華東交通大學(xué) 單片機(jī)微機(jī)原理及應(yīng)用基礎(chǔ)教程 第1章 單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)導(dǎo)論課件

1、微機(jī)原理及接口技術(shù)Microcontroller Principle and Interface Technique Micro Control System 51 Series機(jī)械電子工程系主講：陳慧 教學(xué)方法課堂講授（46學(xué)時(shí)）習(xí)題講解（2學(xué)時(shí)）實(shí)驗(yàn)/上機(jī)（8學(xué)時(shí)）教學(xué)方法與考核方式（56學(xué)時(shí)） 考核方式期未考試（70%）平時(shí)成績(jī)（30%）考勤（40%）作業(yè)（30%）上機(jī)/實(shí)驗(yàn)（15%） 課堂表現(xiàn)（15%）微機(jī)原理及應(yīng)用Microcontroller Principle and Application Micro Control System 51 Series機(jī)械電子工程系主講：陳慧 教

2、學(xué)方法（雙語(yǔ)）課堂講授（40學(xué)時(shí)）習(xí)題講解（2學(xué)時(shí)）實(shí)驗(yàn)/上機(jī)（6學(xué)時(shí)） 考核方式期未考試（70%）平時(shí)成績(jī)（30%）考勤（40%）作業(yè)（30%）上機(jī)/實(shí)驗(yàn)（15%） 課堂表現(xiàn)（15%）教學(xué)方法與考核方式（48學(xué)時(shí)） 第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)導(dǎo)論51單片機(jī)硬件基礎(chǔ)匯編語(yǔ)言及其程序設(shè)計(jì)51單片機(jī)中斷、定時(shí)/計(jì)數(shù)器及串行接口單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展的原理及方法接口芯片及其應(yīng)用基礎(chǔ)C51語(yǔ)言及其程序設(shè)計(jì)51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)課程目錄1.1 基本術(shù)語(yǔ)及定義1.2 單片微型計(jì)算機(jī)概述1.3 數(shù)制及數(shù)制間的轉(zhuǎn)換1.4 計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法1.5 計(jì)算機(jī)常用編碼第1

3、章 單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)導(dǎo)論1.1.2 字節(jié) ( Byte )1.1.3 字和字長(zhǎng) (word) 1.1 基本術(shù)語(yǔ)及定義1.1.1 位 ( bit )1.1.5 指令、指令系統(tǒng)和程序1.1.6 寄存器1.1.4 位編號(hào)1.1.7 譯碼器1.1.8 微型計(jì)算機(jī)主機(jī)的四大組成部件 字長(zhǎng)：是每一個(gè)字所包含的二進(jìn)制位數(shù)。 它常與CPU內(nèi)部的寄存器、 運(yùn)算裝置、 總線寬度一致。 字：CPU內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的基本單位。1.1.3 字和字長(zhǎng)例 某CPU內(nèi)含 8位運(yùn)算器，則：參加運(yùn)算的數(shù)及結(jié) 果均以 8位 表示,最高位產(chǎn)生的進(jìn)位或借位在8位 運(yùn)算器中不保存，而將其保存到標(biāo)志寄存器中。 1 0 1 1 0 1 0 1

4、 被加數(shù)8位 + 1 0 0 0 1 1 1 1 加數(shù)8位進(jìn)位 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 和8位PSW標(biāo)志寄存器運(yùn)算器標(biāo)志寄存器運(yùn)算器被加數(shù)加數(shù)和進(jìn)位1.1.3 字和字長(zhǎng)字長(zhǎng)是衡量CPU工作性能的一個(gè)重要參數(shù)。 不同類型的PU有不同字長(zhǎng)。例如: Intel 4004 是 4 位，8080 是 8 位，8088/ 8086/80286 是 16 位，80386/80486、Pentium 是 32 位。 1010 1100 0110 0101 1001 1000 0100 0011 被加數(shù) + 1100 0011 1100 0011 0001 0101 0101

