單片機原理及接口技術(shù)

單片機原理及接口技術(shù)

前修課程：數(shù)模電、微機原理

學(xué)習(xí)目的：掌握MCS-51單片機的硬件組成、運行原理和指令集，提高軟硬件應(yīng)用技術(shù)。應(yīng)用對象：家用電器、儀器儀表、自動控制系統(tǒng)。優(yōu)勢：價格便宜、功能齊全。

第一章微機基礎(chǔ)知識

§1-1微處理器、微機和單片機的概念§1-2

計算機中數(shù)制和編碼§1-3

計算機中數(shù)的表示方法§1-4

二進制數(shù)的運算§1-1微處理器、微機和單片機的概念一、微處理器：（芯片）

微處理器（CPU）是微機的核心部件，完成控制和運算功能。

1.運算器（ALU）：完成算術(shù)運算和邏輯運算的場所算術(shù)運算：加、減、乘、除，BCD碼運算邏輯運算：與、或、異或、測試

2.控制器：由計數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時序發(fā)生器、操作控制器。負責(zé)整機控制，協(xié)調(diào)各部件工作。二、微型計算機：（計算機）

微處理器（CPU）存儲器：存放程序和數(shù)據(jù)輸入輸出接口：用于將外部設(shè)備與CPU和存儲器相連接系統(tǒng)總線：CPU向存儲器及接口電路提供地址、數(shù)據(jù)及控制信息的通路三、微型計算機系統(tǒng)

微型計算機輸入輸出設(shè)備系統(tǒng)軟件

四、單片機

單片機的全稱為單片微型計算機（SingleChipMicrocomputer）。將微處理器（CPU）、一定容量的ROM和RAM、定時/計數(shù)器、并/串行口等電路集成在一塊芯片上，構(gòu)成單片微型計算機，簡稱單片機。第一階段：單片機初級階段。單片機的發(fā)展始于1974年，到了1976年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機，將CPU、存儲器、I/O接口、定時器/計數(shù)器集成在一塊芯片上，使計算機完成了單芯片化。第二階段：單片機完善階段。此階段單片機的功能及體系結(jié)構(gòu)得到了不斷的完善。1980年，Intel公司在MCS-48系列單片機的基礎(chǔ)上增添了I/O串行口，增大了存儲器容量，完善了中斷系統(tǒng)（設(shè)置了5個中斷源，2個優(yōu)先級），定時器/計數(shù)器為16位的，在內(nèi)部存儲器上設(shè)置了位地址空間，提供位操作指令，推出了高性能的MCS-51系列單片機。五、單片機的發(fā)展史四個階段第三階段：微控制器形成階段。為了更高的測控應(yīng)用，需要對單片機的外圍接口電路進行增強與完善，如數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）、高速I/O接口、程序監(jiān)視定時器（WDT）等，盡量將外圍功能集成在芯片內(nèi)部。

第四階段：微控制器技術(shù)成熟階段。隨著技術(shù)的不斷成熟，國內(nèi)外對單片機的開發(fā)和研制競爭異常激烈，極大地豐富了微控制器的類型，功能不斷地完善，成本降低，外圍電路減少，可靠性不斷提高。

§1-2

計算機中數(shù)制和編碼1、數(shù)制

所謂的數(shù)制是指數(shù)的制式，是人們利用符號計數(shù)的一種科學(xué)方法。一個r進制數(shù)按權(quán)展開，其表達式為：

一、數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)化

二進制B

（Binary）

八進制Q或O（Octal）

十六進制H（Hexadecimal）

十進制D或者省略(Decimal)2、進制轉(zhuǎn)換

不同數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換

1）任意進制轉(zhuǎn)換十進制（N-十轉(zhuǎn)換）

加權(quán)求和

N——計數(shù)的基數(shù)Ni——第i位的權(quán)

a.11010.01B

=1×24+1×23+0×22+1×21+0×20+0×2-1+1×2-2

=26.25Db.19B.ABH=1×162+9×161+11×160+10×16-1+11×16-2=256+144+11+0.625+0.04296875=411.66796875D2972482242122623210余數(shù)為1,

余數(shù)為0,

余數(shù)為0,

余數(shù)為0,

余數(shù)為0,

余數(shù)為1,

余數(shù)為1,

2）十－二轉(zhuǎn)換

整數(shù)部分——除2（基）取余法小數(shù)部分——乘2（基）取整法

a.97.6875=?B

整數(shù)部分97

高

低

97D=1100001B小數(shù)部分0.6875

0.6875

×?2

1.3750 整數(shù)部分為1，

0.3750 余下的小數(shù)部分

×2

0.7500 整數(shù)部分為0，

0.7500 余下的小數(shù)部分

×2

1.5000 整數(shù)部分為1，

0.5000 余下的小數(shù)部分

×?2

1.0000 整數(shù)部分為1，

0.0000 余下的小數(shù)部分為0，結(jié)束

低

高

0.6875D=0.1011B97.6875=1100001.1011B注意：

任何十進制整數(shù)都可以精確地轉(zhuǎn)換成一個二進制整數(shù)，但任何十進制小數(shù)卻不一定可以精確地轉(zhuǎn)換成一個二進制小數(shù)。3）二－十六轉(zhuǎn)換

