第1講單片機基礎知識

1、第1講 單片機基礎知識第1講 單片機基礎知識從1946年2月賓夕法尼亞大學研制出第一臺數(shù)字計算機ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator，電子數(shù)字積分器與計算機）至今，計算機的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了電子管計算機、晶體管計算機、集成電路計算機以及大規(guī)模集成電路計算機4個時代。如今計算機已經(jīng)不再是當年少數(shù)科研人員使用的“龐然大物”，而是以微機（Microcomputer）的形式進入到了我們?nèi)粘９ぷ?、生活的各個角落。單片機作為微型計算機的一種，在工業(yè)控制以及日常生活中都有十分廣泛的應用。本講將介紹單片機的概念和預備知識，為后面系統(tǒng)詳細

2、學習單片機做好 鋪墊。本講內(nèi)容î 單片機概述î 單片機中的預備知識1.1 單片機概述從儀器儀表到工業(yè)控制，從家用電器到航空航天，單片機在我們的日常生活和工作中有著十分廣泛的應用。而在平時的學習過程中，除了單片機我們還常常聽到微處理器、微型計算機、嵌入式系統(tǒng)等名詞，這些名詞與單片機有著密切的聯(lián)系，同時也有著一定的區(qū)別。本節(jié)將從這幾個概念開始繼而詳細闡述單片機的相關(guān)概念、發(fā)展歷史、基本組成、應用以及發(fā)展趨勢。1.1.1 有關(guān)單片機的幾個概念微處理器、微型計算機、微型計算機系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、單片機這幾個概念之間有著一定的聯(lián)系也存在一定的區(qū)別，弄清楚這幾個概念有利于我們更好地理解什

3、么是單片機。（1）微處理器（Micro Processor Unit）微處理器即MPU，是由一塊或者幾塊大規(guī)模集成電路組成的中央處理器（CPU），具有控制運算功能。1971年，計算機發(fā)展進入到大規(guī)模集成電路時代，微處理器得以誕生并開始高速發(fā)展。從第一代4位處理器開始，歷經(jīng)8位處理器、16位處理器、32位處理器，現(xiàn)在64位處理器也已經(jīng)得到廣泛的使用。由于是將CPU集成在一個半導體芯片上，所以相較傳統(tǒng)的CPU，其具有體積小、重量輕以及容易模塊化的特點。微處理器是構(gòu)成微型計算機的核心部件。（2）微型計算機（Micro Computer）微型計算機簡稱微機，是以微處理器為核心單元，配以存儲器、輸入/輸

4、出設備接口電路以及相應輔助電路構(gòu)成的裸機。依據(jù)組成微型計算機電路板數(shù)量類型的不同，可以將微型計算機分為多板微型計算機、單板微型計算機以及單片微型計算機。其中，單片微型計算機即通常所說的單片機，也就是說單片機是微型計算機中的一種。（3）微型計算機系統(tǒng)（Micro Computer System）以微型計算機為核心，再配以相應的外圍設備、電源、輔助電路和控制微型計算機工作的軟件就構(gòu)成了完整的微型計算機系統(tǒng)。因此，所說的單獨的微型計算機并不是一個微型計算機系統(tǒng)，一般而言，微型計算機系統(tǒng)包含硬件和軟件兩個部分。通過上面的介紹可以看出，從微處理器到微型計算機再到微型計算機系統(tǒng)，這3個概念包含的范圍依次遞

5、增，微處理器是微型計算機的核心單元，微型計算機又是微型計算機系統(tǒng)的核心單元。（4）嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）嵌入式系統(tǒng)是一種完全嵌入受控器件內(nèi)部且為特定應用而設計的專用計算機系統(tǒng)。相較于平常使用的個人計算機（Personal Computer）系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)通常執(zhí)行的是有特定要求預先設置的任務。嵌入式系統(tǒng)是面向具體應用的，它能夠與應用緊密結(jié)合，并適應具體應用在功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面的嚴格要求。嵌入式系統(tǒng)的核心單元最初是基于單片機的，但是隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，其核心單元也有了許多變化。除了單片機之外，出現(xiàn)了基于DSP、ARM等多種處理器的嵌入式系統(tǒng)。（5）單片機

6、（Single Chip Micro Computer）單片微型計算機即單片機，是將CPU、RAM、ROM、定時器、中斷系統(tǒng)、輸入/輸出接口電路等集成到一塊芯片上的計算機。由于單片機在控制領(lǐng)域得到廣泛的使用，所以逐漸被稱之為微控制器（Micro Controller Unit，MCU）。單片機屬于微型計算機中的一種，具有普通微型計算機的基本組成和功能。1.1.2 單片機的發(fā)展歷史單片機從誕生至今已經(jīng)有30多年的歷史，從最初的低性能8位單片機到如今的單片機，經(jīng)歷了如下幾個階段。（1）第一階段（19741976年）這個階段是單片機的探索階段。1971年，Intel首次宣布了4004的4位微處理器，

7、各大公司就開始醞釀生產(chǎn)單片機。1974年12月，F(xiàn)air Child公司推出8位單片機F8，但是實際上只包含8位CPU、64B的RAM和兩個并行口，還需加一塊3851（由1KB ROM、定時/計數(shù)器和兩個并行I/O口構(gòu)成）才能組成一臺完整的微型計算機。（2）第二階段（19761978年）這個階段是低性能單片機階段。在這個階段出現(xiàn)一些具有單片機結(jié)構(gòu)功能的單片機型號，并在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應用。但是這個階段的單片機仍處于初級階段，規(guī)模較小，功能也比較簡單。以Intel 公司推出的MCS-48為例，一塊芯片內(nèi)只含有8位CPU、并行I/O口、8位定時/計數(shù)器、RAM和ROM等，無串行I