5、 1000 加數(shù)進(jìn)位 1 1 1111 1 111 1 1 0111 0000 0010 1000 1010 1101 1001 1011 和 4位 8次 8位 4次16位 2次32位 1次1.1.3 字和字長(zhǎng) 指令是CPU能執(zhí)行的一個(gè)基本操作。 如：取數(shù)、加、減、乘、除、存數(shù) 等。1.1.5 指令、指令系統(tǒng)和程序 程序是用戶在使用計(jì)算機(jī)時(shí)，為要解決的問題， 用一條條指令編寫的指令序列。 指令系統(tǒng)是CPU所能執(zhí)行的全部操作。 不同的CPU，其指令系統(tǒng)不同。 寄存器是用來(lái)存放數(shù)據(jù)和指令的一種基本邏輯部件。 根據(jù)存放信息的不同，有指令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器等。標(biāo) 志寄存器地址總線 AB數(shù)據(jù)

6、總線 DB控制總線 CB指令寄存器數(shù)據(jù)寄存器控制電路指令譯碼器地址寄存器指 令指 針寄存器R1R2R3R4寄存器組運(yùn)算器IPCPU結(jié)構(gòu)示意圖1.1.6 寄存器 譯碼器是將輸入代碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)輸出信號(hào)的邏輯電路。1.1.7 譯碼器 指令是CPU能執(zhí)行的一個(gè)基本操作，用戶用編碼形 式的指令進(jìn)行編程，程序存放在內(nèi)存中; CPU的設(shè)計(jì)者對(duì)CPU的所有指令進(jìn)行編碼; CPU從內(nèi)存取來(lái)編碼形式的指令，對(duì)指令進(jìn)行譯碼， 發(fā)出執(zhí)行該指令功能所需的信號(hào)CPU 總線 內(nèi)存標(biāo) 志寄存器地址總線 AB程序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線 DB控制總線 CB地址譯碼器、指令1指令2指令3指令4、數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)3、指令寄存器數(shù)據(jù)暫存器控制電

7、路指令譯碼器地址寄存器指 令指 針寄存器R1R2R3R4寄存器組運(yùn)算器IP 根據(jù)譯碼內(nèi)容的不同分： 指令譯碼器: 將指令代碼轉(zhuǎn)換成該指令所需的各種控制信號(hào)。 地址譯碼器: 將地址信號(hào)轉(zhuǎn)換成各地址單元相應(yīng)的選通信號(hào)。1.1.7 譯碼器地址總線的條數(shù) 決定CPU的尋址能力。10根 210 1024 1K 20根 220 1024K 1M32根 232 22 230 4G36根 236 26 230 64G地址總線 AB ( Address Bus) ：?jiǎn)蜗?，用?lái)傳送CPU輸出的地址信號(hào)，確定被訪問的存儲(chǔ)單元、I/O端口。 總線數(shù)據(jù)總線 DB ( Data Bus )：雙向 用來(lái)在CPU與存儲(chǔ)器、I

8、/O接口之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。存儲(chǔ)器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口數(shù)據(jù)總線 DB控制總線 CB地址總線 AB輸出設(shè)備CPU 總線數(shù)據(jù)總線條數(shù)決定一次可最多傳送數(shù)據(jù)的寬度 8 根 一次傳送 8位16 根 一次傳送 16位 32 根 一次傳送 32位 64 根 一次傳送 64位 總線控制總線CB ( Control Bus ) ：雙向 用于傳送各種控制信號(hào)。有的是CPU 發(fā)出的，有的是發(fā)向CPU的。 存儲(chǔ)器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口數(shù)據(jù)總線 DB控制總線 CB地址總線 AB輸出設(shè)備CPU 總線 計(jì)算機(jī)的核心部件。用來(lái)實(shí)現(xiàn)指令的自動(dòng)裝入和 自動(dòng)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)本身的自動(dòng)化。存儲(chǔ)器I/O接口輸入設(shè)備I/O

