單片機(jī)第1章 基礎(chǔ)知識(shí)

1、第1章 基礎(chǔ)知識(shí) 東北大學(xué)信息學(xué)院高宏亮單片機(jī)原理及應(yīng)用 自我介紹高宏亮信息學(xué)院自動(dòng)化儀表所辦公室：信息樓232室辦公電話：83690071Email:gaohongliang本課程相關(guān)說明本課程名稱：單片機(jī)原理及應(yīng)用總學(xué)時(shí)： 48 (講課學(xué)時(shí)： 32 ;實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)： 16 )先修課程：模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電路原理、微型計(jì)算機(jī)原理、C語言程序設(shè)計(jì)。本課程介紹8位單片機(jī)在我國應(yīng)用的主流機(jī)型MCS-51系列單片機(jī)及其兼容機(jī)型。 其他系列機(jī)型包括(PIC,AVR,MSP430等)本課程相關(guān)說明課程內(nèi)容主要包括以下四大部分：MCS-51 單片機(jī)的片內(nèi)硬件結(jié)構(gòu)及片內(nèi)各功能部件MCS-51的匯編指令

2、系統(tǒng)，MCS-51 匯編語言及C程序設(shè)計(jì)(主要)單片機(jī)系統(tǒng)中各種常見擴(kuò)展接口的軟、硬件設(shè)計(jì) 介紹如何根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本課程的目的(教學(xué)目標(biāo))： 本課程是自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)平臺(tái)課，課程內(nèi)容側(cè)重于實(shí)際應(yīng)用。 本課程的任務(wù)是：使學(xué)生對(duì)單片機(jī)的組成原理和結(jié)構(gòu)有比較深刻的理解，基本掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，可比較靈活地使用單片機(jī)系統(tǒng)的外圍芯片，具備單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)和編程能力。 重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生電子技術(shù)的應(yīng)用能力、C51程序設(shè)計(jì)能力、電子系統(tǒng)調(diào)試中的分析能力。本課程的考核方式：期末閉卷考試(60%)實(shí)驗(yàn)課考核(20%)日常出勤及課后作業(yè)(20%)第1章 基礎(chǔ)知識(shí) 1.1 單片機(jī)的概念及其

3、特點(diǎn)1.1.1 單片機(jī)的基本概念 單片機(jī)屬于微型計(jì)算機(jī)的一種，是把微型計(jì)算機(jī)中的微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行接口、中斷系統(tǒng)等電路集成在一塊集成芯片上形成的微型計(jì)算機(jī)。因而被稱為單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)。 單片機(jī)的英文叫法在國內(nèi)有兩種: MCU ：Micro-Controller Unite 微控制器 SCM ：Single Chip Microcomputer 單片機(jī)用單片機(jī)設(shè)計(jì)電子電路有什么特點(diǎn)？ 基于微處理器的電子系統(tǒng)與基于邏輯電路的電子系統(tǒng)的區(qū)別。傳統(tǒng)數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法是根據(jù)系統(tǒng)功能要求，通過組合各種獨(dú)立的集成電路芯片，構(gòu)成系統(tǒng)。系統(tǒng)一旦設(shè)計(jì)好后，功能需要修改時(shí)，往

4、往需要重新設(shè)計(jì)電路；基于微處理器設(shè)計(jì)方法中是根據(jù)系統(tǒng)功能要求，設(shè)計(jì)相對(duì)通用的硬件結(jié)構(gòu)，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯關(guān)系和輸出內(nèi)容。軟件編程不僅實(shí)現(xiàn)邏輯功能上非常強(qiáng)大(幾乎任何邏輯)，設(shè)計(jì)難度也有所降低，而且當(dāng)系統(tǒng)功能需要修改時(shí)，硬件設(shè)備不改動(dòng)的情況下，只需要重新編寫、下載程序即可，大大解決了經(jīng)濟(jì)成本和人工成本。1.1 單片機(jī)的概念及其特點(diǎn)1.1 單片機(jī)的概念及其特點(diǎn)傳統(tǒng)數(shù)字電路設(shè)計(jì)基于微處理器設(shè)計(jì)單片機(jī)按照用途可分為專用型和通用型兩大類。專用型主要指芯片廠家專門針對(duì)特定企業(yè)的某產(chǎn)品開發(fā)的MCU，硬件定制，程序固化，不可修改，專機(jī)專用。(低成本)通用性主要是廠家為開發(fā)人員提供的集成常用資源、軟件可

