、數(shù)據(jù)存儲器的時序805.4 存儲器擴展的編址技術825.5 程序存儲器（EPROM）的擴展875.6 數(shù)據(jù)存儲器的擴展90第 6 章 單片機的中斷與定時系統(tǒng)966.1 中斷的基本概念966.2 MCS-51單片機的中斷系統(tǒng)966.3 MCS-51單片機的定時器/計數(shù)器996.3 MCS-51單片機的定時器/計數(shù)器1036.4 中斷系統(tǒng)的應用舉例112第7章 單片機I/O口擴展及應用1167.1 I/O口擴展概述

3、1167.2 簡單I/O口擴展1177.3 8255可編程通用并行接口芯片1197.4 8155可編程通用并行接口芯片128第8章 單片機串行數(shù)據(jù)通信1398.1 串行通信的基礎知識1398.2 MCS-51單片機串行通信的控制寄存器1418.3 MCS-51單片機串行通信工作方式1429.1 MCS-51單片機與D/A轉換器的接口和應用151第9章 單片機應用系統(tǒng)設計166第1章微型計算機基礎知識難點 · 微型計算機的組成 · 8051與80C51的區(qū)別 · 計算機中數(shù)據(jù)的表示方法及其運算過程 要求 掌握 · 微處理器、微機、微機系統(tǒng)的概念 ·

4、; 典型的單片機產(chǎn)品系列及各系列之間的區(qū)別 · 單片機系統(tǒng)的一般開發(fā)過程 · 計算機中數(shù)據(jù)的表示方法及其運算過程 了解 ·  微型計算機的基本工作過程 · ATMEL公司單片機系列 · 單片機系統(tǒng)的應用方向 1.1 微型計算機的組成及工作原理1.1.1 微型計算機中的基本概念 1.         微處理器(Microprocessor) 微處理器通常指中央處理器，簡寫為CPU。它由算術邏輯運算部件(ALU)、寄存器、程序計數(shù)器、控制器、內部總線等組成。它

5、采用大規(guī)模集成電路(LSI)和超大規(guī)模集成電路(VLSI)制作，具有體積小、功能強等特點。 典型的微處理器有Intel公司的80X86和Pentium系列，Zilog公司的Z系列，Motorola公司的M6800系列，IBM公司的PowerPC604和PC620，以及NEC公司的UPD78系列等。不同類型的CPU其特性不盡相同，如指令系統(tǒng)、運算速度、內部寄存器、存儲尋址能力等，這些特性在微機應用系統(tǒng)設計選型中常常涉及。 2.         微型計算機 微型計算機又簡稱微機，從結構上分析，以CPU為中心，再配置上R

6、AM、ROM、輸入輸出接口和總線便構成了微機。微型計算機具有運算、存儲和與外部設備進行數(shù)據(jù)交換等功能，還可配有適當?shù)耐獠吭O備，如鍵盤、顯示器等。微型計算機的這一靈活的應用特點，是目前應用最廣泛的。概括地說，微型計算機可分為單片微處理機和通用微型計算機兩大類。 (1)單片微處理機 單片微處理機就是把CPU、存儲器、定時器/計數(shù)器和輸入輸出接口等部件都集成在一個電路芯片上，并具備一套功能完善的指令系統(tǒng)，有的型號的單片微處理機同時還具備數(shù)/模和模/數(shù)轉換等功能部件。通常這些高性能的芯片都能應用在不同場合獨立地處理程序，故簡稱單片機或單片處理機。 典型的單片處理機有Intel公司的MCS-51、MCS

7、-96系列，Motorola公司的MC68HC11，Rockwell公司的65系列等。有些高性能的單片機還支持高級語言，它們廣泛應用在家用電器、智能化儀器和工業(yè)控制等領域。 (2)通用微型計算機 將不同用途的外設接口設計為獨立的適配卡作為微機的接口配件，在微機內則采取總線插槽的形式，為外部設備提供總線接口。這樣，在一臺基本主機上就可以根據(jù)應用的要求，配置不同用途的外部設備。這種微機被稱為通用微型計算機。 3.         微型計算機系統(tǒng) 在通用微型計算機上配上相應的軟件系統(tǒng)，就構成了能適應不同應用要求的微型計算

8、機系統(tǒng)。因此，在科學計算、企業(yè)管理、家庭和娛樂等方面得到了廣泛應用。 1.1.2  微機基本結構 微型計算機的基本組成如圖1-1所示，它由中央處理器（CPU）、存儲器（Memory）、輸入輸出接口（I/O接口）和系統(tǒng)總線（BUS）構成。  圖1-1 微型計算機的基本組成1.1.3  微型計算機的基本工作過程 每種型號的CPU都有自己的指令系統(tǒng)，每條指令一般由指令操作碼(規(guī)定指令的操作類型)和操作數(shù)(規(guī)定指令的操作對象)兩部分組成。用戶根據(jù)要完成的任務預先編好程序，再通過輸入設備(如鍵盤)將程序送入存儲器中。微型計算機開始工作后，首先將該程序在存儲器中的起始地址送入