1110110101100.10101B=?H

1110110101100.10101

0001110110101100.10101000

1DAC.A8

↓↓↓↓↓↓1110110101100.10101B=1DAC.A8H四位一畫，兩頭補04）十六－二轉(zhuǎn)換（注意舍0）39F.E1AH=?B

3

9

F.E

1

A001110011111.111000011010↓

↓

↓

↓

↓

↓

=1110011111.11100001101B39F.E1AH=0011

1001

1111.11100001

1010B5）十－十六、十－八轉(zhuǎn)換

余數(shù)為1,

余數(shù)為6,

1697

166商為0

0.6875

1611.000

0.000整數(shù)部分為11，即B余下的小數(shù)部分為0，結(jié)束余數(shù)為1,余數(shù)為4,余數(shù)為1,8

97

812

81

商為0

0.6875 ×8 5.5000整數(shù)部分為5，

0.5000余下的小數(shù)部分

×8 4.0000整數(shù)部分為4，

0.0000余下的小數(shù)部分

結(jié)束97.6875=?H97.6875=?Q97.6875=61.BH=141.54Q二進制數(shù)、八進制數(shù)、十進制數(shù)和十六進制數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系

整數(shù)小數(shù)二進制八進制十進制十六進制二進制八進制十進制十六進制0000B00Q00H0B0Q00H0001B01Q11H0.1B0.4Q0.50.8H0010B02Q22H0.01B0.2Q0.250.4H0011B03Q33H0.001B0.1Q0.1250.2H0100B04Q44H0.0001B0.04Q0.06250.1H0101B05Q55H0.00001B0.02Q0.031250.08H0110B06Q66H0.000001B0.01Q0.0156250.04H0111B07Q77H…………1000B10Q88H1001B11Q99H1010B12Q10AH1011B13Q11BH1100B14Q12CH1101B15Q13DH1110B16Q14EH1111B17Q15FH

1、BCD碼——二－十進制碼

一種二進制形式的十進制碼，用4位二進制數(shù)表示一位十進制數(shù)，最常用的是8421BCD碼。1）非壓縮（非組合）的BCD碼：一個字節(jié)內(nèi)只表示一位BCD碼，高位空。2）壓縮（組合）的BCD碼：一個字節(jié)內(nèi)有兩位BCD碼83.123D=0000100000000011.000000010000001000000011BCD（非壓縮形式）=10000011.0001001000110000BCD

（壓縮形式）二、計算機中常用編碼8421BCD碼表

2、ASCII碼

字母、數(shù)字、符號等的二進制編碼。是一種字符編碼，是美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼的簡稱。

共128種字符，每個ASCII碼占用1個字節(jié)，最高位為0，后7位進行編碼。

當(dāng)作符號的數(shù)字0～9的ASCII碼：30H～39H

字母A～Z的ASCII碼：41H～5AH

字母a～z的ASCII碼：61H～7AHASCII碼表§1-3

計算機中數(shù)的表示方法

以二進制形式存儲和運算每類數(shù)據(jù)占據(jù)固定長度的二進制數(shù)位。處理整數(shù)（無符號數(shù)，帶符號數(shù)），浮點數(shù)。一、機器數(shù)與真值

1.機器數(shù) 規(guī)定帶符號數(shù)的最高位為符號位，通常用“0”表示正數(shù)，“1”表示負數(shù)。例如：8位計算機中+65D=01000001B，

-65D=11000001B。這些連同符號位一起作為能被計算機識別的數(shù)稱為機器數(shù)，而把這個數(shù)本身代表的真實值稱為機器數(shù)的真值（一般用十進制表示）。2.機器數(shù)的字長

1word=16bit1byte=8bit1doubleword=32bit

二、數(shù)的定點和浮點表示

用機器數(shù)來表示帶小數(shù)點的數(shù)通常有兩種表示方法，即定點表示法和浮點表示法。定點表示法的優(yōu)點是運算規(guī)則簡單，但它能表示數(shù)的范圍沒有相同位數(shù)的浮點表示法大。

浮點數(shù)是都由階碼和尾數(shù)兩部分組成，其中階碼部分包括階符和階碼，尾數(shù)部分包括數(shù)符和尾數(shù)。在定點表示法中，小數(shù)點在數(shù)中的位置是固定不變的。浮點表示法的優(yōu)點是數(shù)的表示范圍大，缺點是運算規(guī)則復(fù)雜，通常要階碼和尾數(shù)分別進行運算。三、帶符號數(shù)

