單片機(jī)是指在一塊芯片上集成了中央處理器CPU

1、1.2單片機(jī)的構(gòu)成及特點(diǎn)單片機(jī)是指在一塊芯片上集成了中央處理器CPU、隨機(jī)存儲器RAM、程序存儲器ROM或EEPROM、定時/計數(shù)器、中斷控制器及串行口，并行I/O接口等部件，構(gòu)成一個完整的微型計算機(jī)系統(tǒng)。1、單片機(jī)的特點(diǎn)從結(jié)構(gòu)上看，單片機(jī)不但與通用微型計算機(jī)一樣，是一個有效的數(shù)據(jù)處理機(jī)，而且是一個功能強(qiáng)大的過程控制機(jī)。從某種意義上講，一塊單片機(jī)就具有一臺微型計算機(jī)的功能，只要加上所需的輸入/輸出設(shè)備，就可以構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，從而滿足各應(yīng)用領(lǐng)域的需要。單片機(jī)結(jié)構(gòu)中包含有通用計算機(jī)的功能部分，而且具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能。（1） 通用計算機(jī)的CPU主要面向數(shù)據(jù)處理，其發(fā)展主要圍繞數(shù)據(jù)處理功能、計

2、算速度和精度的進(jìn)一步提高。CPU的主頻達(dá)到數(shù)百兆赫茲（MHz），字長普遍達(dá)到32位。單片機(jī)主要面向控制，因?yàn)榭刂浦械臄?shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)處理相對簡單，所以單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理功能比通用計算機(jī)相對弱一些，計算速度和精度也要相對低一些。（2） 通用計算機(jī)中存儲器組織結(jié)構(gòu)主要是針對增大存儲容量和加快CPU對數(shù)據(jù)的存取速度。單片機(jī)中存儲器的組織結(jié)構(gòu)比較簡單，存儲器芯片直接掛接在單片機(jī)總線上，CPU對存儲器的讀/寫直接用物理地址來尋址存儲單元，存儲器的尋址空間一般為64KB。（3） 通用計算機(jī)中的I/O接口主要考慮標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)（如CRT、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、硬盤、光盤等）。用戶通過標(biāo)準(zhǔn)總線連接外設(shè)，達(dá)到即插即用。

3、而單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的外設(shè)都是非標(biāo)準(zhǔn)的，且千差萬別，種類繁多。單片機(jī)的I/O接口實(shí)際上是向用戶提供的與外設(shè)連接的物理界面。單片機(jī)的特點(diǎn)(1) 單片機(jī)的存儲器ROM和RAM是嚴(yán)格區(qū)分的。ROM稱為程序存儲器，只存放程序、固定常數(shù)及數(shù)據(jù)表格。RAM則為數(shù)據(jù)存儲器，用作工作區(qū)及存放用戶數(shù)據(jù)。這樣的結(jié)構(gòu)主要是考慮到單片機(jī)用于控制系統(tǒng)中，有較大的程序存儲器空間，把開發(fā)成功的程序固化在ROM中，而把少量的隨機(jī)數(shù)據(jù)存放在RAM中。這樣，小容量的數(shù)據(jù)存儲器能以高速RAM形式集成在單片機(jī)內(nèi)，以加速單片機(jī)的執(zhí)行速度。但單片機(jī)內(nèi)的RAM是作為數(shù)據(jù)存儲器用，而不是當(dāng)作高速緩沖存儲器(Cache)使用。(2) 采用面向控制

4、的指令系統(tǒng)。為滿足控制的需要，單片機(jī)有更強(qiáng)的邏輯控制能力，特別是具有很強(qiáng)的位處理能力。(3) 單片機(jī)的I/O引腳通常是多功能的。由于單片機(jī)芯片上引腳數(shù)目有限，為了解決實(shí)際引腳數(shù)和需要的信號線的矛盾，采用了引腳功能復(fù)用的方法。引腳處于何種功能，可由指令來設(shè)置或由機(jī)器狀態(tài)來區(qū)分。(4) 單片機(jī)的外部擴(kuò)展能力強(qiáng)。在內(nèi)部的各種功能部分不能滿足應(yīng)用需求時，均可在外部進(jìn)行擴(kuò)展(如擴(kuò)展ROM、RAM，I/O接口，定時器/計數(shù)器，中斷系統(tǒng)等)，與許多通用的微機(jī)接口芯片兼容，給應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計帶來極大的方便和靈活性 MCS-51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就CPU的結(jié)構(gòu)來說，通用微機(jī)的CPU內(nèi)部有一定數(shù)量的通用或?qū)Ｓ眉拇嫫?/p>