9、微處理器中的程序計數(shù)器(PC)中，微處理器根據(jù)PC中的地址值找到對應的存儲單元，并取出存放在其中的指令操作碼送入微處理器中的指令寄存器(IR)中，由指令譯碼器(ID)對操作碼進行譯碼，并由微操作控制電路發(fā)出相應的微操作控制脈沖序列去取出指令的剩余部分(如果指令不止1個字節(jié)的長度)，同時執(zhí)行指令賦予的操作功能。在取指過程中，每取出1個單元的指令，PC自動加1，形成下一個存儲單元的地址。以上為一條指令的執(zhí)行過程，如此不斷重復上述過程，直至執(zhí)行完最后一條指令為止。 綜上所述，微型計算機的基本工作過程是執(zhí)行程序的過程，也就是CPU自動從程序存放的第1個存儲單元起，逐步取出指令、分析指令，并根據(jù)指令規(guī)定

10、的操作類型和操作對象，執(zhí)行指令規(guī)定的相關操作。如此重復，周而復始，直至執(zhí)行完程序的所有指令，從而實現(xiàn)程序的基本功能，這就是微型計算機的基本工作原理。   1.2 典型單片機產(chǎn)品簡介 1.2.1 MCS-51單片機系列 MCS-51系列單片機是Intel公司在1980年推出的高性能8位單片機，在目前單片機市場中，8位單片機仍占主導地位。MCS-51系列單片機以其良好的性能價格比，仍是目前單片機開發(fā)和應用的主流機型。 MCS-51可分為兩個子系列和4種類型，如表1-1所示。按資源的配置數(shù)量，MCS-51系列分為51和52兩個子系列，其中51子系列是基本型，而52子系列屬于增強型。 表1-

11、1 MCS-51系列單片機分類    80C51單片機系列是在MCS-51系列的基礎上發(fā)展起來的。早期的80C51只是MCS-51系列眾多芯片中的一類，但是隨著后來的發(fā)展，80C51已經(jīng)形成獨立的系列，并且成為當前8位單片機的典型代表。 l         80C51與8051的比較 （1）MCS-51系列芯片采用HMOS工藝，而80C51芯片則采用CHMOS工藝。CHMOS工藝是COMS和HMOS的結合，（2）80C51芯片具有COMS低功耗的特點。例如8051芯片的功耗為630mW

12、,而80C51的功耗只有120mW，這樣低的功耗，用一粒紐扣電池就可以工作。低功耗對單片機在便攜式、手提式或野外作業(yè)的儀器儀表設備上使用十分有利。 （3）從80C51在功能增強方面分析，主要在以下幾個方面做了增強。首先，為進一步降低功耗，80C51芯片增加了待機和掉電保護兩種工作方式，以保證單片機在掉電情況下能以最低的消耗電流維持。 （4）此外，在80C51系列芯片中，內部程序存儲器除了ROM型和EPROM型外，還有E2PROM型，例如89C51就有4KB E2PROM。并且隨著集成技術的提高，80C51系列片內程序存儲器的容量也越來越大，目前已有64KB的芯片了。另外，許多80C51芯片還具

13、有程序存儲器保密機制，以防止應用程序泄密或被復制。 1.2.2  MCS-96系列單片機 MCS-96系列單片機是Intel公司在1983年推出的16位單片機，它與8位機相比，具有集成度高、運算速度快等特點。它的內部除了有常規(guī)的I/O接口、定時器計數(shù)器、全雙工串行口外，還有高速I/O部件、多路AD轉換和脈寬調制輸出（PWM）等電路，其指令系統(tǒng)比MCS-51更加豐富。 MCS-96系列單片機的主要性能如表1-2所示。 表1-2 MCS-96系列單片機主要性能   1.2.3  ATMEL公司單片機 表1-3 AT89C51系列單片機主要性能   ATMEL

14、公司于1992年推出了全球第一個3V超低壓F1ash存儲器，并于1994年以E2PROM技術與Intel公司的80C31內核進行技術交換，從此擁有了80C31內核的使用權，并將ATMEL特有的Flash技術與80C31內核結合在一起，生產(chǎn)出AT89C51系列單片機。 ATMEL公司的AT89C51系列單片機均以MCS-51系列單片機作為內核，同時，該系列的各種型號的產(chǎn)品又具有十分突出的個體特色，已經(jīng)成為廣大MCS-51系列單片機用戶進行電子設計與開發(fā)的優(yōu)選單片機品種，表1-3列出了AT89C51系列單片機的主要性能。 AT89C51系列單片機是一種低功耗高性能CMOS型8位單片機，它除了具有與

15、MCS-51系列單片機完全兼容的若干特性外，最為突出的優(yōu)點就是其片內集成了4KB的F1ashPEROM(Programmable Erasable Read Only Memory)用來存放應用程序，這個Flash程序存儲器除允許用一般的編程器離線編程外，還允許在應用系統(tǒng)中實現(xiàn)在線編程，并且還提供了對程序進行三級加密保護的功能。AT89C51系列單片機的另一個特點是工作速度更高，晶振頻率可高達24MHz，1個機器周期僅500ns，比MCS-51系列單片機快了1倍。AT89C51系列單片機除了40腳DIP封裝品種外，還提供了TQFP、SOIC和PQFP等多種封裝形式的產(chǎn)品，它同時提供商業(yè)級、工業(yè)

