第一章 認識單片機

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與設計教師：王楚月第一章認識單片機1.1計算機的誕生與發(fā)展1.2計算機的基本結構

1.3計算機的數制與編碼1.4單片機的基礎知識1.1計算機的誕生與發(fā)展1946-1958:第一代電子管計算機。磁鼓存儲器，機器語言匯編語言編程。世界上第一臺通用計算機ENIAC。1958-1964:第二代晶體管計算機。磁芯作主存儲器,磁盤作外存儲器，開始使用高級語言編程。1964-1971:第三代集成電路計算機。使用半導體存儲器，出現多終端計算機和計算機網絡。1971-1980:第四代大規(guī)模集成電路計算機。出現微型計算機、單片微型計算機，外部設備多樣化。1981-:第五代人工智能計算機。模擬人的智能和交流方式。1、計算機發(fā)展/124/ENIAC長30.48米，寬6米，高2.4米，占地面積約170平方米，30個操作臺，重達30英噸，耗電量150千瓦，造價48萬美元。它包含了17,468根真空管（電子管）7,200根晶體二極管，1,500個中轉，70,000個電阻器，10,000個電容器，1500個繼電器，6000多個開關，計算速度是每秒5000次加法或400次乘法，是使用繼電器運轉的機電式計算機的1000倍、手工計算的20萬倍。1.1計算機的誕生與發(fā)展電子管1.1計算機的誕生與發(fā)展晶體管1.1計算機的誕生與發(fā)展電子器件發(fā)展1.1計算機的誕生與發(fā)展（1）運算速度快,計算能力強（2）計算精度高（3）具有記憶功能（4）具有邏輯判斷功能（5）高度自動化2、計算機特點1.1計算機的誕生與發(fā)展微型化─便攜式、低功耗巨型化─尖端科技領域的信息處理，需要超大容量、高速度智能化─模擬人類大腦思維和交流方式，多種處理能力網絡化─網絡計算機和信息高速公路多機系統(tǒng)─大型設備、生產流水線集中管理(獨立控制、 故障分散、資源共享)3、計算機發(fā)展趨勢1.1計算機的誕生與發(fā)展1.2計算機的基本結構1、硬件系統(tǒng)1.2計算機的基本結構1.2計算機的基本結構（1）中央處理器

中央處理器（Central

Processing

Unit，CPU）主要包括運算器（ALU）和控制器（CU）兩大部件，是計算機的核心部件。主要指標有：CPU字長運算速度工作頻率①

運算器：是進行算術運算和邏輯運算的部件：與、或、非。②

控制器：從內存儲器中取出指令并對指令進行分析、判斷，并根據指令發(fā)出相應的各種控制信號，使計算機的有關設備或電子器件有條不紊地協(xié)調工作，保證計算機能自動、連續(xù)地工作。1.2計算機的基本結構（2）存儲器

具有記憶能力的部件，用來保存程序和數據。分類：

內存儲器和外存儲器按位置分有內存（或主存）和外存。前者暫時存儲，速度快，容量小。后者長期存儲，速度慢，容量大。操作：

寫入操作和讀出操作1.2計算機的基本結構（3）輸入/輸出接口（I/O接口）完成外設與CPU的連接；轉換數據傳送速度；轉換電平；將I/O設備的狀態(tài)信息反饋給CPU等。常用設備：（輸入）鼠標、鍵盤、掃描儀等。（輸出）顯示器、打印機等。1.2計算機的基本結構（4）總線（Bus）總線是將CPU、存儲器和I/O接口等相對獨立的功能部件連接起來，并傳送信息的公共通道。數據總線DB（DataBus）：雙向通信總線。地址總線AB（AddressBus）：單向通信總線?？刂瓶偩€CB（ControlBus）：單向通信總線。1.2計算機的基本結構AB

