電子論文-單片機概述

1 第 1 章 單片機概述 本章基本要求：單片機是現(xiàn)代電子智能儀器儀表及嵌入式系統(tǒng)的主要組成部分，應用 非常廣泛，是現(xiàn)代工程技術(shù)人員必須掌握的知識之一。本章要求掌握數(shù)的進制及其相互轉(zhuǎn)換、 帶符號數(shù)的表示方法、溢出的判別方法、ASCII 碼和 BCD 碼等單片機的數(shù)學基礎(chǔ)知識；掌握單 片機的概念、特點、應用范圍、發(fā)展歷程等基礎(chǔ)知識；了解常用單片機系列。為后續(xù)章節(jié)的 學習打下基礎(chǔ)。 1.1 單片機的數(shù)學基礎(chǔ) 1.1.1 數(shù)的進位制及其相互轉(zhuǎn)換 (1) 數(shù)的幾種常用進制 數(shù)制是人們利用符號來計數(shù)的方法，數(shù)制有很多種，人們熟悉的是十進制。但由于數(shù)在 機器中是以器件的物理狀態(tài)來表示的，所以一個具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)且能相互轉(zhuǎn)換的器件，就 可以用來表示一位二進制數(shù)。二進制數(shù)的表示是最簡單而且是最可靠的，另外二進制的運算 規(guī)則也是最簡單的。因此，迄今為止，所有計算機都是以二進制進行算術(shù)運算和邏輯運算的。 但是在使用二進制編寫程序時既繁鎖又容易出錯，所以人們在編寫程序時又經(jīng)常用到十進制、 十六進制或八進制。下面分別予以介紹。 任何一種數(shù)制都有兩個要素，即基數(shù)和權(quán)。基數(shù)為數(shù)制中所使用的數(shù)碼的個數(shù)。當基數(shù) 為 R 時，該數(shù)制可使用的數(shù)碼為 0（R-1） 。例如在二進制中基數(shù)為 2，可使用 0 和 1 兩個數(shù) 碼。在進行運算時按逢 R 進一，借當?shù)囊?guī)則進行。權(quán)是數(shù)制中某一數(shù)位上單位數(shù)的大小， 它是一個指數(shù)，底是基數(shù)，冪是數(shù)碼的位置號，數(shù)碼的位置號從 0 開始。將一個數(shù)中某一 位的數(shù)碼與該位的權(quán)相乘，即為該位數(shù)碼的數(shù)值。 1) 十進制(Decimal) 十進制是以 10 為基數(shù)，逢十進一、借一當十的計數(shù)體制。計數(shù)符號共有十個，分別為： 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。計數(shù)規(guī)則是逢十進一，借一當十。十進制數(shù)常用下標 D 或 10 表示。 加權(quán)系數(shù)表示： MD = Ki10 i i=- Ki為第 i 位的系數(shù)可取 09 十個數(shù)字符號中的任一個；10 i為第 i 位的權(quán)。顯然各位的 權(quán)是 10 的冪。 例 1.1 (42.51)10 =410 1+2100+510-1+110-2 2) 二進制(Binary) 二進制是以 2 為基數(shù)，逢二進一、借一當二的計數(shù)體制。計數(shù)符號共有二個，分別為：0、 1。計數(shù)規(guī)則是逢二進一、借一當二。二進制數(shù)常用下標 B 或 2 表示。 2 運算規(guī)則：0+0=0 0+1=1+0=1 1+1=10（讀“壹零” ） 00=0 10=01=0 11=1 加權(quán)系數(shù)表示： MB = Ki2 i i=- Ki為第 i 位的系數(shù)可取 0 或 1；2 i為第 i 位的權(quán)，即各位的權(quán)是 2 的冪。 例 1.2 1101.01B =12 3 +122 +021+120 +02-1+12-2 下面再介紹有關(guān)二進制的幾個概念: 位:一位二進制信息,只能是 0 或 1,也叫比特(bit)。 字節(jié)：計算機中將 8 位二進制數(shù)稱為一個字節(jié)，也叫拜特（Byte） 。為了表示大容量存儲 器的需要，人們還定義了千字節(jié)（KB） 、兆字節(jié)（MB） 、吉字節(jié)（GB）等三個單位。它們的關(guān) 系為：1KB=2 10Byte=1024 Byte 1MB=2 10KB=1024KB=220 Byte 1GB=2 10MB=1024MB=230 Byte 字：計算機一次能處理的二進制數(shù)稱為一個字，也叫沃德（Word） ，字是計算機中參加運 算的基本單位。由于目前微型計算機通常是 16 位的，所以通常認為一個字為 16 位二進制數(shù)， 即 1 Word=2 Byte。 3) 八進制 八進制是以 8 為基數(shù)，逢八進一、借一當八的計數(shù)體制。計數(shù)符號共有八個，分別為：0、 1、2、3、4、5、6、7。計數(shù)規(guī)則是逢八進一，借一當八。八進制數(shù)常用下標 O 或 8 表示。 加權(quán)系數(shù)表示： MO = Ki8 i i=- Ki為第 i 位的系數(shù)可取 07 八個數(shù)字符號中的任一個；8 i為第 i 位的權(quán)。顯然各位的權(quán) 是 8 的冪。 例 1.3 236O =28 2+381+680 對八進制數(shù)有一個重要特點，那就是每位八進制數(shù)可用三位二進制數(shù)表示。例如: (6)8=(110)2 4) 十六進制(Hexadecimal) 十六進制是以 16 為基數(shù)，逢十六進一、借一當十六的計數(shù)體制。計數(shù)符號共有十六個， 分別為：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。計數(shù)規(guī)則是逢十六進一，借 一當十六。十六進制數(shù)常用下標 H 或 16 表示。 加權(quán)系數(shù)表示： MH = Ki16 i i=- Ki為第 i 位的系數(shù)可取 0F 十六個數(shù)字符號中的任一個；16 i為第 i 位的權(quán)。