單片機基礎知識匯總資料

1、單片機基礎知識匯總1單片機簡介: 亦稱微控制器顧名思義，這種計算機的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進行簡單運算和控制。因為它體積小，通常都藏在被控機械的“肚子”里。它在整個裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個裝置就癱瘓了?，F(xiàn)在，這種單片機的使用領域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞“智能微電腦型”，如智能型熱水器等。 學習單片機是否很困難呢？應當說，對于已經(jīng)具有電子電路，尤其是數(shù)字電路基本知識的讀者來說，不會有太大困難，如果你對 PC 機有一定基礎，學習單片機就更容易。

2、為使絕大多數(shù)讀者能用上單片機。我們這里將盡量按深入淺出、理論聯(lián)系實際的原則把單片機的基本工作原理、使用方法交給讀者，以達到把大家領進單片機之“門”的目的。不過，單片機和 PC 機一樣，是實踐性很強的一門技術，有人說“計算機是玩出來的”，單片機亦一樣，只有多“玩”，也就是多練習、多實際操作，才能真正掌握它。因此，本講座會提供各種練習和實驗，并介紹一些適用于初學者且性價比較高的單片機和開發(fā)系統(tǒng)的貨源。你只有認真完成成這些實踐環(huán)節(jié)，才能為進一步深造，打好基礎。 只要你有恒心、有決心，跟隨我們的“連載”一步步走下去，將來就一定能在單片機世界里遨游。 單片機的組成: 單片機要自動完成計算，它應該具有哪些

3、最重要的部分呢？ 我們以打算盤為例計算一道算術題。例：111109×188199÷32?，F(xiàn)在要進行運算，首先需要一把算盤，其次是紙和筆。我們把要計算的問題記錄下來，然后第一步先算 109×188，把它與 111 相加的結果記在紙上，然后計算 199÷32，再把它從上一次結果中減去，就得到最后的結果。 現(xiàn)在，我們用單片機來完成上述過程，顯然，它首先要有代替算盤進行運算的部件，這就是“運算器”；其次，要有能起到紙和筆作用的器件，即能記憶原始題目、原始數(shù)據(jù)和中間結果，還要記住使單片機能自動進行運算而編制的各種命令。這類器件就稱為“存貯器”。此外，還需要有能代替

4、人作用的控制器，它能根據(jù)事先給定的命令發(fā)出各種控制信號，使整個計算過程能一步步地進行。但是光有這三部分還不夠，原始的數(shù)據(jù)與命令要輸入，計算的結果要輸出，都需要按先后順序進行，有時還需等待。如上例中，當在計算 109×188 時，數(shù)字 111就不能同時進入運算器。因此就需要在單片機上設置按控制器的命令進行動作的“門”，當運算器需要時，就讓新數(shù)據(jù)進入?；蛘撸斶\算器得到最后結果時，再將此結果輸出，而中間結果不能隨便“溜出”單片機。這種對輸入、輸出數(shù)據(jù)進行一定管理的“門”電路在單片機中稱為“口”（Port）。在單片機中，基本上有三類信息在流動，一類是數(shù)據(jù)，即各種原始數(shù)據(jù) 109 （如上例中

5、的 111、 等）、中間結果（如 199÷32 所得的商 6、余數(shù) 7 等）、程序（命令的集合）等。這樣要由外部設備通過“口”進入單片機，再存放在存貯器中，在運算處理過程中，數(shù)據(jù)從存貯器讀入運算器進行運算，運算的中間結果要存入存貯器中，或最后由運算器經(jīng)“出入口”輸出。用戶要單片機執(zhí)行的各種命令（程序）也以數(shù)據(jù)的形式由存貯器送入控制器，由控制器解讀（譯碼）后變?yōu)楦鞣N控制信號，以便執(zhí)行如加、減、乘、除等功能的各種命令。所以，這一類信息就稱為控制命令，即由控制器去控制運算器一步步地進行運算和處理，又控制存貯器的讀（取出數(shù)據(jù)）和寫（存入數(shù)據(jù)）等。第三類信息是地址信息，其作用是告訴運算器和控制