5、，而MCS-51系列單片機(jī)則在數(shù)據(jù)RAM區(qū)開辟了一個工作寄存器區(qū)。該區(qū)共有4組，每組8個寄存器，共計可提供32個工作寄存器，相當(dāng)于通用微機(jī)CPU中的通用寄存器。除此之外，MCS-51系列單片機(jī)還有頗具特色的21個特殊功能寄存器SFR。要理解MCS-51系列單片機(jī)的工作，就必須對特殊功能寄存器SFR的工作有清楚的了解。SFR使僅具有40條引腳的單片機(jī)系統(tǒng)的功能有很大的擴(kuò)展。由于這些SFR的作用，每個通道在程序控制下，都可有第二功能，從而使得有限的引腳能衍生出更多的功能。而且，利用SFR可完成對定時器、串行口、中斷邏輯的控制，這就使得單片機(jī)可以把定時/計數(shù)器、串行口、中斷邏輯等集成在一個芯片上。M

6、CS-51系列單片機(jī)在存儲器結(jié)構(gòu)上與通用微機(jī)也有不同之處，通用微機(jī)中程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是一個地址空間，而單片機(jī)把程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分成兩個獨(dú)立的地址空間，采用不同的尋址方式，使用兩個不同的地址指針，PC指向程序存儲器，DPTR指向數(shù)據(jù)存儲器。采用這種結(jié)構(gòu)主要是考慮到工業(yè)控制的特點(diǎn)。一般工業(yè)控制系統(tǒng)中，需要較大的程序存儲器空間和較小的隨機(jī)存儲器空間，不同于通用微機(jī)需要較大的數(shù)據(jù)存儲器空間。MCS-51系列單片機(jī)在輸入輸出接口方面的特點(diǎn)是，通道口引線在程序的控制下都可有第二功能，可由用戶系統(tǒng)設(shè)計者靈活選擇。比如數(shù)據(jù)線和地址線低8位可分時合用通道0，而地址線高8位與其它信號線也可合用通道2。

7、由于存儲器和接口都在片內(nèi)，就給應(yīng)用提供了方便，往往只在其引腳處增加驅(qū)動器即可簡化接口設(shè)計工作，提高單片機(jī)與外設(shè)數(shù)據(jù)交換的處理速度。同時，功能變換和選擇由相應(yīng)的指令來控制實(shí)現(xiàn)，而不是靠硬件上的跳線短接等方法實(shí)現(xiàn)。MCS-51系列單片機(jī)I/O引腳一線多功能的特點(diǎn)方便了用戶，但在組成應(yīng)用系統(tǒng)時，也應(yīng)根據(jù)其特點(diǎn)分時使用。 MCS-51系列單片機(jī)的另一個顯著特點(diǎn)是內(nèi)部有一個全雙工串行口，即可同時發(fā)送和接收；有兩個物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器。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。在程序的控制下，串行口能工作于四種方式，用戶可根據(jù)需要，設(shè)定為移位寄存器方式以擴(kuò)展I/O口和外接同步輸入輸出

8、設(shè)備，或用作異步通信口，以實(shí)現(xiàn)雙機(jī)或多機(jī)通信，極為方便地組成分布式控制系統(tǒng)。 最后還值得一提的是，MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)部有一個功能相對獨(dú)立的位處理機(jī)(即布爾處理機(jī))，因而其具有較強(qiáng)的位處理功能。1.3單片機(jī)的應(yīng)用 因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有體積小、重量輕、價格便宜、功耗低、控制功能強(qiáng)及運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，所以在國民建設(shè)、軍事及家用電器等領(lǐng)域均得到廣泛的應(yīng)用。按照單片機(jī)的特點(diǎn)，可分為單機(jī)應(yīng)用和多機(jī)應(yīng)用。（1）單片機(jī)應(yīng)用在一個應(yīng)用系統(tǒng)中，只使用一個單片機(jī)，這是目前應(yīng)用最多的方式，主用應(yīng)用領(lǐng)域有:測控系統(tǒng) 用單片機(jī)可構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、自適用系統(tǒng)、數(shù)字采集系統(tǒng)等。例如，溫室人工氣候控制、生產(chǎn)線自動控制、車輛

