單片機(jī)第1章課件

1.1單片機(jī)的發(fā)展概述1.2單片機(jī)的特點及分類1.3單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

小結(jié)第1章單片機(jī)基礎(chǔ)知識

◆單片機(jī)在一片集成電路芯片上集成微處理器、存儲器、I/O接口電路等，從而構(gòu)成了單芯片微型計算機(jī)，即單片機(jī)。三種應(yīng)用形態(tài)的比較：單板機(jī)單片機(jī)系統(tǒng)機(jī)（多板機(jī)）1.1單片機(jī)的發(fā)展概述單片機(jī)的發(fā)展，主要經(jīng)歷了四個階段：第一階段（1974——1978年）：初級單片機(jī)階段。第二階段（1978——1982年）：高性能8位機(jī)階段。第三階段（1982——1990）：16位單片機(jī)推出階段。第四階段（1990到現(xiàn)在）：單片機(jī)全面發(fā)展階段。1.1.1單片機(jī)的發(fā)展過程1.高性能化2.存儲大容量化3.外圍電路內(nèi)裝化4.片內(nèi)I/O口的改進(jìn)5.低功耗化、寬電壓1.1.2單片機(jī)的發(fā)展趨勢1.1單片機(jī)的發(fā)展概述◆控制性能和可靠性高實時控制功能特別強(qiáng)，其CPU可以對I/O端口直接進(jìn)行操作，位操作能力更是其它計算機(jī)無法比擬的。另外，由于CPU、存儲器及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。1、單片機(jī)的特點1.2單片機(jī)的特點及分類◆按CPU處理字的長度分就CPU處理字的長度而言，有4位、8位、32位單片機(jī)◆按使用范圍分可分為通用單片機(jī)和專用單片機(jī)兩大類2、單片機(jī)的分類1.2單片機(jī)的特點及分類3.主要產(chǎn)品系列

◆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，同時還簡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)品的升級換代。如各種智能電氣測量儀表、智能傳感器等。1.3單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域◆實時工業(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)方便地實現(xiàn)。在這類系統(tǒng)中，利用單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，可以根據(jù)被控對象的不同特征采用不同的智能算法，實現(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、自動生產(chǎn)線等?！魴C(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)、自動化技術(shù)和計算機(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、自動包裝機(jī)、點鈔機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、打印機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等?！艏矣秒娖骷矣秒娖魇菃纹瑱C(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。如汽車自動駕駛系統(tǒng)、航天測控系統(tǒng)、黑匣子等。1.3計算機(jī)運算基礎(chǔ)

1.3.1數(shù)制1.3.2有符號二進(jìn)制數(shù)的編碼1.3.3二進(jìn)制編碼1.3.1數(shù)制

數(shù)制是指數(shù)的制式，是人們利用符號進(jìn)行計數(shù)的科學(xué)方法。數(shù)制有很多種，在計算機(jī)中常用的數(shù)制有十進(jìn)制、二進(jìn)制和十六進(jìn)制。

1.十進(jìn)制

任一個數(shù)中每一位的值可用該位的數(shù)字乘以基數(shù)的冪次來表示，基數(shù)的冪次稱為權(quán)。十進(jìn)制數(shù)各位的權(quán)是以10為底的冪，任何一個十進(jìn)制數(shù)都可用權(quán)展開式來表示。例如：十進(jìn)制數(shù)1986.129可如下式展開：1986.129=1×103+9×102+8×101+6×100+1×10-1

+2×10-2+9×10-3上式中100、101、102、103分別稱為0權(quán)位、1權(quán)位、2權(quán)位、3權(quán)位。

2.二進(jìn)制

二進(jìn)制中共使用0、1兩個數(shù)字符號。

二進(jìn)制數(shù)一般有以下特點：有0、1兩個數(shù)字符號，基數(shù)為2，各位的權(quán)為2n(n為整數(shù))。

運算規(guī)則是加法逢二進(jìn)一、減法借一為二。

用后綴B(Binary)表示二進(jìn)制數(shù)。3.十六進(jìn)制

十六進(jìn)制中共使用0～9及A～F十六個數(shù)字符號，其中A～F相當(dāng)于十進(jìn)制數(shù)的10～15。

十六進(jìn)制數(shù)一般有以下特點：有0～9及A～F十六個數(shù)字符號，基數(shù)為16，各位的權(quán)為16n(n為整數(shù))。