9、接口數(shù)據(jù)總線 DB控制總線 CB地址總線 AB輸出設(shè)備CPU 中央處理器CPUCPU結(jié)構(gòu)示意圖地址信號(hào)標(biāo) 志寄存器指令寄存器數(shù)據(jù)暫存器控制電路指令譯碼器地址寄存器指 令指 針寄存器R1R2R3R4寄存器組運(yùn)算器IP數(shù)據(jù)信號(hào)控制信號(hào)ALU 中央處理器CPU內(nèi)存是存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的部件，由地址譯碼器、內(nèi)存單元等構(gòu)成。n根CPU地址線AB數(shù)據(jù)線DB控制線CB地址譯碼器1100110000110011101010101111000010001000地址00.0000地址00.0001地址00.0010地址00.0011地址111111內(nèi)存結(jié)構(gòu)示意圖 內(nèi)存 外設(shè)的電信號(hào)、運(yùn)行速度與CPU不匹配，不能與CP

10、U直接相連，必須通過I/O接口與CPU相連。 CPU通過對(duì)I/O端口進(jìn)行讀/寫操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)的控制。存儲(chǔ)器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口數(shù)據(jù)總線 DB控制總線 CB地址總線 AB輸出設(shè)備CPU 輸入/輸出接口（I/O接口） CPU和I/O設(shè)備的連接都是通過接口電路實(shí)現(xiàn)的I/O接口電路的作用 速度協(xié)調(diào) 數(shù)據(jù)鎖存 三態(tài)緩沖 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 輸入/輸出接口（I/O接口）I/O接口結(jié)構(gòu)示意圖I/O端口1I/O端口2I/O端口3地址譯碼數(shù)據(jù)緩沖控制電路外設(shè)ABDBCBCPU 輸入/輸出接口（I/O接口）1.2.2 什么是單片機(jī)1.2.3 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用 1.2 單片微型計(jì)算機(jī)概述1.2.1 微型計(jì)算機(jī)及其

11、系統(tǒng)組成1.2.1 微型計(jì)算機(jī)及其系統(tǒng)組成1) 微型計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)筆記本電腦立式微機(jī)單片微機(jī)常見的微機(jī)外形顯示器主機(jī)鍵盤鼠標(biāo)1.2.1 微型計(jì)算機(jī)及其系統(tǒng)組成微機(jī)硬件由主機(jī)和外設(shè)組成運(yùn) 算 器控 制 器CPU存 儲(chǔ) 器輸入接口電路輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出接口電路硬件系統(tǒng)1.2.1 微型計(jì)算機(jī)及其系統(tǒng)組成微型計(jì)算機(jī)的內(nèi)部硬件構(gòu)成硬件系統(tǒng)構(gòu)成微機(jī)的實(shí)體和裝置軟件系統(tǒng)微機(jī)系統(tǒng)所使用的各種程序的總稱軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)共同構(gòu)成實(shí)用的微機(jī)系統(tǒng)，兩者相輔相成、缺一不可。 軟件系統(tǒng)+微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn) 算 器控 制 器CPU存 儲(chǔ) 器輸入接口電路輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出接口電路硬件系統(tǒng)1.2.1 微型計(jì)算機(jī)及其系統(tǒng)組成

12、2) 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 包括硬件和軟件系統(tǒng) CPU輸入設(shè)備輸出設(shè)備軟件系統(tǒng)+微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)輸入接口設(shè)備輸出接口設(shè)備運(yùn) 算 器控 制 器存 儲(chǔ) 器單片微型計(jì)算機(jī)是指集成在一個(gè)芯片上的微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)1.2.2 什么是單片機(jī) 1）單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 C P U 存 儲(chǔ) 器定 時(shí) 器 / 計(jì) 數(shù) 器 中 斷 系 統(tǒng)P0-P3TxDRxD TINT并行I/O口串行I/O口1.2.2 什么是單片機(jī) 2）單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟件單片機(jī)接口電路及外設(shè)等硬件硬件是應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟件是在硬件的基礎(chǔ)上對(duì)其資源進(jìn)行合理調(diào)配和使用，從而完成應(yīng)用系統(tǒng)所要求的任務(wù)，二者相互依

