1單片機原理及應(yīng)用徐雁

單片機是什么？

將微處理器、一定容量的存儲器、I/O接口電路以及定時/計數(shù)器等功能部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。為什么要學習單片機？學些什么？教學大綱目的1．以高性價比的51單片機為對象，了解微控制器和微處理器的基本原理和設(shè)計思想;培養(yǎng)邏輯思維能力;構(gòu)建和完善知識結(jié)構(gòu)，為解決復雜的實際工程問題奠定基礎(chǔ)。2.通過學習初步具備設(shè)計單片機應(yīng)用系統(tǒng)的能力；將知識點與生活實際相聯(lián)系(如計時器、智能電表、智能手機等），培養(yǎng)學習興趣和動手實踐能力，為后續(xù)的實驗課和課程設(shè)計打好基礎(chǔ)。3.根據(jù)工程管理方法和原則，講解復雜工程問題的典型案例,培養(yǎng)學生使用現(xiàn)代工具解決工程實際問題的創(chuàng)新意識和能力。4.注重基礎(chǔ)知識和主動學習并重，在學習現(xiàn)有計算機知識的同時，跟蹤計算機技術(shù)的最新發(fā)展，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題和分析問題以及綜合應(yīng)用知識的能力，逐步樹立自主學習和終身學習的觀念。課程目標掌握：

1．51單片機系統(tǒng)的基本原理；2.匯編語言程序設(shè)計方法；3.基本的接口技術(shù)；4.微機整體概念和初步設(shè)計方法。了解：嵌入式系統(tǒng)的概念；典型實際應(yīng)用。培養(yǎng)：

嚴格的邏輯思維能力；自覺運用計算機技術(shù)解決問題的意識。

本課程內(nèi)容主要教材：

《單片機原理及應(yīng)用技術(shù)》

華中科技大學出版社汪建主編《單片機原理及應(yīng)用》

清華大學出版社黃勤主編

《MCS51系列單片機原理及應(yīng)用實驗指導書》

西三樓209購買

40學時課堂教學+24學時實驗+2周課程設(shè)計課堂教學內(nèi)容1.微型計算機基礎(chǔ)2.51單片機基本結(jié)構(gòu)和工作原理3.51單片機指令系統(tǒng)4.匯編語言程序設(shè)計5.51單片機存儲器擴展技術(shù)6.輸入/輸出與中斷系統(tǒng)7.51單片機硬件資源的應(yīng)用8.51單片機I/O接口技術(shù)9.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計實驗課5次實驗：結(jié)合課堂教學，每次4學時；驗證性和自行編程兩種實驗。1次考試：按要求限時完成設(shè)計功能；匯編程序設(shè)計和實際操作。

課程設(shè)計設(shè)計實現(xiàn)一個具有實用功能的小系統(tǒng)可選做，可自定

自行設(shè)計，一人一組網(wǎng)上報名

有關(guān)本課程學習的幾點建議4.聽課、復習、作業(yè)、實驗和設(shè)計環(huán)環(huán)都重要用科學的方法學習2.是一門實踐性、應(yīng)用性很強的課程僅聽懂不夠,重在培養(yǎng)動手能力3.硬件/軟件同樣重要、不可偏廢

硬件是骨架，軟件是靈魂1.前期基礎(chǔ)課程：數(shù)字電路與微機原理

這方面知識需溫習第一章微型計算機基礎(chǔ)計算機發(fā)展概述1.1單片機概述1.2單片機特點及應(yīng)用領(lǐng)域1.3單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)簡介1.4數(shù)制與碼制1.521.1計算機的發(fā)展概述1.1.1電子計算機的問世及其經(jīng)典結(jié)構(gòu)

1946年2月15日，第一臺電子數(shù)字計算機問世.12開創(chuàng)了計算機科學技術(shù)的新紀元，對人類的生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生了巨大的影響。美籍匈牙利數(shù)學家馮·諾依曼在方案的設(shè)計上做出了重要的貢獻。1946年6月，他又提出了“程序存儲”和“二進制運算”的思想，進一步構(gòu)建了計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成這一計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)。1.1計算機的發(fā)展概述131.1計算機的發(fā)展概述馮·諾依曼結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)？1.1計算機的發(fā)展概述5電子計算機技術(shù)的發(fā)展，相繼經(jīng)歷了五個時代：﹡電子管計算機；﹡晶體管計算機；﹡集成電路計算機；﹡大規(guī)模集成電路計算機；﹡超大規(guī)模集成電路計算機。

