單片機(jī)原理及其應(yīng)用

單片機(jī)原理及其應(yīng)用主講教師趙琳第一章單片機(jī)概述1.1什么是單片機(jī)1.1.1計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)巨型機(jī)微型機(jī)通用微機(jī)（PC機(jī)）單片機(jī)——多片機(jī)一臺(tái)能夠工作的微機(jī)要有以下幾個(gè)部分：CPU：中央處理器或微處理器ROM：只讀存儲(chǔ)器RAM：隨機(jī)存儲(chǔ)器I/O：輸入/輸出設(shè)備在個(gè)人計(jì)算機(jī)上這些部分被分成若干塊芯片，安裝在主板上。在單片機(jī)中，這些部分全部被做到一塊集成電路芯片中了，稱為單片機(jī)。1.1.2單片機(jī)的基本組成中央處理器或微處理器CPU總線只讀存儲(chǔ)器ROM輸入/輸出口I/O定時(shí)/計(jì)數(shù)器TIMER中斷隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM1.1.3單片機(jī)的定義SingleChipMicroComputer單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)的簡稱，即SCMC

單片機(jī)是指在一塊芯片上集成以下主要部件：

CPU、ROM、RAM、I/O口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。單片機(jī)也稱為微控制器

MCUMicroControllerUnit單片機(jī)又稱為嵌入式微控制器

EMCUEmbeddedMicroControllerUnit1.1.4單片機(jī)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)1、有優(yōu)異的性價(jià)比2、集成度高、體積小、可靠性高3、控制功能強(qiáng)4、系統(tǒng)擴(kuò)展典型、規(guī)范1.1.5單片機(jī)的分類通用單片機(jī)和專用單片機(jī)通用單片機(jī)是一個(gè)基本芯片，內(nèi)部資源比較豐富，性能全面且通用性強(qiáng)，覆蓋多種應(yīng)用需求。專用單片機(jī)針對某一種產(chǎn)品，或某一種控制應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡；軟硬件資源利用最優(yōu)；可靠性以及經(jīng)濟(jì)成本最佳。本課程介紹MCS-51系列單片機(jī)，屬通用單片機(jī)，其結(jié)構(gòu)和原理對所有單片機(jī)都是適用的。1.1.6單片機(jī)系統(tǒng)、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)是在單片機(jī)芯片的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展其它電路或芯片構(gòu)成的具有一定應(yīng)用功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)為控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)，系統(tǒng)和控制對象結(jié)合在一起。單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)是單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試工具。1.1.7單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)語言種類機(jī)器語言：MachineLanguage

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)只使用機(jī)器語言（指令的二進(jìn)制代碼，又稱指令代碼）。機(jī)器語言指令組成的程序稱目標(biāo)程序。

匯編語言：Assemble

Language與機(jī)器語言指令所對應(yīng)的英文單詞縮寫，稱為指令助記符。匯編語言編寫的程序稱為匯編語言程序。高級(jí)語言：HighLevel

Language高級(jí)語言源程序C-51。1.2單片機(jī)發(fā)展概況1971年Intel公司研制成功世界上第一臺(tái)4位微處理器；1973年Intel公司研制成功80808位微處理器；1976年Intel公司推出MCS-48系列8位單片機(jī)；80年代初在MCS-48單片機(jī)基礎(chǔ)上推出MCS-51單片機(jī)。主要單片機(jī)廠商Intel公司

8048、8051（8位）；8096（16位）；80960（32位）Motorola公司

MC-6801（8位）；68H16（16位）；68HC332（32位）美國Zilog公司；日本NEC公司；荷蘭Philips公司等

由于8位單片機(jī)基本能滿足目前大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的要求，所以目前8位單片機(jī)仍是應(yīng)用主流。1.CPU的發(fā)展CPU字長：8位、16位、32位時(shí)鐘頻率：6MHz、12MHz、20MHz雙CPU結(jié)構(gòu)，處理能力大大提高2.片內(nèi)存儲(chǔ)器的發(fā)展片內(nèi)是相對片外而言：指集成在單片機(jī)芯片內(nèi)的存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)容量擴(kuò)大早期單片機(jī)新型單片機(jī)RAMROM尋址范圍64—128字節(jié)256字節(jié)1—2k字節(jié)1—4k字節(jié)（212）8—16k字節(jié)64k字節(jié)（216）片內(nèi)EPROM開始E2PROM化EPROM：ErasableProgrammableRead-OnlyMemory