5、自行開發(fā)的MCU芯片。(本課程介紹)1.1 單片機(jī)的概念及其特點(diǎn) 計(jì)算機(jī)應(yīng)用形式中按照集成程度分，可分為多板機(jī)系統(tǒng)、單板機(jī)系統(tǒng)、單片機(jī)系統(tǒng)幾種。多板機(jī)系統(tǒng)，典型例子為個(gè)人PC計(jì)算機(jī)和工控計(jì)算機(jī)。把微處理器芯片、存儲(chǔ)器芯片、各種IO接口芯片和驅(qū)動(dòng)電路、電源等裝配在不同的印刷電路板上，各印刷電路板插在主機(jī)箱內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)總線插槽上，通過系統(tǒng)總線相互連接，構(gòu)成了一個(gè)多插件板的微型計(jì)算機(jī)。 單板機(jī)系統(tǒng)，是早期工業(yè)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)形式。將CPU芯片、存儲(chǔ)器芯片、IO接口芯片及簡單的輸入、輸出設(shè)備（如小鍵盤、數(shù)碼顯示器LED）裝配在同一塊印刷電路板上。 單片機(jī)系統(tǒng)，是單板機(jī)的集成實(shí)現(xiàn)形式。將CPU芯片、存儲(chǔ)器芯片、

6、I/O接口集成在同一塊大規(guī)模集成電路芯片上，構(gòu)成控制器，外圍配合各種輸入、輸出設(shè)備（如小鍵盤、數(shù)碼顯示器LED）裝配在同一塊印刷電路板上。 集成度更高、功能更強(qiáng) 使用更加方便 體積小，低功耗 、可靠性高價(jià)格更低與單板機(jī)相比，單片機(jī)系統(tǒng)具有與多板機(jī)相比，單片機(jī)系統(tǒng)具有應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛集成度更高，針對(duì)性更強(qiáng) 體積小、低功耗、可靠性高價(jià)格更低處理能力相對(duì)差實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)性能要求選擇合適配置的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)最高性價(jià)比。1.1 單片機(jī)的概念及其特點(diǎn)1.1.1與單片機(jī)類似但應(yīng)區(qū)分的的控制器有幾種：（1）單片機(jī)(MCU)：強(qiáng)調(diào)邏輯控制功能，外圍接口豐富，常用于工業(yè)檢測、智能家電等不需要復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算，只需完成一

7、定功能的電子設(shè)備上。（2）數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)：強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)運(yùn)算處理，F(xiàn)FT變換、多媒體數(shù)據(jù)編碼、解碼等。常用于頻譜儀、數(shù)字示波器、手機(jī)、DV等需要大量數(shù)字運(yùn)算處理的設(shè)備上。（3）嵌入式處理器(ARM等)：兼顧控制功能與數(shù)學(xué)運(yùn)算功能，強(qiáng)調(diào)豐富的軟件功能，構(gòu)成一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng)。軟件上通常使用嵌入式操作系統(tǒng)。1.1.2 單片機(jī)的主要特點(diǎn)（1）在存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)上，單片機(jī)的存儲(chǔ)器采用哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)或馮.諾依曼(普林斯度)結(jié)構(gòu)。ROM稱為程序存儲(chǔ)器，存放程序、固定常數(shù)和數(shù)據(jù)表格。RAM則為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用作工作區(qū)及存放數(shù)據(jù)。 （2）在芯片引腳上，大部分采用分時(shí)復(fù)用技術(shù)。 （3）在內(nèi)部資源訪問上，

8、通過用特殊功能寄存器（SFR）的形式實(shí)現(xiàn)。 （4）在指令系統(tǒng)上，采用面向控制的指令系統(tǒng)。 （5）內(nèi)部一般都集成一個(gè)全雙工的串行接口。 （6）單片機(jī)有很強(qiáng)的外部擴(kuò)展能力(并行、串行擴(kuò)展)。 1.2 單片機(jī)歷史發(fā)展及其主要分類4位單片機(jī) 1975年TI公司TMS-100，目前日本4位機(jī)產(chǎn)品最多。在電子表、電子秤、電子玩具等產(chǎn)品中份額很大。8位單片機(jī) 在1978年以前各廠家生產(chǎn)的8位單片機(jī)，集成度低，一般都沒有串行接口，只提供小范圍的尋址空間，性能相對(duì)較低，稱為低檔8位單片機(jī)。 在1978年以后，集成電路水平提高，出現(xiàn)了一些高性能的8位單片機(jī)，使單片機(jī)發(fā)展進(jìn)入了新階段。這類單片機(jī)稱為高檔8位單片機(jī)。