16、級、汽車用產(chǎn)品和軍用級等四類產(chǎn)品。1.3 單片機的應用模式1.3.1 單片機應用系統(tǒng)的結構單片機應用系統(tǒng)的結構通常分為以下三個層次。(1)單片機：通常指應用系統(tǒng)主處理機，即所選擇的單片機器件。(2)單片機系統(tǒng)：指按照單片機的技術要求和嵌入對象的資源要求而構成的基本系統(tǒng)。時鐘電路、復位電路和擴展存儲器等與單片機共同構成了單片機系統(tǒng)。(3)單片機應用系統(tǒng)：指能滿足嵌入對象要求的全部電路系統(tǒng)。在單片機系統(tǒng)的基礎上加上面向對象的接口電路，如前向通道、后向通道、人機交互通道(鍵盤、顯示器、打印機等)和串行通信口(RS232)以及應用程序等。單片機應用系統(tǒng)三個層次的關系如圖1.2所示。 圖1.2

17、 單片機應用系統(tǒng)三個層次的關系1.3.2  單片機系統(tǒng)的開發(fā)過程通常開發(fā)一個單片機系統(tǒng)可按以下6個步驟進行。(1)    明確系統(tǒng)設計任務，完成單片機及其外圍電路的選型工作。(2)    設計系統(tǒng)原理圖和PCB板，經(jīng)仔細檢查PCB板后送工廠制作。(3)    完成器件的安裝焊接。(4)    根據(jù)硬件設計和系統(tǒng)要求編寫應用程序。(5)    在線調試軟硬件。(6)使用編程器燒寫單片機應用程序，獨立運行單片機系統(tǒng)。 1.4 單片機的應用單

18、片機具有體積小、重量輕、價格便宜、功耗低、控制功能強、運算速度快、控制靈活、抗干擾能力強、電源電壓范圍寬等特點，故在國民經(jīng)濟建設、軍事及家用電器、自動測控系統(tǒng)、智能儀表、機器人等領域均得到了廣泛的應用。 根據(jù)目前的情況，單片機的應用大致可分成以下幾類：1.單片機在機、電、儀一體化等智能產(chǎn)品中的應用 單片機具有小巧、低功耗、控制功能強的優(yōu)點。把它做到產(chǎn)品的內部，取代部分電子元器件，可使產(chǎn)品體積縮小，功能增強，實現(xiàn)不同程度的智能化，這是其它任何計算機無法比擬的。=日常生活中含單片機的電器產(chǎn)品電子秤、便攜式心率監(jiān)護儀、中頻電療儀、高級玩具、電視機、洗衣機、電冰箱、電磁爐、微波爐、空調、家用防盜報警器

19、等產(chǎn)品中都有單片機的用武之地。=智能化的儀器儀表這是國內目前應用單片機最多、最活躍的領域。在各類儀器儀表中（包括溫度、濕度、流量、流速、電壓、頻率、功率、厚度、角度、長度、硬度、元素測定等），引入單片機，使儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，功能大大提高。如：精密數(shù)字溫度計、濕度控制儀、智能流量監(jiān)測控制儀、便攜式流速儀、頻率計、智能電度表、智能示波器、智能轉速數(shù)字顯示、黑匣子等。2.單片機在工業(yè)測控中的應用 單片機I/O線多，位指令豐富，邏輯操作能力強，特別適用于實時控制，既可作單機控制，又可作多級控制的前沿處理機，應用領域相當廣泛。如：汽車工業(yè)中的應用（點火控制、反鎖、牽引、轉向、防盜等方面控制

20、）、液壓機的控制、報警系統(tǒng)中的應用、煙葉水份測量儀、水電廠單元微機監(jiān)控系統(tǒng)、啤酒生產(chǎn)線、汽車生產(chǎn)線、集體供暖鍋爐自動控制、數(shù)控機床等方面。3.單片機在通信技術中的應用 比較高檔的單片機都具有通信接口，為單片機在計算機網(wǎng)絡與通信設備中的應用創(chuàng)造了很好的條件。如：在通信中完成頻率合成、系統(tǒng)監(jiān)控、信道搜索及自動調諧等任務、無線遙控、調制解調器、移動電話、程控交換技術、電話自動分路器等方面。 1.5 數(shù)制與編碼1.5.1 數(shù)制的表示1.常用數(shù)制 在日常生活中人們最熟悉的是十進制數(shù)，但在計算機中，采用二進制數(shù)“0”和“1”可以很方便的表示機內的數(shù)據(jù)與信息。（1）十進制數(shù) 我們熟悉的十進制數(shù)有兩個主要特點

21、：· 有十個不同的數(shù)字符號：0、1、2、9；· 低位向高位進、借位的規(guī)律是“逢十進一”“借一當十”的計數(shù)原則進行計數(shù)。    例如：1234.45=1×1032×1023×1014×1004×10-15×10-2式中的10稱為十進制數(shù)的基數(shù), 103、102、101、100、10-1稱為各數(shù)位的權。十進制數(shù)用D結尾表示。 （2）二進制數(shù) 在二進制中只有兩個不同數(shù)碼：0和1，進位規(guī)律是“逢二進一”“借一當二”的計數(shù)原則進行計數(shù)。二進制數(shù)用B結尾表示。例如，二進制數(shù)11011011.01可

22、表示為(11011011.01)2=1×271×260×251×241×230×221×211×200×2-11×2-2（3）八進制數(shù) 在八進制中有0、1、2、7八個不同數(shù)碼，采用“逢八進一”“借一當八”的計數(shù)原則進行計數(shù)。八進制數(shù)用Q結尾表示。 例如，八進制數(shù)（503.04）Q可表示為（503.04）Q=5×82+0×81+3×80+0×8-1+4×8-2（4）十六進制數(shù) 在十六進制中有0、1、2、9、A、B、C、D、E、F共十六個不同的數(shù)碼，

