單片微型計算機概述

單片微型計算機概述第一頁，共五十三頁，2022年，8月28日建議參考書《單片機原理及應用》

孫涵芳等編著

北京航空航天大學出版社《單片機系統(tǒng)設計工及程應用》雷思孝等編著

西安電子科技大學出版社《單片微型計算機原理及接口技術》楊光友等編著

中國水利水電出版社《新編單片機原理及應用》潘永雄編著

西安電子科技大學出版社《單片機原理與應用技術》黃惟公等編著

西安電子科技大學出版社第二頁，共五十三頁，2022年，8月28日第一章：單片微型計算機概述主要內容第二章：MCS-51單片機的硬件結構第四章：匯編語言程序設計第五章：定時/計數(shù)器與中斷系統(tǒng)第六章：MCS-51單片機系統(tǒng)擴展技術第七章：串行通信及其接口 第八章：MCS-51單片機的人機界面接口技術第九章：MCS-51與D/A及A/D轉換器接口第十章：系統(tǒng)應用實例 第三章：MCS-51單片機指令系統(tǒng)第三頁，共五十三頁，2022年，8月28日第1章

單片微型計算機概述1.1單片微型計算機發(fā)展概況1.2微計算機系統(tǒng)概念1.3單片機的特點1.4計算機中的數(shù)和編碼第四頁，共五十三頁，2022年，8月28日第2章

MCS-51單片機的硬件結構2.1MCS-51單片機的基本結構2.2MCS-51單片機的引腳及片外總線結構2.3MCS-51單片機的存儲器配置2.4CPU的時序及輔助電路第五頁，共五十三頁，2022年，8月28日第3章

MCS-51單片機指令系統(tǒng)3.1MCS-51指令系統(tǒng)的分類、格式及一般說明3.2尋址方式3.3分類指令第六頁，共五十三頁，2022年，8月28日第4章

匯編語言程序設計

4.1匯編語言基本概念4.2匯編語言程序設計第七頁，共五十三頁，2022年，8月28日第5章

定時/計數(shù)器與中斷系統(tǒng)5.1定時/計數(shù)器結構特點及控制5.2中斷系統(tǒng)結構及管理5.3定時/計數(shù)器及中斷系統(tǒng)綜合應第八頁，共五十三頁，2022年，8月28日第6章

MCS-51單片機系統(tǒng)擴展技術6.1MCS-51單片機系統(tǒng)擴展的基本概念6.2程序存儲器擴展技術6.3數(shù)據(jù)存儲器擴展6.4輸入/輸出口擴展技術第九頁，共五十三頁，2022年，8月28日第7章

串行通信及其接口

7.1概述7.2MCS-51的串行口7.3串行口的控制第十頁，共五十三頁，2022年，8月28日第8章

MCS-51單片機的人機界面接口技術8.1鍵盤及其接口8.2顯示器接口8.3打印機接口8.4撥碼盤及語音接口第十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日第9章

MCS-51與D/A及A/D轉換器接口

9.1概述9.2D/A轉換器及其接口9.3A/D轉換器及其接口第十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日第10章

系統(tǒng)應用實例

10.1步進電機控制系統(tǒng)10.2紅外線感應自動門控制系統(tǒng)10.3通用多點溫度控制系統(tǒng)第十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日第1章