可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器E2PROM：電可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器

ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory

能在正常工作電壓下進(jìn)行讀寫，并能在斷電情況下，保持信息不丟失。片內(nèi)程序的保密措施3.片內(nèi)輸入輸出功能加強(qiáng)早期單片機(jī)：并行輸入/輸出口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器現(xiàn)代：大功率輸入/輸出口，可直接驅(qū)動(dòng)

FVD（熒光顯示管）

LCD（液晶顯示器）

LED（數(shù)碼顯示管）

片內(nèi)集成A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、CRT控制器，正弦波發(fā)生器等接口電路。4.單片機(jī)制造工藝提高5.片內(nèi)ROM中固化應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件1.3MCS-51單片機(jī)簡介51子系列：基本型根據(jù)片內(nèi)ROM的配置，對應(yīng)芯片依次為

8031、8051、8751、895152子系列：增強(qiáng)型對應(yīng)芯片依次為8032、8052、8752、8952片內(nèi)ROM形式無ROMEPROME2PROM80318051875189518032805287528952ROM4kBRAM128B尋址64kB計(jì)數(shù)器并行口中斷源I/O特性2×164×858kB256B64kB3×164×8680C51系列80C51是在8051芯片基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。80C51與8051從外形看是完全一樣的，引腳信號(hào)、總線等完全一致（完全兼容），保證在系統(tǒng)擴(kuò)展和接口方面的一致性。指令系統(tǒng)一致（兼容），保證軟件的可移植性?！?/p>

80C51的制造工藝是在8051基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。

8051系列單片機(jī)采用的是HMOS工藝：高速度、高密度

80C51系列單片機(jī)采用的是CHMOS工藝：高速度、高密度、低功耗；即80C51系列是一種低功耗單片機(jī)，常用的產(chǎn)品有：﹡

Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；﹡ATMEL的：89C51、89C52等；﹡

Philips、華邦、Dallas、STC、Siemens(Infineon)等公司的許多產(chǎn)品。80S51系列ISP在線編程功能最高工作頻率提高到33MHz完全兼容全部51子系列產(chǎn)品全新的加密算法典型產(chǎn)品為

ATMEL的89S511.4單片機(jī)的應(yīng)用一、單片機(jī)在儀器儀表中的應(yīng)用：智能儀器、醫(yī)療器械、色譜儀二、工業(yè)應(yīng)用：電機(jī)控制、工業(yè)機(jī)器人、過程控制、數(shù)字控制、智能傳感器等。三、民用方面：電子玩具、錄像機(jī)、數(shù)碼機(jī)四、通訊方面：程控交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)卡、手機(jī)等五、導(dǎo)彈與控制：導(dǎo)彈控制、智能武器裝置六、數(shù)據(jù)處理：打印機(jī)、移動(dòng)硬盤、優(yōu)盤七、汽車方面：點(diǎn)火控制、變速器控制、排氣控制、防滑剎車等。1.5數(shù)制和碼制的簡單回顧1.5.1數(shù)制：是計(jì)數(shù)的規(guī)則。符號(hào)：0，1，···,9規(guī)則：逢十進(jìn)一十進(jìn)制：是日常生活中最熟悉的進(jìn)位計(jì)數(shù)制。二進(jìn)制：是在計(jì)算機(jī)中采用的進(jìn)位計(jì)數(shù)制。

符號(hào)：0，1規(guī)則：逢二進(jìn)一特點(diǎn)：便于實(shí)現(xiàn)，不便記憶字節(jié)：8個(gè)位MSBLSBD7D6D5D4D3D2D1D0位號(hào)：字節(jié)：

