1、第1章 概述1.1 單片機概念：電子計算機的發(fā)展經歷了從電子管、晶體管、集成電路到大(超大)規(guī)模集成電路共四個階段，即通常所說的第一代、第二代、第三代和第四代計算機?，F(xiàn)在廣泛使用的微型計算機是大規(guī)模集成電路技術發(fā)展的產物，因此它屬于第四代計算機，而單片機則是微型計算機的一個分支。名稱：單片機因將其主要組成部分集成在一個芯片上而得名，具體說就是把中央處理器CPU(CentralProcessing Unit)、隨機存儲器RAM(Random Access Memory)、只讀存儲器ROM(ReadOnlyMemory)、中斷系統(tǒng)、定時器計數(shù)器以及IO(1nputOutput)口電路等主要微型機部

2、件，集成在一塊芯片上。為此稱它為單片微型計算機SCMC(Single Chip MicroComputer)，簡稱單片機。單片機主要應用于控制領域，用以實現(xiàn)各種測試和控制功能，為了強調其控制屬性，也可以把單片機稱為微控制器MCU(MicroContr0ller Unit)。由于單片機在應用時通常是處于被控系統(tǒng)的核心地位并融入其中，即以嵌入的方式進行使用，為了強調其“嵌入”的特點，也常常將單片機稱為嵌入式微控制器EMCU(Embedded MicroControllerUnit)。1.1.1 單片機與嵌入式系統(tǒng)1. 嵌入式系統(tǒng)的由來 嵌入式系統(tǒng)：面對工控領域對象，嵌入到工控應用系統(tǒng)中，實現(xiàn)嵌入式

3、應用的計算機系統(tǒng)。 計算機技術發(fā)展的兩大分支： 通用計算機系統(tǒng) （海量高速數(shù)值運算） 嵌入式系統(tǒng)（突出數(shù)字邏輯運算、推理、實際控制主要應用于工業(yè)控制領域）工業(yè)控制領域對計算機技術發(fā)展提出的與傳統(tǒng)海量高速數(shù)值計算不同的要求：面對控制對象。嵌入到應用系統(tǒng)中的結構形態(tài)。能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中可靠運行。突出控制功能。區(qū)別： 通用計算機系統(tǒng):全力實現(xiàn)海量高速數(shù)據(jù)處理，兼顧控制功能。 嵌入式系統(tǒng)：全力滿足測控對象的測控功能，兼顧數(shù)據(jù)處理。 四種系統(tǒng)中，單片機有唯一的專門為嵌入式應用設計的體系結構與指令系統(tǒng)，在其基本體系結構上，可衍生出滿足各種應用系統(tǒng)要求的兼容系統(tǒng)。因此最能滿足嵌入式系統(tǒng)的應用要求，廣泛的應用

4、在中、小型工控領域，是電子系統(tǒng)智能化的重要工具。3.單片機的應用用于電腦型產品，如家電、玩具、游戲機、聲像設備、電子秤、收銀機、辦公設備、廚房設備等；用于數(shù)字化和智能化儀器儀表，具有測量、處理和監(jiān)控功能；用于“機電一體化”設備，如數(shù)控機械、醫(yī)療設備等；用于智能終端設備，如打印機、繪圖儀、調制解調器等；用于工業(yè)過程控制；用于多機控制、集散測量、控制系統(tǒng)；單片機作為下位機，微機作為上位機。1.1.2 單片機的發(fā)展歷史單片機的發(fā)展大致可分為4個階段:單片機的探索階段主要任務：探索將計算機的主要部件集成在單芯片上。單片機完善階段主要任務：完善單片機的體系結構，充分體現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)應用的巨大前景。向微控器