23、采用“逢十六進一”“借一當十六”的計數(shù)原則進行計數(shù)。十六進制數(shù)用H結尾表示。 例如十六進制數(shù)（4E9.27）H可表示為（4E9.27）H=4×16214×1619×1602×16-17×16-2 2不同進制數(shù)之間的相互轉換 表1-4列出了二、八、十、十六進制數(shù)之間的對應關系，熟記這些對應關系對后續(xù)內容的學習會有較大的幫助。 表1-4 各種進位制的對應關系 十進制 二進制 八進制 十六進制 十進制 二進制 八進制 十六進制 0 0 0 0 9 1001 11 9 1 1 1 1 10 1010 12 A 2 10 2 2 11 1011 13 B

24、 3 11 3 3 12 1100 14 C 4 100 4 4 13 1101 15 D 5 101 5 5 14 1110 16 E 6 110 6 6 15 1111 17 F 7 111 7 7 16 10000 20 10 8 1000 10 8 17 10001 21 11 （1）二、八、十六進制數(shù)轉換成為十進制數(shù) 根據(jù)各進制的定義表示方式，按權展開相加，即可轉換為十進制數(shù)。 【例1-1】將（10101）B，(72)Q，（49）H轉換為十進制數(shù)。(10101)B=1×240×231×220×211×20=37(72)Q=7×

25、;81+2×80=58(49)H=4×1619×160=73 （2）十進制數(shù)轉換為二進制數(shù) 十進制數(shù)轉換二進制數(shù),需要將整數(shù)部分和小數(shù)部分分開,采用不同方法進行轉換,然后用小數(shù)點將這兩部分連接起來。 整數(shù)部分：除2取余法。 具體方法是：將要轉換的十進制數(shù)除以2，取余數(shù)；再用商除以2，再取余數(shù)，直到商等于0為止，將每次得到的余數(shù)按倒序的方法排列起來作為結果。 【例1-2】將十進制數(shù)25轉換成二進制數(shù)                  &#

26、160;          小數(shù)部分：乘2取整法。 具體方法是：將十進制小數(shù)不斷地乘以2，直到積的小數(shù)部分為零（或直到所要求的位數(shù)）為止，每次乘得的整數(shù)依次排列即為相應進制的數(shù)碼。最初得到的為最高有效數(shù)位，最后得到的為最低有效數(shù)字。 【例1-3】將十進制數(shù)0.625轉換成二進制數(shù)。 【例1-4】將十進制數(shù)25.625轉換成二進制數(shù)，只要將上例整數(shù)和小數(shù)部分組合在一起即可，即(25.625)D=(11001.101)B例如：將十進制193.12轉換成八進制數(shù)。        &

27、#160;   (3) 二進制與八進制之間的相互轉換 由于23=8，故可采用“合三為一”的原則，即從小數(shù)點開始向左、右兩邊各以3位為一組進行二-八轉換：若不足3位的以0補足，便可以將二進制數(shù)轉換為八進制數(shù)。反之，每位八進制數(shù)用三位二進制數(shù)表示，就可將八進制數(shù)轉換為二進制數(shù)。 【例1-5】將（10100101.01011101）2轉換為八進制數(shù)。        即 (10100101.01011101)B =(245.272)Q  【例1-6】將(756.34)Q轉換為二進制數(shù)。 7 5 6 . 3 4 111 10

28、1 110 . 011 100即 (756.34)Q=(111101110.0111)B      (4) 二進制與十六進制之間的相互轉換 由于24=16，故可采用“合四為一”的原則，即從小數(shù)點開始向左、右兩邊各以4位為一組進行二十六轉換，若不足4位的以0補足，便可以將二進制數(shù)轉換為十六進制數(shù)。反之，每位十六進制數(shù)用四位二進制數(shù)表示，就可將十六進制數(shù)轉換為二進制數(shù)。 【例1-7】將(1111111000111.100101011)B轉換為十六進制數(shù)。 0001 1111 1100 0111 . 1001 0101 1000 1 F C 7 . 9 5 8

29、即 (111111000111.100101011)B =(1FC7.958)H 【例1-8】將(79BD.6C)H轉換為二進制數(shù)。7 9 B D . 6 C 0111 1001 1011 1101 . 0110 1100即 (79BD.6C)H=(1111.011011)B 1.5.2  常用的信息編碼 1. 二十進制BCD碼（Binary-Coded Decimal） 二十進制BCD碼是指每位十進制數(shù)用4位二進制數(shù)編碼表示。由于4位二進制數(shù)可以表示16種狀態(tài)，可丟棄最后6種狀態(tài)，而選用00001001來表示09十個數(shù)符。這種編碼又叫做8421碼。見表1-5所示。 表1-

30、5 十進制數(shù)與BCD碼的對應關系 十進制數(shù) BCD碼 十進制數(shù) BCD碼 0 0000 10 1 0001 11 2 0010 12 3 0011 13 4 0100 14 5 0101 15 6 0110 16 7 0111 17 8 1000 18 9 1001 19 【例1-9】將69.25轉換成BCD碼。 6 9 . 2 5 0110 1001 . 0010 0101 結果為69.25=(01101001.00100101)BCD    【例1-10】將BCD碼1.01010110轉換成十進制數(shù)。 1001 0111 1000 . 0101 01109 7