即Address

Bus；又稱：位址總線，是由

CPU

或有

DMA

能力的單元，用來溝通這些單元想要存取(讀取/寫入)電腦內存元件/地方的實體位址。DB（DataBus）：數據總據總線，用于傳送數據信息。數線是雙向三態(tài)形式的總線，即它既可以把CPU的數據傳送到存儲器或輸入輸出接口等其它部件，也可以將其它部件的數據傳送到CPU。CB（ControlBus）：控制總線?？刂瓶偩€主要用來傳送控制信號和時序信號?？刂菩盘栔?，有的是微處理器送往存儲器和輸入輸出設備接口電路的，如讀/寫信號，片選信號、中斷響應信號等；也有是其它部件反饋給CPU的，比如：中斷申請信號、復位信號、總線請求信號、限備就緒信號等。1.2計算機的基本結構2、軟件系統(tǒng)（1）系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件通常是用來有效地運行計算機系統(tǒng)、給應用軟件開發(fā)與運行提供支持、為用戶管理與使用計算機提供方便的一類軟件。主要有操作系統(tǒng)、各種程序設計語言及其解釋、編譯系統(tǒng)以及數據庫管理系統(tǒng)。（2）應用軟件

應用軟件是指利用計算機及系統(tǒng)軟件為解決各種實際問題而編制的、具有專門用途的計算機程序。主要有各種字處理軟件、各種用于科學計算的軟件包、計算機輔助軟件、各種圖形軟件等。1.2計算機的基本結構3、微機和單片機的概念微機：微處理器加上同樣采用大規(guī)模集成電路制成的用于存儲程序和數據的存儲器，以及與輸入輸出設備相銜接的輸入輸出接口電路就構成了微型計算機(Microcomputer)。單片機：如果將微處理器、存儲器和輸入輸出接口電路集成在一塊集成電路芯片上，稱為單片微型計算機，簡稱單片機。

1.2計算機的基本結構(1)PC機：PC機系統(tǒng)全力實現海量高速數據處理，兼顧控制功能。(2)單片機：單片機系統(tǒng)全力滿足測控對象的測控功能，兼顧數據處理能力。形成兩大分支：1.2計算機的基本結構1、位（Bit）：2、字、字長、字節(jié)只有“1”和“0”

，計算機所能表示的最小數據單位。CPU通過內部數據總線一次存取、加工和傳送的數據長度稱為字；通常一個16位二進制數（2個字節(jié)）稱為一個字，四個字節(jié)稱為雙字。字（Word）：1.3計算機的數制與編碼字節(jié)（Byte）：一個8位二進制數稱為一個字節(jié)，數據處理的最小單位，即以字節(jié)為單位存儲和解釋信息。1KB=210=1024Bytes（字節(jié)）1MB=210KB=220字節(jié)=1048576（字節(jié)）1GB=210MB=230字節(jié)=1073741824（字節(jié)）1TB=210GB=240字節(jié)=1099511627776（字節(jié)）

字長（WordLength）：

指字的二進制數的位數。是計算機一次所能處理的實際位數的長度,是衡量性能的重要指標。8位微處理器的字長為8位,每個字由1個字節(jié)構成16位微處理器中,每個字由2個字節(jié)構成32位微處理器中,每個字由4個字節(jié)構成64位微處理器中,每個字由8個字節(jié)構成1.3計算機的數制與編碼3、指令（Instruction）：

是計算機能夠識別和執(zhí)行的操作命令。一條指令，通常包括兩方面內容：操作碼和地址碼。其中，操作碼用來表征一條指令的操作特性和功能；地址碼給出參與操作的數據在存儲器中的地址。4、指令系統(tǒng)（Instructionset）：

是計算機能夠識別和執(zhí)行的全部指令的集合。指令系統(tǒng)一般都包括以下幾大類指令：（1）數據傳送類指令。（2）運算類指令，包括算術運算指令和邏輯運算指令。（3）程序控制類指令，主要用于控制程序的流向。（4）輸入/輸出類指令，簡稱I/O指令，這類指令用于主機與外設之間交換信息。5、程序（Program）：