顯然各位 的權(quán)是 16 的冪。 例 1.4 4E6H =416 2+14161+6160 對十六進制數(shù)有一個重要特點，那就是每位十六進制數(shù)可用四位二進制數(shù)表示。例如: (E)16=(1110)2 (2) 不同進制數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換 1) 任意進制數(shù)轉(zhuǎn)為十進制數(shù) 3 方法：按權(quán)展開求和。 例 1.5 1101.01B =12 3+122+021+120+02-1+12-2 =8+4+0+1+0+0.25=(13.25)D 2368 =28 2+381+680 =128+24+6=(158) 10 C2H =1216 1+2160 =192+2=(194) 10 2) 十進制數(shù)轉(zhuǎn)為二進制數(shù) 方法：對整數(shù)部分，連續(xù)除 2 取余反排列，直到商為 0；對小數(shù)部分，連續(xù)乘 2 取整正排 列，直到乘積的小數(shù)部分為 0 或滿足誤差要求。 例 1.6 338.38D =101010010.01100B 25.706D =11001.10111B (保留 5 位小 數(shù))。 2 25 余 1 整數(shù)最低位 0.706 2 12 余 0 2 2 6 余 0 1.412 取整 1 小數(shù)最高位 2 3 余 1 0.412 2 1 余 1 整數(shù)最高位 2 0 0.824 取整 0 2 1.648 取整 1 0.648 2 1.296 取整 1 0.296 2 0.592 取整 0 小數(shù)最低位 由于最后舍棄的數(shù) 0.592 大于 0.5，所以按“四舍五入”原則小數(shù)最低位 0 加 1。 推廣：十進制數(shù)轉(zhuǎn)為任意進制數(shù)。整數(shù)部分，連續(xù)除基數(shù)取余反排列，直到商為 0；小數(shù) 部分，連續(xù)乘基數(shù)取整正排列，直到乘積的小數(shù)部分為 0 或滿足誤差要求。 3) 八進制數(shù)與二進制數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換 二進制轉(zhuǎn)為八進制：對整數(shù)部分，從最低位開始三位三位的分組，不足三位的前面補零； 對小數(shù)部分，則從最高位開始三位三位的分組，不足三位的后面補 0。然后每組以其對應的八 進制數(shù)代替，排列順序不變。 八進制轉(zhuǎn)為二進制：將每位八進制數(shù)寫成對應的三位二進制數(shù)，再按原來的順序排列起 來即可。 例 1.7 111101000102 =36428 64038 =1101000000112 4) 十六進制數(shù)與二進制數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換 方法：跟八進制數(shù)與二進制數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換相似，只是按四位分組即可。 例 1.8 111101000102 =7A216 B5916 =1011010110012 5) 八進制數(shù)與十六進制數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換 方法：通過二進制數(shù)作中間變量進行變換。 例 1.9 B5916 =1011010110012 =55318 64038 =1101000000112 =D0316 1.1.2 帶符號數(shù)的表示方法 4 (1) 機器數(shù)與真值 前面提到的二進制數(shù)，沒有涉及到符號問題，是一種無符號數(shù)。但在實際應用中，一個 數(shù)顯然還有正、負之分，那么符號在計算機中是怎么表示的呢？計算機中采用二進制數(shù)碼， 對于數(shù)的符號“+”或“-”也用二進制數(shù)碼表示。規(guī)定用二進制數(shù)碼的最高位表示符號。并 規(guī)定：用數(shù)碼“0”表示正數(shù)的符號“+” ；用數(shù)碼“1”表示負數(shù)的符號“-” 。 例 1.10 X1=+010001B ； X2=-010001B ，在 8 位機分別表示為 X1=00010001B ； X2=10010001B 。 一個數(shù)在機器中的表示形式稱為機器數(shù)，而原來的實際數(shù)本身稱為機器數(shù)的真值。在計 算機中常用的機器數(shù)有原碼、反碼、補碼三種形式。當真值為 X 時，其原碼、反碼、補碼分 別用X原、X反、X補表示。 (2) 原碼(true form) 符號位用“0”表示正數(shù)， “1”表示負數(shù)，其余各位表示真值除符號外的尾數(shù)本身，這種 表示方法稱為原碼表示法。即用 0、1 分別代替真值中的“+” 、 “-”即得原碼。以八位機為例 （下同） 。 1) 對于正數(shù) ：X原=X 例 1.11 若 X1=+1101001B，X2=+101101B，則X1原=01101001B，X2原=00101101B(不 足 8 位應在符號位后補“0” )。 2) 對于負數(shù)：X原=2 8-1-X 例 1.12 若 X1=-1101001B，X2=-101101B，則 X1原 =11101001B=10000000B+1101001B=2 8-1(-1101001B)= 28-1X 1 X2原 =10101101B=10000000B+101101B=2 8-1(-101101B)= 28-1X 2 3) 對于 0 在計算機中，0 可認為它是+0，也可認為它是-0，故 0 在原碼中有兩種表示法。對八位 機：+0原=00000000B，-0原=10000000B。 字長為 n 位的原碼表示法的一般規(guī)律： X (0X2 n 1) X原 = 2 n 1-X (-2n 1 X0 ) (3) 反碼(ones complement) 1) 對于正數(shù)，其反碼表示法與原碼相同，即X反=X原=X 。 