31、 8 . 5 6 結果為（1.01010110）BCD=978.56 2.字符編碼（ASCII碼） 計算機使用最多、最普遍的是ASCII（American Standard Code For Information Interchange）字符編碼，即美國信息交換標準代碼，如表1.6所示。 ASCII碼的每個字符用7位二進制數(shù)表示，其排列次序為d6d5d4d3d2d1d0, d6為高位，d0為低位。而一個字符在計算機內實際是用8位表示。正常情況下，最高一位d7為“0”。7位二進制數(shù)共有128種編碼組合，可表示128個字符，其中數(shù)字10個、大小寫英文字母52個、其他字符32個和控制字符34個。

32、表1-6 七位ASCII代碼表 d3 d2 d1d0位 0 d6 d5d4位 000 001 010 011 100 101 110 111 0000 NUL DEL SP 0 P p 0001 SOH DC1 ！ 1 A Q a q 0010 STX DC2 2 B R b r 0011 ETX DC3 3 C S c s 0100 EOT DC4 4 D T d t 0101 ENQ NAK 5 E U e u 0110 ACK SYN 6 F V f v 0111 BEL ETB 7 G W g w 1000 BS CAN 8 H X h x 1001 HT EM 9 I Y i y 1

33、010 LF SUB ： J Z j z 1011 VT ESC K k 1100 FF FS ， L l 1101 CR GS M m 1110 SO RS · N n 1111 SI HS O o DEL 要確定某個字符的ASCII碼，在表中可先查到它的位置，然后確定它所在位置的相應列和行，最后根據(jù)列確定高位碼（d6d5d4），根據(jù)行確定低位碼（d3d2d1d0），把高位碼與低位碼合在一起就是該字符的ASCII碼。例如數(shù)字9的ASCII碼為00111001B，即十六進制為39H；字符A的ASCII碼為，即十六進制為41H等等。 數(shù)字09的ASCII碼為30H39H。 大寫英文字母

34、AZ的ASCII碼為41H5AH。 小寫英文字母az的ASCII碼為61H7AH。 對于ASCII碼表中的0、A、a的ASCII碼30H、41H、61H應盡量記住，其余的數(shù)字和字母的ASCII碼可按數(shù)字和字母的順序以十六進制的規(guī)律寫出。 ASC碼主要用于微機與外設的通信。當微機接收鍵盤信息、微機輸出到打印機、顯示器等信息都是以ASCII碼形式進行數(shù)據(jù)傳輸。  3.奇偶校驗碼 奇偶校驗是一種常用的簡單校驗方法，如在計算機內作存儲器讀寫校驗、ASCII字符傳送中的校驗等。 奇偶校驗碼是在傳送的代碼上附加一個校驗位，作為代碼的比較校驗。這樣在接收方，先對信息代碼按雙方的校驗規(guī)定求奇偶校驗碼

35、，然后再與收到的附加校驗位作比較，若相等則認為接收的代碼是正確的，否則為錯。 奇偶校驗就是鑒別代碼中有奇數(shù)個“1，還是有偶數(shù)個“1。例如，有效信息為，若采用偶校驗碼記為“0”的話，則有效代碼為1011001 0；采用奇校驗碼記為“1”的話，有效代碼則為1011001 1。有效代碼的最后的那個數(shù)位，就是奇偶校驗位。當接受方收到這組代碼后，便根據(jù)奇、偶校驗的約定和有效代碼中“1”的個數(shù)形成校驗碼，然后再與接收的校驗位作比較。比較相等的話，說明接受的信息正確；反之，則認為出現(xiàn)了錯誤。 奇偶校驗只能發(fā)現(xiàn)一位錯，但不能確定出錯的位置，對偶數(shù)個錯位便無能為力了。但在實際應用中，一位出錯的概率比多位出錯的概

36、率高，因此，奇偶校驗碼還是很實用的。   1.6 計算機數(shù)值數(shù)據(jù)表示與運算1.6.1 二進制數(shù)在計算機內的表示 1.         機器數(shù)     在計算機中，因為只有“0”和“1”兩種形式，所以數(shù)的正、負號，也必須以“0”和“1”表示。通常把一個數(shù)的最高位定義為符號位，用0表示正，1表示負，稱為數(shù)符：其余位仍表示數(shù)值。把在機器內存放的正、負號數(shù)碼化的數(shù)稱為機器數(shù)，把機器外部由正、負號表示的數(shù)稱為真值數(shù)。 【例1-11】真值為(-0101100)B的機器數(shù)為，存放在機器中，

37、如圖1.3所示。 圖1.3 機器數(shù)     要注意的是，機器數(shù)表示的范圍受到字長和數(shù)據(jù)的類型的限制。字長和數(shù)據(jù)類型定了，機器數(shù)能表示的數(shù)值范圍也就定了。     例如，若表示一個整數(shù)，字長為8位，則最大的正數(shù)為，最高位為符號位，即最大值為127。若數(shù)值超出127，就要“溢出”。最小負數(shù)為，最高位為符號位，即最小值為-128。 2.    數(shù)的定點和浮點表示 計算機內表示的數(shù)，主要分成定點小數(shù)、定點整數(shù)與浮點數(shù)三種類型。 （1）定點小數(shù)是指小數(shù)點準確固定在數(shù)據(jù)某一個位置上的小數(shù)。一般把小數(shù)點固定在