是指令的有序集合。是一組為完成某種任務而編制的指令集合。1.3計算機的數制與編碼1.3.1數制數制：是按進位原則進行計數的一種方法，即進位計數制。十進制數（1）記數符號：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9；書寫時用“D”作后綴（一般省略）。（2）進位原則：“逢十進一”。（3）按權展開式：1.3計算機的數制與編碼二進制數（1）記數符號：0、1；書寫時用“B”作后綴。（2）進位原則：“逢二進一”；（3）按權展開式：1.3計算機的數制與編碼八進制數（1）記數符號：0、1、2、3、4、5、6、7；書寫時用“O”作后綴。（2）進位原則：“逢八進一”；（3）按權展開式：1.3計算機的數制與編碼八進制數（1）記數符號：0、1、2、3、4、5、6、7；書寫時用“O”作后綴。（2）進位原則：“逢八進一”；（3）按權展開式：十六進制數（1）記數符號：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F；書寫時用“H”作后綴。（2）進位原則：“逢十六進一”；（3）按權展開式：1.3計算機的數制與編碼記?。菏M制與十進制、十六進制與二進制對應關系。1.3計算機的數制與編碼1.3.2數制之間的相互轉換1.二進制及其他進制轉換為十進制數二進制、八進制和十六進制轉換十進制的方法是：將二進制、八進制或十六進制寫成按權展開式，然后各項相加，則得相應的十進制數?！纠堪讯M制數10101.1011B轉換成相應的十進制數。解：10101.1011B

＝1×24＋0×23＋１×22＋0×21＋1×20

＋1×2-1＋1×2-3＋1×2-4

＝21.6875D1.3計算機的數制與編碼2.十進制數轉換成二進制數十進制數據轉換成二進制數是將整數部分按“除2倒讀余數法”的原則進行轉換；小數部分按“乘2順讀整數法”的原則進行轉換?！纠堪咽M制數15.625轉換成為對應二進制數。解：所以十進制數15.625＝1111.101B1.3計算機的數制與編碼3.二進制數與十六進制數相互轉換二進制數轉換成十六進制數時，從小數點開始，分別向左、向右每4位二進制數劃為一組，整數部分不足4位前面添0，小數部分不足4位后面添0，然后每一組（4位二進制數）用1位十六進制數代替（4位二進制數與1位十六進制數對應關系見表），小數點位置保持不變。

【例】二進制數1111000111.100101B轉換成為十六進制數。解：

1111000111.100101B＝001111000111.10010100B

＝3C7.94H1.3計算機的數制與編碼3.二進制數與十六進制數相互轉換十六進制數轉換成二進制數時，1位十六進制數用4位二進制數來替換，小數點位置保持不變?！纠繉⑹M制數2F5.CH轉換成為二進制數解：

2F5.CH＝001011110101.1100B

＝1011110101.11B4.十進制數轉換十六進制數先將十進制數轉換成二進制數，再將二進制數轉換成十六進制數。1.3計算機的數制與編碼1.3.3二進制數的算術運算1．加法運算加法規(guī)則：

0＋0＝0；0＋1＝1；1＋0＝1；1＋1＝10進位原則：逢二進位?！纠壳?111B與0110B之和。解：0111……（7）

＋）0110……（6）

1101……（13）∴0111B＋0110B＝1101B1.3計算機的數制與編碼2．減法運算減法規(guī)則：

0－0＝0；1－0＝1；1－1＝0；0－1＝1（借位）【例】求1110B－0101B＝？解：1110……（14）

－）0101……（5）

1001……（9）∴1110B－0101B＝1001B1.3計算機的數制與編碼3．乘法運算在計算機系統(tǒng)中，都是將乘法作為連續(xù)的加法來執(zhí)行。其中，自身相加的數為被乘數，相加的次數為乘數。【例】求1101B×11B＝？解：1101B×11B＝1101B＋1101B＋1101B

＝100111B 4．除法運算除法可以歸結為連續(xù)的減法，即從被除數中不斷地減去除數，所減的次數是相除的商，而剩下的值則是相除的余數。注意：因為減法可以轉換為加法（見二進制數補碼的加減運算），所以除法也能轉換成加法。這樣，二進制數的加、減、乘、除都可以轉換加法運算。1.3計算機的數制與編碼1.3.4二進制數的邏輯運算1．邏輯與運算

運算規(guī)則

0∧0＝0；0∧1＝0；1∧0＝0；1∧1＝1

記憶口訣：有0為0，全1為1。2．邏輯或運算

運算規(guī)則

0∨0＝0；0∨1＝1；1∨0＝1；1∨1＝1

記憶口訣：有1為1，全0為0。1.3計算機的數制與編碼3．邏輯異或運算

運算規(guī)則

0⊕0＝0；0⊕1＝1；1⊕0＝1；1⊕1＝0

記憶口訣：相同為0，不同為1（僅指兩位異或運算）。4．邏輯非運算

運算規(guī)則

記憶口訣：取反。1.3計算機的數制與編碼1.3.5計算機中數的表示與編碼1．計算機中數的表示在計算機中，為了運算的方便，數的最高位用來表示正、負數。最高位為“0”表示正數，最高位為“1”表示負數。真值:帶“+、－”號的數。機器數:數碼化了的帶符號數。1.3計算機的數制與編碼【例】正數59H真值和機器數表示法。解：真值的表示法：+1011001B或+59H