8、/O口。中斷處理也比較簡單，片內(nèi)RAM和ROM容量較小，且尋址范圍有限，一般都不大于4KB。（3）第三階段（19781982年）這個階段是高性能單片機階段。這一類單片機帶有串行I/O口，有多級中斷處理，定時/計數(shù)器為16位，片內(nèi)的RAM和ROM相對增大，且尋址范圍可達64KB，有的片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換接口。這個階段單片機的典型代表是Intel推出的MCS-51單片機，同時各大公司也爭相研制開發(fā)出了自己的單片機，如Zilog公司的Z8系列等。由于這類單片機的性價比高，所以被廣泛應用，目前仍是應用數(shù)量最多的單片機。（4）第四階段（19821990年）這是16位單片機階段。16位單片機除了CPU為1

9、6位外，RAM和ROM容量進一步增大，實時處理的能力更強。如Intel 公司的MCS-96，其集成度為120000管子/片，主振幅為12MHz，片內(nèi)RAM為232字節(jié)，ROM為8KB，中斷處理為8級，而且片內(nèi)帶有多通道10位A/D轉(zhuǎn)換和高速輸入/輸出部件（HSIO），實時處理的能力很強。（5）第五階段（1990年至今）這是微控制器的全面發(fā)展階段。各個公司的產(chǎn)品在盡量兼容的同時向更高速度、更強運算能力、更大尋址范圍方面發(fā)展。典型的有美國Microchip公司推出的完全不兼容MCS-51的新一代PIC單片機和Intel公司推出的80960超級32位計算機等。許多高速、強運算能力、大尋址范圍的8位/

10、16位/32位通用型單片機，以及小而廉價的專用型單片機得到了廣泛的發(fā)展和使用。1.1.3 單片機的基本組成與特點圖1-1 單片機的硬件結(jié)構(gòu)體系單片機是微型計算機的一種，如同絕大部分微機一樣，其基本結(jié)構(gòu)由控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備5部分組成。單片機的硬件結(jié)構(gòu)體系如圖1-1所示，主要由存儲器、微處理器（MPU）、輸入/輸出（I/O）接口組成，三者通過數(shù)據(jù)總線（Data Bus）、地址總線（Address Bus）、控制總線（Control Bus）相連接。下面將分別介紹存儲器、MPU、I/O接口和總線的概念。1存儲器（Memory）存儲器是計算機用以存放程序以及數(shù)據(jù)的單元

11、。存儲器的容量單位包括Byte、KB、MB、GB、TB等。其中，1Byte簡稱1B，容量為8個二進制數(shù)，即1Byte=8bit。1KB=1024Byte，1MB=1024KB，1GB=1024MB，1TB=1024GB。在存儲器中又將兩個字節(jié)（Byte）稱作一個字（Word），把兩個字稱作雙字（Double Word）。存儲器的讀寫速度指的是讀或者寫一條指令的時間，它是影響計算機速度的主要因素之一。在微型計算機中，存儲器分為內(nèi)部存儲器和外部存儲器兩種。內(nèi)部存儲器為半導體存儲器，具有造價高、速度快、容量小的特征，主要用于存放當前正在運行的程序或者待處理的數(shù)據(jù)。外部存儲器包括軟盤、光盤、硬盤、U盤

12、等存儲器件，它們一般具有造價低、容量大、速度慢的特征，一般用以存放暫時不運行的程序或者數(shù)據(jù)。單片機中的存儲器單元指的是半導體內(nèi)部存儲器。（1）只讀存儲器（Read Only Memory）內(nèi)部存儲器又分為只讀存儲器（ROM）和隨機存取存儲器（RAM）兩種。只讀存儲器通常情況下只允許讀操作，不允許寫操作。在開始階段通過特殊手段向ROM中寫入固定的程序或者數(shù)據(jù)，寫入的數(shù)據(jù)則可以長期保存，斷電也不會丟失，需要時從中讀出使用即可。ROM分為掩膜ROM、可編程只讀存儲器（PROM）、可擦除可編程只讀存儲器（EPROM）、電擦除可編程只讀存儲器（E2PROM）和Flash存儲器（閃存）等。隨著ROM技術(shù)的

13、發(fā)展，ROM與RAM的界限逐漸模糊，一些ROM具有了RAM那樣可讀可寫的功能，同時保持了斷電不丟失的功能。下面簡單介紹幾種常見的ROM。u 掩膜ROM掩膜ROM是由廠家寫入數(shù)據(jù)供用戶使用的ROM，用戶不能更改其中的內(nèi)容。在批量很大的情況下，掩膜ROM價格最便宜。u 可編程只讀存儲器（Programmable ROM，PROM）相對于掩膜ROM中的程序完全不能更改，在制造完成后，可編程只讀存儲器中的內(nèi)容可以根據(jù)用戶的需求進行一次更改。這種更改操作有且只有一次，一旦更改之后無法再次更改，PROM成本與掩膜ROM相比較高?，F(xiàn)在有一種被稱為One Time Programmable

