單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)簡(jiǎn)介

1、本章分為五節(jié)，主要介紹：1.1 數(shù)制與編碼的簡(jiǎn)單回顧1.2 電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展概述1.3 單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程及產(chǎn)品近況1.4 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域1.5 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)簡(jiǎn)介1.1 數(shù)制與編碼的簡(jiǎn)單回顧1.1.1 數(shù)制 十進(jìn)制是人們?nèi)粘Ｉ钪凶钍煜さ倪M(jìn)位計(jì)數(shù)制。逢十進(jìn)一。 數(shù)制（即計(jì)數(shù)制，亦稱記數(shù)制）是計(jì)數(shù)的規(guī)則 。 在十進(jìn)制中，數(shù)用0，1，9這10個(gè)符號(hào)來(lái)描述。計(jì)數(shù)規(guī)則是 二進(jìn)制是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中采用的進(jìn)位計(jì)數(shù)制。在二進(jìn)制中，數(shù)用0，1這2個(gè)符號(hào)來(lái)描述。計(jì)數(shù)規(guī)則是逢二進(jìn)一。 二進(jìn)制數(shù)的位可以表示“0”或“1”這兩個(gè)值，它是計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的最小單位。生活中開關(guān)的通與斷，電動(dòng)機(jī)的啟與停等都可以用它來(lái)

2、描述和控制。有些計(jì)算機(jī)能夠存取的最小單位可以到位（如80C51單片機(jī)）。 二進(jìn)制運(yùn)算規(guī)則簡(jiǎn)單，便于物理實(shí)現(xiàn)。但書寫冗長(zhǎng)，不便于人們閱讀和記憶。 8個(gè)二進(jìn)制的位構(gòu)成字節(jié)。字節(jié)可以表示28（即256）個(gè)不同的值（0255）。位0稱為最低有效位（LSB），位7稱為最高有效位（MSB）。MSBLSB 當(dāng)數(shù)據(jù)值大于255時(shí)，就要采用字（2字節(jié)）或雙字（4字節(jié)）進(jìn)行表示。 字可以表示216（即65536 ）個(gè)不同的值（065535），這時(shí)MSB為第15位。MSBLSB 十六進(jìn)制是人們?cè)谟?jì)算機(jī)指令代碼和數(shù)據(jù)的書寫中經(jīng)常使用的數(shù)制。在十六進(jìn)制中，數(shù)用0，1，9和A，B，F(xiàn)（或a，b，f）這16個(gè)符號(hào)來(lái)描述。

3、計(jì)數(shù)規(guī)則是逢十六進(jìn)一。由于4位二進(jìn)制數(shù)可以方便地用1位十六進(jìn)制數(shù)表示，所以人們對(duì)二進(jìn)制的代碼或數(shù)據(jù)常用十六進(jìn)制形式縮寫。 為了區(qū)分?jǐn)?shù)的不同進(jìn)制，可在數(shù)的結(jié)尾以一個(gè)字母標(biāo)示。 十進(jìn)制（decimal）數(shù)書寫時(shí)結(jié)尾用字母D（或不帶字母）； 二進(jìn)制（binary）數(shù)書寫時(shí)結(jié)尾用字母B； 十六進(jìn)制（hexadecimal）數(shù)書寫時(shí)結(jié)尾用字母H。部分自然數(shù)的3種進(jìn)制表示1.1.2 編碼一、字符的二進(jìn)制編碼-ASCII碼 采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼（American Standard Code for Information Interchange，即ASCII碼）。二、二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)-BCD碼 用二進(jìn)