有28個(gè)值（0～255）

LSB：最低有效位，D0位

MSB：最高有效位，D7位字：2字節(jié)，16位

有216個(gè)值（0～65535）

MSB：D15位十六進(jìn)制：方便人們對二進(jìn)制數(shù)的閱讀和書寫

符號(hào)：0，1，···,9，A，B，C，D，E，F(xiàn)規(guī)則：逢十六進(jìn)一特點(diǎn)：4位二進(jìn)制→1位十六進(jìn)制為區(qū)分不同進(jìn)制，在數(shù)的結(jié)尾以一個(gè)字母標(biāo)示：十進(jìn)制：D（或不帶字母）二進(jìn)制：B十六進(jìn)制：H部分自然數(shù)的3種進(jìn)制表示

十進(jìn)制二進(jìn)制十六進(jìn)制十進(jìn)制二進(jìn)制十六進(jìn)制00000B0H91001B9H10001B1H101010BAH20010B2H111011BBH30011B3H121100BCH40100B4H131101BDH50101B5H141110BEH60110B6H151111BFH70111B7H1610000B10H81000B8H1710001B11H三種數(shù)制間的轉(zhuǎn)換方法1、二進(jìn)制和十進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換例：求二進(jìn)制數(shù)11010.101相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。（1）二進(jìn)制→十進(jìn)制：按權(quán)相加法：將各位二進(jìn)制的權(quán)值乘上系數(shù)，相加11010.101B＝1×24＋1×23＋

0×22＋1×21＋0×20＋1×2－1＋0×2－2＋1×2－2=26.625常用二進(jìn)制的權(quán)16…13121110987654321065536…81924096204810245122561286432168421－1－2－3－40.50.250.1250.0625（2）十進(jìn)制→二進(jìn)制：十進(jìn)制整數(shù)：除2取余法直到商為零高低十進(jìn)制小數(shù)：乘2取整法例：將十進(jìn)制純小數(shù)0.562轉(zhuǎn)換成誤差不大于2-6的二進(jìn)制數(shù)。高低2、十六進(jìn)制和十進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換（1）十六進(jìn)制→十進(jìn)制：按權(quán)相加法7A.58H＝7×161＋A×160＋5×16－1＋8×16－2=122.34375例：求十六進(jìn)制數(shù)7A.58H相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。（2）十進(jìn)制→十六進(jìn)制：十進(jìn)制整數(shù)：除16取余法例：求3901所對應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)。

3901

16

243

16

15

16

0余數(shù)

15

13

3

→F

→D

→3高低故3901=F3DH十進(jìn)制小數(shù)：乘16取整法（類似于十進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制小數(shù)）3、二進(jìn)制和十六進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換例：把二進(jìn)制數(shù)1101111100011.100101轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)。0001101111100011.10010100=1BE3.94H例：把十六進(jìn)制數(shù)3AB.7A5轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。3AB.7A5H

=001110101011.011110100101B1.5.3計(jì)算機(jī)中帶符號(hào)數(shù)的表示一、機(jī)器數(shù)及其真值

數(shù)本身稱為真值

數(shù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示形式稱為機(jī)器數(shù)例：正數(shù)

+1000101B（+45H）真值

1000101B0（45H）機(jī)器數(shù)例：負(fù)數(shù)－1010101B（－

55H）真值

1010101B1

（D5H）機(jī)器數(shù)機(jī)器數(shù)通常有原碼、反碼和補(bǔ)碼三種形式。二、原碼和反碼原碼：最高位為符號(hào)位，數(shù)值為絕對值

反碼：

正數(shù)的反碼：與其原碼相同

負(fù)數(shù)的反碼：原碼的符號(hào)位不變（為1），其余位取反帶符號(hào)正數(shù)+1000101B(+45H)，原碼為01000101B(45H)，反碼為01000101B(45H)帶符號(hào)負(fù)數(shù)-1010101B(-55H)，原碼為11010101B(D5H)，反碼為10101010B(AAH)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)碼計(jì)算機(jī)中，帶符號(hào)數(shù)的運(yùn)算均采用補(bǔ)碼。設(shè)二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)為n，則模為2n。二進(jìn)制數(shù)的模：

例：8位二進(jìn)制數(shù)的模為2^8，即256。

二進(jìn)制數(shù)的補(bǔ)碼：

正數(shù)不變，負(fù)數(shù)即用模減去絕對值。已知一個(gè)數(shù)X，其

8位字長的補(bǔ)碼定義為：負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼，就是用100000000，減去該數(shù)字的絕對值[X]補(bǔ)