14、（OTP）的存儲器，它也屬于PROM的范疇，只是在實現(xiàn)方式上和原來普通的PROM有所區(qū)別。u 可擦除可編程只讀存儲器（Erasable PROM，EPROM）EPROM是一種可以改寫內(nèi)部程序或者數(shù)據(jù)的ROM，但是EPROM的數(shù)據(jù)改寫并不像RAM那么簡單方便。想要改寫EPROM中的數(shù)據(jù)首先需要將EPROM拔下并放于紫外線中照射1030分鐘清除原數(shù)據(jù)，因此稱EPROM為電寫入紫外線擦除存儲器。u 電擦除可編程只讀存儲器（Electrically Erasable PROM，E2PROM或者EEPROM）如上所述EPROM是一種電寫入紫外線擦除的存儲器，而E2PROM是一種電寫入電擦除的可編程ROM

15、。E2PROM與RAM一樣讀寫操作簡單，同時又有數(shù)據(jù)不會掉電消失的優(yōu)點，因此使用極為方便。一般E2PROM保存的數(shù)據(jù)至少可達10年以上，每塊芯片可擦寫1000次以上。u Flash存儲器（Flash Memory）Flash存儲器又稱為閃存，是一種快速編程的E2PROM。它既擁有E2PROM讀寫數(shù)據(jù)的方便性，又簡化了結(jié)構(gòu)，進一步提高了集成度和可靠性，降低了成本。一般PC機上的BIOS采用的就是Flash存儲器。許多新型單片機內(nèi)部都有片內(nèi)閃速存儲器，如89S52有8KB的Flash存儲器。（2）隨機存取存儲器（Random Access Memory）隨機存取存儲器中存儲的信息可以隨意讀出與寫入

16、，并且讀寫速度與存儲的位置無關(guān)。一旦斷電，則RAM中原來的信息就會消失。按照存儲信息方式的不同，RAM又可分為靜態(tài)隨機存儲器和動態(tài)隨機存儲器。u 靜態(tài)隨機存儲器（Static RAM，SRAM）SRAM的特點是只要有電源加在存儲器上面，則存儲器中的內(nèi)容一直存在不會消失。SRAM具有速度快、控制電路簡單的特征，但其集成度低、功耗大，一般相同存儲容量下SRAM體積較大，價格較貴。一般單片機中RAM多采用SRAM，容量一般在128B64KB之間。u 動態(tài)隨機存儲器（Dynamic RAM，DRAM）與SRAM不同，在供電的情況下，DRAM中寫入的信息只能保存若干毫秒的時間，因此每隔一段時間需要將數(shù)據(jù)

17、重新寫入以保證原來的數(shù)據(jù)不丟失，這種重寫的操作稱為刷新（Refresh）。相較于SRAM而言，DRAM容量較大，價格便宜但是速度較慢，控制電路復雜。一般PC機上的內(nèi)存條多采用DRAM，容量一般在64MB2GB之間。2微處理器（MPU）微處理器是微機的核心單元，是微機的運算和指揮控制中心。一般而言，微處理器的組成包括運算器、控制器以及內(nèi)部總線。微處理器MPU的基本結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。下面簡單介紹微處理器的運算器與控制器。圖1-2 MCU結(jié)構(gòu)框圖（1）運算器一般而言，運算器包括算術(shù)邏輯單元ALU、累加器A、暫存器TMP、程序狀態(tài)字PSW以及通用寄存器幾個部分。u 算術(shù)邏輯單元ALU（Arithme

18、tic-Logic Unit）算術(shù)邏輯單元是運算器的核心部件，它以全加器為基礎，配合移位和控制邏輯進行加減乘除以及各種邏輯運算。u 累加器A（Accumulator）累加器是一個移位寄存器，用于運算前存放操作數(shù)以及運算后存放運算結(jié)果。在MPU中，單操作數(shù)運算多從累加器中獲取操作數(shù)，多操作數(shù)運算也常常從累加器中獲取一個操作數(shù)。u 暫存器TMP（Temporary）暫存器也是一個移位寄存器，用來存放ALU運算中所需的操作數(shù)或者操作結(jié)果。從本質(zhì)上說，暫存器的作用在于解決MPU處理速度與內(nèi)存速度不匹配的問題。通過將少量需要重復使用的數(shù)據(jù)存放于暫存器中可以避免MPU頻繁向內(nèi)存索取數(shù)據(jù)，從而提高計算機數(shù)據(jù)

19、處理速度。u 程序狀態(tài)字PSW（Program Status Word）程序狀態(tài)字PSW包含8個觸發(fā)器，用來存放ALU運算過程中產(chǎn)生的狀態(tài)。運算過程中最高位是否有進位或者借位，低4位是否向高4位進位等都通過程序狀態(tài)字中的狀態(tài)位表示。u 通用寄存器（General Purpose Register）通用寄存器是相對專用寄存器而言的，上面所說的以及后面提及的程序計數(shù)器PC等都是專用計數(shù)器，它們的功能固定。在MPU中還有部分寄存器，它們可以被指定用來存放操作數(shù)或者運算結(jié)果，這部分寄存器被稱為通用寄存器。（2）控制器如果說運算器是計算機的運算中心，那么控制器就是計算機的指揮中心，其作用在于控制MPU中