4、制碼表示十進(jìn)制數(shù)的代碼稱為BCD碼。常用的8421BCD碼如表所示： 用1個(gè)字節(jié)表示2位十進(jìn)制數(shù)的代碼，稱為壓縮的BCD碼。 相對(duì)于壓縮的BCD碼，用8位二進(jìn)制碼表示的1位十進(jìn)制數(shù)的編碼稱為非壓縮的BCD碼。這時(shí)高4位無(wú)意義，低4位是BCD碼。 當(dāng)4位二進(jìn)制碼在1010B1111B范圍時(shí)，不屬于8421BCD碼的合法范圍，稱為非法碼。2個(gè)BCD碼的運(yùn)算可能出現(xiàn)非法碼，這時(shí)要對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。 采用壓縮的BCD碼比采用非壓縮的BCD碼節(jié)省存儲(chǔ)空間。一、機(jī)器數(shù)及其真值1.1.3 計(jì)算機(jī)中帶符號(hào)數(shù)的表示 數(shù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示形式稱為機(jī)器數(shù)。而這個(gè)數(shù)本身稱為該機(jī)器數(shù)的真值。如: 正數(shù) +100 010

5、1B（+45H），可以表示成 0100 0101B；機(jī)器數(shù) 45H 負(fù)數(shù) - 101 0101B（-55H），可以表示成 1101 0101B。機(jī)器數(shù) D5H “45H”和“D5H”為2個(gè)機(jī)器數(shù)，它們的真值分別為“+45H”和“-55H”。二、原碼和反碼 帶符號(hào)二進(jìn)制數(shù)（字節(jié)、字或雙字），直接用最高位表示數(shù)的符號(hào)，數(shù)值用其絕對(duì)值表示的形式稱為該數(shù)的原碼。 正數(shù)的反碼與其原碼相同；負(fù)數(shù)的反碼符號(hào)位為1，數(shù)值位為其原碼數(shù)值位逐位取反。 二進(jìn)制數(shù)采用原碼和反碼表示時(shí)，符號(hào)位不能同數(shù)值一道參加運(yùn)算。三、補(bǔ)碼 在計(jì)算機(jī)中，帶符號(hào)數(shù)的運(yùn)算均采用補(bǔ)碼。正數(shù)的補(bǔ)碼與其原碼相同；負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼為其反碼末位加1。如：

6、正數(shù) +100 0101B，反碼為 0100 0101B，補(bǔ)碼為0100 0101B；（45H）負(fù)數(shù) - 101 0101B，反碼為1010 1010B，補(bǔ)碼為1010 1011B。（ABH） 已知一個(gè)負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼求其真值的方法是：對(duì)該補(bǔ)碼求補(bǔ)（符號(hào)位不變，數(shù)值位取反加1）即得到該負(fù)數(shù)的原碼（符號(hào)位+數(shù)值位），依該原碼可知其真值。如：有一數(shù) 補(bǔ)碼為：1010 1011B； 求補(bǔ)得：1101 0101B； 真值為：-55H。補(bǔ)碼的優(yōu)點(diǎn)是可以將減法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為加法運(yùn)算，同時(shí)數(shù)值連同符號(hào)位可以一起參加運(yùn)算。這非常有利于計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)。如：45H-55H= -10H，用補(bǔ)碼運(yùn)算時(shí)表示為： 45H補(bǔ)+-55H

7、補(bǔ)= -10H補(bǔ)結(jié)果1111 0000B為補(bǔ)碼，求補(bǔ)得到原碼為：1001 0000B，真值為 -001 0000B（即 -10H）?？梢?jiàn)，采用反碼時(shí)，“0”有2種表示方式，即有“+0”和“-0”之分，單字節(jié)表示范圍是：+127 -127；而采用補(bǔ)碼時(shí)，“0”只有一種表示方式，單字節(jié)表示的范圍是：+127 -128。1.2 電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展概述1.2.1 電子計(jì)算機(jī)的問(wèn)世及其經(jīng)典結(jié)構(gòu) 1946年2月15日，第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)問(wèn)世，這標(biāo)志著計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來(lái)。（CALCULATOR）ENIAC ENIAC是電子管計(jì)算機(jī)，時(shí)鐘頻率僅有100 KHz，但能在1秒鐘的時(shí)間內(nèi)完成5000次加法運(yùn)算。 與現(xiàn)