計算機的結(jié)構(gòu)仍然沒有突破馮·諾依曼提出的計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)框架。1.1計算機的發(fā)展概述15微型計算機系統(tǒng)硬件微型計算機（主機）微處理器

(CPU)軟件外圍設(shè)備運算器控制器主存儲器

RAMROM外部設(shè)備輔助設(shè)備

輸入設(shè)備(鍵盤、掃描儀、語音識別等)

輸出設(shè)備(顯示器、打印機、繪圖儀等)輸入/輸出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC…)

總線(AB、DB、CB)系統(tǒng)軟件(操作系統(tǒng)，編輯、編譯程序，故障診斷,監(jiān)控程序…)應(yīng)用軟件(科學計算，工業(yè)控制，數(shù)據(jù)處理…)程序設(shè)計語言(機器語言、匯編語言、高級語言)電源電路時鐘電路1.1計算機的發(fā)展概述161.1.2微型計算機的組成及其應(yīng)用形態(tài)一、微型計算機的組成

1971年，INTEL公司的與日本商業(yè)通訊公司合作研制臺式計算器時，將原始方案的十幾個芯片壓縮成3個集成電路芯片。其中的2個芯片分別用于存儲程序和數(shù)據(jù)，另一芯片集成了運算器和控制器及一些寄存器，稱為微處理器（即Intel4004）。4004微處理器1.1計算機的發(fā)展概述17

微處理器、存儲器加上I/O接口電路組成微型計算機。各部分通過地址總線（AB）、數(shù)據(jù)總線（DB）和控制總線（CB）相連。三種總線的作用?1.1計算機的發(fā)展概述18二、微型計算機的應(yīng)用形態(tài)從應(yīng)用形態(tài)上，微機可以分成三種：

◆多板機（系統(tǒng)機）

將CPU、存儲器、I/O接口電路和總線接口等組裝在一塊主機板（即微機主板）。各種適配板卡插在主機板的擴展槽上并與電源、軟/硬盤驅(qū)動器及光驅(qū)等裝在同一機箱內(nèi)，再配上系統(tǒng)軟件，就構(gòu)成了一臺完整的微型計算機系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)機）。工業(yè)PC機也屬于多板機。1.1計算機的發(fā)展概述19

◆單板機

將CPU芯片、存儲器芯片、I/O接口芯片和簡單的I/O設(shè)備等裝配在一塊印刷電路板上，再配上監(jiān)控程序（固化在ROM中），就構(gòu)成了一臺單板微型計算機（簡稱單板機）。單板機1.1計算機的發(fā)展概述20單板機的I/O設(shè)備簡單，軟件資源少。主要用于微型計算機原理的教學及簡單的測控系統(tǒng)。

◆單片機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，從而構(gòu)成了單芯片微型計算機，即單片機。三種應(yīng)用形態(tài)的比較：單板機單片機系統(tǒng)機（多板機）1.1計算機的發(fā)展概述21

系統(tǒng)機（桌面應(yīng)用）屬于通用計算機，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理、辦公自動化及輔助設(shè)計等廣泛領(lǐng)域。

單片機（嵌入式）屬于專用計算機，主要應(yīng)用于智能儀表、智能傳感器、智能家電、智能辦公設(shè)備、汽車及軍事電子設(shè)備等應(yīng)用系統(tǒng)。

單片機體積小、價格低、可靠性高，其嵌入式應(yīng)用形態(tài)具有獨特的優(yōu)勢。1.1計算機的發(fā)展概述221.2單片機概述1.2.1單片機的發(fā)展過程

單片機技術(shù)發(fā)展過程可分為三個主要階段：

◆單芯片微機形成階段

1976年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機。8位CPU、1K字節(jié)ROM、64字節(jié)RAM、27根I/O線和1個8位定時/計數(shù)器。