運算規(guī)則是加法逢十六進(jìn)一、減法借一為十六。

用后綴H(Hexadecimal)表示十六進(jìn)制數(shù)。

3.十六進(jìn)制

十六進(jìn)制數(shù)各位的權(quán)是以16為底的冪，任何一個十六進(jìn)制數(shù)都可用權(quán)展開式來表示。例如：十六進(jìn)制數(shù)5D6E.4可如下式展開：5D6E.4H=5×163+13×162+6×161+14×160+4×16-1

=23918.25由上式可知，十六進(jìn)制數(shù)5D6E.4相當(dāng)于十進(jìn)制數(shù)23918.25。

十進(jìn)制數(shù)、二進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)對照表十進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)十六進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)十六進(jìn)制數(shù)000000810008100011910019200102101010A300113111011B401004121100C501015131101D601106141110E701117151111F4.不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換

二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)——采用“四位合一位”法十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)——采用“一位分四位”法二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)——按權(quán)展開后相加

十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)——按權(quán)展開后相加

十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制整數(shù)——采用“除以2取余”法十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制整數(shù)——采用“除以16取余”法十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制小數(shù)——采用“乘2取整”法十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制小數(shù)——采用“乘16取整”法

4.不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換

【例1】

將十進(jìn)制整數(shù)100轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制整數(shù)。解：用2連續(xù)除100，直至商小于2，算式如下：運算結(jié)果：100=1100100B。1.3.3二進(jìn)制編碼

在計算機(jī)中對數(shù)字、字母和字符用二進(jìn)制代碼進(jìn)行編碼的方法很多，二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)越長，所能編碼的數(shù)字、字母和字符就越多。常用的二進(jìn)制編碼有BCD碼、ASCII碼等。

8421BCD碼與十進(jìn)制數(shù)的對應(yīng)關(guān)系表

十進(jìn)制數(shù)8421碼十進(jìn)制數(shù)8421碼十進(jìn)制數(shù)8421碼0000060110121000170111132001081000143001191001154010010165010111171.BCD碼BCD碼的加減法運算與十進(jìn)制運算規(guī)則相同，加法為逢十進(jìn)一、減法為借一為十。

BCD碼加法運算的修正原則：若和的低4位大于9或低4位向高4位有進(jìn)位，則低4位加6；若高4位大于9或高4位向最高位有進(jìn)位，則高4位加6。BCD碼減法運算的修正原則：若差的低4位大于9或低4位向高4位有借位，則低4位減6；若高4位大于9或高4位向最高位有借位，則高4位減6。

ASCII碼字符表

字高低符位位0123456700000101001110010111011100000NULDLESP0@P、p10001SOHDC1!1AQaq20010STXDC2“2BRbr30011ETXDC3#3CScs40100EOTDC4＄4DTdt50101ENQNAK%5EUeu60110ACKSYN&6FVfv70111BELETB‘7GWgw81000BSCAN(8HXhx91001HTEM)9IYjyA1010LFSUB*：JZjzB1011VTESC+；K[k{C1100FFFS，＜L\l|D1101CRGS-=M]m}E1110SORS.＞N↑n～F1111SIUS/?O←oDEL1.4微型計算機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理1.4.1微型計算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1.4.2微型計算機(jī)的工作原理

1.4.1微型計算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

微型計算機(jī)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成，一般把二者構(gòu)成的系統(tǒng)稱為微型計算機(jī)系統(tǒng)。