20、各個部分協(xié)調(diào)工作，共同完成整個程序的自動執(zhí)行。計算機中的典型工作過程為取指令、分析指令、執(zhí)行指令。計算機中要執(zhí)行的指令放在內(nèi)存中，MPU想要執(zhí)行一條指令，首先要從內(nèi)存中找到將要執(zhí)行的指令并將其取出。在單片機MPU中，有一個程序計數(shù)器PC用來存放將要執(zhí)行程序的內(nèi)存地址。計算機根據(jù)PC中的內(nèi)存地址取得想要執(zhí)行的指令，取出指令后，PC自動加1指向下一條指令。分析指令的過程是一個譯碼的過程。在MPU中存在一個指令寄存器IR，用來暫時存放從內(nèi)存中獲取的指令碼。MPU從IR中獲取指令碼后，通過指令譯碼器ID對指令碼進行譯碼。在與時序系統(tǒng)的配合下，MPU譯碼后將按時序產(chǎn)生控制信號，對響應部分進行控制。執(zhí)行指

21、令的過程就是一個將控制信號發(fā)送到I/O接口執(zhí)行的過程。執(zhí)行指令的過程也包括對計算結(jié)果的處理以及MPU中轉(zhuǎn)移地址的形成。為了實現(xiàn)上述所說的典型工作過程，CPU控制器需要包括以下幾個部分的控制功能。u 指令控制指令控制指的是控制計算機按照取指令、分析指令、執(zhí)行指令步驟對指令進行操作的過程。指令控制是控制器的基本功能。如上所述，控制器中包含了程序計數(shù)器PC、指令寄存器IR以及指令譯碼器ID來實現(xiàn)指令控制功能。u 時間控制時間控制指的是MPU控制器對指令執(zhí)行過程中操作時間的控制過程。如上所述，MPU譯碼后會按照時序產(chǎn)生控制信號，這個時序信號就是用來完成MPU的時間控制的。u 操作控制操作控制指的是MP

22、U控制器按照譯碼后的控制信號完成控制的過程。通過操作控制，MPU可以完成指令操作。3輸入/輸出（I/O）接口及設備微機通過輸入/輸出設備來實現(xiàn)具體信號的輸入和輸出。常見的輸入設備包括鼠標、鍵盤、攝像頭等。常見的輸出設備包括CRT屏幕、液晶顯示屏、打印機等。輸入/輸出接口是MPU與外部設備進行信息交互的連接電路。微機通過I/O接口來實現(xiàn)MPU與輸入/輸出設備之間的數(shù)據(jù)、信息通信以及操作控制。在微機系統(tǒng)中，一般較為復雜的I/O接口都在一個電路插板上，電路插板與系統(tǒng)總線相連。當使用外部設備時，只要將外部設備插在電路插板上，即可實現(xiàn)外部設備與微機系統(tǒng)的連接。4系統(tǒng)總線MPU通過系統(tǒng)總線與存儲器、I/O

23、接口以及外部設備進行信息交換。根據(jù)功能的不同，微機中的系統(tǒng)總線分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線3種。（1）地址總線AB（Address Bus）MPU通過地址總線向外傳送地址信息。地址總線是單向總線，只能由MPU向外發(fā)出。在MPU要對存儲器或者外部設備進行讀/寫操作時，首先要將存儲器或者外設的地址碼送到地址總線上進行選中，進而進行讀/寫操作。地址總線的數(shù)量由MPU型號決定，其大小決定了一次尋址的寄存器數(shù)目。假如有n條地址總線，那么一次的最大尋址數(shù)量為個單元。在多數(shù)8位機中地址總線的數(shù)量為16。（2）數(shù)據(jù)總線DB（Data Bus）MPU通過數(shù)據(jù)總線與存儲器和外設進行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)總線為雙向總線

24、，數(shù)據(jù)即可以通過DB從MPU流出，也可以通過DB向MPU流入。數(shù)據(jù)總線的數(shù)量代表了MPU進行數(shù)據(jù)處理的位數(shù)。一般MPU位數(shù)與數(shù)據(jù)總線數(shù)量相同，即8位機數(shù)據(jù)總線數(shù)量為8，16位機數(shù)據(jù)總線數(shù)量為16。但是也有MPU為16位但是外部數(shù)據(jù)總線仍然為8的情況。（3）控制總線CB（Control Bus）MPU通過控制總線對外傳送控制信號，同時存儲器或者外部設備也通過控制總線向MPU發(fā)送狀態(tài)或者請求信號。在微機中，單個控制總線的數(shù)據(jù)傳輸方向是固定的，而所有控制總線呈現(xiàn)的總體情況是雙線的：有的控制總線負責從MPU傳出信號，有的控制總線向MPU傳入信號。1.1.4 單片機的應用單片機具有集成度高、結(jié)構(gòu)簡單、可

25、靠性強、價格低廉等特點，如今已被廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。1日常生活中的應用單片機自誕生以后就開始進入人們的日常生活。現(xiàn)在，在空調(diào)、洗衣機、錄音機、微波爐、電飯煲、飲水機等各種日常電器中都可以找到單片機的影子。單片機不僅提高了這些日常電器的智能化程度，還方便了普通百姓的日常生活。2智能儀器儀表中的應用單片機的應用大大降低了傳統(tǒng)儀器儀表的電路復雜程度，不僅使儀器儀表的數(shù)字化、智能化程度得到提高，而且減小了儀表的體積、降低了價格。目前，溫度、濕度、壓力、流量、流速、電壓、電流、角度等量的測量與控制都可以加入單片機來實現(xiàn)。3工業(yè)控制中的應用單片機廣泛應用于工業(yè)控制現(xiàn)場。這既包括工業(yè)機器手、機器人