特點是：存儲器容量較小，尋址范圍?。ú淮笥?K），無串行接口，指令系統(tǒng)功能不強。23

◆性能完善提高

1980年，Intel公司推出了MCS-51系列單片機：8位CPU、4K字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM、4個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數(shù)器。尋址范圍64K，并有控制功能較強的布爾處理器。

特點是：結(jié)構(gòu)體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點進一步突出?，F(xiàn)在，MCS-51已成為公認的單片機經(jīng)典機種。

1.2單片機概述24

特點是：片內(nèi)面向測控系統(tǒng)外圍電路增強，使單片機可以方便靈活地用于復雜的自動測控系統(tǒng)及設(shè)備?！拔⒖刂破鳌钡姆Q謂更能反應(yīng)單片機的本質(zhì)。

1982年，Intel推出MCS-96系列單片機。芯片內(nèi)集成：16位CPU;8K字節(jié)ROM;

232字節(jié)RAM;5個8位并口;

1個全雙工串行口;2個16位定時/計數(shù)器;

8路10位ADC;1路PWM輸出等1.2單片機概述251.2.2單片機產(chǎn)品近況

﹡ATMEL公司融入Flash存儲器技術(shù)的AT89系列；

﹡Philips公司的80C51、80C552系列；

﹡華邦公司的W78C51、W77C51高速低價系列；

﹡ADI公司的ADμC8xx高精度ADC系列；

﹡LG公司的GMS90/97低壓高速系列；

﹡Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列；

﹡Cygnal公司的C8051F系列高速SOC單片機?！?/p>

8051系列單片機產(chǎn)品繁多，主流地位已經(jīng)形成，近年來推出的與8051兼容的主要產(chǎn)品有：1.2單片機概述26

◆非8051結(jié)構(gòu)單片機新品不斷推出，給用戶提供了更為廣泛的選擇空間，主要產(chǎn)品有：

﹡Microchip公司RISC單片機；

PIC系列單片機（8位機）﹡TI公司低功耗單片機；

MSP430F系列單片機（16位機）；*TI公司數(shù)字信號處理器（單片）

DSP（32位）；*

ARM公司高集成單片機系列1.2單片機概述271.3單片機的特點及應(yīng)用領(lǐng)域

51系列單片機的特點

近期推出的單片機產(chǎn)品，內(nèi)部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低電壓、低功耗、串行擴展總線、控制網(wǎng)絡(luò)總線和開發(fā)方式等方面都有了進一步的增強?！艨刂菩阅芎?、可靠性高

實時控制性能強：其CPU可以對I/O端口直接進行操作，位操作能力更是其它計算機無法比擬的。

可靠性高：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。28◆體積小、價格低、易于產(chǎn)品化單片機芯片即是一臺完整的微型計算機，對專用場合，可以專門進行芯片設(shè)計，使芯片的功能與應(yīng)用具有良好的對應(yīng)關(guān)系；在單片機產(chǎn)品的引腳封裝方面，有的單片機引腳已減少到8個或更少。從而使應(yīng)用系統(tǒng)的PCB板減小、接插件減少、安裝簡單方便。1.3單片機的特點及應(yīng)用領(lǐng)域29單片機的應(yīng)用領(lǐng)域

◆智能儀器儀表

單片機用于各種儀器儀表，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。如智能電氣測量儀表、智能傳感器等。1.3單片機的特點及應(yīng)用領(lǐng)域30◆機電一體化產(chǎn)品

機電一體化產(chǎn)品是集機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動化技術(shù)和計算機技術(shù)于一體，具有智能化特征的各種機電產(chǎn)品。單片機在機電一體化產(chǎn)品的開發(fā)中可以發(fā)揮巨大的作用。典型產(chǎn)品如（足球）機器人、數(shù)控機床、自動包裝機、驗鈔機、醫(yī)療設(shè)備、打印機、傳真機、復印機等。1.3單片機的特點及應(yīng)用領(lǐng)域31◆工業(yè)實時控制單片機還可以用于各種物理量的采集與控制。如電流、電壓、溫度、液位、流量等。在這類系統(tǒng)中，利用單片機作為系統(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，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。典型應(yīng)用如電機轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、自動生產(chǎn)線等。1.3單片機的特點及應(yīng)用領(lǐng)域32◆分布式系統(tǒng)的前端模塊