5、發(fā)展的階段主要技術發(fā)展方向：為滿足測控對象的要求，加強外圍電路的功能。單片機的全面發(fā)展階段特點：技術不斷創(chuàng)新、百花齊放以滿足日益廣泛的需求。 CMOS化、低功耗管理、小體積、大容量、高性能、低價格、外圍電路內裝化、串行擴展技術、ISP及基于ISP的開發(fā)環(huán)境。1.1.4 單片機的發(fā)展趨勢1.1.5 80C51系列單片機的特點及分類8051（MCS-51系列單片機，包括8051、8751、8031三個基本產品和8052、8032等）80C51(與8051單片機兼容的基礎上增強了8051 的許多特性，采用CHMOS技術。)AT89C51/52(采用快擦寫存儲器，曾在國內市場占有較大份額。)AT89S

6、51/52(增加看門狗、ISP端口等。)表1-1 MCS-51系列單片機分類表 MCS-51系列又分為51和52兩個子系列，51子系列是基本型，而52子系列則屬增強型。52子系列功能增強的具體方面，從表1-1所列內容中可以看出： (1) 片內ROM從4 KB增加到8 KB。 (2) 片內RAM從128 B增加到256 B。 (3) 定時/計數(shù)器從2個增加到3個。 (4) 中斷源從5個增加到6個。 MCS-51系列單片機采用兩種半導體工藝生產。一種是HMOS工藝，即高速度、高密度、短溝道MOS工藝。另外一種是CHMOS工藝，即互補金屬氧化物的HMOS工藝。表1.1中，芯片型號中帶有字母“C”的，

7、為CHMOS芯片，其余均為一般的HMOS芯片。 CHMOS是CMOS和HMOS的結合，除保持了HMOS高速度和高密度的特點之外，還具有CMOS低功耗的特點。在便攜式、手提式或野外作業(yè)儀器設備上，低功耗是非常有意義的，因此，在這些產品中必須使用CHMOS的單片機芯片。 單片機芯片半導體工藝1.1.7 單片機應用系統(tǒng)與單片機開發(fā)系統(tǒng)單片機應用系統(tǒng)：單片機應用系統(tǒng)是為控制應用而設計的，該系統(tǒng)與控制對象結合在一起使用，是單片機開發(fā)應用的成果。但由于軟硬件資源所限，單片機系統(tǒng)本身不能實現(xiàn)自我開發(fā)，要進行系統(tǒng)開發(fā)設計，必須使用專門的單片機開發(fā)系統(tǒng)。單片機開發(fā)系統(tǒng)：單片機開發(fā)系統(tǒng)是單片機系統(tǒng)開發(fā)調試的工具。

8、人們把能開發(fā)單片機的微型計算機稱為微型機開發(fā)系統(tǒng)MDS(Microcomputer Development System)。此外，還有專門的單片機開發(fā)系統(tǒng)，稱為在線仿真器ICE(in Circuit Emulator)，通過它可以進行單片機應用系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)和EPROM寫入。其實仿真器本身也是一個單片機系統(tǒng)，只不過它是一個用于設計系統(tǒng)的系統(tǒng)。當設計單片機應用系統(tǒng)時，首先要根據(jù)所使用的單片機型號購買一臺相應的在線仿真器，然后才能開展設計工作。目前國內市場上仿真器的型號較多，如：DICE等。（SICE、DP一852、KDC一51、SBC一51、EUDS一51）TX-1C型單片機實驗板。？單片機開

9、發(fā)系統(tǒng)？開發(fā)系統(tǒng)與仿真器區(qū)別？雖然仿真器要比一般的單片機系統(tǒng)復雜，但其規(guī)模和功能與微型計算機還無法相比。例如在仿真器中沒有像微型機那樣復雜的操作系統(tǒng)，而只使用稱之為監(jiān)控程序的簡單管理程序；另外，絕大多數(shù)仿真器中也不具有匯編程序，用戶的匯編語言應用程序要拿到其它微型計算機上通過交叉匯編，才能得到供單片機使用的二進制目標碼程序。1.2 數(shù)制與編碼 計算機最基本的功能是進行數(shù)的計算和加工處理，而數(shù)在計算機中是以電子元件的物理狀態(tài)表示，電子元件通常有兩種穩(wěn)定的狀態(tài): “開”與“關”;電平的“高”與“低”。因此,采用二進制數(shù)的“0”和“1”可以很方便地表示機內的數(shù)據(jù)運算與存儲。 二進制數(shù)及其編碼是計算機