26、、工業(yè)測控、航空軍工中的實時控制，又包括機械、造紙、去污、紡織生產(chǎn)線中的分布式控制。單片機的實時數(shù)據(jù)處理能力以及I/O口擴展通信能力為工業(yè)控制中的快速、穩(wěn)定性提供了保障。4機電一體化產(chǎn)品中的應用集合機械、電子以及計算機技術(shù)于一體的機電一體化技術(shù)是當今機械工業(yè)的發(fā)展方向。數(shù)控車床、鉆床、電梯、電腦縫紉機等都是機電一體化的典型產(chǎn)品。單片機作為一種微機產(chǎn)品，由于其體積小、可靠性高、功能性強的特點能夠方便地融入到機械產(chǎn)品中去，提高機械產(chǎn)品的自動化和智能化程度。1.1.5 單片機的發(fā)展趨勢從大的角度來看單片機的發(fā)展方向有兩個：一是朝著高性能、大容量的方向發(fā)展，通過新技術(shù)或者高集成提高單片機的性能，使其擁

27、有更加強大的功能；另一方面與上述相反，單片機朝著小容量、低價格的方向發(fā)展，強調(diào)在滿足一定功能條件下盡可能減小體積，降低價格。站在新技術(shù)、新功能的角度上看，單片機的發(fā)展趨勢有以下幾個方面。1CMOS化CHMOS（互補高性能MOS）技術(shù)的出現(xiàn)大大促進了單片機的CMOS化。CMOS芯片具有低功耗、高密度、低價格的特點，通過單片機的CMOS化可以減小單片機的體積以及功耗。CMOS同時有低速度的特點。HMOS工藝芯片的出現(xiàn)解決了低速度的問題但同時提高了芯片的體積以及功耗。CHMOS技術(shù)是CMOS工藝與HMOS工藝的結(jié)合，通過CHMOS技術(shù)能夠在提高速度的同時保持低功耗、高密度的特點，是單片機發(fā)展的方向。

28、2低電壓、低功耗降低單片機工作電壓以及電流，使單片機能夠在低電壓、低功耗條件下運行是單片機的發(fā)展方向。3高性能化通過提高單片機中MPU的性能進一步提高單片機處理速度和可靠性是單片機發(fā)展方向之一。32位處理器以及精簡指令RISC（Reduced Instruction Set Computer）結(jié)構(gòu)可以大幅提高單片機運行速度。4大容量化以往單片機內(nèi)部ROM的大小為14KB，RAM大小為64128B。在復雜場合下，需要通過內(nèi)存擴展的方法來提高單片機的內(nèi)存容量。現(xiàn)在通過閃存技術(shù)和其他方法擴大存儲器容量可以減少單片機內(nèi)存擴展需求，使單片機系統(tǒng)更加簡單。5系統(tǒng)單片化通常所說的單片機包含了MPU、存儲器以

29、及I/O接口幾部分主要結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)需要的其他一些結(jié)構(gòu)，如DMA（Direct Memory Access）控制器、D/A轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換器等并沒有集成在單片機內(nèi)部。如果在系統(tǒng)中需要用到上述功能則需要通過外部擴展實現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)要求將一些外圍功能集成到單片機內(nèi)部也是單片機的一個發(fā)展趨勢。1.2 單片機中的預備知識計算機中的數(shù)據(jù)是以二進制數(shù)進行存儲和運算的。要弄清單片機的工作原理和工作方式，首先要具備一定的計算機數(shù)據(jù)操作基本知識。下面從數(shù)制、編碼、運算幾個方面簡單介紹計算機中的數(shù)據(jù)知識。1.2.1 數(shù)制及其轉(zhuǎn)換13種基本數(shù)制數(shù)制指的是數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式。在計算機中常用的數(shù)制有二進制數(shù)、十進制數(shù)和十六進制數(shù)

30、。無論是什么數(shù)制，將這個數(shù)制所包含的數(shù)碼個數(shù)稱為基，將各個數(shù)字所具有的數(shù)值稱為權(quán)。（1）十進制數(shù)（Decimal）十進制數(shù)是日常生活中最為常用的數(shù)制形式。十進制數(shù)的基為10，其包含10個數(shù)碼，即0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。十進制數(shù)的權(quán)是以10為底的冪，每個數(shù)所處位置不同，則其代表值不同。前一個數(shù)的權(quán)值為其相鄰后一個數(shù)權(quán)值的10倍。例如，一個十進制數(shù)為2345.678D，則其代表的數(shù)值為：2345.678D=2×+3×+4×+5×+6×+7×+8×從左到右各位代表的權(quán)值為：也就是平常所說的千、百、十、個、0.1、0

31、.01、0.001。（2）二進制數(shù)（Binary）二進制數(shù)是計算機中的基本數(shù)據(jù)形式，所有數(shù)據(jù)在計算機中都以二進制數(shù)形式進行存儲和運算。二進制數(shù)的基為2，在二進制數(shù)中只包含0和1兩個數(shù)碼。二進制數(shù)的權(quán)是以2為底的冪，每個數(shù)所處位置不同，則其代表值不同。前一個數(shù)的權(quán)值為其相鄰后一個數(shù)權(quán)值的2倍。例如，一個二進制數(shù)為1011.1001B，則其代表的十進制數(shù)值為：1001.1011B=1×+0×+0×+1×+1×+0×+1×+1×  =8+0+0+1+0.5+0.25+0.125+0.0625  =9.