單片微型計算機概述1.1單片微型計算機發(fā)展概況1.2微計算機系統(tǒng)概念1.3單片機的特點1.4計算機中的數(shù)和編碼第十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.1單片微型計算機發(fā)展概況通用微機和單片機是當代微型計算機發(fā)展的兩大分支，它們有各自的應用領域，不能互換。以IBM-PC機為代表的通用微機，追求高速運行程序、增大存儲容量，采用了高速緩沖存儲(Cache)技術、虛擬存儲技術、流水線作業(yè)技術、亂序執(zhí)行技術等一系列當代計算機新技術，數(shù)據(jù)處理的位數(shù)也達64位，從而廣泛應用在科學計算、圖像處理、文字處理、數(shù)學建模、系統(tǒng)仿真、數(shù)據(jù)批量處理等領域。返回本章首頁以數(shù)據(jù)檢測、實時控制為目的的單片機具有體積小、功能全、功耗低、可靠性高和性價比高的特點，成為智能系統(tǒng)中一個必不可少的環(huán)節(jié)。第十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.1單片微型計算機發(fā)展概況返回本章首頁單片機在過程控制、機電一體化產品、智能家用電器、機器人、智能玩具、智能檢測、智能儀器儀表中，以及在制約生產環(huán)節(jié)的溫度、壓力、流量測量等方面，均具有得天獨厚的優(yōu)勢，其地位不能被通用微機取代。在計算機網(wǎng)絡及通訊等方面也得到廣泛應用。第十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.1單片微型計算機發(fā)展概況返回本章首頁單片機是將計算機的基本部件微型化并集成到一塊芯片上的微型計算機。通常在芯片內含有CPU、ROM、RAM、并行I/O口、串行口、定時/計數(shù)器、中斷控制系統(tǒng)、系統(tǒng)時鐘及系統(tǒng)總線等。單片機一詞來源于“SingleChipMicrocomputer”(SCM)?！癝CM”一詞目前國際上已基本上不大采用，而被微控制器(MCU—MicrocontrollerUnit)或嵌入式控制器(EmbeddedController)所代替。第十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日1976年問世的MCS-48系列單片機的內部構造過于簡單，以其典型產品8048為例，內部僅由8位CPU、27條I/O線、1KBROM、64BRAM和1個8位定時/計數(shù)器組成，由于沒有集成串行接口及中斷控制，它的應用范圍日益縮小。1980年誕生的MCS-51系列單片機，雖然也是8位機，但由于在內部結構上增加了通用異步接收/發(fā)送邏輯部件UART(UniversalAsynchronousReceiverandTransmitter)，增強了定時/計數(shù)、中斷處理功能，在指令操作中又設置了大批位操作指令，與片內位尋址空間一起構成獨有的布爾操作系統(tǒng)，使得單片機成為名副其實的微控制器。它的使用長盛不衰，成為當今的主流機型。第十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日如果把MCS-48、MCS-51機型分別算作單片機發(fā)展進程中的第一代和第二代，那么1984年由Intel公司推出的MCS-96系列就成為單片機的第三代。這一代計算機的特點是字長16位、運算速度快，但這一代計算機應用范圍不廣，并沒有形成氣候。之所以16位MCS-96系列機(代表機型8098)取代不了MCS-51系列機，正是因為微控制領域多數(shù)場合下字長用不著16位，而且MCS-96系列機價格又普遍偏高。第十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日目前在市場上較為流行的單片機品種除Intel公司的MCS-51、MCS-96系列外，還有：Motorola公司：68HC5、68HC11系列；Zilog公司：Z86EXXXPSC系列；Texas公司：MSP430FXX系列；MicroChip公司：PIC16C系列。這些產品中，MCS-51系列所占市場份額最大。世界上許多知名生產廠家，如美國Intel、AMD、ATMEL、Winbond、Temic等公司，以及其它國家的Simens、Philips、NEC、LG等，都生產MCS-51系列單片機。生產該系列單片機的這些公司中，又以Intel公司的產品時間最長、品種最多、應用最快。該系列機的品種已達數(shù)百個，為此，MCS-51不僅成為市場上的佼佼者，也成為高校教學的首選。第二十頁，共五十三頁，2022年，8月28日單片機的應用領域作為一種芯片級的計算機，單片機具有集成度高、體積小、功耗低、性價比高、可靠性高、控制功能強、供電電壓低等一系列優(yōu)點，在微控制領域一枝獨秀。單片機的應用領域大體有如下幾個方面：(1)智能控制。單片機適用于各種控制系統(tǒng)，如溫度、壓力、流量智能控制系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)可編程順序控制、程序控制、實時控制、連續(xù)控制、離散控制、自適應控制、模糊控制等多種控制方案?？刂茖ο笊婕暗焦I(yè)、農業(yè)、社會生活各個部門，如數(shù)控機床、加熱爐、化工生產裝置等。第二十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日(2)智能儀表。在各種儀器儀表中引入單片機，讓單片機成為儀表的一部分，是單片機最為重要的用途之一，由此也產生了智能傳感器、智能醫(yī)療器械、智能測量儀表、數(shù)字示波器等等。(3)辦公自動化設備。在當代微機的鍵盤中裝入一片單片機，能適時處理即時鍵入的字符，完成初步轉換。具備如此智能處理功能的還有眾多的辦公自動化設備，如打印機、傳真機、復印機、磁盤機、終端設備等等。(4)實時控制。在過程控制、過程監(jiān)測、運動機械、遙控遙測、機器人等各種實時過程控制系統(tǒng)中，單片機能夠使系統(tǒng)保持最佳工作狀態(tài)、提高效率。例如汽車控制，從點火、變擋、防滑、倒車直至排氣、最佳油氣比等，都能使用單片機操縱。又如航天領域的導航、制導、自動尋找目標、目標辨識等，也能使用單片機進行控制。第二十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日(5)日常生活。單片機可應用于智能建筑、洗衣機、電冰箱、微波爐、電視機、游戲機等當中。有了單片機，人們的生活將更加舒適方便。(6)商務用品。單片機可應用于商業(yè)領域的自動售貨機、電子秤、電子收款機、自動收款機等當中。第二十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日**存儲器（Cache、ROM、RAM）輸入/輸出接口（并行、串行）系統(tǒng)總線（ABUS、DBUS、CBUS）運算器（定點、浮點）寄存器組（通用、專用）控制部件內部總線微處理器微型計算機微型計算機系統(tǒng)外圍設備（外部設備、輔助設備）軟件系統(tǒng)（系統(tǒng)軟件、應用軟件）第二十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.2微計算機系統(tǒng)概念 返回本章首頁存儲器I/O接口輸入設備I/O接口地址總線AB輸出設備CPU數(shù)據(jù)總線DB控制總線CBI/O接口微型計算機的概念結構第二十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.2微計算機系統(tǒng)概念 返回本章首頁第二十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.3單片機的特點（1）體積小、重量輕、功耗低、功能強、性價比高。（2）數(shù)據(jù)大都在單片機內部傳送，運行速度快，抗干擾能力強，可靠性高。（3）結構靈活，易于組成各種微機應用系統(tǒng)。（4）應用廣泛，既可用于工業(yè)自動控制等場合，又可用于測量儀器、醫(yī)療儀器及家用電器等領域。返回本章首頁第二十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日單片機的應用特點

