第1章單片機基礎(chǔ)

第1章單片機基礎(chǔ)本章學(xué)習(xí)要點本章主要講述計算機和單片機系統(tǒng)的基本知識。通過學(xué)習(xí)本章內(nèi)容要求了解計算機和單片機的發(fā)展概況、趨勢、硬件系統(tǒng)組成和各功能部件的作用；掌握二進制數(shù)、十進制數(shù)和十六進制數(shù)之間的換算關(guān)系；熟悉二進制四則運算的方法；了解二進制原碼、反碼和補碼的表示方法；了解BCD碼和ASCII碼。

1.1概述

1.1.1計算機發(fā)展概況1.計算機的誕生1945年底，世界上第一臺使用電子管制造的電子數(shù)字計算機在美國賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院研制成功，并在1946年2月15日舉行了計算機的正式揭幕典禮。2.計算機的發(fā)展第一代計算機是電子管計算機（1945~1954年）。第二代計算機是晶體管計算機（1955~1964年）。第三代計算機是集成電路計算機（1965~1971年）。第四代計算機是大規(guī)模集成電路計算機。第五代計算機（可能）應(yīng)用生物技術(shù)、納米技術(shù)和量子技術(shù)。使用了18000個電子管，1500個繼電器，總體積約90立方米，重達(dá)30噸，占地150平方米，需要用一間30多米長的大房間才能存放。

1.1.2計算機分類計算機可分為模擬計算機和數(shù)字計算機兩大類。數(shù)字計算機按用途又可分為專用計算機和通用計算機。通用機按規(guī)模分為巨型機、大中小型機、微型機及單片機。

1.1.3單片機的特點及主要應(yīng)用領(lǐng)域

單片機，是指在一塊芯片上集成了中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、程序存儲器ROM、EPROM、EEPROM、定時/計數(shù)器、中斷控制器以及串行口，并行I/O接口等部件，構(gòu)成的一個完整的微型計算機系統(tǒng)。見教學(xué)視頻數(shù)字鐘視頻1.單片機的特點從結(jié)構(gòu)上看，單片機不但與通用微型計算機一樣，是一個有效的數(shù)據(jù)處理機，而且是一個功能很強的過程控制機。從某種意義上講，一塊單片機就具有一臺微型計算機的功能，只需要加上所需要的輸入/輸出設(shè)備，就可以構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，從而滿足各應(yīng)用領(lǐng)域的需要。

單片機與通用微機的相同功能部分在具體構(gòu)造中存在許多不同。正因如此，單片機與通用微機是兩個不同的發(fā)展分支。

⑴通用微機的CPU主要面向數(shù)據(jù)處理，其發(fā)展主要圍繞數(shù)據(jù)處理功能、計算速度和精度的進一步提高。單片機主要面向控制，因為控制中的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)處理相對簡單，所以單片機的數(shù)據(jù)處理功能比通用微機相對要弱一些，計算速度和精度也要相對低一些。⑵通用微機中存儲器組織結(jié)構(gòu)主要是針對增大存儲容量和CPU對數(shù)據(jù)的存取速度。單片機中存儲器的組織結(jié)構(gòu)比較簡單，存儲器芯片直接掛接在單片機的總線上，CPU對存儲器的讀寫直接用物理地址來尋址存儲單元。⑶通用微機中I/O接口主要考慮標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)（如CRT、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、鼠標(biāo)、打印機、硬盤、光盤等）。即插即用。但單片機應(yīng)用系統(tǒng)的外設(shè)都是非標(biāo)準(zhǔn)的，且千差萬別，種類很多。2.單片機的主要應(yīng)用領(lǐng)域因單片機具有體積小、重量輕、價格便宜、功耗低、控制功能強等特點，故在國民建設(shè)、軍事及家用電器等領(lǐng)域均得到廣泛的應(yīng)用。單機應(yīng)用：測控系統(tǒng)：溫室控制、生產(chǎn)線控制。智能儀表：生產(chǎn)自動化、樓宇自動化。機電一體化：數(shù)控機床、電腦雕刻機、醫(yī)療器械。智能接口：數(shù)據(jù)處理。智能民用產(chǎn)品：家用電器、玩具、收銀機。多機應(yīng)用：智能路燈控制系統(tǒng)。1.2單片機的發(fā)展歷史及典型機型