例 1.13 若 X1=+1101001B，X2=+101101B，則X1反=X1原=01101001B， X2反= X2原=00101101B(不足 8 位應在符號位后補“0” )。 2) 對于負數(shù)， 反碼等于其原碼符號位不變， 其余各位按位取反(即 “1”換成 “0”, “0” 換成“1”)。也可按以下公式計算：X反=2 8-1+X 。 例 1.14 若 X=-1101001B，則X原 =11101001B， X反 =10010110B=2 8-1+(-1101001B)=28-1-1101001B 。 3) 對于 0，反碼有+0反和-0反兩種表示法。對于 8 位機：+0反=00000000B、-0反 =11111111B 。 字長為 n 位的反碼表示法的一般規(guī)律： X (0X2 n 1) X反 = 2 n 1+X (-2n 1 X0 ) (4) 補碼(twos complement) 5 補碼表示法可以把負數(shù)轉(zhuǎn)換為正數(shù)，使減法轉(zhuǎn)換為加法，從而使正負數(shù)的加減運算轉(zhuǎn)換 為單純的正數(shù)相加的運算。因此,計算機中一般采用補碼表示法。 1) 對于正數(shù)，其補碼就是該正數(shù)本身，即X補=X 例 1.15 若 X=+1101001B，則X補=01101001B 2) 對于負數(shù)， 其補碼等于其反碼加 1。 即X補=X反+1=2 n 1+X+1=2n+X (對八位機 n=8)。 例 1.16 若 X=-1101001B，則X原=11101001B， X反 =10010110B， X補=10010110B+1=10010111B=2 8+X=28+(-1101001B)= 28-1101001B 。 3) 對于 0，+0補=-0補=00000000B ，即 0 的補碼只有一種表示法。 字長為 n 位的補碼表示法的一般規(guī)律： X (0X2 n 1) X補 = 2 n +X (-2n 1 X0 ) 綜上所述，對正數(shù)有X原=X反 =X補 = X；對負數(shù),用“1”代替負號“-”就得原碼， 再對原碼除符號位(最高位)外其余各位按位取反就得反碼,最后對反碼加 1 就得補碼。 (5) 已知機器數(shù)求真值 1) 先求原碼。對正數(shù)(符號位為 0)，原碼、反碼、補碼相同，無需轉(zhuǎn)換；對負數(shù)(符號 位為 1)，反碼的數(shù)值位按位取反，可轉(zhuǎn)換為原碼，補碼的數(shù)值位按位取反后末位加 1，可轉(zhuǎn) 換為原碼。 2) 由原碼求真值。 用 “+” 、 “-” 代替原碼的符號位 (“0”換為 “+” ,“1”換為 “-” ) 即可。 例 1.17 若X補=10011010B，求 X？ 解 因符號位為 1，所以 X 為負數(shù)。則X原=11100101B+1=11100110B，X=-1100110B 1.1.3 溢出的判別方法 (1) 計算機中帶符號數(shù)的加減法運算 在微型計算機中，原碼表示的數(shù)易于識別，但做加減法運算時比較復雜，符號位和數(shù)值 位需要分別處理。首先做兩個數(shù)絕對值的減法，用絕對值大的數(shù)減去絕對值小的數(shù)，然后用 絕對值大的數(shù)的符號作為結(jié)果的符號。采用補碼做加減法運算時，符號位與數(shù)值位同時參與 運算，減法也轉(zhuǎn)換為加法運算，符號位無需單獨處理。 1) 補碼加法運算 補碼加法運算的規(guī)則是：X+Y補=X補+Y補 例 1.18 已知 X=1100011B，Y=-0011B，求 X+Y=？ 解 X補=01100011B，Y補=11111001B X補=01100011B +) Y補=11111001B 模溢出 01011100B 所以X+Y補=X補+Y補=01011100B,X+Y=+1011100B,最高位的進位自動丟失(稱為溢 出)。 2) 補碼減法運算 在微型計算機中減法運算也通過補碼轉(zhuǎn)換為加法運算，減法運算的規(guī)則是： X-Y補=X+(-Y)補=X補+-Y補,其中-Y補可由-Y 求出,也可以由Y補 求出。把Y補 的符號位與數(shù)值位一起取反，末位加 1，結(jié)果就等于-Y補 。 例 1.19 已知 X=1000111B，Y=1001B，求 X-Y=？ 1 6 解 X補=01000111B，Y補=00001001B，-Y補=11110111B X補=01000111B +) -Y補=11110111B 模溢出 00111110B X-Y補=00111110B，X-Y=+0111110B (2) 溢出的判別方法 1)溢出的概念 在計算機內(nèi)部表示數(shù)據(jù)與人工表示數(shù)據(jù)的情況不同，人工表示數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)的值可以 為任意大小，而在計算機內(nèi)只能用有限位數(shù)來表示數(shù)據(jù)。所以計算機中所能表示的數(shù)有一定 的范圍，對于絕對值太大而超過一定值的數(shù)，計算機無法表示，這時會造成數(shù)據(jù)的最高位丟 失，數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯誤，這種情況稱為上溢出。出現(xiàn)上溢出時，應停止運算，進行錯誤處理。對 于絕對值太小的數(shù)，在計算機中同樣也表示不出來，此時計算機將這個數(shù)作為 0 處理，數(shù)據(jù) 產(chǎn)生誤差，這種情況稱為下溢出。由于下溢出所帶來的誤差很小，在允許范圍之內(nèi)，不作錯 誤處理。所以在以后提到的溢出指的是上溢出。 2)溢出的判斷 當兩個數(shù)作加減法運算時，如何判斷運算結(jié)果是否有溢出呢？常用的方法有補碼和變 形補碼兩種方法。 