10、運算的基礎,計算機唯一能識別的數(shù)是二進制數(shù)，計算機的指令、數(shù)據(jù)、字符、地址均用二進制表示。為了書寫和閱讀方便,人們又引入了十六進制數(shù)來表示二進制數(shù)。而日常生活中廣泛使用的數(shù)為十進制數(shù)。雖然一個數(shù)可以用不同計數(shù)制形式表示它的大小,但該數(shù)的量值是相等的。2.二進制數(shù)(尾符B) 二進制數(shù)的基數(shù)為2 。二進制數(shù)特點： 只有0和1兩個不同數(shù)碼, 進位規(guī)律為“逢二進一”。 例如, 二進制數(shù) (1011.01)2可表示為(1011.01)2=123+022+121+120+02-1+12-2=(11.25)10=11.25十六進制數(shù)(尾符H) 十六進制數(shù)的基數(shù)為16 ，十六進制數(shù)特點： 有 0、1、2、 9

11、、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”。 例如, （3AB.11）16可表示為（3AB.11)16=3162+10161+11160+116-1+116-2 =939.0664表 1-2 十進制數(shù)、二進制數(shù)、十六進制數(shù)對照表 1.2.2 不同進制數(shù)間的相互轉換 1. 二、 十六進制轉換成十進制 例 1 將數(shù)(10.101)2, (2D.A4)16轉換為十進制。 （10.101)2=121+020+12-1+02-2+12-3=2.625 (2D.A4)16=2161+13160+1016-1+416-2=45.640 62 各種進制數(shù)轉換成十進制數(shù)的方法是:將

12、各進制數(shù)先按權展成多項式,再利用十進制運算法則求和,即可得到該數(shù)對應的十進制數(shù)。 十進制數(shù)N轉換成二、十六進制數(shù), 需將整數(shù)部分和小數(shù)部分分開, 采用不同方法分別進行轉換, 然后用小數(shù)點將這兩部分連接起來。 2. 十進制轉換成二、十六進制整數(shù)部分: 除基取余法，分別用基數(shù) (2或16) 不斷地去除十進制數(shù)N的整數(shù), 直到商為零為止, 每次所得的余數(shù)依次排列即為相應進制的數(shù)碼。最初得到的為最低有效數(shù)字, 最后得到的為最高有效數(shù)字。 小數(shù)部分: 乘基取整法，分別用基數(shù) （2或16）不斷地去乘十進制數(shù)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)依次排列即為相應進制的

13、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。 2|1682|84 余數(shù)0, 低2|42 余數(shù)0, 2|21 余數(shù)0, 2|10 余數(shù)1, 2|5 余數(shù)0, 2|2 余數(shù)1, 16|168 2|1 余數(shù)0, 16 |10 余數(shù)8 低 0 余數(shù)1, 高 0 余數(shù)10 高 1681010 1000B 168A8H【例1-1】 將（168)10轉換成二、 十六進制數(shù)。除基取余法【例1-2】將0.686轉換成二、十六進制數(shù)(用小數(shù)點后5位表示) 0.686 0.686 2 高 16 高 1.372 整數(shù) 1 10.976 整數(shù)A 0.372 0.976 2 16 0.744 整數(shù)0 1