9、 8位單片機(jī)因其功能強(qiáng)，能夠滿足目前大多數(shù)應(yīng)用要求，價(jià)格較低，種類最多。到現(xiàn)在仍舊是工業(yè)控制應(yīng)用的主要機(jī)型。 本課程介紹的MCS-51單片機(jī)就是8位單片機(jī)，而且在中國市場占有率最大，應(yīng)用最多。 16位單片機(jī) 主要用于高速復(fù)雜的控制應(yīng)用場合 32位單片機(jī) 更高性能的機(jī)型，但目前在工業(yè)檢測、控制領(lǐng)域使用不多。DSP、ARM、FPGA等芯片占據(jù)。1.3 單片機(jī)的應(yīng)用 總線式單片機(jī)、非總線式單片機(jī)。 總線式單片機(jī)非總線式單片機(jī)1.3 .1 單機(jī)應(yīng)用（1）工業(yè)自動(dòng)化檢測、控制。 （2）智能儀器儀表。 （3）計(jì)算機(jī)外部設(shè)備和智能接口。 （4）家用電器。 數(shù)字式測角儀交直流電壓電流表1.3.2 多機(jī)應(yīng)用 由

10、多片單片機(jī)構(gòu)成大型控制系統(tǒng)，每個(gè)單片機(jī)形成一個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)間通過某種方式通信，構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)場總線技術(shù)密切相關(guān)。數(shù)控車床1.3.3 單片機(jī)的等級(jí)（1）民用級(jí)或商用級(jí)。溫度適應(yīng)能力在0C70C，適用于機(jī)房和一般的辦公環(huán)境。（2）工業(yè)級(jí)。溫度適應(yīng)能力在-40C85C，適用于工廠和工業(yè)控制中，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)。（3）軍用級(jí)。溫度適應(yīng)能力在-65C125C，運(yùn)用于環(huán)境條件苛刻，溫度變化很大的野外。1.4 常見的單片機(jī)簡介 Intel公司的MCS-51系列單片機(jī)Atmel公司的89系列(AT89C5X)Philips公司的51內(nèi)核（80C55X）TI公司的MSC121X系列ST公

11、司的uPSD32/33系列Cygnal公司的C8051F系列(F8051FXX)華邦公司的W78C51、W77C51系列ADI公司的ADC8xx系列LG公司的GMS90/97系列Maxim公司的DS89C420高速系列1.4.1 8051內(nèi)核的單片機(jī) 1.4 常見的單片機(jī)簡介 Microchip公司的PIC系列單片機(jī)Freescale公司（從Motorola公司分離出來的半導(dǎo)體公司）的MC68系列單片機(jī)，9S08系列單片機(jī)（8位單片機(jī)）和9S12系列單片機(jī)（16位單片機(jī)）Ti公司的MSP430系列16位單片機(jī)臺(tái)灣HOLTEK(合泰)公司的HT系列單片機(jī)National公司的COP8系列單片機(jī)Z

12、ilog公司的Z8系列單片機(jī)SUNPLUS 凌陽單片機(jī)1.4.2 其他內(nèi)核單片機(jī) 常用網(wǎng)站、論壇 21IC中國電子網(wǎng)(WWW.21) 周立功單片機(jī)（） 中源單片機(jī)（） 嵌入開發(fā)網(wǎng)（） 51單片機(jī)（） 單片機(jī)學(xué)習(xí)網(wǎng)（） 單片機(jī)愛好者（www.mcufan.con） 此外，還有老古開發(fā)網(wǎng)、單片機(jī)培訓(xùn)網(wǎng)、51單片機(jī)世界、致遠(yuǎn)電子、南京愛思、北京單片機(jī)開發(fā)網(wǎng)、電子網(wǎng)站之家、小龍微控、萬博門單片機(jī)等。1.5 單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)流程簡介 方案設(shè)計(jì)、原理圖設(shè)計(jì)PCB印刷電路板設(shè)計(jì)電路板制作軟件調(diào)試1.6 信息在計(jì)算機(jī)中的表示1.6.1 數(shù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示計(jì)算機(jī)中的數(shù)通常有兩種：無符號(hào)數(shù)和有符號(hào)數(shù)。 無符號(hào)數(shù)二進(jìn)

13、制形式表示，例如：123表示成01111011B。 有符號(hào)數(shù)-機(jī)器數(shù)，它的數(shù)值稱為機(jī)器數(shù)的真值。 符號(hào)位數(shù)值位機(jī)器數(shù)在計(jì)算機(jī)中有三種表示法：原碼、反碼和補(bǔ)碼。 + 0- 1一. 原碼符號(hào)位絕對(duì)值注意: （1）原碼表示范圍為-(2n-1-1)+(2n-1-1)，例如：8位的范圍為-127+127。（2）原碼表示時(shí)，-0的編碼為10000000，+0的編碼為00000000?！纠?-1】 求+67、-25的原碼（機(jī)器字長8位）因?yàn)?67=67=1000011B-25=25=11001B所以+67原=01000011B-25原=10011001B格式:二. 反碼【例1-2】 求+67、-25的反碼（