32、9375從左到右各位代表的權(quán)值為：二進制數(shù)之所以能夠成為計算機工作基本數(shù)據(jù)形式，這是由計算機中的電路工作原理決定的。計算機中的電路通常只有兩種狀態(tài)，在二進制數(shù)中可以用1代表電路中的高電平，用0代表電路中的低電平；或者用1代表電路中的導通，用0代表電路中的截止。采用二進制數(shù)可以方便地對電路進行計數(shù)工作。（3）十六進制數(shù)（Hexadecimal）十六進制數(shù)的基為16，在十六進制數(shù)中包含了16個數(shù)碼，各個數(shù)碼表示如下：0123456789ABCDEF十六進制數(shù)的權(quán)是以16為底的冪，與二進制數(shù)相同，每個數(shù)所處位置不同，則其代表值不同。前一個數(shù)的權(quán)值為其相鄰后一個數(shù)權(quán)值的16倍。例如，一個十六進制數(shù)為F

33、72.C4H，則其代表的十進制數(shù)值為：F72.C4H=15×7×2×12×4× =3954.765625從左到右各位代表的權(quán)值為：相對于二進制數(shù)而言，十六進制數(shù)能夠用較少的位數(shù)表現(xiàn)較大的數(shù)值，便于書寫和記憶。由于二進制數(shù)與十六進制數(shù)的轉(zhuǎn)換非常簡單，所以在計算機中的數(shù)值常常采用十六進制數(shù)來表示。在匯編語言中，為了將十六進制數(shù)中的A、B、C、D、E、F與字母區(qū)分開來，書寫時常常會在其前面加一個0。例如F7H寫作0F7H。2數(shù)制間的轉(zhuǎn)換由于不同數(shù)制的特性不同，常常需要將一個數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)來理解數(shù)值大小，將一個數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)來編寫程序，將一個數(shù)轉(zhuǎn)

34、換為二進制數(shù)來理解對應數(shù)據(jù)在計算機中的含義。下面介紹計算機中不同數(shù)制的轉(zhuǎn)換方法。（1）轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)在前面介紹數(shù)制的過程中已經(jīng)介紹了二進制數(shù)和十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)的方法。將一個二進制數(shù)或十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)只需將該數(shù)各個數(shù)位的基與權(quán)相乘累加即可。例如：10110101B=1×+0×+1×+1×+0×+1×+0×+1×10110101B=181B5H=11×+5×=181（2）十六進制數(shù)與二進制數(shù)的轉(zhuǎn)換由于十六進制數(shù)的基16是二進制數(shù)基2的4次方，所以二進制數(shù)與十六進制數(shù)的轉(zhuǎn)換十分簡單。十

35、六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)時，只需從右至左將各個位上的數(shù)以二進制數(shù)表示出來即可。二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)時，需要從右至左依次將4個二進制數(shù)表示成一個十六進制數(shù)，左側(cè)不滿4個時在前面補0到4個即可。如表1-1所示為015的十進制數(shù)、二進制數(shù)、十六進制數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系表。表1-1 不同數(shù)制的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換表十進制數(shù)D二進制數(shù)B十六進制數(shù)H十進制數(shù)D二進制數(shù)B十六進制數(shù)H000000810008100011910019200102101010A300113111011B401004121100C501015131101D601106141110E701117151111F例如，一個二進制數(shù)10010110101B

36、要轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)，其過程如下：10010110101B=0100 1011 0101=4B5H一個十六進制數(shù)A3FBH轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)的過程如下：A3FBH=1010 0011 1111 1011B（3）十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)或者十六進制數(shù)將一個十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)時，對于十進制數(shù)整數(shù)部分采用“除2取整”的方法，小數(shù)部分采用“乘2取整”的方法。十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)時可以采用類似的“除16取整”以及“乘16取整”的方法。由于十六進制數(shù)與二進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換十分簡單，在十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)時，也可以先轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)繼而轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)。下面以一個十進制數(shù)78.8125D為例來介紹“除2取整

37、”以及“乘2取整”方法的使用。78.8125D整數(shù)部分為78，轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)時將此數(shù)不停除2直到商為0為止，然后將所有余數(shù)逆向整合即可得到想要的二進制數(shù)。2 78余數(shù)為0 低位2 39余數(shù)為1219余數(shù)為12 9余數(shù)為12 4余數(shù)為02 2余數(shù)為021余數(shù)為1 高位如上所示將余數(shù)逆向整合得到78D=1001110B。小數(shù)部分0.8125轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)時將該數(shù)的純小數(shù)部分不停乘以2直至乘積為1為止，將所有結(jié)果整數(shù)部分一次組合即可得到想要的二進制數(shù)。0.8125×2=1.625 整數(shù)部分為1 高位 0.625×2=1.25 整數(shù)部分為1 0.25×2=0.5整數(shù)部分為

38、0 0.5×2=1整數(shù)部分為1 低位如上所示將整數(shù)順次整合得到0.8125D=0.1101B。將小數(shù)部分以及整數(shù)部分整合得到78.8125D=1001110.1101B。1.2.2 計算機中的常用編碼計算機中的數(shù)據(jù)都是以二進制數(shù)形式進行存儲和運算的。計算機只能識別用二進制數(shù)表示的信息，所以計算機中需要進行處理的數(shù)字、符號都必須進行二進制編碼。下面介紹有符號數(shù)、ACSII碼以及BCD碼編碼方法。1有符號數(shù)編碼計算機中數(shù)據(jù)的存儲都以字節(jié)（即8位）作為存儲單位，一個數(shù)據(jù)占據(jù)的位數(shù)代表了其可以表示的數(shù)據(jù)范圍。對于一個無符號數(shù)，8位數(shù)據(jù)對應二進制存儲范圍為0000 00001111