6、器在何處去取命令取數(shù)據(jù)，將結果存放到什么地方，通過哪個口輸入和輸出信息等。 半導體存儲器的工作原理存貯器又分為只讀存貯器和讀寫存貯器兩種，前者存放調(diào)試好的固定程序和常數(shù)，后者存放一些隨時有可能變動的數(shù)據(jù)。顧名思義，只讀存貯器一旦將數(shù)據(jù)存入，就只能讀出，不能更改（EPROM、E2PROM 等類型的ROM 可通過一定的方法來更改、寫入數(shù)據(jù)編者注）。而讀寫存貯器可隨時存入或讀出數(shù)據(jù).1 存儲器的內(nèi)部構造 看下面的圖這就是半導體存儲器的結構簡圖 圖中有 4 個字節(jié)2 存儲器的工作原理 存儲器就是用來存放數(shù)據(jù)的地方它其實是利用電平的高或低來存放數(shù)據(jù)的也就是說它實際上存放的是電平的高或低的狀態(tài)而不是我們所

7、習慣上認為的有了這么一個構造我們就可以開始存放數(shù)據(jù)了比如我們要放進一個數(shù)據(jù)1234 這樣的數(shù)字那它是如何工作的呢看上面的圖這就是存儲器的內(nèi)部結構示意圖一個存儲器就象一個小抽屜一個小抽屜里有 8 個也就是單片機的 8 位小盒子每個小盒子用來存放 1 位電荷電荷通過與它相連的電線傳進來或釋放掉至于電荷在小盒子里是怎樣存放的這就不用我們操心了您可以把電線想象成水管小盒子里的電荷就象是水那就好理解了存儲器中的 1 個小抽屜我們把它稱之為 1 個單元相當于 1 個字節(jié)而 1 個小盒子就相當于 1 位 00011010 我們只要把第 2 號第 4 號和第 5 號小盒子里存滿電荷而其它小盒子里的電荷給放掉就

8、行了可是問題又出來了一個存儲器有好多相同的單元線是并聯(lián)著的看 D7-D0 在放入電荷的時候會將電荷放入所有的字節(jié)單元中而釋放電荷的時候會把每個單元中的電荷都放掉這樣的話不管存儲器有多少個字節(jié)單元都只能放同一個數(shù)這當然不是我們所希望的因此我們要在結構上稍作變化看上面的圖在每個單元上有根線與譯碼器相連我想要把數(shù)據(jù)放進哪個單元就通過譯碼器給哪個單元發(fā)一個信號由譯碼器通過這根線把相應的開關打開這樣電荷就可以自由地進出了那么這樣是不是就能隨意地向存儲器寫入或者讀出數(shù)據(jù)了呢其實還不能繼續(xù)看上面的圖與 D7-D0 相連的還有一個控制器它是用來干什么的呢這根線叫寫入/讀出控制線當我們向存儲器寫入數(shù)據(jù)時必須先把

9、這個開關切換到寫入端而要讀出數(shù)據(jù)時就得先把開關切換到讀出端而片選端則是為了區(qū)分不同的存儲器設置的這里沒搞明白沒關系后面還有介紹先讓我們來看看譯碼器是如何工作的3 半導體存儲器的譯碼 簡單介紹一下我們知道 1 根線可以代表 2 種狀態(tài) 2 根線可以代表 4 種狀態(tài) 3根線可以代表 8 種 256 種狀態(tài)又需要幾根線代表自己想一下是不是 8 根線4 存儲器的選片及總線的概念 至此譯碼的問題解決了讓我們再來關注另外一個問題送入每個字節(jié)的 8 根線又是從什么地方來的呢它就是從單片機的外部引腳上接過來的一般這 8 根線除了接一個存儲器之外還要接其它的器件這樣問題又來了這 8 根線既然不是存儲器和單片機之