38、最高數(shù)據(jù)位的左邊，小數(shù)點前邊再設一位符號位。按此規(guī)則，任何一個小數(shù)都可以寫成： N=NSN1N2···NM， NS為符號位即在計算機中用M+1個二進制位表示一個小數(shù)，最高(最左)一個二進制位表示符號(如用0表示正號，則1就表示負號)，后面的m個二進制位表示該小數(shù)的數(shù)值。小數(shù)點不用明確表示出來，因為它總是定在符號位與最高數(shù)值位之間。對用m+1個二進制位表示的小數(shù)來說，其值的范圍|N|12M。定點小數(shù)表示法主要用在早期的計算機中。（2）整數(shù)的表示法 整數(shù)所表示的數(shù)據(jù)的最小單位為1，可以認為它是小數(shù)點定在數(shù)值最低位右面的一種表示法。整數(shù)分為帶符號和不帶符號兩類。對帶符號

39、的整數(shù)，符號位放在最高位?？梢詫懗桑?N=NSNnNn1···N2 N1 N0， NS為符號位對于用n+l位二進制位表示的帶符號整數(shù)，其值的范圍為： |N|2n-1。 對于不帶符號的整數(shù)，所有的n+1個二進制位均看成數(shù)值，此時數(shù)值表示范圍為， 0N2n+1-1。在計算機中，一般用8位、16位和32位等表示數(shù)據(jù)。一般定點數(shù)表示的范圍和精度都較小，在數(shù)值計算時，大多數(shù)采用浮點數(shù)。 (3)浮點數(shù)的表示方法 浮點表示法對應于科學(指數(shù))計數(shù)法，如數(shù)110.011可表示為 N=110.011=1.10011×2+10=11001.1×210=0.1100

40、11×2+11在計算機機中一個浮點數(shù)由兩部分構成：階碼和尾數(shù)，階碼是指數(shù)，尾數(shù)是純小數(shù)。其存儲格式如圖1.4所示。 階符 階碼 數(shù)符 尾數(shù) 圖1.4 浮點數(shù)存儲格式     階碼只能是一個帶符號的整數(shù)，它用來指示尾數(shù)中的小數(shù)點應當向左或向右移動的位數(shù)，階碼本身的小數(shù)點約定在階碼最右面。尾數(shù)表示數(shù)值的有效數(shù)字，其本身的小數(shù)點約定在數(shù)符和尾數(shù)之間。在浮點數(shù)表示中，數(shù)符和階符都各占一位，階碼的位數(shù)隨數(shù)值表示的范圍而定，尾數(shù)的位數(shù)則依數(shù)的精度要求而定。 【例1-12】設尾數(shù)為4位，階碼為2位，則二進制數(shù)N=211×l011的浮點數(shù)表示形式為： 

41、0;   應當注意：浮點數(shù)的正、負是由尾數(shù)的數(shù)符確定，而階碼的正、負只決定小數(shù)點的位置，即決定浮點數(shù)的絕對值大小。 3.    帶符號數(shù)的表示 在計算機中，帶符號數(shù)可以用不同方法表示，常用的有原碼、反碼和補碼。 (1)原碼 【例1-13】當機器字長n=8時： +1原0 0000001， -1原1 0000001 +127原0 1111111， -127原1 111111l 由此可以看出，在原碼表示法中： l     最高位為符號位，正數(shù)為0，負數(shù)為1，其余n-1位表示數(shù)的絕對值。 l 

42、    在原碼表示中，零有兩種表示形式，即：+0，-0。 (2)反碼 【例1-14】當機器字長n=8時： +1反， -1反11111110 +127反， -127反10000000 由此看出，在反碼表示中： l     正數(shù)的反碼與原碼相同，負數(shù)的反碼只需將其對應的正數(shù)按位求反即可得到。 l     機器數(shù)最高位為符號位，0代表正號，1代表負號。 l     反碼表示方式中，零有兩種表示方法： +0反， -0反。 （3）補碼 【例1-15】當機器

43、字長n8時， +1補， -1補 +127補， -127補 由此看出，在補碼表示中： l     正數(shù)的補碼與原碼、反碼相同，負數(shù)的補碼等于它的反碼加l。 l     機器數(shù)的最高位是符號位，0代表正號，1代表負號。 l     在補碼表示中，0有唯一的編碼： 0補0補。 補碼的運算方便，二進制的減法可用補碼的加法實現(xiàn)，使用較廣泛。 【例1-16】假定計算機字長為8位，試寫出122的原碼、反碼和補碼。 122原122反122補01111010B 【例1-17】假定計算機字長為8

44、位，試寫出45的原碼、反碼和補碼。 45原10101101B 45反11010010B 45補11010011B     對于用補碼表示的負數(shù)，首先認定它是負數(shù)，而后用求它的補碼的方法可得到它的絕對值，即可求得該負數(shù)的值。例如，補碼數(shù)(11110011)B是一個負數(shù)，求該數(shù)的補碼為(00001101)B，該數(shù)相應的十進制數(shù)為13，故求出(11110011)B為(13)D?！纠?-18】試寫出原碼的真值。 （原碼）補（原碼）反110100111B39 1.6.2  補碼的運算     在微處理機中，使用補碼進行運算是十分方便的