39、1111B，對應十六進制存儲范圍為000FFH，對應十進制存儲范圍為028-1（即0255）。而對于一個16位數(shù)據(jù)，其對應二進制存儲范圍為0000 0000 0000 00001111 1111 1111 1111B，對應十六進制存儲范圍為00000FFFFH，對應十進制存儲范圍為0216-1（即065535）。對于一個有符號數(shù)，計算機中將對應數(shù)據(jù)的最高位作為符號位來表示數(shù)據(jù)的正負。最高位為0代表為正數(shù)，最高位為1代表為負數(shù)。最高位后面的位數(shù)用以表示數(shù)據(jù)的絕對值大小。計算機中有符號數(shù)的編碼方式有3種，即原碼、反碼和補碼。（1）原碼（True Form）設一個8位二進制數(shù)最高位為b7，最低位為b

40、0。當原碼表示一個有符號數(shù)時，對于一個正數(shù)而言，b7位為0，對于一個負數(shù)而言，b7位為1。其余7位b6b0用來表示數(shù)值的大小。由于7位數(shù)表示的大小范圍為027-1（即0127），故8位原碼數(shù)表示的數(shù)值范圍為-127+127。例如：+58原=+011 1010原=0011 1010 -58原=-011 1010原=1011 1010對于0的表示，則+0原=0000 0000原，-0原=1000 0000原。采用原碼表示一個有符號數(shù)簡單易懂，轉(zhuǎn)換方便。但是在原碼中0分為+0以及-0兩種表示方法，給運算帶來了不便。同時，對于兩個異符號數(shù)相加或者同符號數(shù)相減，原碼在運算中需要做減法運算。由于計算機中一

41、般只有加法器而無減法器，這就會給計算帶來不便，為了解決這個問題，在計算機中引入了反碼以及補碼的概念。（2）反碼（Ones Complement）如果一個數(shù)是正數(shù)，那么其反碼與原碼相同。如果一個數(shù)是負數(shù)，那么保持原碼符號位不變，將數(shù)值位按位依次取反可以得到它的反碼。例如： +58反=0011 1010 -58反=1100 0101對于0的表示，則+0反=0000 0000，-0反=1111 1111可見對于反碼而言，+0與-0的表示仍然不同。對于一個反碼如果要得到它的真值，那么首先要轉(zhuǎn)換為其原碼，繼而轉(zhuǎn)換為真值。8位反碼能夠表示的數(shù)值范圍為-127+127。（3）補碼（Twos Compleme

42、nt）對于補碼而言，如果一個數(shù)是正數(shù)，那么其補碼與其原碼以及反碼相同。如果一個數(shù)是負數(shù)，那么它的補碼為其反碼加1，即X補=X反+1。例如：+58補= 0011 1010 -58補=1100 0101+1=1100 0110對于0而言，+0補=0000 0000，-0補=1111 1111+1=1 0000 0000=0000 0000（最高位丟失）。可以看出對于補碼而言，0的表示是唯一的，都是0000 0000。一個補碼轉(zhuǎn)換為真值時，對于正數(shù)，真值與補碼相同。對于負數(shù)，保持最高位1不變，將數(shù)值位取反加1即可。對于一個補碼數(shù)1000 0

43、000B而言，保持負數(shù)位1不變，將數(shù)字位000 0000取反后為111 1111，加1后為1000 0000，代表真值-128。所以-128補=1000 0000B。8位補碼能夠表示的數(shù)值范圍為-128+127。為了幫助理解補碼中出現(xiàn)第9位丟失的現(xiàn)象，我們用日常生活中撥動時鐘的概念來幫助理解?，F(xiàn)在時鐘指向9點整，那么要使時鐘時間變?yōu)?點，有兩種方法：一種是逆時針撥動5格使其回到4；另一種是順時針撥動7格，使其經(jīng)過12后變?yōu)?。第一種方法相當于9-5等于4，做的減法運算。第二種相當于9+7=16，但是由于過了12，12自動丟失，變?yōu)?。這里第二種方法中12

44、丟失的現(xiàn)象與補碼中第9位丟失的現(xiàn)象一致，都是超過了一定的范疇產(chǎn)生了數(shù)據(jù)的丟失，時鐘中超過了一周的最大數(shù)值12，補碼中超過了最大位數(shù)8。通過這種數(shù)據(jù)丟失，我們發(fā)現(xiàn)此時9-5與9+7的計算結(jié)果相同，可以將減法運算轉(zhuǎn)換為加法運算。補碼引入的最大功能就是可以通過補碼將減法運算變?yōu)榧臃ㄟ\算，方便計算機的數(shù)據(jù)運算的處理。2ASCII碼（字符編碼）要將字符字母以二進制方式在計算機中表現(xiàn)出來，則需要對可能涉及的字符以一定的方式進行二進制編碼。ASCII（American Standard Coded for Information Interchange）是“美國信息交換標準”的簡稱，是目前最為流行的字符編碼