單片機的應用具有三個明顯的特征：(1)由于控制對象涉及到機械動作(如機器人)或場效應(如溫度的變化、流體的流動)，因此片面追求單片機的高速度本身沒有什么特別意義。單片機的工作頻率一般為6MHz、12MHz、24MHz、33MHz或40MHz，遠低于通用微機。頻率低有利于降低成本，取得較好的效益。(2)目前單片機字長有8位、16位、32位之分，數(shù)據(jù)位數(shù)選擇以夠用為原則，不是越長越好。由于8位機用于控制已能滿足大多系統(tǒng)的要求，因此8位、16位機是單片機的主流機型，今后相當長的時間可能都不會改變。第二十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日(3)單片機內的存儲容量有增大的趨勢，這種增大不僅只是增加RAM、ROM的容量，而是改用一些新型的存儲器。美國ATMEL公司開發(fā)的8位AT89系列單片機就是在MCS-51內集成了閃速存儲器(FlashMemory)。由于芯片內帶有閃速可編程、可擦除只讀存儲器(FPEROM，F(xiàn)lashProgrammableandErasableROM)，使得89C51和89C52單片機能在掉電后保存已寫入的數(shù)據(jù)。第二十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日根據(jù)單片機的三個應用特點，決定了單片機較之通用微機有不同的發(fā)展方向：(1)工業(yè)生產的環(huán)境通常比較惡劣，甚至存在有毒、有害、有腐蝕的氣、液體場合，存在高溫、高壓、強電、磁輻射等，這就要求單片機具有極強的抗干擾能力，不被外界的干擾影響輸出。(2)在人類不能涉足的場合工作，要求單片機具備高的可靠性和穩(wěn)定性，否則任何差錯都不能達到滿意的控制效果。(3)要求單片機的指令系統(tǒng)簡單，并且I/O端口和存儲器統(tǒng)一編址。第三十頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.4計算機中的數(shù)和編碼1.4.1計數(shù)制 1.4.2二進制數(shù)（用B表示）1.4.3十六進制數(shù)（用H表示）1.4.4不同進制數(shù)之間的轉換1.4.5數(shù)制書寫約定1.4.6計算機中數(shù)的表示 1.4.7計算機常用編碼返回本章首頁第三十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.4.1計數(shù)制日常生活中廣泛使用的數(shù)為十進制數(shù)，這是一種逢十進一的計數(shù)方法。用的數(shù)制還有二進制、八進制和十六進制等?；鶖?shù)小于10的計數(shù)制，可用十進制相應的數(shù)碼作為它的數(shù)字符號，一個數(shù)一般由多個數(shù)碼組成。數(shù)碼在數(shù)中的位置不同，其值也不同。返回本節(jié)第三十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.4.2二進制數(shù)（用B表示）以2為基數(shù)的數(shù)制稱為二進位計數(shù)制，它只包括0和1兩個數(shù)碼，很容易用電子元件的兩種不同的狀態(tài)來表示，例如，用高電平表示1，用低電平表示0。所以，計算機中通常采用二進制數(shù)。二進制數(shù)的計數(shù)特征：逢二進一，運算簡單。在加、減、乘、除四則運算中，乘法實質上是做移位加法，除法則是移位減法。返回本節(jié)第三十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.4.3十六進制數(shù)（用H表示）為了書寫和閱讀方便，經常采用十六進制數(shù)作為二進制的縮寫形式。十進制數(shù)、二進制數(shù)、十六進制數(shù)的對照表如表1-1所示。在計數(shù)時，逢十六進一，這樣書寫長度短，且可方便將十六進制數(shù)轉換為二進制數(shù)或將二進制數(shù)轉換為十六進制數(shù)。第三十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日表1-1十進制數(shù)、二進制數(shù)、十六進制數(shù)對照表返回本節(jié)第三十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.4.4不同進制數(shù)之間的轉換1．二進制轉換為十進制基本方法：將二進制數(shù)按權展開式，利用十進制數(shù)的運算法則求和，即可得到等值的十進制數(shù)。第三十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日2．十進制到二進制的轉換