補碼判斷法 兩個用補碼表示的數(shù)作加減法運算時，如果是同號相減或異號相加，只能使數(shù)據(jù)的絕 對值越來越小，運算結(jié)果不可能產(chǎn)生溢出；如果是同號相加或異號相減，則運算結(jié)果可能會 出現(xiàn)溢出。此時，可以把運算結(jié)果的符號與參與運算的數(shù)據(jù)符號相比較，如果出現(xiàn)正數(shù)加正 數(shù)得負數(shù)或負數(shù)加負數(shù)得正數(shù)的情況，則可以斷定運算結(jié)果出現(xiàn)了溢出。 例 1.20 已知 X=1110010B，Y=1001101B，求 X+Y=？ 解 X補=01110010B，Y補=01001101B X補=01110010B +) Y補=01001101B 10111111B 由運算結(jié)果可以看出，兩個正數(shù)相加，結(jié)果為負數(shù)，可以斷定是溢出造成的。出現(xiàn)溢出 時運算結(jié)果是錯誤的，不再使用。 例 1.21 已知 X=-1100111B，Y=1001100B，求 X-Y=？ 解 X補=10011001B，Y補=01001100B，-Y補=10110100B X補=10011001B +) -Y補=10110100B 模溢出 01001101B 由運算結(jié)果可以看出，兩個負數(shù)相加，結(jié)果為正數(shù)，可以斷定是溢出造成的。出現(xiàn)溢出 時運算結(jié)果是錯誤的，不再使用。 例 1.22 已知 X=1100111B，Y=1110011B，求 X-Y=？ 解 X補=01100111B，Y補=01110011B，-Y補=10001101B X補=01100111B +) -Y補=10001101B 11110100B 由于是同號相減，運算結(jié)果不可能產(chǎn)生溢出。所以X+Y補=11110100B，X+Y=-0001100B 1 1 7 變形補碼判斷法 變形補碼是采用雙符號位表示的補碼，用 00 表示正數(shù)，用 11 表示負數(shù)。用變形補碼判 斷運算結(jié)果是否有溢出時，只需要判斷結(jié)果的雙符號位是否相同即可，如果雙符號位相同， 運算結(jié)果沒有溢出，否則運算結(jié)果有溢出。 例 1.23 已知 X=-1100111B，Y=1001100B，求 X+Y=？和 X-Y=？ 解 X變形補=110011001B，Y變形補=001001100B，-Y變形補=110110100B X變形補=110011001B +) Y變形補=001001100B 111100101B 雙符號位相同，結(jié)果無溢出，X+Y=-0011011B 。 X變形補=110011001B +) -Y變形補=110110100B 101001101B 雙符號位不同，結(jié)果溢出。出現(xiàn)溢出時運算結(jié)果是錯誤的，不再使用。 1.1.4 ASCII 碼和 BCD 碼 (1) 二進制代碼 數(shù)碼符號不僅可以用于計數(shù)表示數(shù)值的大小，而且可以用于表示特定的對象。如電話號 碼、郵政編碼、手機號碼等等就是用 09 這十個十進制數(shù)碼符號的組合來表示特定的對象， 可以稱為十進制代碼。同樣，由 0 和 1 組成的二進制數(shù)碼不僅可以表示數(shù)值的大小，而且可 以用來表示特定的信息。這種具有特定含義的二進制數(shù)碼稱為二進制代碼。建立這種代碼與 它表示的對象(如十進制數(shù)、字母、特定符號、邏輯值等)的一一對應關(guān)系過程稱為編碼；將 代碼所表示的特定信息翻譯出來稱為譯碼，分別由編碼器、譯碼器來實現(xiàn)。 (2) 二十進制碼(BCD 碼) 二十進制碼就是用四位二進制數(shù)來表示 09 這十個十進制符號,簡稱為 BCD 碼。由于 四位二進制數(shù)從 00001111 共有十六種組合， 而十進制只有十個數(shù)碼符號， 因此有很多種 BCD 碼。如 8421 碼、2421 碼、5211 碼、余 3 碼等等。常用的是 8421BCD 碼。 1) 8421 碼 8421 碼是用四位二進制數(shù)的前十種組合來表示 09 這十個十進制數(shù)。這種代碼每一位 的權(quán)都是固定不變的，屬于恒權(quán)代碼。它和四位二進制數(shù)一樣，從高位到低位各位的權(quán)分別 是 8、4、2、1，故稱為 8421 碼。其特點是每個代碼的各位數(shù)值之和就是它所表示的十進制數(shù)。 所以，它便于記憶，應用也比較普遍。 例 1.24 若 X=(01001010)2 ,Y=(00110111)2 ,求 X+Y 的 BCD 碼? 解 X+Y= (01001010)2 + (00110111)2 =(10000001)2 =(129)10 =(000100101001)BCD 2) 2421 碼和 5211 碼 它們也屬于恒權(quán)代碼，從高位到低位各位的權(quán)分別是 2、4、2、1 和 5、2、1、1，故而得 名。其中 2421 碼又分為(A)和(B)兩種代碼，它們的編碼狀態(tài)不完全相同。在 2421(B)碼中，0 和 9、1 和 8、2 和 7、3 和 6、4 和 5 互為反碼，即兩碼對應位的值相反。 3) 余 3 碼 這種代碼所組成的四位二進制數(shù)，正好比它代表的十進制數(shù)多 3，故稱為余 3 碼。兩個余 3 碼相加時，其和要比對應表示的十進制數(shù)之和多 6。因而兩個十進制數(shù)之和等于 10 時，兩 個對應余 3 碼之和相當于四位二進制的 16，剛好產(chǎn)生進位信號，不必進行修正。另外，余 3 8 碼的 0 和 9、1 和 8、2 和 7、3 和 6、4 和 5 也互為反碼。余 3 碼不能由各位二進制數(shù)的權(quán)來 決定其代表的十進制數(shù)，故屬于無權(quán)碼。各種 BCD 碼的比較見表 1.1。 表 1.1 幾種常用的 BCD 碼 代碼 十進 種類 制數(shù) 8421 碼 2421(A)碼 2421(B)碼 5211 碼 余 3 碼 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 權(quán) 8 4 2 1 2 4 2 12 4 2 15 2 1 1 (3) 邏輯數(shù)據(jù)(邏輯代碼) 邏輯數(shù)據(jù)用于表示某件事情的“真” 或“假” ， “成立”或“不成立” ，只能參加邏輯運 算。