45、方式。ASCII碼是一種8位碼，其中后7位用以編碼代表字符信息。7個bit共可表示27=128個字符。在這些字符當中32個為控制字符，不能用于顯示打印，包括回車符、換行符、退格符、設備控制符等。另外96個為圖形字符，可以用于顯示以及打印，包括10個十進制數(shù)、52個大小寫英文字母以及34個其他字符。ACSII碼表如表1-2所示。表1-2 ASCII碼表高位低位000000010010001101000101011001110000NULSLESP0Pp0001SOHDC1(XON)!1AQaq0010STXDC2"2BRbr0011ETXDC3(XOFF)#3CScs0100EOTDC

46、4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB'7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM)9IYiy1010LFSUB*:JZjz1011VTESC+;Kk1100FFFS,<Ll|1101CRGS-=Mm1110SORS.>Nn1111SIUS/?O_o第8位b7為奇偶校驗位，用以判斷數(shù)據(jù)傳送中信息是否出錯。奇偶校驗分為奇校驗以及偶校驗。奇校驗是指在發(fā)送端通過加入第8位使得整個字節(jié)中包含“1”的個數(shù)為奇數(shù)個，偶校驗是指發(fā)送端通過加入第8位使得整個字節(jié)中包含“1”的個數(shù)為偶數(shù)個。例如ACSII中A、

47、B、C、D幾個數(shù)采用奇校驗，則ASCII碼為：A 100 0001 奇校驗則為 1100 0001B 100 0010 奇校驗則為 1100 0010C 100 0011 奇校驗則為 0100 0011D 100 0100 奇校驗則為 1100 0100通過第8位的加入使得ASCII碼發(fā)送端中“1”的個數(shù)保持為奇數(shù)個。接收端接收到數(shù)據(jù)后，通過判斷數(shù)據(jù)中1的數(shù)量是否為奇數(shù)個，即可判斷通信過程中是否出現(xiàn)錯誤。3BCD碼（十進制數(shù)的二進制表示）BCD（Binary Coded Decimal）碼是一種以二進制代碼表示十進制數(shù)的方法。在BCD碼中最為常用的是8421BCD碼。在84

48、21BCD碼中以4位二進制數(shù)00001010為09這10個數(shù)字進行編碼。8421分別代表二進制中4個數(shù)字的權(quán)值。BCD碼與十進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換非常方便，只需要將十進制數(shù)各位數(shù)字依次轉(zhuǎn)換為8421BCD碼表示即可。用8421BCD碼表示015這幾個數(shù)字的轉(zhuǎn)換表如表1-3所示。表1-3 十進制與BCD碼轉(zhuǎn)換表十進制數(shù)D8421BCD碼十進制數(shù)D8421BCD碼十進制數(shù)D8421BCD碼十進制數(shù)D8421BCD碼000004010081000120001001010001501019100113000100112001060110100001000014000101003001170111110001

49、00011500010101BCD碼與其他數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換不是直接的，要轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)或者十六進制數(shù)，首先要轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)繼而進行轉(zhuǎn)換。1.2.3 計算機中的運算計算機中的數(shù)據(jù)是以二進制的方式存儲與運算的。二進制的運算包括了算術(shù)運算和邏輯運算兩個方面。1算術(shù)運算二進制數(shù)的加減乘除與十進制數(shù)的加減乘除相似。在加法以及乘法中如果超過了原來的范圍則需要進位，在減法或者除法中如果原來的數(shù)不夠用則需要借位。從本質(zhì)上說，乘法可以轉(zhuǎn)換為加法進行運算，而除法可以轉(zhuǎn)換為減法進行運算。如上所述，通過補碼的引入，可以將減法運算轉(zhuǎn)換為加法運算，因此在計算機中只需要有累加器就可以完成加減乘除四則運算。下面主要介紹補碼的運

50、算以及溢出判斷。對于一個n位的機器數(shù)，只要X、Y以及X+Y都在-2n-1+（2n-1）范圍內(nèi)，則兩數(shù)和的補碼與兩數(shù)補碼之和相同。即：X+Y補=X補+Y補在補碼的運算過程中，無論是做加法運算或者減法運算，都可以將其視為有符號數(shù)的加法來進行運算。如果在運算過程中出現(xiàn)了進位現(xiàn)象，那么進位的位數(shù)自然丟失不計入計算結(jié)果。下面以幾個例子來進行說明?！緦嵗?-1】用補碼運算求56-24。用補碼表示56補=0011 1000用補碼表示-24補=1110 1000用補碼運算為：最高位自然丟失后計算機結(jié)果為0010 0000=32【實例1-2】用補碼運算求-18-13。用補碼表示-18補=1110 1110用補碼

51、表示-13補=1111 0011用補碼運算為：最高位自然丟失后結(jié)果為 1110 0001= -31當X+Y結(jié)果不在 -2n-1+（2n-1）范圍內(nèi)時，計算結(jié)果超出了n位機器數(shù)補碼能夠表示的數(shù)據(jù)范圍，此時上面的公式不再成立。如下例所示?！緦嵗?-3】用補碼運算求67+68。用補碼表示67補=0100 0011用補碼表示68補=0100 0100用補碼運算為：如果將最高進位省去，那么此時結(jié)果為1000 0111=-121。兩個正數(shù)相加得到一個負數(shù)，結(jié)果產(chǎn)生了錯誤。上面的這種現(xiàn)象稱為溢出，這種錯誤稱為溢出錯誤。所謂溢出就是指計算機在運行過程中產(chǎn)生的數(shù)超過了計算機所能表示的數(shù)的范圍。如上面實際運算結(jié)果應該