機器數表示法：01011001B或59H【例】-59H真值和機器數表示法。解：真值的表示法：-1011001B或-59H

機器數表示法：11011001B或D9H1.3計算機的數制與編碼微型計算機中一個符號數的機器數的表示方法有原碼、反碼、補碼等三種表示法。原碼：用最高位表示符號位，后面各位表示該數的絕對值。（注意：符號位：0代表＋，1代表-)【例】

（＋56）原碼＝00111000B＝38H

（－56）原碼＝10111000B＝B8H從例題中可以看出：一個負數的原碼只要在其對應的正數原碼基礎上加80H就可以方便地求出其原碼。（－56）原碼＝（＋56）原碼＋80H＝38H＋80H＝B8H1.3計算機的數制與編碼反碼：正數的反碼與原碼相同；負數的反碼是在其原碼的基礎上，保留符號位不變，數值位各位取反。【例】

（＋56）反碼＝00111000B＝38H

（－56）反碼＝11000111B＝C7H從例題中可以看出：一個負數的反碼只要在其對應的正數反碼（即原碼）基礎上各位取反就可以方便地求出其反碼。而取反的方法也很簡單，只要用FFH去減該數即可。

（－56）反碼＝FFH-（＋56）原碼＝FFH-38H＝C7H1.3計算機的數制與編碼補碼：正數的補碼與原碼、反碼相同；負數的補碼是在其反碼的基礎上加1即可?！纠?/p>

（＋56）補碼＝00111000B＝38H

（－56）補碼＝（－56）反碼＋1＝C7H＋1＝C8H從求反碼的方法中可以推導：（－56）補碼＝（－56）反碼＋1＝FFH-（＋56）原碼＋1

＝100H-（＋56）原碼＝100H-38H=C8H1.3計算機的數制與編碼負數原碼、反碼、補碼求法歸納：（負數）原碼＝（對應正數）原碼＋80H（負數）反碼＝FFH－（對應正數）原碼（負數）補碼＝100H－（對應正數）原碼在計算機系統(tǒng)中，數值一律用補碼來表示和存儲。原因在于，使用補碼，可以將符號位和數值域統(tǒng)一處理；同時，加法和減法也可以統(tǒng)一處理。此外，補碼與原碼相互轉換，其運算過程是相同的，不需要額外的硬件電路。1.3計算機的數制與編碼注意：在原碼和反碼，0有兩種表示法，即＋0和－0的表示法不同；而在補碼中0的表示法只有一種。1.3計算機的數制與編碼2.二進制編碼BCD碼：用二進制數表示的十進制數稱為二進制編碼的十進制數。非壓縮BCD碼：8位碼表示1位十進制數（高4位填0）的編碼。壓縮的BCD碼：8位碼表示2位十進制數（高4位、低4位各代表一位十進制數）。非法碼：4位代碼在1010B~1111B范圍時。（2個BCD碼的運算可能出現非法碼，這時要對所得結果進行調整。）1.3計算機的數制與編碼ASCII碼：美國標準信息交換碼（即ASCII碼）。字符0～9的ASCII碼：30H～39H大寫英文字母A～Z的ASCII碼：41H～5AH小寫英文字母a～z的ASCII碼：61H～7AH1.3計算機的數制與編碼1.4單片機的基礎知識1.4單片機的基礎知識1、單片機特點（1）體積小，功耗低，性價比高。（2）可靠性高，抗干擾能力強。因為數據大都在單片機內部傳送。（3）使用方便，控制功能強，結構靈活，應用廣泛。2、單片機的應用應用5、儀表及傳感器1、工控3、辦公自動化4、商業(yè)2、家電6、醫(yī)療設備7、其它1.4單片機的基礎知識控制應用：應用范圍廣泛，從實時性角度可分為離線應用和在線應用。軟硬件結合：軟硬件統(tǒng)籌考慮，不僅要會編程，還要有硬件的理論和實踐知識。應用現場環(huán)境惡劣：電磁干擾、電源波動、沖擊震動、高低溫等環(huán)境因素的影響。要考慮芯片等級選擇、接地技術、屏蔽技術、隔離技術、濾波技術、抑制反電勢干擾技術等。應用空間大：工業(yè)自動化、儀器儀表、家用電器、信息和通信產品、軍事裝備等領域。