1.2.1單片機的發(fā)展歷史

自1971年美國Intel公司制造出第一塊4位處理器以來，在短短的20余年間，單片機技術(shù)已發(fā)展成為計算機技術(shù)中一個非常有活力的分支，它有自己的技術(shù)特征、規(guī)范、發(fā)展道路和應(yīng)用環(huán)境。其發(fā)展十分迅猛，到目前為止，大致可分為以下幾個階段。4位單片機8位單片機16位單片機32位單片機本書以8位機為主介紹1.4位單片機1971年11月，Intel公司設(shè)計了集成度為2000只晶體管/片的4位微型處理器Intel4004，并配有RAM、ROM和移位寄存器，構(gòu)成第一臺4位微處理器。這種微處理器雖僅用于簡單控制，但價格便宜，至今仍不斷有多功能的4位機問世。4位單片機主要用于家用電器、電子玩具等。2.8位單片機1976年9月，美國Intel公司首先推出了MCS-48系列8位單片機以后，單片機發(fā)展進入了一個新階段，8位單片機紛紛應(yīng)運而生。隨著集成電路工藝水平的提高，在1978年到1983年期間集成度提高到幾萬只管/片，因而一些高性能的8為單片機相繼問世，例如MCS-51系列8位單片機。因此，把這類單片機稱為高檔8為單片機。3.16位單片機Intel公司于1983年推出16位單片機8096，其它公司也相繼推出了同檔次的產(chǎn)品。由于16位單片機采用了最新的制造工藝，其計算速度和控制功能也大幅度提高，具有很強的實時處理能力。4.32位單片機近年來，各個計算機生產(chǎn)廠家已經(jīng)進入更高性能的32位單片機研制、生產(chǎn)階段。由于控制領(lǐng)域?qū)?2位單片機需求并不十分迫切，所以32位單片機的應(yīng)用并不是很多。

單片機的發(fā)展并沒有出現(xiàn)推陳出新、以新代舊的局面。4位、8位、16位單片機仍各有應(yīng)用領(lǐng)域，4位單片機在一些簡單家用電器、高檔玩具中仍有應(yīng)用；8位單片機在中、小規(guī)模應(yīng)用場合仍占主流地位；16位單片機在比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)應(yīng)用。1.2.2常用單片機的機型目前單片機產(chǎn)品多達(dá)50個系列，300多種型號。國內(nèi)單片機應(yīng)用中常見的有Intel公司的MCS系列，ATMEL公司的89系列和AVR系列，Philips公司的80C51系列，MicroChip公司的PIC16系列，臺灣凌陽61系列，和國內(nèi)STC等，其中對Intel公司的MCS系列產(chǎn)品做如下簡要介紹。MCS系列單片機是Intel公司生產(chǎn)的單片機的總稱。Intel公司是生產(chǎn)單片機的創(chuàng)始者，其產(chǎn)品在單片機的各個發(fā)展階段具有代表性。Intel公司生產(chǎn)的單片機大體上可分為三大系列：MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列。三大系列產(chǎn)品如表1-1所示。表1-1MCS系列單片機主要機型系列型號片內(nèi)存儲器（字節(jié)）片外存儲器直接尋址（字節(jié)）I/O口線中斷源定時器/計數(shù)器（個×位）ROM/EPROMRAMRAMEPROM并行串行MCS48（8位）8048874880358049874980391K//1K—2K//2K—6464641281281282562562562562562564K4K4K4K4K4K272727272727—2222221×81×81×81×81×81×8MCS51（8位）80518751803180528752803280C5180C3187C514K//4K—8K//8K—4K/—/4K12812812825625625612812812864K64K64K64K64K64K64K64K64K64K64K64K64K64K64K64K64K64K323232323232323232UARTUARTUARTUARTUARTUARTUARTUARTUART5556665552×162×162×163×163×163×162×162×162×16MCS96（16位）8094809580968097————23223223223264K64K64K64K64K64K64K64K32324848UARTUARTUARTUART88884×164×164×164×161.3計算機中的數(shù)制及相互轉(zhuǎn)換

1.3.1計算機中的數(shù)的表示方法在日常生活中人們最熟悉的是十進制數(shù)，但在計算機中，采用二進制數(shù)“0”和“1”可以很方便地表示機內(nèi)的數(shù)據(jù)與信息。在編程時，為了便于閱讀和書寫，人們還常用八進制數(shù)或十六進制數(shù)來表示二進制數(shù)。1.BCD碼的定義及運算

人們習(xí)慣使用十進制數(shù)，為使計算機能識別、存儲十進制數(shù)，并能直接識別十進制數(shù)進行運算，需要對十進制數(shù)進行編碼。將十進制數(shù)表示為二進制編碼的形式，稱為二—十進制編碼，即BCD(BinaryCodedDecimal)碼。1位十進制數(shù)有0～9共10個不同的數(shù)碼，至少需要4位二進制數(shù)表示。4位二進制數(shù)有16種組合，取其中10種組合代表10個十進制數(shù)碼。最常用的方法是8421BCD碼，其中8、4、2、1分別為4位二進制數(shù)的位權(quán)值。表1-3給出了十進制和8421BCD碼的對應(yīng)關(guān)系。表1-28421BCD編碼表十進制數(shù)8421BCD碼十進制數(shù)8421BCD碼00000501011000160110200107011130011810004010091001