8、代的計(jì)算機(jī)相比，有許多不足，但它的問(wèn)世開創(chuàng)了計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的新紀(jì)元，對(duì)人類的生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生了巨大的影響 。 匈牙利籍?dāng)?shù)學(xué)家馮諾依曼在方案的設(shè)計(jì)上做出了重要的貢獻(xiàn)。1946年6月，他又提出了“程序存儲(chǔ)”和“二進(jìn)制運(yùn)算”的思想，進(jìn)一步構(gòu)建了計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成這一計(jì)算機(jī)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)。（EDVAC-ELECTRONIC DISCRETE VARIABLE AUTOMATIC COMPUTER）電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，相繼經(jīng)歷了五個(gè)時(shí)代：電子管計(jì)算機(jī)；晶體管計(jì)算機(jī)；集成電路計(jì)算機(jī)；大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)；超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)仍然沒(méi)有突破馮諾依曼提出的計(jì)算

9、機(jī)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)框架。1.2.2 微型計(jì)算機(jī)的組成及其應(yīng)用形態(tài)一、微型計(jì)算機(jī)的組成 1971年1月，INTEL公司的特德霍夫在與日本商業(yè)通訊公司合作研制臺(tái)式計(jì)算器時(shí)，將原始方案的十幾個(gè)芯片壓縮成三個(gè)集成電路芯片。其中的兩個(gè)芯片分別用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，另一芯片集成了運(yùn)算器和控制器及一些寄存器，稱為微處理器（即Intel 4004）。4004微處理器 微處理器、存儲(chǔ)器加上I/O接口電路組成微型計(jì)算機(jī)。各部分通過(guò)地址總線（AB）、數(shù)據(jù)總線（DB）和控制總線（CB）相連。二、微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用形態(tài) 從應(yīng)用形態(tài)上，微機(jī)可以分成三種： 多板機(jī)（系統(tǒng)機(jī)） 將CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口電路和總線接口等組裝在一塊主機(jī)

10、板（即微機(jī)主板）。各種適配板卡插在主機(jī)板的擴(kuò)展槽上并與電源、軟/硬盤驅(qū)動(dòng)器及光驅(qū)等裝在同一機(jī)箱內(nèi)，再配上系統(tǒng)軟件，就構(gòu)成了一臺(tái)完整的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱系統(tǒng)機(jī)）。工業(yè)PC機(jī) 也屬于多板機(jī)。 單板機(jī) 將CPU芯片、存儲(chǔ)器芯片、I/O接口芯片和簡(jiǎn)單的I/O設(shè)備（小鍵盤、LED顯示器）等裝配在一塊印刷電路板上，再配上監(jiān)控程序（固化在ROM中），就構(gòu)成了一臺(tái)單板微型計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱單板機(jī)）。單板機(jī)單板機(jī)的I/O設(shè)備簡(jiǎn)單，軟件資源少，使用不方便。早期主要用于微型計(jì)算機(jī)原理的教學(xué)及簡(jiǎn)單的測(cè)控系統(tǒng)，現(xiàn)在已很少使用。 單片機(jī) 在一片集成電路芯片上集成微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口電路，從而構(gòu)成了單芯片微型計(jì)算機(jī)，即

11、單片機(jī)。 三種應(yīng)用形態(tài)的比較 ：?jiǎn)伟鍣C(jī)單片機(jī)系統(tǒng)機(jī)（多板機(jī)） 系統(tǒng)機(jī)（桌面應(yīng)用）屬于通用計(jì)算機(jī)，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理、辦公自動(dòng)化及輔助設(shè)計(jì)。 單片機(jī)（嵌入式應(yīng)用）屬于專用計(jì)算機(jī)，主要應(yīng)用于智能儀表、智能傳感器、智能家電、智能辦公設(shè)備、汽車及軍事電子設(shè)備等應(yīng)用系統(tǒng)。 單片機(jī)體積小、價(jià)格低、可靠性高，其非凡的嵌入式應(yīng)用形態(tài)對(duì)于滿足嵌入式應(yīng)用需求具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。1.3 單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程及產(chǎn)品近況1.3.1 單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程 單片機(jī)技術(shù)發(fā)展過(guò)程可分為三個(gè)主要階段： 單芯片微機(jī)形成階段 1976年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機(jī) 。8位CPU、1K字節(jié)ROM、64字節(jié)RAM、27根I/O線和1