9、檢測控制系統(tǒng)等。智能儀表 用單片機(jī)改造原有的測量、控制儀表，能促進(jìn)儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、綜合化、柔性化發(fā)展。如溫度、壓力、流量、濃度等的測量、顯示燈等的測量、顯示及儀表控制。通過采用單片機(jī)軟件編程技術(shù)，解決測量儀表中長期存在的誤差修正、線性化處理等難題。機(jī)電一體化產(chǎn)品 單片機(jī)與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)合，使傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單化，實(shí)現(xiàn)智能控制。這類產(chǎn)品有簡易數(shù)控機(jī)床、電腦繡花機(jī)、醫(yī)療器械等。智能接口 在計算機(jī)控制系統(tǒng)（特別是較大型的工業(yè)控制系統(tǒng)）中，普遍采用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制與管理。因?yàn)閱纹瑱C(jī)與主機(jī)是并行工作的，所以大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度，而且還能對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如數(shù)字濾波、線性化處理

10、、誤差修正等。智能民用產(chǎn)品 在家用電器、玩具、游戲機(jī)、音像設(shè)備、收銀機(jī)、辦公設(shè)備、廚房設(shè)備等產(chǎn)品中引入單片機(jī)，不僅使產(chǎn)品的功能大大增強(qiáng)，而且獲得良好的使用效果。（2）多機(jī)應(yīng)用單片機(jī)的多機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可分為多功能集散系統(tǒng)、并行多機(jī)控制系統(tǒng)及局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。多功能集散系統(tǒng)多功能集散系統(tǒng)是為了滿足工程系統(tǒng)多種外圍功能的要求而設(shè)置的多機(jī)系統(tǒng)。例如，一個加工中心的計算機(jī)系統(tǒng)除完成機(jī)床加工運(yùn)行控制外，還要完成對刀系統(tǒng)、坐標(biāo)系統(tǒng)、刀庫管理、狀態(tài)監(jiān)視、伺服驅(qū)動等機(jī)構(gòu)的控制。并行多機(jī)控制系統(tǒng)并行多機(jī)控制系統(tǒng)主要解決工程應(yīng)用系統(tǒng)中的快速問題，以便構(gòu)成大型實(shí)時應(yīng)用工程系統(tǒng)。典型的有快速并行數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、實(shí)時圖像處理系

11、統(tǒng)等。局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的出現(xiàn)，使單片機(jī)應(yīng)用進(jìn)入了一個較高的水平。目前該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是分布式測控系統(tǒng)，單片機(jī)主要用于系統(tǒng)中通信控制及構(gòu)成各種測控子系統(tǒng)。 單片機(jī)的應(yīng)用(1) 體積小，成本低，運(yùn)用靈活，易于產(chǎn)品化，它能方便地組成各種智能化的控制設(shè)備和儀器，做到機(jī)電一體化。(2) 面向控制，能針對性地解決從簡單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)，因而能獲得最佳的性能價格比。(3) 抗干擾能力強(qiáng)，適用溫度范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠地工作，這是其它類型計算機(jī)無法比擬的。(4) 可以方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制，使整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。單片機(jī)的應(yīng)用范圍十分廣泛，主要的應(yīng)用領(lǐng)域有：(1) 工

12、業(yè)控制。單片機(jī)可以構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。如數(shù)控機(jī)床、自動生產(chǎn)線控制、電機(jī)控制、溫度控制等。(2) 儀器儀表。如智能儀器、醫(yī)療器械、數(shù)字示波器等。(3) 計算機(jī)外部設(shè)備與智能接口。如圖形終端機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、繪圖儀、磁盤/磁帶機(jī)、智能終端機(jī)等。(4) 商用產(chǎn)品。如自動售貨機(jī)、電子收款機(jī)、電子秤等。(5) 家用電器。如微波爐、電視機(jī)、空調(diào)、洗衣機(jī)、錄像機(jī)、音響設(shè)備等。數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換【例1-1】 將數(shù)（10.101）2，（46. 12）8，（2D.A4）16轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。（10.101）2= 1×21 + 0×20 +1×2-1 +0&#

13、215;2-2+1×23=2.625（46. 12）8=4×81 +6×80 +1×8-1 +2×8-2=38.15625（2D.A4）16= 2×161 +13×160 +10×16-1 +4×16-2=45.64062【例1-2】 將（0.645）10轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)（用小數(shù)點(diǎn)后5位表示）。 故： (0.645)10=(0.10100)2=(0.51217)8=(0.A51EB)16 【例1-3】 將（101011.01101）2轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制。101 011 ·011 010 5 3 · 3 2 即（101011.01101）2=（53 .32）8【例1-4】 將（123.45）8轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。1 2 3 · 4 5 001 010 011 · 100 101 即（123.45）8=（1010011.100101）2【例1-5】 將（110101.011）2轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)0011 0101 · 0110 3 5 · 6 即（110101.011）2=（35.6）16 【例1-6】