例如寫出69.25的BCD碼：根據(jù)表1-3,可直接寫出相應(yīng)的BCD碼:69.25=（01101001.00100101）BCD例如2.ASCII碼

目前國際上比較通用的是1963年美國標(biāo)準(zhǔn)會ANSI制訂的美國國家信息交換標(biāo)準(zhǔn)字符碼(AmericanStandardCodeforInformationInterchange),簡稱ASCII碼，它的編碼如表1-3所示，從表中可見，ASCII碼采用二進制編碼，它包括26個大寫英文字母；26個小寫英文字母；10個數(shù)字0～9；32個通用控制符號；34個專用符號，共128個字符。表1-3ASCII碼表例如1.3.2進位計數(shù)制1.十進制有10個不同的數(shù)字符號：0、1、2…、9；低位向高位進位的規(guī)律是“逢十進一”。2.二進制數(shù)在二進制數(shù)中，只有兩個不同數(shù)碼：0和1，進位規(guī)律為“逢二進一”。3.八進制數(shù)八進制數(shù)有0、1、2、…、7共8個不同的數(shù)碼，采用“逢八進一”的原則進行計數(shù)。4.十六進制 十六進制中有0、1、2、…9、A、B、C、D、E、F共16個不同的數(shù)碼，進位方法是“逢十六進一”。表1-4各種進位之間的關(guān)系十進制二進制八進制十六進制十進制二進制八進制十六進制000091001119111110101012A2102211101113B3113312110014C41004413110115D51015514111016E61106615111117F71117716100002010810001081.3.3進位計數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換

１.二、八、十六進制數(shù)轉(zhuǎn)化成十進制數(shù)根據(jù)各進制的定義表示方式，按權(quán)展開相加，即可將二進制數(shù)、八進制數(shù)、十六進制數(shù)轉(zhuǎn)化成十進制數(shù)?！纠?-1】將數(shù)(10.101),(46.12),(2D.A4)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)。

2.十進制數(shù)轉(zhuǎn)化成二、八、十六進制數(shù)任意十進制數(shù)N轉(zhuǎn)化成R進制數(shù)，需將整數(shù)部分和小數(shù)部分分開，采用不同的方法分別進行轉(zhuǎn)換，然后用小數(shù)點將兩個部分連接起來。注意學(xué)會使用計算器注意學(xué)會使用計算器(1)整數(shù)部分：除基取余法。分別用基數(shù)R不斷的去除N的整數(shù)，直到商為零為止，每次所得的余數(shù)依次排列即為相應(yīng)進制的數(shù)碼。最初得到的為最低有效數(shù)字，最后得到的位最高有效數(shù)字?！纠?-2】將(168)轉(zhuǎn)換成二、八、十六進制數(shù)。(2)小數(shù)部分：乘基取整法。分別用基數(shù)R（R=2、8或16）不斷得去乘N的小數(shù)，直到積的小數(shù)部分為零（或直到所要求的位數(shù)）為止，每次乘得的整數(shù)依次排列即為相應(yīng)進制的數(shù)碼。最初得到的為最高有效數(shù)字，最后得到的為最低有效數(shù)字。

【例1-3】將(0.645)轉(zhuǎn)換成二、八、十六進制數(shù)（用小數(shù)點后五位表示）3.二進制與八進制之間的相互轉(zhuǎn)換

4.二進制數(shù)與十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換由于2X2X2X2=16，故可采用“合四為一”的原則，每位十六進制數(shù)分別向左、右兩邊各以4位為一組進行二—十六換算；若不足4位以0補足，即可將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)。反之，采用“一分為四”的原則，將每位十六進制數(shù)用四位二進制數(shù)表示，便可將十六進制數(shù)轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)。在程序設(shè)計中，為了區(qū)分不同進制的數(shù)，通常在數(shù)的后面加字母作為標(biāo)注。其中，字母B表示二進制數(shù)；字母D或不加字母表示十進制數(shù)；字母H表示十六進制數(shù)。如1101B、57Q、512D、3AH等。要求達(dá)到口算程度熟練掌握熟練掌握1.4二進制數(shù)的運算

二進制數(shù)只有0和1兩個數(shù)字，其算術(shù)運算較為簡單，加、減法遵循“逢二進一”、“借一當(dāng)二”的原則。1.4