45、，它使同一個微處理機中既能運算帶符號數(shù)又能運算不帶符號的數(shù)。而且，在采用補碼表示帶符號數(shù)的情況下，兩個數(shù)的減法可以用加法來實現(xiàn)。下面我們將會看到這一點。    一個數(shù)，是帶符號的數(shù)還是不帶符號的數(shù)是人為規(guī)定的。而對微處理機來說，它對輸入的二進制數(shù)進行運算時，并不知道輸入的二進制數(shù)是帶符號的數(shù)還是不帶符號的數(shù)。但是，當用不帶符號的數(shù)或用補碼數(shù)來解釋帶符號的數(shù)時，微處理機運算的結果都是正確的?！纠?-19】有兩個二進制數(shù)和，當規(guī)定它們是不帶符號的數(shù)時，則它們分別表示(132)10和(14)10。將這兩個二進制數(shù)相加：    得到一個無符號

46、的二進制數(shù)，該數(shù)為十進制數(shù)146。也就是說，按照無符號數(shù)去解釋，運算的結果是正確的。    同樣上述兩個數(shù)，如果規(guī)定它們是帶符號的數(shù)，其十進制值分別為(124)10和(+14)10。兩個帶符號的數(shù)(10000100)2和(00001110)2相加，得到帶符號的數(shù)(10010010)2，此結果用符號數(shù)進行解釋，剛好為(110)10，其結果也是正確的。    在微處理器中，一般都不設置專門的減法電路。遇到兩個數(shù)相減時，處理器就自動地將減數(shù)取補，而后將被減數(shù)和減數(shù)的補碼相加來完成減法運算。例如，(69)10(26)10?可以寫成(69)10

47、+(26)10。利用(69)10的原碼和(26)10的補碼相加，即可以得到正確的結果。    在進行帶符號數(shù)的加減運算時，應把參與運算的數(shù)據(jù)轉換成補碼形式進行運算。當使用8位二進制數(shù)表示帶符號的數(shù)時，它所能表示的數(shù)值范圍在(-128)10(+127)10之間，如果相加結果超出了這個范圍，就會導致錯誤發(fā)生。X+Y補=X補+Y補 X-Y補=X補+-Y補    由上述可以看到，采用補碼法進行運算時，在微處理器中只用加法電路就可以實現(xiàn)加法或減法運算。但是，必須強調指出，在進行兩個同符號的數(shù)(即兩數(shù)同為正數(shù)或同為負數(shù))相加時，一定要特別注意其結

48、果不能超出所規(guī)定的數(shù)值范圍，否則將產(chǎn)生溢出?！纠?-20】兩個帶符號的數(shù)(01000001)2(十進制數(shù)+65)與(01000011)2(十進制數(shù)+67)    例中是兩個正數(shù)相加，但結果卻是一個負數(shù)符號位為1。顯然，這個結果是錯誤的，出現(xiàn)這種錯誤的原因就在于這兩個數(shù)相加的結果超過了8位二進制帶符號數(shù)所能表示的數(shù)值范圍。【例1-21】兩個負數(shù)(10001000)2和(11101110)2的相加情況。    由于規(guī)定用8位二進制數(shù)來表示帶符號的數(shù)，故忽略作為進位位的第九位。按8位二進制數(shù)來解釋這兩個符號數(shù)的相加，其結果為一個正數(shù)。很明顯

49、，結果是錯誤的。     以上兩種情況叫做補碼運算的溢出。當兩個同符號的數(shù)相加時，如果相加的結果超過了微處理機所能表示的數(shù)值范圍，就將發(fā)生溢出，其結果就是錯誤的。因此，在微處理機中設有專門的電路 用以判斷運算結果是否產(chǎn)生溢出，并以某種標志告訴人們這次運算的結果是否存在溢出。只要溢出沒有發(fā)生，運算的結果總是正確的。    此外，在微處理機中還會遇到不帶符號數(shù)的運算。【例1-22】兩個無符號數(shù)(11111101)2和(00000011)2相加：    從相加計算的結果來看，如果微處理機只有8位，也就是用8位二

50、進制數(shù)來解釋運算的結果，則將出現(xiàn)錯誤。因此，在微處理機中設有專門的一位，稱為進位位，它將用于保存第九位以防丟失信息。當考慮了這一位以后，用9位二進制數(shù)來解釋相加的結果，則計算的結果仍然是正確的?？傊捎谖⑻幚頇C中有專門的進位位，無符號數(shù)的加法運算總可以得到正確的結果。1.6.3  邏輯運算（1）“與”運算?！芭c”運算的運算規(guī)則是： 0Ù0=0 0Ù1=0 1Ù0=0 1Ù1=1【例1-23】 二進制數(shù)01011101B和11010101B相與。 （2）“或”運算?！盎颉边\算的運算規(guī)則是： 0Ú 0=0 0Ú1=1 1

51、18;0=1  1Ú1=1【例1-24】二進制數(shù)和相或。 （3）“異或”運算。“異或”運算的運算規(guī)則是： 0Å0=0 0Å1=1 1Å0=1 1Å1=0【例1-25】二進制數(shù)和相異或。 第2章 MCS-51系列單片機芯片結構· 單片機的內部結構 · 程序狀態(tài)字PSW · 單片機P3口的第二功能 · 單片機的指令時序 要求掌握：· 單片機的引腳信號功能定義 · 單片機的工作寄存器、PSW及程序存儲器中的中斷入口地址 · 單片機各I/O口的特點 · 單片機的復