14、5.616 整數(shù)F 0.744 0.616 2 16 1.488 整數(shù)1 9.856 整數(shù)9 0.488 0.856 2 16 0.976 整數(shù)0 13.696 整數(shù)D 0.976 0.696 2 16 1.952 整數(shù)1 低 11.136 整數(shù)B 低 0.6860.10101B 0.6860.AF9DBH 常見的編碼有BCD碼、ASCII碼等。1 BCD碼是一種用二進制編碼的十進制數(shù)，稱BCD碼。BCD碼用標準的8421的純二進制碼的十六個狀態(tài)中的十個（如表1-2所示）。BCD碼有兩種形式：非壓縮BCD碼：每位十進制數(shù)用一字節(jié)（8位）二進制碼表示。壓縮BCD碼：每位十進制數(shù)用4位二進制碼表示

15、。特點： 4位之內為二進制關系，每4位之間為十進制關系。 因4位二進制是逢十六進一，為適應BCD碼逢十進一的法則，處理每4位之間的合理進位，必須用十進制調整指令。1.2.3 二進制編碼 表 1-3 BCD編碼 2 ASCII碼在計算機中字母,數(shù)字和各種符號也必須按特定的規(guī)則用二進制編碼，目前微機普遍采用的是ASCII碼（如表1-3所示）。ASCII碼是一種八位代碼，最高位一般用于奇偶校驗，其余七位二進制碼對128個字符進行編碼，它包括：10個十進制數(shù)09（30H39H）大寫英文字母26個（41H 5AH）小寫英文字母26個（61H 7AH）32個通用控制符號；34個專用符號 ASCII編碼從2

16、0H7EH均為可打印字符,而00H1FH為通用控制符,它們不能被打印出來,只起控制或標志的作用。如0DH表示回車(CR),0AH表示換行控制(LF),04H(EOT)為傳送結束標志。 表 1-4 ASCII 碼 表 1. 機器數(shù)與真值 計算機在數(shù)的運算中, 不可避免地會遇到正數(shù)和負數(shù), 那么正負符號如何表示呢？由于計算機只能識別0和1, 因此, 我們將8位二進制數(shù)的最高位用作符號位來表示這個數(shù)的正負。 規(guī)定符號位用“0”表示正, 用“1”表示負。 例如, X=-1101010B, Y=+1101010B, （真值） 則 X表示為: 11101010B, （機器數(shù)） Y表示為：01101010B

17、。 （機器數(shù)） 為了區(qū)別原來的數(shù)與它在計算機中的表示形式，我們將已經數(shù)碼化了的帶符號數(shù)稱為機器數(shù)。而把原來的數(shù)稱為機器數(shù)的真值。計算機中的帶符號數(shù)有三種表示法：原碼、反碼、補碼無符號數(shù)的表示方法：8位均為數(shù)值位，表示的范圍02551.2.4 帶符號數(shù)的表示 2. 原碼當正數(shù)的符號位用0表示, 負數(shù)的符號位用1表示, 數(shù)值部分真值的絕對值來表示的二進制機器數(shù)稱為原碼, 用X原表示。例如X1=+1001010B和X2=-1001010B在計算機中（設機器數(shù)的位數(shù)是8）其原碼可分別表示為 X1 原= 01001010B X2 原= 11001010B“0”有兩種表示法。+0原=00000000B,

18、而-0原=10000000B。8位二進制原碼能表示的范圍是: -127+127。 3. 反碼一個正數(shù)的反碼, 等于該數(shù)的原碼; 一個負數(shù)的反碼, 由它的正數(shù)的原碼按位取反形成。反碼用X反表示。例如: X1=+1001010B，則X1反= 01001010B X2=-1001010B，則X2反= 10110101B“0”有兩種表示法。 +0反=00000000B, 而-0反=11111111B。8位二進制原碼能表示的范圍是: -127+127。一個正數(shù)的補碼, 等于該數(shù)的原碼; 一個負數(shù)的補碼, 由它的反碼加1形成。補碼用X補表示。例如: X1=+1001010B， 則X1補= 01001010