在較復雜的工業(yè)系統(tǒng)中，經(jīng)常要采用分布式測控系統(tǒng)完成大量的分布參數(shù)的采集。在這類系統(tǒng)中，采用單片機作為分布式系統(tǒng)的前端采集模塊，系統(tǒng)具有運行可靠，數(shù)據(jù)采集方便靈活，成本低廉等一系列優(yōu)點。1.3單片機的特點及應(yīng)用領(lǐng)域33◆家用電器

家用電器是單片機的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域，前景十分廣闊。如空調(diào)器、電冰箱、洗衣機、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、航天器等均有單片機的廣泛應(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單片機的特點及應(yīng)用領(lǐng)域341.4單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)簡介

單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)

◆硬件設(shè)計和軟件功能設(shè)計是一個實用的單片機應(yīng)用系統(tǒng)兩項任務(wù)。完成這一任務(wù)的過程稱為單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。

◆單片機作為一片集成了微型計算機基本部件的集成電路芯片，與通用微機相比，它自身沒有開發(fā)功能，必須借助開發(fā)機（一種特殊的計算機系統(tǒng)）來完成如下任務(wù)：

﹡排除應(yīng)用系統(tǒng)的硬件故障和軟件錯誤；

﹡程序固化到內(nèi)部或外部程序存儲器芯片中。35單片機應(yīng)用系統(tǒng)傳統(tǒng)開發(fā)方式有三種方式：仿真器、串行下載、串行調(diào)試。利用仿真器開發(fā)（仿真器）USB1.4單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)簡介36SST公司推出的SuperFLASH存儲器，利用這種存儲器可以進行高速讀寫的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP）功能。 首先在PC機上完成應(yīng)用程序的編輯、匯編（或編譯）、模擬運行，然后實現(xiàn)目標程序的串行下載。1.4單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)簡介37串行下載串行調(diào)試

Microchip公司推出的RISC結(jié)構(gòu)單片機PIC16F87X中內(nèi)置有在線調(diào)試器ICD（In-CircuitProgramming）功能；配置具有ICSP（In-Circuit

SerialProgramming）功能的簡單仿真器和燒寫；通過PC機串行電纜就可完成對目標系統(tǒng)的仿真調(diào)試。1.4單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)簡介381.5 計算機運算基礎(chǔ)二進制NB兩個數(shù)碼：0、1,逢二進一 例1101.101B=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-3

加權(quán)展開式以2為基數(shù)，各位系數(shù)為0、1 一般表達式： NB=bn-1×2n-1+bn-2×2n-2+…+b0×20+b-1×2-1+…一、進位計數(shù)制39十六進制NH十六個數(shù)碼0～9、A～F，逢十六進一 例：DFC.8H=13×162+15×161+12×160+8×16-1

展開式以十六為基數(shù)，各位系數(shù)為0～9，A～F。一般表達式： NH=hn-1×16n-1+hn-2×16n-2+…+h0×160+h-1×16-1+…1.5 計算機運算基礎(chǔ)40一.十進制ND有十個數(shù)碼0～9、逢十進一

十進制用于計算機輸入輸出，人機交互進位計數(shù)制小結(jié)：二.二進制NB兩個數(shù)碼:0、1,逢二進一

二進制為機器中的數(shù)據(jù)形式三.十六進制NH16個數(shù)碼:0～9,A～F,逢十六進一

十六進制用于表示二進制數(shù)不同進位制數(shù)以下標或后綴區(qū)別,十進制數(shù)可不帶下標，如:101、101D、101B、101H1.5 計算機運算基礎(chǔ)41二、不同進位計數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換先展開，然后按照十進制運算法則求和。舉例：十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)

進位計數(shù)制的一般表達式：

Nr=an-1rn-1+an-2rn-2+…+a1r1＋a0r0＋a-1r-1…＋a-mr-m將r1進制的數(shù)轉(zhuǎn)換成r2進制的數(shù)：