微型計算機(jī)的硬件主要是由CPU(運算器和控制器)、存儲器、I/O接口和I/O設(shè)備組成，各組成部分之間通過地址總線AB(AddressBus)、數(shù)據(jù)總線DB(DataBus)、控制總線CB(ControlBus)聯(lián)系在一起。微型計算機(jī)的軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。軟件與硬件相輔相成，共同構(gòu)成微型計算機(jī)系統(tǒng)，缺一不可。微型計算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

微型計算機(jī)系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)形式?？偩€結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點：設(shè)計簡單、靈活性好、易于擴(kuò)展、便于故障檢測和維修。AB1.4.2微型計算機(jī)的工作原理

指令是對計算機(jī)發(fā)出的一條條工作命令，命令它執(zhí)行規(guī)定的操作，程序是實現(xiàn)既定任務(wù)的指令序列。

把程序和數(shù)據(jù)送到具有記憶功能的存儲器中保存起來，計算機(jī)工作時只要給出程序中第一條指令的地址，控制器就可依據(jù)存儲程序中的指令順序周而復(fù)始地取出指令、分析指令、執(zhí)行指令，直到執(zhí)行完全部指令為止。

微型計算機(jī)執(zhí)行程序的過程

微型計算機(jī)執(zhí)行程序的過程就是逐條執(zhí)行指令的過程。由于執(zhí)行每一條指令，都包括取指令與執(zhí)行指令兩個基本階段，所以，微機(jī)的工作過程，也就是不斷地取指令和執(zhí)行指令的過程。17+15的加法運算程序如下：

存儲地址機(jī)器語言程序匯編語言程序 注釋

0000H 7411MOVA,#11H ;數(shù)11H送入累加器A

0002H 240F ADDA,#0FH ;數(shù)0FH與累加器A中的11H相加,和送入累加器A

0004H 80FE SJMP＄ ;暫停執(zhí)行程序的過程示意圖

執(zhí)行第一條指令的過程（一）

開始執(zhí)行程序時，必須先給程序計數(shù)器PC賦以第1條指令的首地址0000H，然后就進(jìn)入第一條指令的取指令階段。取第一條指令的步驟如下：①把程序計數(shù)器PC的內(nèi)容0000H送到地址寄存器AR。②程序計數(shù)器PC的內(nèi)容送入AR后，PC自動加1，即由0000H變?yōu)?001H。此時AR的內(nèi)容并沒有變化。③把地址寄存器AR的內(nèi)容0000H通過地址總線AB送至存儲器，經(jīng)地址譯碼器譯碼，選中存儲器相應(yīng)的0000H單元。④CPU控制器發(fā)出讀命令。⑤在讀命令控制下，把所選中的0000H單元中的內(nèi)容即第1條指令的操作碼74H讀到數(shù)據(jù)總線DB上。⑥把讀出的內(nèi)容74H經(jīng)數(shù)據(jù)總線DB送到數(shù)據(jù)寄存器DR。⑦因取出的是指令的操作碼，故把數(shù)據(jù)寄存器DR的內(nèi)容74H送到指令寄存器IR，然后再送到指令譯碼器ID。這就完成了第一條指令的取指令階段，然后轉(zhuǎn)入第一條指令的執(zhí)行階段。

執(zhí)行第一條指令的過程（二）

經(jīng)過對操作碼74H譯碼后，CPU識別出這個操作碼是把下一個存儲單元中的操作數(shù)送入累加器A的雙字節(jié)指令，所以，執(zhí)行第一條指令就必須把指令第2字節(jié)中的操作數(shù)取出來。取第一條指令操作數(shù)的步驟如下：①把程序計數(shù)器PC的內(nèi)容0001H送到地址寄存器AR。②程序計數(shù)器PC的內(nèi)容送到AR后，PC自動加1，變?yōu)?002H。此時AR中的內(nèi)容并沒有變化。③把地址寄存器AR的內(nèi)容0001H通過地址總線AB送至存儲器，經(jīng)地址譯碼器譯碼，選中存儲器相應(yīng)的0001H單元。④CPU控制器發(fā)出讀命令。⑤在讀命令控制下，將選中的0001H單元的內(nèi)容11H讀到數(shù)據(jù)總線DB上。⑥把讀出的內(nèi)容11H經(jīng)數(shù)據(jù)總線DB送到數(shù)據(jù)寄存器DR。⑦因CPU已知這時讀出的是操作數(shù)，且指令要求把它送到累加器A，故把數(shù)據(jù)寄存器DR的內(nèi)容11H經(jīng)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送到累加器A中，于是第一條指令執(zhí)行完畢，進(jìn)入第二條指令的取指令階段。