19、B X2=-1001010B， 則X2補= 10110110B”0”的補碼表示是唯一的。0補=+0補=-0補=00000000B 。8位二進制原碼能表示的范圍是: -128+127補碼的加法規(guī)則是： XY補=X補Y補 補碼的減法規(guī)則是： XY補=X補-Y補 練習：已知X1=+68，X2=-68 求：X1補、 X2補(已知真值求補碼) 已知X1補=44H，X2補=BCH 求:真值 X1、 X2 (已知補碼求真值)4.補碼表 1-5 計算機中數(shù)的表示二進制數(shù)碼（B）無符號數(shù)原碼反碼補碼 0000 0000 0 +0 +0+0(-0) 0000 0001 1 +1 +1 +1 0111 1110 1

20、26 + 126 + 126 + 126 0111 1111 127 + 127 + 127 + 127 1000 0000 128 -0 -127 -128 1000 0001 129 -1 -126 -127 1111 1110 254 -126 -1 -2 1111 1111 255 -127 -0 -1 補碼的概念適用于任何進制。其最本質的定義是：若一個數(shù)X與另一個數(shù)Y相加正好得到X或Y的最小進位（ X、Y長度相同 ），則稱X與（-Y）互為補數(shù)，這個最小進位數(shù)值稱為“?！?。例如，時鐘的模為12。設當前時鐘指向8點, 而準確時間為5點, 調整時間的方法有兩種, 一種是時鐘倒撥3小時, 即

21、8-3=5; 另一種是時鐘正撥9小時, 即8+9=17=(12)+5 5 (模12 自然丟掉) 。由此可見, 在以12為模的系統(tǒng)中, 加9和減3的效果是一樣的, 即（-3）與（+9）互補（模 12）或（-3）補=+9 （模 12） 。 補碼能使減法運算變成加法運算。例如，11-3 （模 12），又如，9-3 （模 10）。5.補碼的含義和用途由上分析可得:-X補=模-X補=100H-X補X補=模-X補=100H-X補【例1-6】求十進制數(shù)7628的運算76的2進制是 0100110028的2進制是 00011100- 28的補碼是 11100100引入補碼的意義:將二進制減法運算變成加法運算將

22、符號數(shù)和無符號數(shù)的運算統(tǒng)一起來例如：1FH+3DH無符號數(shù)相加：1FH（31）+D0H（208）=EFH（239）符號數(shù)相加： 1FH（+31）+D0H（- 48）=EFH（- 17）6.帶符號數(shù)的運算與溢出判別加法:被加數(shù)和加數(shù)均為補碼，其和為補碼，若結果不超出8位補碼表示范圍（不溢出），則結果正確，否則溢出，結果出錯。(a)正數(shù)加正數(shù) （b)負數(shù)加負數(shù) 0100 0101 (+69) 1101 0100 (- 44) +) 0011 0011 (+51) +) 1101 0110 (- 42) 0111 1000 (+120) 11010 1010 (- 86) 和+127，未溢出，結果正

23、確 和(- 86) -128，未溢出，結果正確Cy0, OV0 Cy1,OV0(c)正數(shù)加負數(shù) （b)負數(shù)加負數(shù) 0111 0011 (+115) 1010 0011 (- 93) +) 1001 0111 (-105) +) 1011 0000 (- 80) 0000 1010 (+10) 1 0101 0011 (- 173) 和不會溢出，結果正確 和(- 173) -128，溢出，結果出錯Cy0, OV0 Cy1,OV1減法:減去一個數(shù)等于加上這個數(shù)的補碼，可將減法運算變成加法運算。 21-14=21+（-14）補 68-86=68+（-86）補 0001 0101 (+21) 0100