先展開，然后按r2進制的運算法則求和計算DFC.8H=13×162+15×161+12×160+8×16-1=3580.51011.1010B=1×23+1×21+1×20+1×2-1+1×2-3=11.6251-5 計算機運算基礎(chǔ)42十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二、十六進制數(shù)1.整數(shù)轉(zhuǎn)換法“除基取余”從低位排向高位。舉例：(1)39轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)

39=100111B2391（b0）

219 1（b1）

29 1（b2）

24 0（b3）

22 0（b4）

21 1（b5）

0(2)208轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)208=D0H16208余01613余13=DH 01.5 計算機運算基礎(chǔ)432. 小數(shù)轉(zhuǎn)換法：“乘基取整”：從最高位排到最低位。舉例0.625轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)

0.625 ×2 1.251(b-1) 0.25 ×2 0.50(b-2) × 2 1.0 1(b-3)0.625=0.101B1.5 計算機運算基礎(chǔ)44二進制與十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換3AF.2H=0011

1010

1111.0010=1110101111.001B 3AF2.0101B=1011

1000.0101=1111101.11B=0111

1101.1100=7D.CH7DCB8.5H24=16，四位二進制數(shù)對應(yīng)一位十六進制數(shù)。舉例：1.5 計算機運算基礎(chǔ)45三、有符號數(shù)的表示方法機器數(shù)：機器中數(shù)的表示形式真值：機器數(shù)所代表的實際數(shù)值（一）機器數(shù)與真值

舉例:一個8位機器數(shù)與它的真值對應(yīng)關(guān)系如下：真值：X1=+84=+1010100BX2=-84=

-1010100B

機器數(shù)：[X1]機=01010100[X2]機=11010100

機器中，數(shù)的符號用“0”、“1”

表示。

最高位作符號位，“0”表示“+”,“1”表示“-”1.5 計算機運算基礎(chǔ)46最高位為符號位，0表示“+”，1表示“－”數(shù)值位與真值數(shù)值位相同 例8位原碼機器數(shù)：真值： x1=+1010100B x2=－1010100B

機器數(shù)： [x1]原=01010100

[x2]原=11010100原碼表示簡單直觀,但0的表示不唯一，加減運算復雜。有符號數(shù)三種表示方法：(二)原碼(TrueForm)1.5 計算機運算基礎(chǔ)47正數(shù)的反碼與原碼表示相同

負數(shù)反碼符號位為1，數(shù)值位為原碼數(shù)值各位取反（三）反碼（One’sComplement）

x=-4： [x]原=10000100 [x]反=11111011

例求8位原碼機器數(shù)：

x=+4： [x]原=00000100 [x]反=000001001.5 計算機運算基礎(chǔ)48（四）補碼（Two’sComplement）正數(shù)的補碼表示與原碼相同

負數(shù)補碼的符號位為1，數(shù)值位等于反碼加1

例：求8位補碼機器數(shù)：

x=+4：[x]原=[x]反=[x]補=00000100 x=-4： [x]原=10000100 [x]反=11111011 [x]補=11111100補碼表示的優(yōu)點：

0的表示唯一，加減運算方便，用加法代替減法1.5 計算機運算基礎(chǔ)498位機器數(shù)表示的真值8位機器數(shù)有符號數(shù)十六進制二進制無符號數(shù)原碼反碼補碼0001…7F80…FEFF……01…127128…254255+0+1…+127-0…-126-127+0+1…+127-

127…-1-0+0+1…+127-128…-2-11.5 計算機運算基礎(chǔ)50四.機器數(shù)與真值之間的轉(zhuǎn)換

1)X1=+127，X2=-127，求[X]原、[X]補[X1]原=[X1]補=01111111=7FH [X2]原=11111111=FFH [X2]補=10000001=81H

1.真值?機器數(shù)

2)X1=+255，X2=-255，求[X]原、[X]補

[X1]原=[X1]補=11111=00FFH [X2]原=11111=80FFH [X2]補=1111111100000001=FF01H 1.5 計算機運算基礎(chǔ)51

1) [X1]原=59H， [X2]原=D9H，求真值？ [X1]原=01011001 [X1]原=110110012.機器數(shù)?真值

＊ 注意機器數(shù)表示（原碼、補碼）

＊