52、位電路、時鐘電路及指令時序 了解： · MCS-51系列單片機的主要型號 · 單片機的系統(tǒng)結構和內部結構 · 單片機的低功耗方式 2.1 MCS51系列單片機的結構原理 2.1.1 MCS-51單片機邏輯結構 MCS-51單片機采用的是馮.諾伊曼提出的經(jīng)典計算機體系結構框架，即一臺計算機是由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備共五個基本部分組成。MCS-51單片機在一塊芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定時器/計數(shù)器和多功能I/O口等。MCS-51單片機的系統(tǒng)結構框圖如圖2.1所示。由圖2.1可以看出，單片機內部主要包含下列幾個部件：u 

53、0;     一個8位CPU； u       一個時鐘電路； u       4Kbyte程序存儲器； u       128byte數(shù)據(jù)存儲器； u       兩個16位定時/計數(shù)器； u       64Kbyte擴展總線控制電路； u &#

54、160;     四個8-bit并行I/O端口； u       一個可編程串行接口； u       五個中斷源，其中包括兩個優(yōu)先級嵌套中斷。2.1.2  MCS51單片機內部結構 圖2.1 MCS-51單片機系統(tǒng)結構框圖 MCS51單片機芯片內部結構框圖如圖2.2所示。圖2.2 MCS51單片機芯片內部結構1. CPU CPU即中央處理器的簡稱，是單片機的核心部件，它完成各種運算和控制操作，CPU由運算器和控制器兩部分電路

55、組成。 （1）運算器電路 運算器電路包括ALU（算術邏輯單元）、ACC（累加器）、B寄存器、狀態(tài)寄存器、暫存器1和暫存器2等部件，運算器的功能是進行算術運算和邏輯運算。運算電路以ALU為核心單元，可以完成半字節(jié)、單字節(jié)以及多字節(jié)數(shù)據(jù)的運算操作，其中包括加、減、乘、除、十進制調整等算術運算以及與、或、異或、求補和循環(huán)等邏輯操作，運算結果的狀態(tài)由狀態(tài)寄存器保存。 （2）控制器電路 控制器電路包括程序計數(shù)器PC、PC加1寄存器、指令寄存器、指令譯碼器、數(shù)據(jù)指針DPTR、堆棧指針SP、緩沖器以及定時與控制電路等?？刂齐娐吠瓿芍笓]控制工作，協(xié)調單片機各部分正常工作。程序計數(shù)器PC用來存放即將要執(zhí)行的指令

56、地址，它可以完成64K的外部存儲器尋址，執(zhí)行指令時，PC內容的高8位經(jīng)P2口輸出，低8位經(jīng)P0口輸出。數(shù)據(jù)指針DPTR為16位數(shù)據(jù)指針，它可以對64K的外部數(shù)據(jù)存儲器和I/O口進行尋址，它的低8位為DPL（地址82H），高8位為DPH（地址為83H）。堆棧指針SP在片內RAM（128字節(jié)）中開辟棧區(qū)，并隨時跟蹤棧頂?shù)刂?，它按先進后出的原則存取數(shù)據(jù)，上電復位后，SP指向07H。 2. 定時器/計數(shù)器 MCS51單片機片內有兩個16位的定時/計數(shù)器，即定時器0和定時器1。它們可以用于定時控制、延時以及對外部事件的計數(shù)和檢測等。 3. 存儲器 MCS51系列單片機的存儲器包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，

57、其主要特點是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的尋址空間是相互獨立的，物理結構也不相同。對MCS51系列（8031除外）而言，有4個物理上相互獨立的存儲器空間：即內、外程序存儲器和內、外數(shù)據(jù)存儲器。對于8051其芯片中共有256個RAM單元，其中后128個單元被專用寄存器占用，只有前128個單元供用戶使用。 4. 并行I/O口 MCS51單片機共有4個8位的I/O口（P0、P1、P2和P3），每一條I/O線都能獨立地用作輸入或輸出。P0口為三態(tài)雙向口，能帶8個TTL門電路，P1、P2和P3口為準雙向口，負載能力為4個TTL門電路。 5. 串行I/O口 MCS51單片機具有一個采用通用異步工作方式的全雙工串

58、行通信接口，可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。它具有兩個相互獨立的接收、發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器，兩個緩沖器共用一個地址（99H），發(fā)送緩沖器只能寫入，不能讀出，接收緩沖器只能讀出，不能寫入。 6. 中斷控制系統(tǒng) MCS51單片機的中斷功能較強，以滿足控制應用的需要。8051共有5個中斷源，即外中斷2個，定時/計數(shù)中斷2個，串行中斷1個。所有中斷分為高級和低級兩個中斷優(yōu)先級。 7. 時鐘電路 MCS51芯片內部有時鐘電路，但晶體振蕩器和微調電容必須外接。時鐘電路為單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列，振蕩器的頻率范圍為1.2MHz12MHz，典型取值為6MHz。 8. 總線 以上所有組成部分都是通過總線連接起來，從而構成一個完整的單片機。系統(tǒng)的地址信號、數(shù)據(jù)信號和控制信號都是通過總線傳送的，總線結構減少了單片機的連線和引腳，提高了集成度和可靠性。 2.1.3  引腳信號 圖2.3為MCS51系列單片機引腳圖及邏輯符號，它們?yōu)闃藴实?0腳DIP封裝。這些引腳的功能描述如下：（a）引腳圖 （b）邏