13、賴，缺一不可1.2.2 什么是單片機(jī) 1）單片機(jī)的特點(diǎn) 體積小、重量輕功能強(qiáng)、價(jià)格低抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高適合嵌入到電子產(chǎn)品中（嵌入式應(yīng)用）1.2.3 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用 目前8位單片機(jī)仍是單片機(jī)主流機(jī)型生產(chǎn)廠商：發(fā)展經(jīng)歷了4位機(jī)、8位機(jī)、16位機(jī),再到32位機(jī)美國(guó)微芯片公司PIC16C系列、PIC17C系列、PIC1400系列美國(guó)英特爾公司MCS-48和MCS-51系列美國(guó)摩托羅拉公司MC68HC05系列和MC68HC11系列美國(guó)齊洛格公司Z8系列日本電氣公司PD78系列美國(guó)莫斯特克公司和仙童公司合作生產(chǎn)的F8（3870）系列等 2）單片機(jī)種類1.2.3 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用 工業(yè)方面民用方面

14、儀表方面電訊方面數(shù)據(jù)處理方面汽車方面3）單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域 1.2.3 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用 應(yīng)用實(shí)例-空調(diào)遙控器單片機(jī) 1.3 數(shù)制及數(shù)制間的轉(zhuǎn)換1.3.1 進(jìn)位計(jì)數(shù)制1.3.2 數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換1.3.3 二進(jìn)制的運(yùn)算例如：二進(jìn)制數(shù) B=10011101 B=1 27+1 24+1 23+1 22+1 20 =（157）101.3.1 進(jìn)位計(jì)數(shù)制因此有： 二 十 八 十 二 八 數(shù)制之間轉(zhuǎn)換問題 十六 十 二 十六 日常生活常用十進(jìn)制數(shù)，計(jì)算機(jī)則是按二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行運(yùn)算和處理。二進(jìn)制數(shù)寫麻煩，故書寫時(shí)又以八進(jìn)制或十六進(jìn)制表示。基數(shù)：10 （逢 十 進(jìn) 一） 每一位 0、1、2、3、4、5、6、7、8、

15、10-1位權(quán)：10i1.3.1 進(jìn)位計(jì)數(shù)制 任一十進(jìn)制數(shù)，其第n-1位的數(shù)值大小 = 數(shù)該位數(shù)碼值位權(quán)，即：Mn-1=Kn-1Rn-1 。 基數(shù)與位權(quán) 十進(jìn)制有兩個(gè)要素：基數(shù)與位權(quán)。例：十進(jìn)制數(shù)有 : 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十種狀態(tài)。我們說：十進(jìn)制數(shù)基數(shù)10，變化范圍0（10-1）, 逢十進(jìn)一?？匆粋€(gè)十進(jìn)制數(shù)： 4 0 9 4 每一位十種數(shù)碼的狀態(tài)(09) 千 百 十 個(gè) 本位絕對(duì)值的大小=數(shù)位權(quán) 103102101100 如：千位= 4103=4000 基數(shù)與位權(quán) 這二個(gè)要素也適用于二、八、十六進(jìn)制等 基數(shù)與位權(quán)二進(jìn)制數(shù)：基數(shù)2 位權(quán)2i八進(jìn)制數(shù)：基數(shù)8 位權(quán)8i十六進(jìn)制數(shù):

16、 基數(shù)16 位權(quán)16i二進(jìn)制 0，1八進(jìn)制 0，1，2，3，4，5，6，7十六進(jìn)制 0，1，2，3，4，5，6，7， 8，9，A, B, C, D, E, F 各種進(jìn)制的數(shù)碼范圍十進(jìn)制數(shù)求數(shù)值 N=k n 10n+k n-1 10 n-1+k0 100 +k-1 10-1+ +k-m 10-m = k i 10i (i= -mn) 數(shù)值的計(jì)算任意進(jìn)制數(shù)求數(shù)值 N= k i R i(i=-mn)R 基數(shù) ， 逢R進(jìn)一. Ri 位權(quán)其他數(shù)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換 加權(quán)求和1.3.2 數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換十進(jìn)制到其他位制整數(shù)部分：除基取余法小數(shù)部分：乘基取整法二進(jìn)制與八進(jìn)制轉(zhuǎn)換 二到八：合三為一 八到二：分一為三