10、間專用的如果總是將某個單元接在這 8 根線上就不行了比如這個存儲器單元中的數(shù)值是 11111111 另一個存儲器的單元是 00000000 那么這根線到底是處于高電平還是低電平所以我們必須讓它們分離辦法當然也簡單當外面的線接到集成電路的引腳上來后不直接接到各單元去而是在中間加一組開關這組開關就是前面提到的控制器看前面的圖平時我們讓開關打開著如果確實是要向這個存儲器中寫入數(shù)據(jù)或要從存儲器中讀出數(shù)據(jù)再讓開關切換到相應的位置就行了這組開關由三根引線選擇讀控制端寫控制端和片選端要將數(shù)據(jù)寫入先由控制器選中該片然后發(fā)出相應的寫信號開關切換到相應的位置并將傳過來的數(shù)據(jù)電荷寫入片中如果要讀信號先選中該片然后發(fā)

11、出讀信號開關也切換到相應的位置上數(shù)據(jù)就被送出去了另外讀和寫信號還同時受到譯碼器的控制由于片選端的不同所以雖有讀或?qū)懶盘柕珱]有片選信號所以另一個存儲器就不會誤會而開門造成沖突那么會不會同時選中兩個存儲器呢只要是設計好的系統(tǒng)就不會如果真的出現(xiàn)同時選中兩個存儲器的話那就是電路出故障了 8 根線并不是專用的而是很多器件大家共用的所以我們把它們稱之為數(shù)據(jù)總線總線英文名為 BUS 即公交車道誰都可以走而 16 根地址線 51 單片機共有 16 根地址線這些以后會講解這里不必死記硬背也是連在一起的我們把它們稱之為地址總線看上面的圖 如此看來存儲器要想寫入或者讀出數(shù)據(jù)還真是不容易不過好在這些都是由計算機自動完

12、成的不需要我們?nèi)ゲ傩膹纳厦娴慕榻B中我們已經(jīng)看到用來傳遞數(shù)據(jù)的 單片機的主要處理中心 CPU 實際上，人們往往把運算器和控制器合并稱為中央處理單元CPU。單片機除了進行運算外，還要完成控制功能。所以離不開計數(shù)和定時。因此，在單片機中就設置有定時器兼計數(shù)器。到這里為止，我們已經(jīng)知道了單片機的基本組成，即單片機是由中央處理器（即 CPU 中的運算器和控制器）、只讀存貯器（通常表示為 ROM）、讀寫存貯器（又稱隨機存貯器通常表示為 RAM）、輸入/輸出口（又分為并行口和串行口，表示為 I/O 口）等等組成。實際上單片機里面還有一個時鐘電路，使單片機在進行運算和控制時，都能有節(jié)奏地進行。另外，還有所謂的

13、“中斷系統(tǒng)”，這個系統(tǒng)有“傳達室”的作用，當單片機控制對象的參數(shù)到達某個需要加以干預的狀態(tài)時，就可經(jīng)此“傳達室”通報給 CPU，使 CPU 根據(jù)外部事態(tài)的輕重緩急來采取適當?shù)膽洞胧?現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道了單片機的組成，余下的問題是如何將它們的各部分連接成相互關聯(lián)的整體呢？實際上，單片機內(nèi)部有一條將它們連接起來的“紐帶”，即所謂的“內(nèi)部總線”。此總線有如大城市的“干道”，而 CPU、ROM、RAM、I/O口、中斷系統(tǒng)等就分布在此“總線”的兩旁，并和它連通。從而，一切指令、數(shù)據(jù)都可經(jīng)內(nèi)部總線傳送，有如大城市內(nèi)各種物品的傳送都經(jīng)過干道進行。 單片機的指令系統(tǒng)和匯編語言程序: 前面已經(jīng)講述了單片機的