單片機的應用特點MCS-51系列單片機簡介1、51系列51系列單片機源于Intel公司的MCS—51系列，在Intel公司將MCS—51系列單片機實行技術開放政策之后，許多公司，如Philips、Dallas、Siemens、Atmel、華邦、LG等都以MCS—51中的基礎結構8051為基核推出了許多各具特色、具有優(yōu)異性能的單片機。這樣，把這些廠家以8051為基核推出的各種型號的兼容型單片機統(tǒng)稱為51系列單片機。Intel公司MCS—51系列單片機中的8051是其中最基礎的單片機型號。1.4單片機的基礎知識（1）STC89系列STC89系列單片機是深圳宏晶科技公司的產品。它是MCS—51系列的派生產品，具有高速（最高90MHz）、超低功耗、超強抗干擾、加密性強、在系統(tǒng)中可編程、無須編程器和仿真器等特點。

事實上STC是美國公司開發(fā)的，技術賣給深圳宏晶科技公司，宏晶現在委托臺灣megawin貼牌生產。宏晶自己銷售。宏晶科技/1.4單片機的基礎知識（2）C8051F系列C8051F系列單片機是Cygnal（已被SiliconLab，即芯科實驗室收購）公司的產品。該系列的單片機大部分指令都可以在一個時鐘周期內完成，同時還增加了中斷源、復位源的數量，帶有JTAG接口，可實現在系統(tǒng)編程調試，還可實現捕捉、高速輸出及PWM功能，是51單片機中的高端產品。JTAG接口：

JointTestActionGroup，聯合測試行動小組，是一種國際標準測試協(xié)議（IEEE1149.1兼容），主要用于芯片內部測試?，F在多數的高級器件都支持JTAG協(xié)議，如DSP、FPGA器件等。標準的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時鐘、數據輸入和數據輸出線。)

現在，JTAG接口還常用于實現ISP（In-SystemProgrammable，在線編程），對FLASH等器件進行編程。JTAG編程方式是在線編程，傳統(tǒng)生產流程中先對芯片進行預編程現再裝到板上因此而改變，簡化的流程為先固定器件到電路板上，再用JTAG編程，從而大大加快工程進度。

1.4單片機的基礎知識（3）LPC系列LPC系列單片機是PHLIPS公司的產品，是基于51內核的微控制器，每機器周期只要6個時鐘，比標準51快一倍；嵌入了掉電檢測、模擬、片內RC振蕩器等功能，且具有低功耗，成本低的特點。1.4單片機的基礎知識2、PIC系列PIC（PeripheralInterfaceController），系列單片機是美國Microchip公司的產品。其最大的特點是不搞單純的功能堆積，而是從實際出發(fā)，重視產品的性能與價格比，靠發(fā)展多種型號來滿足不同層次的應用要求。就實際而言，不同的應用對單片機功能和資源的需求也是不同的。

CISC（復雜指令集）結構，數據線和指令線分時復用，即所謂馮·諾伊曼結構。它的指令豐富，功能較強，但取指令和取數據不能同時進行，速度受限，價格亦高。屬于CISC結構的單片機有Motorola的M68HC系列、Atmel的AT89系列、臺灣Winbond（華邦）W78系列、荷蘭Philips的PCF80C51系列等；

RISC（精簡指令集）結構，數據線和指令線分離，即所謂哈佛結構。的有Intel8051系列、Microchip公司的PIC系列、Zilog的Z86系列、Atmel的AT90S系列、韓國三星公司的KS57C系列4位單片機、臺灣義隆的EM-78系列等。3、AVR系列PIC（PeripheralInterfaceController），系列單片機是美國Microchip公司的產品。其最大的特點是不搞單純的功能堆積，而是從實際出發(fā)，重視產品的性能與價格比，靠發(fā)展多種型號來滿足不同層次的應用要求。就實際而言，不同的應用對單片機功能和資源