基本邏輯運算包括“與” 、 “或” 、 “非”三種運算。參加邏輯運算的數(shù)據(jù)是按位進行的， 位與位之間沒有進位和借位的關(guān)系。在計算機中邏輯數(shù)據(jù)也是由二進制數(shù)所組成的，但每位 數(shù)沒有權(quán)。通常用“1”表示“邏輯真” ， “0”表示“邏輯假” 。 (4) 美國標準信息交換碼(ASCII 碼) ASCII 碼， 用一個字節(jié)(8 位二進制數(shù))來表示一個特定的字符， 其中低 7 位為字符的 ASCII 碼值，最高位一般用作校驗位。即實際上采用 7 位二進制數(shù)，可表示 2 7 =128 個符號。這 128 個符號共分為兩類：一類是圖形字符，共 96 個；一類是控制字符，共 32 個。96 個圖形字符 包括十進制數(shù)碼符號 10 個、 大小寫英文字母 52 個和其它字符 34 個。 這類字符有特定的形狀， 可以顯示在顯示器上和打印在打印紙上，其編碼可以存儲、傳送和處理。32 個控制符包括回 車符、換行符、退格符、控制符和信息分隔符等。這類字符沒有特定的形狀，其編碼雖然可 以存儲、傳送和起某種控制作用，但字符本身不能在顯示器上顯示和打印機上打印。人們可 通過鍵盤上的字母、符號和數(shù)值向計算機發(fā)送數(shù)據(jù)和指令，每一個鍵可用一個二進制代碼來 表示，常用的就是 ASCII 碼。 在 ASCII 碼表(見本教材附錄三)中，左邊和上邊為相應字符的 ASCII 碼，上邊為高 3 位， 左邊為低 4 位。例如：數(shù)字 09 的 ASCII 碼為 0110000B0111001B(30H39H)，大寫英文字 母 AZ 的 ASCII 碼為 1000001B1011010B(41H5AH)，小寫英文字母 az 的 ASCII 碼為 1100001B1111010B(61H7AH)?？刂品⑨專篘UL：空；SOH：標題開始；STX：正文結(jié)束； ETX：本文結(jié)束；EOT：傳輸結(jié)束；ENQ：詢問；ACK：承認；BEL：響鈴(Bell)；BS：退一格； HT：橫向列表；LF：換行(Line Feed)；VT：垂直制表；FF：走紙控制；CR: 回車(Carriage Return)；SO：移位輸出；SI：移位輸入； SP：空格(Space)； DLE：數(shù)據(jù)鏈換碼；DC1：設(shè) 備控制 1；DC2：設(shè)備控制 2；DC3：設(shè)備控制 3；DC4：設(shè)備控制 4；NAK：否定；SYN：空轉(zhuǎn)同 步；ETB：信息組傳送結(jié)束；CAN：作廢；EM：紙盡；SUB：減；ESC：換碼；FS：文字分隔符； 9 單元地址 n 2 1 0 GS：組分隔符；RS：記錄分隔符；US：單元分隔符；DEL：刪除。 1.2 單片機基礎(chǔ) 1.2.1 計算機的經(jīng)典組成 (1) 計算機的經(jīng)典組成 計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)見圖 1.1 所示。 這種結(jié)構(gòu)是由計算機的開拓者數(shù)學家約翰 馮 諾 依曼最先提出的，所以就稱之為馮諾依曼計算機體系結(jié)構(gòu)，也叫普林斯頓結(jié)構(gòu)。由該圖可 知，計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五個部分組成。至 今為止，計算機的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了四代，即電子管 時代、晶體管時代、集成電路時代、大規(guī)模及超大 規(guī)模集成電路時代，微型計算機技術(shù)也得到了充分 的發(fā)展，但仍未沖出馮諾依曼體系。當前，市場 上常見的大多數(shù)型號的單片機也還遵循著馮諾依 曼體系。 下面簡要分析計算機各部分的作用及工作原 理。如果要使計算機按照人們的需要解決某個具體 問題，并不是把這個問題直接讓計算機去解決，而 是要用計算機可以“理解” 的語言，編寫出一系列 圖 1.1 計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu) 解決這個問題的步驟（即程序）并輸入到計算機中，命令它按照這些步驟順序執(zhí)行，從而使 問題得以解決。編寫解決這些問題的步驟，就是人們常說的編寫程序，也叫程序設(shè)計或軟件 開發(fā)。計算機是嚴格按照程序?qū)Ω鞣N數(shù)據(jù)或者輸入信息進行自動加工處理的，因此必須先把 程序以及數(shù)據(jù)用“輸入設(shè)備”送入計算機內(nèi)部的“存儲器”中存起來，處理完后還要把結(jié)果 用“輸出設(shè)備”輸送出來。輸入設(shè)備包括鍵盤、鼠標、掃描儀等。輸出設(shè)備包括顯示器、打 印機、繪圖儀等。 “運算器”完成程序中規(guī)定的各種算術(shù)和邏輯運算操作。為了使計算機各部 件有條不紊地工作，由“控制器”理解程序的意圖，并指揮各部件協(xié)調(diào)完成規(guī)定的任務。通 常，在微型計算機中，把控制器和運算器制作在一塊集成電路內(nèi)，并稱之為中央處理器或中 央處理單元（CPU） 。CPU 是計算機中最重要的部件，被喻為計算機的大腦和心臟。其具體功能 有：程序控制、操作控制、時間控制、數(shù)據(jù)加工、控制程序和數(shù)據(jù)的輸入與結(jié)果的輸出、對 異常情況和請求的處理等等。目前微機常用的 CPU 芯片主要有 Intel 公司的 C800、C850、P 866、P1G、P1.3G、P1.4G、P1.7G、P1.8G 等等。 (2) 計算機的存儲器結(jié)構(gòu) 存儲器是計算機的記憶部件, 存儲單元 人們編寫的程序就存放在這里,同時 存放程序中所用的數(shù)據(jù)及中間結(jié)果。 