12、個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。 特點(diǎn)是：存儲(chǔ)器容量較小，尋址范圍小（不大于4K），無(wú)串行接口，指令系統(tǒng)功能不強(qiáng)。 性能完善提高階段 1980年，Intel公司推出了MCS-51系列單片機(jī)：8位CPU、4K字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM、4個(gè)8位并口、1個(gè)全雙工串行口、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。尋址范圍64K，并有控制功能較強(qiáng)的布爾處理器。 特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點(diǎn)進(jìn)一步突出?，F(xiàn)在，MCS-51已成為公認(rèn)的單片機(jī)經(jīng)典機(jī)種 。 微控制器化階段 特點(diǎn)是：片內(nèi)面向測(cè)控系統(tǒng)外圍電路增強(qiáng)，使單片機(jī)可以方便靈活地用于復(fù)雜的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)及設(shè)備。“微控制器”的稱謂更能反應(yīng)單片機(jī)的本質(zhì)。 1982年

13、，Intel推出MCS-96系列單片機(jī)。 芯片內(nèi)集成：16位CPU、8K字節(jié)ROM、232字節(jié)RAM、5個(gè)8位并口、1個(gè)全雙工串行口、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。尋址范圍64K。片上還有8路10位ADC、1路PWM輸出及高速I/O部件等。1.3.2 單片機(jī)產(chǎn)品近況 ATMEL公司融入Flash存儲(chǔ)器技術(shù)的AT89系列； Philips公司的80C51、80C552系列； 華邦公司的W78C51、W77C51高速低價(jià)系列； ADI公司的ADC8xx高精度ADC系列； LG公司的GMS90/97低壓高速系列； Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列； Cygnal公司的C8051F系

14、列高速SOC單片機(jī)。 80C51系列單片機(jī)產(chǎn)品繁多，主流地位已經(jīng)形成，近年來(lái)推出的與80C51兼容的主要產(chǎn)品有： 非80C51結(jié)構(gòu)單片機(jī)新品不斷推出，給用戶提供了更為廣泛的選擇空間 ，近年來(lái)推出的非80C51系列的主要產(chǎn)品有：Intel的MCS-96系列16位單片機(jī) ； Microchip的PIC系列RISC單片機(jī) ；TI的MSP430F系列16位低功耗單片機(jī) 。1.4 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域1.4.1 單片機(jī)的特點(diǎn) 近期推出的單片機(jī)產(chǎn)品，內(nèi)部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低電壓、低功耗、串行擴(kuò)展總線、控制網(wǎng)絡(luò)總線和開發(fā)方式（如在系統(tǒng)編程ISP）等方面都有了進(jìn)一步的增強(qiáng)

15、。 控制性能和可靠性高 實(shí)時(shí)控制功能特別強(qiáng)，其CPU可以對(duì)I/O端口直接進(jìn)行操作，位操作能力更是其它計(jì)算機(jī)無(wú)法比擬的。另外，由于CPU、存儲(chǔ)器及I/O接口集成在同一芯片內(nèi)，各部件間的連接緊湊，數(shù)據(jù)在傳送時(shí)受干擾的影響較小，且不易受環(huán)境條件的影響，所以單片機(jī)的可靠性非常高。體積小、價(jià)格低、易于產(chǎn)品化 單片機(jī)芯片即是一臺(tái)完整的微型計(jì)算機(jī)，對(duì)于批量大的專用場(chǎng)合，一方面可以在眾多的單片機(jī)品種間進(jìn)行匹配選擇；同時(shí)還可以專門進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)，使芯片的功能與應(yīng)用具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系；在單片機(jī)產(chǎn)品的引腳封裝方面，有的單片機(jī)引腳已減少到8個(gè)或更少。從而使應(yīng)用系統(tǒng)的印制板減小、接插件減少、安裝簡(jiǎn)單方便。1.4.2 單片