本章小結(jié)計算機(jī)按規(guī)模、性能、用途和價格來分類，可分為巨、大、中、小、微型計算機(jī)。計算機(jī)技術(shù)已發(fā)展成通用計算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)兩大分支，嵌入式系統(tǒng)一般可分為工業(yè)控制計算機(jī)、通用CPU模塊、嵌入式微處理器和嵌入式微控制器四類。單片機(jī)是經(jīng)典的嵌入式系統(tǒng)，它具有專門為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的體系結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)。單片機(jī)主要特點：集成度高、控制功能強(qiáng)、可靠性高、低功耗、低電壓、外部總線豐富、功能擴(kuò)展性強(qiáng)、體積小、性價比高。單片機(jī)按數(shù)據(jù)處理位數(shù)可分為4位機(jī)、8位機(jī)、16位機(jī)和32位機(jī)，按適用范圍可分為通用型和專用型，按并行總線可分為總線型和非總線型。本章小結(jié)在計算機(jī)中常用的數(shù)制有十進(jìn)制、二進(jìn)制和十六進(jìn)制。不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換都有一定的規(guī)則，如二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)采用“四位合一位”法，十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)采用“一位分四位”法，十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制整數(shù)采用“除2取余”法，十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制整數(shù)采用“除16取余”法，十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制小數(shù)采用“乘2取整”法，十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制小數(shù)采用“乘16取整”法。BCD碼的加減法運算與十進(jìn)制運算規(guī)則相同，但必須對運算結(jié)果進(jìn)行修正。ASCII碼是國際通用的標(biāo)準(zhǔn)編碼，采用7位二進(jìn)制編碼，分為圖形字符和控制字符兩類，共128個字符。本章小結(jié)微型計算機(jī)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。硬件主要是由CPU、存儲器、I/O接口和I/O設(shè)備組成，采用總線結(jié)構(gòu)形式。軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類，程序設(shè)計語言分為三級，分別是機(jī)器語言、匯編語言和高級語言。微型計算機(jī)執(zhí)行程序的過程就是逐條執(zhí)行指令的過程。執(zhí)行每一條指令，都包括取指令與執(zhí)行指令兩個基本階段。

習(xí)題1.十進(jìn)制、二進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)各有什么特點?請舉例加以說明。2.將下列十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制和十六進(jìn)制數(shù)。①255②127③0.123④0.1415⑤45.32⑥1999.083.將下列二進(jìn)制和十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。①1001010B②0.1010111B③1010.11B④1C3H⑤0.A49H⑥EB.0AH4.將下列二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)。①1011011B②0.1010101B③1010.0101B④111000010100.1110101B5.機(jī)器數(shù)、真值、原碼、反碼和補(bǔ)碼如何表示?請舉例加以說明。6.下列是有符號數(shù)的原碼，請寫出其反碼和補(bǔ)碼。①01111011B②10101010B③10000001B④11111111B習(xí)題7.把下列數(shù)看成無符號數(shù)時，對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為多少?若把它們看成有符號數(shù)的補(bǔ)碼，對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)是多少?①10101010B②00110010B③10000001B8.把下列各數(shù)用補(bǔ)碼表示，再按補(bǔ)碼運算規(guī)則分別求出[X+Y]補(bǔ)和[X-Y]補(bǔ)。①X=+46Y=-78②X=+112Y=-519.寫出89和157兩數(shù)的BCD碼，并對這兩個BCD碼進(jìn)行加法運算。10.微型計算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件包括哪些部分?11.結(jié)合圖1-2簡述微型計算機(jī)執(zhí)行一條指令的過程。