=X，

0≤X≤+127；28

－|X|，

－128≤X＜0；（正數(shù)和0的補(bǔ)碼，是其本身）例：負(fù)數(shù)

-1010101B（-55H）真值原碼反碼補(bǔ)碼+12701111111B01111111B01111111B（7FH）+12601111110B01111110B01111110B（7EH）············+100000001B00000001B00000001B（01H）+000000000B00000000B00000000B（00H）-010000000B11111111B00000000B（00H）-110000001B11111110B11111111B（FFH）············-12611111110B10000001B10000010B（82H）-12711111111B10000000B10000001B（81H）-128------------------10000000B（80H）

正數(shù)的補(bǔ)碼、反碼、原碼均相同

負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是反碼加1（但“－0”與“－128”除外）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。

8位二進(jìn)制數(shù)，其原碼、反碼、補(bǔ)碼所能表示的范圍是不同的。已知一個(gè)負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼求其真值的方法是：

對該補(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）;

依原碼求真值。補(bǔ)碼為：11111111B求補(bǔ)得：10000001B真值為：-1

原碼易于被人們識(shí)別，但運(yùn)算復(fù)雜，符號(hào)位需要單獨(dú)處理；

補(bǔ)碼雖不易被人們識(shí)別，但方便運(yùn)算。有符號(hào)數(shù)用補(bǔ)碼表示后，計(jì)算機(jī)運(yùn)算后的結(jié)果仍是補(bǔ)碼；符號(hào)位和數(shù)值位一起參加運(yùn)算，符號(hào)位的進(jìn)位略去不計(jì)。1.補(bǔ)碼加法運(yùn)算[X＋Y]補(bǔ)＝[X]補(bǔ)＋[Y]補(bǔ)

例：已知X=+19，Y=－7，求X+Y的二進(jìn)制值。[X＋Y]補(bǔ)＝[X]補(bǔ)＋[Y]補(bǔ)

=[+19]補(bǔ)＋[－7]補(bǔ)

[+19]補(bǔ)

=00010011B+[－7]補(bǔ)

=11111001B[X＋Y]補(bǔ)

=100001100B真值為：+0001100B2.補(bǔ)碼減法運(yùn)算[X－Y]補(bǔ)＝[X]補(bǔ)＋[－Y]補(bǔ)

例：已知X=+6，Y=+25，求X－Y的二進(jìn)制值。[X－Y]補(bǔ)＝[X]補(bǔ)＋[－Y]補(bǔ)

=[+6]補(bǔ)＋[－25]補(bǔ)

[+6]補(bǔ)

=00000110B+[－25]補(bǔ)

=11100111B[X＋Y]補(bǔ)

=

11101101B真值為：－

0010011B參加運(yùn)算的數(shù)及運(yùn)算結(jié)果不能超出8位數(shù)所能表示的范圍，否則運(yùn)算會(huì)出現(xiàn)溢出，運(yùn)算結(jié)果就不正確。注意對有符號(hào)數(shù)，采用補(bǔ)碼時(shí)，8位數(shù)的表示范圍是：

-128

～+127對無符號(hào)數(shù)，8位數(shù)的表示范圍是：

0

～255（00000000～

11111111）1.5.2編碼計(jì)算機(jī)中數(shù)字、字母以和符號(hào)要進(jìn)行二進(jìn)制編碼。

遵循一定的規(guī)則編制代碼，稱為編碼。

BCD碼----十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制編碼1.8421BCD碼十進(jìn)制數(shù)BCD碼十進(jìn)制數(shù)BCD碼00000B50101B10001B60110B20010B70111B30011B81000B40100B91001B二進(jìn)制碼在1010B~1111B范圍時(shí)，屬于非法碼。

（壓縮）BCD碼：1個(gè)字節(jié)表示2位十進(jìn)制數(shù)的編碼十進(jìn)制數(shù)BCD碼00000B10001B20010B30011B40100B50101B60110B70111B81000B91001B十進(jìn)制數(shù)BCD碼1000010000B1100010001B1200010010B······2000100000B2100100001B······9710010111B9810011000B9910011001B注意