計算機之所以能脫離人的干預而高速 自動地工作，其中一個必要條件就是 計算機中有一個能夠存放程序和數(shù)據(jù) 的存儲器。計算機的存儲器通常用半 導體存儲器。半導體存儲器內(nèi)部有很 圖 1.2 存儲單元示意圖 D7D6D5D4D3 D2 D1 D0 運算器 控制器 存儲器 輸 出 設(shè) 備 輸 入 設(shè) 備 10 多存儲單元，每個單元可存放若干位（如 4、8、16、32 等，具體由字長決定）二進制數(shù)。如 8 位機每個單元可存放 8 位二進制數(shù)，也就是一個字節(jié)。為區(qū)分各個存儲單元，將每個單元賦 以一個二進制代碼，稱為存儲器的存儲單元地址，簡稱為地址。如圖 1.2 所示。 半導體存儲器按其存取方式可分為兩大類，即隨機存儲器 RAM(Random Access Memory) 和只讀存儲器 ROM(Read Only Memory)。RAM 在程序運行過程中可讀可寫，但掉電后信息丟失， 常用來存放數(shù)據(jù)，因此也叫數(shù)據(jù)存儲器。ROM 在程序運行過程中存儲單元內(nèi)的內(nèi)容只能讀出而 不能存入，但掉電后信息不丟失，常用來存放程序，因此也叫程序存儲器。 至今為止,微型計算機的存儲器有兩種結(jié)構(gòu)形式。一種是將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器采取 統(tǒng)一的地址編碼結(jié)構(gòu)，即傳統(tǒng)微型計算機的存儲器結(jié)構(gòu)，稱為馮 諾依曼結(jié)構(gòu)，也叫普林斯頓 結(jié)構(gòu)。另一種是將程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分開的地址編碼結(jié)構(gòu)，稱為哈佛結(jié)構(gòu)。見圖 1.3 所示。單片機通常采用哈佛結(jié)構(gòu)， 但也有采用普林斯頓結(jié)構(gòu)的。如 Intel 公司的 MCS-48 系列單片機以 及 MCS-51 系列單片機均采用哈佛結(jié) 構(gòu)，而 MCS-96 系列單片機則采用普 林斯頓結(jié)構(gòu)。 (a) 哈佛結(jié)構(gòu) (b) 普林斯頓結(jié)構(gòu) 圖 1.3 微機的存儲器結(jié)構(gòu) 1.2.2 單片機的概念 (1) 單片機的概念 在當今的工作和生活環(huán)境中，有越來越多的單片機在為我們服務，我們卻意識不到它的 存在。如：當用搖控操縱電視或 VCD 機享受其多彩的畫面時，我們并沒有意識到這是單片機 在接受我們的遙控指令；當我們在享受全自動洗衣機的先進功能時，并不知道這是單片機在 代替我們控制洗衣機運作；單片機在 Call 機和手機等現(xiàn)代通信設(shè)備中亦發(fā)揮著重要的作用； 就連曾一度令許多青少年著迷的電子寵物，也是單片機在大顯神威?？傊幪幎加袉纹瑱C 的身影。為什么我們意識不到他的存在呢？因為單片機只是一小塊集成電路，而且是計算機。 要了解他，不僅需要硬件知識，而且還要軟件知識，這一般人是難以做到的。那么，單片機 究竟是什么呢？單片機就是將計算機的中央處理器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲 器(ROM)、定時器/計數(shù)器和多種輸入/輸出接口(I/O)以及相互連接的總線(BUS)等集成在一塊 芯片上，形成了芯片級的計算機。又叫單片微型計算機（single chip microcomputer）或微 控制器(microcontroller)，縮寫為 MCU(microcontroller Unit)。實際上，單片機是微機的 一個分支。鑒于此，一般微機也叫多片微機。 (2) 單片機的特點 一塊單片機芯片就是一臺計算機。由于單片機的這種特殊的結(jié)構(gòu)形式，在某些應用領(lǐng)域 中，它承擔了大中型計算機和通用微型計算機無法完成的一些工作。使其具有很多顯著的優(yōu) 點和特點，因此在各個領(lǐng)域中都得到了迅猛的發(fā)展。單片機的特點歸納起來有以下幾個方面。 1) 具有優(yōu)異的性能價格比 單片機盡可能地把應用所需的存儲器,各種功能的 I/O 接口集成在一塊芯片內(nèi),因而其性 能很高,而價格卻相對較低廉,即性能價格比很高。 2) 集成度高、體積小、可靠性高 單片機把各種功能部件集成在一塊芯片上，因而集成度高，均為大規(guī)?；虺笠?guī)模集成 存儲器 CPU 程序 存儲器 程序 存儲器 CPU 11 電路。又內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了芯片之間的連線，這大大提高了單片機的可靠性與抗干 擾能力。同時，其體積小，對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合于在惡劣環(huán)境下工作。 3) 控制功能強 單片機體積雖小,但“五臟俱全” ，它非常適用于專門的控制用途。為了滿足工業(yè)控制要 求，一般單片機的指令系統(tǒng)中有極豐富的轉(zhuǎn)移指令，I/O 口的邏輯操作指令以及位操作指令。 其邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微機。 4) 低電壓、低功耗 單片機大量用于攜帶式產(chǎn)品和家用消費類產(chǎn)品，低電壓和低功耗尤為重要。目前，許多 單片機已可在 2.2V 電壓下運行,有的已能在 1.2V 或 0.9V 下工作,功耗降至 A 級,一粒鈕扣電 池就可長期使用。 (3) 單片機的分類 目前單片機品種很多，至少有 50 多個系列，300 多個品種。對這些單片機可按以下標準 進行分類。 1) 按生產(chǎn)廠家分 美國的英特爾(Intel) 公司、摩托羅拉（Motorola）公司、國家辦導體(NS) 公司、Atmel 公司、微芯片(Microchip) 公司、洛克威爾(Rockwell)公司、莫斯特克公司(Mostek)、齊洛 格(Zilog)公司、仙童(Fairchid)公司、德州儀器(TI)公司等等。