14、機(jī)器字長8位）。因?yàn)?67原=01000011B-25 原=10011001B所以+67反=01000011B-25 反=11100110B符號(hào)位0絕對(duì)值符號(hào)位1絕對(duì)值各位取反格式:正數(shù)負(fù)數(shù)注意: （1）反碼表示范圍為-(2n-1-1)+(2n-1-1)，例如：8位的范圍為-127+127。 （2）反碼表示時(shí)，-0的編碼為11111111，+0的編碼為00000000。三. 補(bǔ)碼 符號(hào)位0絕對(duì)值符號(hào)位1絕對(duì)值各位取反格式:正數(shù)負(fù)數(shù)+1【例1-3】 求+67、-25的補(bǔ)碼（機(jī)器字長8位）。因?yàn)?67原=01000011B-25原=10011001B所以+67補(bǔ)=01000011B-25補(bǔ)=111

15、00111B 另外，對(duì)于計(jì)算補(bǔ)碼，也可用一種求補(bǔ)運(yùn)算方法求得。 求補(bǔ)運(yùn)算：一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，符號(hào)位和數(shù)值位一起取反，末位加1。求補(bǔ)運(yùn)算具有以下的特點(diǎn)： 對(duì)于一個(gè)數(shù)XX補(bǔ) -X補(bǔ) X補(bǔ)【例1-4】 已知+25的補(bǔ)碼為00011001B，用求補(bǔ)運(yùn)算求-25的補(bǔ)碼。因?yàn)?25補(bǔ) -25補(bǔ)所以-25補(bǔ)=11100110+1=11100111B 注意: （1）補(bǔ)碼表示范圍為-(2n-1-1)+(2n-1)，例如：8位的范圍為-128+127。（2）補(bǔ)碼表示時(shí)，-0的編碼為00000000，+0的編碼為00000000。（假設(shè)機(jī)器字長為8位）四. 補(bǔ)碼的加減運(yùn)算補(bǔ)碼的加法運(yùn)算規(guī)則：X+Y補(bǔ)=X補(bǔ)+Y補(bǔ)X-Y補(bǔ)

16、=X補(bǔ)+-Y補(bǔ)=X補(bǔ)+Y補(bǔ)求補(bǔ)【例1-5】 假設(shè)計(jì)算機(jī)字長為8位，完成下列補(bǔ)碼運(yùn)算。1. （+25）+（+32）+25補(bǔ)=00011001B +32補(bǔ)=00100000B +25補(bǔ)=0 0 0 1 1 0 0 1+ +32補(bǔ)=0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1所以 （+25）+（+32）補(bǔ)=+25補(bǔ)+32補(bǔ)=00111001B=+57補(bǔ)2. （+25）+（-32） +25補(bǔ)=0011001B -32補(bǔ)=11100000B +25補(bǔ)=0 0 0 1 1 0 0 1 + -32補(bǔ)=1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1所以 （+25）+（-32）

17、補(bǔ)=+25補(bǔ)+-32補(bǔ)=11111001B=-7補(bǔ)3. （+25）-（+32） +25補(bǔ)=0011001B +32補(bǔ)=00100000B -32補(bǔ)=+32補(bǔ)求補(bǔ)=11100000B +25補(bǔ)= 0 0 0 1 1 0 0 1+ - 32補(bǔ)= 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1所以 （+25）-（+32）補(bǔ)=+25補(bǔ)+-32補(bǔ)=11111001B=-7補(bǔ)4. （+25）-（-32） 25補(bǔ)=00011001B -32補(bǔ)=11100000B +32補(bǔ)=-32補(bǔ)求補(bǔ)=00100000B +25補(bǔ)= 0 0 0 1 1 0 0 1+ +32補(bǔ)= 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1所以 25-（-32）補(bǔ)=25補(bǔ)+32補(bǔ)=00111001B=57補(bǔ) 五 十進(jìn)制數(shù)的表示 十進(jìn)制編碼又稱為BCD碼。分壓縮BCD碼和非壓縮BCD碼， 壓縮BCD碼又稱為8421碼，它是用四位二進(jìn)制編碼來表示一位十進(jìn)制符號(hào)。 例如：十進(jìn)制數(shù)124的壓縮BCD碼為0001 0010 0100。十進(jìn)制數(shù)4.56的壓縮BCD碼為0100.0101 0110。 非壓縮BCD碼是用八位二進(jìn)制來表示一位十進(jìn)制符號(hào)，其中低四位二進(jìn)制編碼與壓縮BCD碼相同，高四位任取。 例如：十進(jìn)制數(shù)124的非壓縮BCD碼為00