14、幾個主要組成部分，這些部分構成了單片機的硬件。所謂硬件（Hardware），就是看得到，摸得到的實體。但是，光有這樣的硬件，還只是有了實現(xiàn)計算和控制功能的可能性。單片機要真正地能進行計算和控制，還必須有軟件（Software）的配合。軟件主要指的是各種程序。只有將各種正確的程序“灌入”（存入）單片機，它才能有效地工作。單片機所以能自動地進行運算和控制，正是由于人把實現(xiàn)計算和控制的步驟一步步地用命令的形式，即一條條指令（Instruction）預先存入到存貯器中，單片機在 CPU 的控制下，將指令一條條地取出來，并加以翻譯和執(zhí)行。就以兩個數(shù)相加這一簡單的運算來說，當需要運算的數(shù)已存入存貯器后，還

15、需要進行以下幾步： 第一步：把第一個數(shù)從它的存貯單元（Location）中取出來，送至運算器。 第二步：把第二個數(shù)從它所在的存貯單元中取出來，送至運算器； 第三步：相加； 第四步：把相加完的結果，送至存貯器中指定的單元。 所有這些取數(shù)、送數(shù)、相加、存數(shù)等等都是一種操作（Operation），我們把要求計算機執(zhí)行的各種操作用命令的形式寫下來，這就是指令。但是怎樣才能辨別和執(zhí)行這些操作呢？這是在設計單片機時由設計人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的。一條指令，對應著一種基本操作；單片機所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機的指令系統(tǒng)（Iustruction Set），不同種類的單片機，其指令系統(tǒng)亦不同。 下面重

16、點講一下數(shù)據(jù)、地址、指令的區(qū)別初學時特不易區(qū)分： 數(shù)據(jù)、地址、指令：之所以將這三者放在一起，是因為這三者的本質(zhì)都是一樣的數(shù)字，或者說都是一串0和1組成的序列。換言之，地址、指令也都是數(shù)據(jù)。指令：由單片機芯片的設計者規(guī)定的一種數(shù)字，它與我們常用的指令助記符有著嚴格的一一對應關系，不可以由單片機的開發(fā)者更改。地址：是尋找單片機內(nèi)部、外部的存儲單元、輸入輸出口的依據(jù)，內(nèi)部單元的地址值已由芯片設計者規(guī)定好，不可更改，外部的單元可以由單片機開發(fā)者自行決定，但有一些地址單元是一定要有的（詳見程序的執(zhí)行過程）。數(shù)據(jù)：這是由微處理機處理的對象，在各種不同的應用電路中各不相同，一般而言，被處理的數(shù)據(jù)可能有這么幾

17、種情況：1地址（如 MOV DPTR，1000H），即地址 1000H（相當于門牌號）送入 DPTR。2方式字或控制字（如 MOV TMOD，03H），3 即是控制字。3常數(shù)（如 MOV TH0，10H）10H 即定時常數(shù)（16 進制）。4實際輸出值（如 P1 口接彩燈，要燈全亮，則執(zhí)行指令：MOV P1，0FFH，要燈全暗，則執(zhí)行指令：MOV P1，00H）這里 0FFH 和 00H 都是實際輸出值。又如用于 LED 的字形碼，也是實際輸出的值。理解了地址、指令的本質(zhì)，就不難理解程序運行過程中為什么會跑飛，會把數(shù)據(jù)當成指令來執(zhí)行了。2 單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管他的

18、大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設備。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡、復雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。 單片機也被稱為微控制器（Microcontroler），是因為它最早被用在工業(yè)控制領域。單片機由芯片內(nèi)僅有 CPU 的專用處理器發(fā)展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和 CPU 集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復雜的而對提及要求嚴格的控制設備當中。INTEL 的 Z80 是最早按照這種思想設計出的處理器，

19、從此以后，單片機和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。 早期的單片機都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后在 8031 上發(fā)展出了 MCS51 系列單片機系統(tǒng)。基于這一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領域要求的提高，開始出現(xiàn)了 16 位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應用。90 年代后隨著消費電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機技術得到了巨大的提高。隨著INTEL i960 系列特別是后來的 ARM 系列的廣泛應用，32 位單片機迅速取代 16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。而傳統(tǒng)的 8 位單片機的性能也得到