日本的電氣(NS)公司、東芝 (Toshiba)公司、富士通(Fujitsu)公司、松下公司、日立(Hitachi)公司、日電(NEC)公司、 夏普公司等等。荷蘭的飛利浦(Philips)公司。德國的西門子(Siemens)公司等等。 2) 按字長分 4 位單片機 4 位單片機的控制功能較弱,CPU 一次只能處理 4 位二進制數(shù)。 這類單片 機常用于計算器、各種形態(tài)的智能單元以及作為家用電器中的控制器。典型產(chǎn)品有 NEC 公司 的 UPD 75系列、 NS 公司的 COP400 系列、 松下公司的 MN1400 系列、 ROCKWELL 公司的 PPS/1 系列、富士通公司的 MB88 系列、夏普公司的 SM系列、Toshiba 公司的 TMP47系列 等等。 8 位單片機 8 位單片機的控制功能較強，品種最為齊全。和 4 位單片機相比，它不 僅具有較大的存儲容量和尋址范圍，而且中斷源、并行 I/O 接口和定時器/計數(shù)器個數(shù)都有了 不同程度的增加，并集成有全雙工串行通信接口。在指令系統(tǒng)方面，普遍增設(shè)了乘除指令和 比較指令。特別是 8 位機中的高性能增強型單片機，除片內(nèi)增加了 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器外，還 集成有定時器捕捉/比較寄存器、監(jiān)視定時器(Watchdog)、總線控制部件和晶體振蕩電路等。 這類單片機由于其片內(nèi)資源豐富和功能強大，主要在工業(yè)控制、智能儀表、家用電器和辦公 自動化系統(tǒng)中應用。代表產(chǎn)品有 Intel 公司的 MCS-48 系列和 MCS-51 系列 、Microchip 公司 的 PIC16C系列和 PIC17C系列以及 PIC1400 系列、Motorola 公司的 M68HC05 系列和 M68HC11 系列、 Zilog 公司的 Z8 系列、 荷蘭 Philips 公司的 80C51 系列(同 MCS-51 兼容)、 Atmel 公司的 AT89 系列(同 MCS-51 兼容)、NEC 公司的 UPD78系列等等。 16 位單片機 16 位單片機是在 1983 年以后發(fā)展起來的。這類單片機的特點是：CPU 是 16 位的，運算速度普遍高于 8 位機，有的單片機的尋址能力高達 1MB，片內(nèi)含有 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換電路，支持高級語言。這類單片機主要用于過程控制、智能儀表、家用電器以及作為計 算機外部設(shè)備的控制器等。 典型產(chǎn)品有Intel公司的MCS-96/98系列、 Motorola公司的M68HC16 系列、NS 公司的 783系列、Mostek 公司的 MC68200 系列等等。 32 位單片機 32 位單片機的字長為 32 位，是單片機的頂級產(chǎn)品，具有極高的運算 速度。近年來，隨著家用電子系統(tǒng)的新發(fā)展，32 位單片機的市場前景看好。這類單片機的代 表產(chǎn)品有 Intel 公司的 MCS-80960 系列、 Motorola 公司的 M68300 系列、 Hitachi 公司的 Super 12 H(簡稱 SH)系列等等。 3) 按制造工藝分 HMOS 工藝 高密度短溝道 MOS 工藝,具有高速度、高密度的特點。 CHMOS(或 HCMOS)工藝 互補的金屬氧化物的 HMOS 工藝，是 CMOS 和 HMOS 的結(jié)合，具 有高密度、高速度、低功耗的特點。Intel 公司產(chǎn)品型號中若帶有字母“C” ，Motorola 公 司產(chǎn)品型號中若帶有字母“HC”或“L” ，通常為 CHMOS 工藝。 4) 按使用范圍分 通用單片機 把開發(fā)資源(如 ROM、I/O 口等)全部提供給用戶使用，其適應性較強， 應用非常廣泛。本教材主要介紹通用單片機。 專用單片機 是針對各種特殊需要而專門設(shè)計的芯片。如電視機、空調(diào)、洗衣機等 家用電器通常使用專用單片機。 1.2.3 單片機的應用范圍 單片機的特點決定其應用領(lǐng)域非常寬廣。無論是工業(yè)部門、國防部門、民用部門乃至事 業(yè)部門，到處都有他的身影。現(xiàn)將單片機的應用大致歸納為以下幾個方面。 (1) 在智能儀器儀表中的應用 這是單片機應用最多,最活躍的領(lǐng)域之一。在各類儀器儀表中引入單片機，使其智能化， 提高測試的自動化程度和精度，簡化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，提高其性價比。同時便于使用、 維修和改進。如用 MCS-51 系列單片機控制的“汽車發(fā)動機綜合測試儀” 、 “煙葉水分測試儀” 、 “智能超聲波測試儀”等。 (2) 在機電一體化中的應用 機電一體化是指集機械技術(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 化特征的機電產(chǎn)品。這是機械工業(yè)發(fā)展的方向。單片機的出現(xiàn)促進了機電一體化，他作為機 電產(chǎn)品中的控制器，能充分發(fā)揮其體積小、可靠性高、功能強、安裝方便等到特點，大大強 化了機器的功能，提高了機器的自動化、智能化程度。 (3) 在實時過程控制中的應用 單片機也廣范地應用于各種實時控制系統(tǒng)中，例如對工業(yè)上各種窯爐、鍋爐的溫度、酸 度、化學成分的測量和控制。將測量技術(shù)、自動控制技術(shù)和單片機技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮其 數(shù)據(jù)處理和實時控制功能，使系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)，提高系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。