17、二進(jìn)制與十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換 二到十六：合四為一十六到二：分一為四例:將1010.101B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制例:將16.25轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制例:將11011.0101B轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制例:將101011.0111B轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制二進(jìn)制加法 11=10， 10=01=1， 00=0二進(jìn)制減法 1-0=1， 0-0=0， 1-1=0， 0-1=1 （借位1）1.3.3 二進(jìn)制的運(yùn)算二進(jìn)制乘法 00=0， 01=10=0， 11=1二進(jìn)制除法 與十進(jìn)制除法運(yùn)算類似，是二進(jìn)制乘法的逆運(yùn)算。 算術(shù)運(yùn)算“與“運(yùn)算 000, 01100, 111“或“運(yùn)算 000, 01101, 111 邏輯運(yùn)算“非“運(yùn)算 10, 01“異或“

18、運(yùn)算 000, 110, 10011 1.4.1 真值與機(jī)器數(shù)1.4.2 原碼、反碼與補(bǔ)碼1.4.3 補(bǔ)碼運(yùn)算規(guī)則及溢出判別 1.4 計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法1.4.4 定點(diǎn)數(shù)與浮點(diǎn)數(shù)機(jī)器數(shù)：一個(gè)數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示形式。D7D6D5D4D3D2D1D000001011符號(hào)位數(shù)值位1.4.1 真值與機(jī)器數(shù)真值：一個(gè)數(shù)的數(shù)值，符號(hào)位用”+”、”表示。1.4.2 原碼、反碼與補(bǔ)碼 7原00000111 7原10000111 0原00000000 0原10000000原碼：正數(shù)的符號(hào)位用“0”表示，負(fù)數(shù)的符號(hào)位用“1” 表示；其余數(shù)值位表示真值的絕對(duì)值。這樣規(guī)定 的二進(jìn)制機(jī)器數(shù)稱為原碼，用X原表示。反碼正

19、數(shù)：反碼與原碼相同負(fù)數(shù)：反碼等于該負(fù)數(shù)的原碼除符號(hào)位外，將其余 的數(shù)值位按位取反。1.4.2 原碼、反碼與補(bǔ)碼7反000001117反111110000反000000000反11111111補(bǔ)碼 7補(bǔ)00000111 7補(bǔ)11111001 0補(bǔ)00000000 0補(bǔ)11111111100000000正數(shù)：補(bǔ)碼與原碼相同負(fù)數(shù)：補(bǔ)碼等于其反碼加1。1.4.2 原碼、反碼與補(bǔ)碼 補(bǔ)碼運(yùn)算規(guī)則XY補(bǔ) X補(bǔ) Y補(bǔ)XY補(bǔ)X補(bǔ)+-Y補(bǔ)X補(bǔ)補(bǔ)=X原1.4.3 補(bǔ)碼運(yùn)算規(guī)則及溢出判別例已知： X3700100101B Y5100110011B 求:（1）XY （2）XY （3）YX 補(bǔ)碼運(yùn)算規(guī)則例：X10001100100BY5000110010B 求 XY解： XY補(bǔ) X補(bǔ) Y補(bǔ) = 0110010000110010 10010110B XY XY補(bǔ)補(bǔ)11101010B 106 溢出及其判別雙高位判別法CS 表示符號(hào)位的進(jìn)位CP 表示最高數(shù)值位的進(jìn)位CS CP0 運(yùn)算正確CS CP1 溢出 溢出及其判別例1:89(01011001B)加108(01101100B)例2:-20(11101100B)加-30(11100010B)有溢出無(wú)溢出定點(diǎn)整數(shù)例：N1011011符號(hào)位 數(shù) 值 位010110111.4.4 定點(diǎn)數(shù)與浮點(diǎn)數(shù) 定點(diǎn)數(shù)表示方法例：N0.1011011符號(hào)位 數(shù) 值 位11