20、了飛速提高，處理能力比起 80 年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的 32 位單片機主頻已經(jīng)超過 300MHz，性能直追 90 年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至 1 美元，最高端的型號也只有 10 美元。當代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和 核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows 和 Linux 操作系統(tǒng)。 單片機比專用處理器最適合應用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應用。事實上單片機是世界上數(shù)量最多的計算機?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片機。 、 、計算

21、器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標等電腦配件中都配有 1-2 部單片機。而個人電腦中也會有為數(shù)不少的單片機在工作。汽車上一般配備 40 多部單片機，復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機在同時工作！單片機的數(shù)量不僅遠超過 PC 機和其他計算的綜合，甚至比人類的數(shù)量還要多。單片機介紹： 單片機又稱單片微控制器它不是完成某一個邏輯功能的芯片而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇。 單片機內(nèi)部也用和電腦功能類似的模塊，比如 CPU，內(nèi)存，并

22、行總線，還有和硬盤作用相同的存儲器件，不同的是它的這些部件性能都相對我們的家用電腦弱很多，不過價錢也是低的，一般不超過 10 元即可.用它來做一些控制電器一類不是很復雜的工作足矣了。我們現(xiàn)在用的全自動滾筒洗衣機、排煙罩、 VCD等等的家電里面都可以看到它的身影！.它主要是作為控制部分的核心部件。 它是一種在線式實時控制計算機，在線式就是現(xiàn)場控制，需要的是有較強的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計算機的（比如家用 PC）的主要區(qū)別。 單片機是靠程序的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，這是別的器件需要費很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。

23、一個不是很復雜的功能要是用美國 50 年代開發(fā)的 74系列，或者 60 年代的 CD4000 系列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大PCB 板！但是如果要是用美國 70 年代成功投放市場的系列單片機，結果就會有天壤之別！只因為單片機的通過你編寫的程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于單片機對成本是敏感的，所以目前占統(tǒng)治地位的軟件還是最低級匯編語言，它是除了二進制機器碼以上最低級的語言了，既然這么低級為什么還要用呢？很多高級的語言已經(jīng)達到了可視化編程的水平為什么不用呢？原因很簡單，就是單片機沒有家用計算機那樣的 CPU，也沒有像硬盤那樣的海量存儲設備。一個可視化高級語言編寫的小程序

24、里面即使只有一個按鈕，也會達到幾十 K 的尺寸！對于家用 PC 的硬盤來講沒什么，可是對于單片機來講是不能接受的。單片機在硬件資源方面的利用率必須很高才行，所以匯編雖然原始卻還是在大量使用。一樣的道理，如果把巨型計算機上的操作系統(tǒng)和應用軟件拿到家用 PC 上來運行，家用 PC 的也是承受不了的。 可以說，二十世紀跨越了三個“電”的時代，即電氣時代、電子時代和現(xiàn)已進入的電腦時代。不過，這種電腦，通常是指個人計算機，簡稱 PC 機。它由主機、鍵盤、顯示器等組成（如圖 1 所示）。還有一類計算機，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。這種計算機就是把智能賦予各種機械的單片機（亦稱微控制器）。顧名思義，這種計算機的最

25、小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進行簡單運算和控制。因為它體積小，通常都藏在被控機械的“肚子”里。它在整個裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個裝置就癱瘓了?，F(xiàn)在，這種單片機的使用領域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞“智能型”，如智能型洗衣機等?，F(xiàn)在有些工廠的技術人員或其它業(yè)余電子開發(fā)者搞出來的某些產(chǎn)品，不是電路太復雜，就是功能太簡單且極易被仿制。究其原因，可能就卡在產(chǎn)品未使用單片機或其它可編程邏輯器件上。單片機的應用領域： 目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能 IC 卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄象機、攝象機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機的學習、開發(fā)與應用將造就一批計算機應用與智