十進制整數(shù)轉換為二進制整數(shù)

十進制小數(shù)轉換為二進制小數(shù)

帶小數(shù)的十進制數(shù)轉換為二進制數(shù)第三十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日3．二進制、十六進制之間的相互轉換 將二進制數(shù)轉換為十六進制數(shù)，從低位開始，每四位一組，然后將其轉換為對應的十六進制數(shù)。如最后一組不足四位，需在左邊補0。 用同樣方法可將二進制小數(shù)轉換十六進制小數(shù)。只是分組應從小數(shù)點右邊開始分成四位一組。 十六進制數(shù)轉換為二進制數(shù)，將每位十六進制數(shù)直接轉換成相應的二進制數(shù)。返回本節(jié)第三十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.4.5數(shù)制書寫約定在書寫計算機程序時，一般不用基數(shù)作為下標來區(qū)分各種進制，而是用相應的英文字母作后綴來表示各種進制的數(shù)。

返回本節(jié)例如：B（Binary）——表示二進制數(shù)。 D（Decimal）——表示十進制數(shù)，一般D可省略，即無后綴的數(shù)字為十進制數(shù)。 H（Hexadecimal）——表示十六進制數(shù)。第三十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.4.6計算機中數(shù)的表示1．原碼、反碼和補碼原碼：在符號位中用0表示正、用1表示負的二進制數(shù)，稱為原碼。例如，

x1=＋1110111B，[x1]原=01110111Bx2=－1110111B，[x2]原=11110111B數(shù)0可是＋0或－0。因此，0在原碼中形式：

[＋0]原=00000000B，[－0]原=10000000B第四十頁，共五十三頁，2022年，8月28日反碼：正數(shù)的反碼=原碼；負數(shù)的反碼=原碼的符號位不變而數(shù)值按位取反。所謂按位取反，即將各位的1變成0，0變成1。例如，x1=＋13，[x1]反=[＋13]原=00001101B。又如，x2=－13，[x2]原=[－13]原=10001101B，

[x2]反=[－13]反=11110010B。第四十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日補碼：正數(shù)的補碼=原碼；負數(shù)的補碼=反碼＋1。例如，x1=＋1101101B，[x1]補=[＋13]原=01101101B。又如，x2=－1101101B，[x2]反=10010010B，

[x2]補=10010011B。在補碼表示中，“0”是唯一的。即[±0]補=00000000B第四十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日2．數(shù)的小數(shù)點表示方法定點表示法：表示小數(shù)點的位置是固定不變的。分為純整數(shù)和純小數(shù)兩類。數(shù)符尾數(shù)·純整數(shù)表示方法純小數(shù)表示方法數(shù)符·尾數(shù)其格式如下所示：第四十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日浮點表示法浮點表示法中小數(shù)點的位置是不固定的。任意二進制數(shù)N一般可表示為：N=2P×S一個浮點數(shù)分為階碼和尾數(shù)兩部分，二者各有表示正負的階符和數(shù)符，常用存儲格式：階符階碼數(shù)符尾數(shù)第四十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日在微計算機中常用的浮點數(shù)表示有：（1）四字節(jié)浮點數(shù)格式（如圖1-2所示），它由一個字節(jié)指數(shù)（EXP）、三個字節(jié)尾數(shù)構成，共用四個存儲單元。（2）三字節(jié)浮點數(shù)格式（如圖1-3所示）。第四十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日圖1