在 航空航天、通訊、遙控、遙測等各種實時控制系統(tǒng)中都可以用單片機作為控制器。 (4) 在分布式多機系統(tǒng)中的應用 分布式多機系統(tǒng)具有功能強可靠性高的特點，在比較復雜的系統(tǒng)中，都采用分布式多機 系統(tǒng)。系統(tǒng)中有若干臺功能各異的計算機，各自完成特定的任務，它們又通過通訊線路相互 聯(lián)系、協(xié)調(diào)工作。單片機在這種多機系統(tǒng)中，往往作為一個終端機，安裝在系統(tǒng)的某些節(jié)點 上，對現(xiàn)場信息進行實時的測量和控制。高檔的單片機多機通訊(并行或串行)功能很強，它 們在分布式多機系統(tǒng)中能發(fā)揮很大作用。 (5) 在家用電器中的應用 家用電器涉及到千家萬戶，生產(chǎn)規(guī)模大。目前國內(nèi)外各種家用電器都已普遍采用單片機 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制電路。如洗衣機、電冰箱、空調(diào)、電飯煲、收音機、功放、電風扇、電視機、 VCD、DVD 及許許多多的電子玩具等等都配上了單片機。從而提高了自動化程度，增強了功能， 深受用戶的歡迎。 (6) 在其它方面的應用 除以上之外，單片機還廣泛用于辦公自動化、商業(yè)營銷、汽車及通信系統(tǒng)、計算機外設(shè)、 13 模糊控制等各種領(lǐng)域中。 1.2.4 單片機的發(fā)展 自從 1974 年美國仙童(Fairchild)公司的第一臺單片機問世以來,單片機的發(fā)展特別迅 速,各種新、高性能單片機不斷推陳出新沖向市場。迄今為止已有 30 多年歷史，經(jīng)歷了五個 發(fā)展階段。 第一階段(19711974)：單片機萌芽階段。1971 年 11 月美國 Intel 公司設(shè)計成集成度 為 2000 只晶體管/片的 4 位微處理器 Intel4004，并且配有隨機存儲器 RAM，只讀存儲器 ROM 和移位寄存器等芯片，構(gòu)成第一臺 MCS-4 微型計算機。隨后又研制成了 8 位微處理器 Intel8008。在此期間 Fairchild 公司也研制成了 8 位微處理器 F8。這些微處理器雖說還不是 單片機，但從此拉開了研制單片機的序幕。 第二階段(19741978):初級單片機階段。 以 Intel 公司的 MCS-48 為代表。 它將 8 位 CPU、 并行 I/O 口、8 位定時器/計數(shù)器和 28 字節(jié)的 RAM 集成在一個芯片內(nèi)。尋址范圍不大于 4KB， 且無串行口。使用的是 NMOS 工藝。 第三階段(19781983):高性能單片機階段。這一階段單片機和前階段相比，不僅存儲容 量和尋址范圍大，而且中斷源、并行 I/O 口和定時器/計數(shù)器個數(shù)有了增加，集成了全雙工串 行通信接口。在指令系統(tǒng)方面，普遍增設(shè)了乘除法和比較指令。這類單片機代表產(chǎn)品有 Intel 公司的 MCS-51 系列機、Motorola 公司的 MC6801 系列機、Zilog 公司的 Z8 系列機、TI 公司的 TMS7000 系列機等。此外，Rockwell、NS、GI 和日本松下公司也先后生產(chǎn)了自己的單片機系 列。由于這類單片機應用領(lǐng)域極其廣泛，各大公司都大力改進其結(jié)構(gòu)與性能。所以，這個系 列的各類產(chǎn)品目前仍是國內(nèi)外產(chǎn)品的主流。其中 MCS-51 系列產(chǎn)品由于其優(yōu)良的性能價格比， 有可能在相當長一段時間內(nèi)處于主流產(chǎn)品地位。因此，本教材重點介紹 MCS-51 單片機。 第四階段（1983） ：8 位單片機鞏固發(fā)展及 16 位單片機推出階段。16 位單片機工藝先 進、集成度高、內(nèi)部功能強，加法運算速度可達 1s 以上，而且允許用戶采用面向工業(yè)控制的 專用語言。代表產(chǎn)品有 Intel 公司的 MCS-96 系列、TI 公司的 TMS9900、NEC 公司的 783 系列和 NS 公司的 HPC16040 等。 現(xiàn)階段：32 位單片微機系列。繼 16 位單片機出現(xiàn)后不久，幾大公司先后推出了代表當 前最高性能和技術(shù)水平的 32 位單片微機系列。32 位單片機具有極高的集成度，內(nèi)部采用新穎 的 RISC（精簡指令系統(tǒng)計算機）結(jié)構(gòu)，CPU 可與其他微控制器兼容，主頻頻率可達 33MHz 以 上，指令系統(tǒng)進一步優(yōu)化，運算速度可動態(tài)改變，設(shè)有高級語言編譯器，具有性能強大的中 斷控制系統(tǒng)、定時/事件控制系統(tǒng)、同步/異步通信控制系統(tǒng)。代表產(chǎn)品有 Intel 公司的 MCS-80960 系列、Motorola 公司的 M68300 系列、Hitachi 公司的 Super H(簡稱 SH)系列等等。 這類單片機主要應用于汽車、航空航天、高級機器人、軍事裝備等方面。它代表著單片 機發(fā)展中的高、新技術(shù)水平。 1.2.5 單片機系統(tǒng) (1) 微型計算機系統(tǒng)的組成 微型計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。 1) 硬件系統(tǒng)(hardware system) 硬件是指構(gòu)成微型計算機系統(tǒng)的物理實體或稱物理裝置，是看得見，摸得著的。微型計 算機系統(tǒng)的常用硬件主要由主機箱、CRT 或 LCD 顯示器、鍵盤、鼠標、打印機、繪圖儀、掃描 儀等組成。主機箱內(nèi)裝有主機板、硬盤驅(qū)動器、軟盤驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器和電源等。微處理 器、存儲器(即內(nèi)存)和 I/O 接口等裝在