用0表示正數(shù)，用1表示負數(shù)，這種表示數(shù)的方法，稱為帶符號數(shù)，帶符號數(shù)有3種表示形式。1.原碼記作（±N）原碼最高位是符號位，符號位之后是該數(shù)的絕對值。01101000符號位數(shù)值部分①＋2201101001符號位數(shù)值部分②－228位原碼表示數(shù)的范圍：-127～+12700000000B～01111111B0～127即0～27-110000000B～11111111B0～-127即0～-(27-1)n位原碼表示數(shù)的范圍：

-(2n-1-1)～2n-1-10有兩種表示方式：（＋0）原碼＝00000000B

（－0）原碼＝10000000B不適合進行計算

原碼表示帶符號帶符號數(shù)相當(dāng)簡便、直觀，適用乘法、除法或同符號數(shù)相加。但對于不同符號的數(shù)進行加、減運算時就變得復(fù)雜了。

例：N1=+10101B，N2=-10101B，試寫出N1和N2在8為字長的計算機中原碼。解：

（N1）原=00010101B數(shù)值不變“0”表示正數(shù)（N2）原=100010101B數(shù)值不變“1”表示正數(shù)2.反碼記作（±N）反碼正數(shù)的反碼與其原碼相同；負數(shù)的反碼在其正數(shù)原碼的基礎(chǔ)上按位求反。

0有兩種表示方式：（＋0）反碼＝00000000B

（－0）反碼＝11111111B不適合進行計算n位原碼表示數(shù)的范圍：

-(2n-1-1)～2n-1-1。例：求+13，-13的反碼。解：

（+13）反碼

=（+13）原碼

=00001101B（-13）原=10001101B（-13）反=11110010B各位取反符號位不變正數(shù)的補碼與其原碼相同；負數(shù)的補碼在其正數(shù)原碼（無符號數(shù)）的基礎(chǔ)上求反加1。①

＋112②－112（＋112）原碼＝01110000B（＋112）補碼＝01110000B（－112）補碼＝10010000B01110000B→（求反）10001111B→（+1）10010000B

求補運算←→求反加13.補碼記作（±N）補碼

0的表示方式只有一種：（＋0）補碼＝00000000B

（－0）補碼＝11111111B+1＝(1)00000000B

＝00000000B

求補的方法二：從右邊開始首先碰到的0和第一個1不變，其余按位求反。（＋112）原碼＝01110000B

（－112）補碼＝10010000B右左8位補碼表示數(shù)的范圍：-128～+127n位補碼表示數(shù)的范圍：-2n-1～2n-1-1

注意：

1）補碼≠負數(shù)

2）求補≠補碼

3）使用補碼可以把兩個數(shù)的減法化為加法

98－76＝98＋（－76）01100010B－01001100B＝01100010B＋10110100B01100010B01100010B

－01001100B＋10110100B00010110B00010110B

對于正數(shù)，機器數(shù)所表示的真值均相等。對于負數(shù)，機器數(shù)所表示的真值不一定相等，由機器碼的類型決定。

例：二進制數(shù)10000000B分別作原碼、反碼和補碼看，其十進制真值分別是多少？

判斷：1開頭，負數(shù)原碼：真值：－0

反碼：在正數(shù)原碼的基礎(chǔ)上按位求反得到正數(shù)原碼：真值：－127

補碼：在正數(shù)原碼的基礎(chǔ)上求反＋1得到減1：正數(shù)原碼（無符號數(shù)）：

真值：－12800000001符號位數(shù)值部分011111110111111110000000四、無符號數(shù)

無符號數(shù)二進制表示沒有符號位，皆為數(shù)值位。8位無符號二進制數(shù)表示數(shù)的范圍：0～+255n位無符號二進制數(shù)表示數(shù)的范圍：0～+2n-1

一些典型值§1-4

二進制數(shù)的運算一、算術(shù)運算1.加法運算 二進制加法運算的法則為：0+0=01+0=0+1=11+1=10 （向近鄰高位有進位）1+1+1=11 （向近鄰高位有進位）

例：設(shè)有兩個二進制數(shù)X=10110110，Y=11011001，試求該兩個二進制數(shù)的相加和，X+Y=？解：按照二進制數(shù)加法運算法則，得到：

10110110BX+11011001BY110001111BX+Y2.減法運算 二進制數(shù)減法法則：0-0=01-0=11-1=0 0-1=1 （向近鄰高位借位1）例：設(shè)有兩個二進制數(shù)X=11011001，Y=10010111，試求該兩個二進制數(shù)的相減，X-Y=？解：按照二進制數(shù)的減法法則，得到：11011001B-10010111BX-Y=01000010B3.乘法運算 二進制數(shù)乘法法則：1×0=0×1=01×1=1例:設(shè)有兩個二進制數(shù)X=1101，Y=1011，試求該兩個二進制數(shù)的相乘，X×Y=？解：

1101

0000+11011101B×1011BX×Y=10001111B

11014.除法運算 除法運算是乘法運算的逆運算。與十進制數(shù)除法運算類似。