24、 0100 (+68) +) 1111 0010 (-14) +) 1010 1010 (- 86)1 0000 0111 (+7) 1110 1110 (- 18) Cy1, OV0 Cy0, OV0進位與溢出 進位與溢出是性質完全不同的概念，進位指最高位向上一位進（借）位，溢出指超出了數(shù)的表示范圍。每次運算后，計算機都能自動給出有無進位（Cy）和溢出（OV）的標志。 1.3 微型計算機的組成及工作過程 1.3.1 微型計算機的基本組成圖 1-1 微型計算機的基本組成 1. 中央處理器CPU CPU（Central Processing Unit）是計算機的核心部件, 它由運算器和控制器組成

25、, 完成計算機的運算和控制功能。 運算器又稱算術邏輯部件（ALU, Aithmctieal Logic Unit）, 主要完成對數(shù)據(jù)的算術運算和邏輯運算。 控制器（Controller）是整個計算機的指揮中心, 它負責從內部存儲器中取出指令并對指令進行分析、判斷, 并根據(jù)指令發(fā)出控制信號, 使計算機的有關部件及設備有條不紊地協(xié)調工作, 保證計算機能自動、連續(xù)地運行。 CPU中還包括若干寄存器（Register）, 它們的作用是存放運算過程中的各種數(shù)據(jù)、地址或其它信息。寄存器種類很多, 主要有：累加器A 、通用寄存器、程序計數(shù)器PC、指令存儲器IR等。 在微型計算機中, CPU一般集成在一塊被稱

26、為微處理器（MPU, Micro Processing Unit）的芯片上。 2. 存儲器M 存儲器（Memory）是具有記憶功能的部件, 用來存儲數(shù)據(jù)和程序。存儲器根據(jù)其位置不同可分為兩類: 內存儲器和外存儲器。內存儲器（簡稱內存）和CPU直接相連, 存放當前要運行的程序和數(shù)據(jù), 故也稱主存儲器（簡稱主存）。它的特點是存取速度快, 基本上可與CPU處理速度相匹配, 但價格較貴, 能存儲的信息量較小。外存儲器（簡稱外存）又稱輔助存儲器, 主要用于保存暫時不用但又需長期保留的程序和數(shù)據(jù)。 存放在外存的程序必須調入內存才能進行。外存的存取速度相對較慢, 但價格較便宜, 可保存的信息量大。 半導體存

27、儲器：課本P25 存儲器單元和存儲單元地址：課本P26（存儲單元內容和存儲單元地址）只讀存儲器ROM隨機存儲器RAM可改寫的非易失存儲器掩膜ROM可編程一次只讀存儲器OTP可改寫只讀存儲器EPROM (一般幾十次)可電改寫只讀存儲器EEPROM (一般一千次以上)靜態(tài)RAM動態(tài)RAM快擦寫存儲器鐵電存儲器半導體存儲器：課本P25 存儲器由許多存儲單元組成，每個存儲單元可存放1位二進制代碼，每8位組成一個字節(jié)單元，并賦予一個編號（字節(jié)地址）。 n位二進制地址可對2n個字節(jié)單元進行編號（或者說n位地址可尋址2n個單元），如8位地址可尋址28=256個單元。 存儲器的容量 字節(jié)（B）：國際上統(tǒng)一將8位二進制數(shù)定義為一個字節(jié)。 千字節(jié)（KB）、兆字節(jié)（MB）、千兆字節(jié)（GB） 210B=1024B=1K 210K=1024K=1M 210M=1024M=1G3. 輸入/輸出接口（I/O接口） 輸入/輸出（I/O）接口由大規(guī)模集成電路組成的I/O器件構成, 用來連接主機和相應的I/O設備（如: 鍵盤、 鼠標、顯示器、 打印機等）, 使得這些設備和主機之間傳送的數(shù)據(jù)、信息在形式上和速度上都能匹配。不同的I/O設備必須配置與其相適應的I/O接口。 4. 總線 總線（BUS）是計算機各部件之間傳送信息的公共通道。 總線有三種: 數(shù)據(jù)總線DB（Data Bus）, 地址總線 AB