16、機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 智能儀器儀表 單片機(jī)用于各種儀器儀表，一方面提高了儀器儀表的使用功能和精度，使儀器儀表智能化，同時(shí)還簡(jiǎn)化了儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，從而可以方便地完成儀器儀表產(chǎn)品的升級(jí)換代。如各種智能電氣測(cè)量?jī)x表、智能傳感器等。機(jī)電一體化產(chǎn)品機(jī)電一體化產(chǎn)品是集機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，具有智能化特征的各種機(jī)電產(chǎn)品。單片機(jī)在機(jī)電一體化產(chǎn)品的開發(fā)中可以發(fā)揮巨大的作用。典型產(chǎn)品如機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)包裝機(jī)、點(diǎn)鈔機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、打印機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等。實(shí)時(shí)工業(yè)控制單片機(jī)還可以用于各種物理量的采集與控制。電流、電壓、溫度、液位、流量等物理參數(shù)的采集和控制均可以利用單片機(jī)方便地實(shí)現(xiàn)。在

17、這類系統(tǒng)中，利用單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，可以根據(jù)被控對(duì)象的不同特征采用不同的智能算法，實(shí)現(xiàn)期望的控制指標(biāo)，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。典型應(yīng)用如電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、自動(dòng)生產(chǎn)線等 。 分布式系統(tǒng)的前端模塊 在較復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)中，經(jīng)常要采用分布式測(cè)控系統(tǒng)完成大量的分布參數(shù)的采集。在這類系統(tǒng)中，采用單片機(jī)作為分布式系統(tǒng)的前端采集模塊，系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠，數(shù)據(jù)采集方便靈活，成本低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)。家用電器家用電器是單片機(jī)的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域，前景十分廣闊。如空調(diào)器、電冰箱、洗衣機(jī)、電飯煲、高檔洗浴設(shè)備、高檔玩具等。 另外，在交通領(lǐng)域中，汽車、火車、飛機(jī)、航天器等均有單片機(jī)的廣泛應(yīng)用。如汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、航

18、天測(cè)控系統(tǒng)、黑匣子等 。1.5 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)簡(jiǎn)介1.5.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā) 正確無(wú)誤的硬件設(shè)計(jì)和良好的軟件功能設(shè)計(jì)是一個(gè)實(shí)用的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。完成這一目標(biāo)的過(guò)程稱為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。 單片機(jī)作為一片集成了微型計(jì)算機(jī)基本部件的集成電路芯片，與通用微機(jī)相比，它自身沒(méi)有開發(fā)功能，必須借助開發(fā)機(jī)（一種特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）來(lái)完成如下任務(wù)： 排除應(yīng)用系統(tǒng)的硬件故障和軟件錯(cuò)誤； 程序固化到內(nèi)部或外部程序存儲(chǔ)器芯片中。 指令的表示形式指令是讓單片機(jī)執(zhí)行某種操作的命令。在單片機(jī)中，指令按一定的順序以二進(jìn)制碼的形式存放于程序存儲(chǔ)器中。為了書寫、輸入和顯示方便，人們通常將二進(jìn)制的機(jī)器碼寫成十六進(jìn)制形式。如，二進(jìn)制碼0000 0100B可以表示為04H。04H所對(duì)應(yīng)的指令意義是累加器A的內(nèi)容加1。若寫成INC A則要清楚得多，這就是該指令的符號(hào)表示，稱為符號(hào)指令。 匯編或編譯 符號(hào)指令要轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的機(jī)器碼并存入計(jì)算機(jī)的程序存儲(chǔ)器中，這種轉(zhuǎn)換稱為匯編。常用的匯編方法有三種：手工匯編；利用開發(fā)機(jī)