單片機技術(shù)及應(yīng)用第一章單片機基礎(chǔ)知識課件

單片機技術(shù)及應(yīng)用第1章單片機基礎(chǔ)知識第1章單片機基礎(chǔ)知識

1.1單片微型計算機

單片微型計算機是制作在一塊集成電路芯片上的計算機，簡稱單片機。它包括中央處理器（CPU），用RAM構(gòu)成的數(shù)據(jù)存儲器，用ROM構(gòu)成的程序存儲器，定時/計數(shù)器，各種輸入/輸出（I/O）接口和時鐘電路。

1.1.1單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng),或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。對一般的51系列單片機來說,由單片機、晶振電路和復(fù)位電路,便組成了一個最小系統(tǒng).但是一般我們在設(shè)計中總是喜歡把按鍵輸入、顯示輸出等加到上述電路中,成為最小系統(tǒng)。1.1.2單片機的基本知識

1.單片機單片機是微型計算機中的一種，是把微型計算機中的微處理器、存儲器、I/O接口、定時器/計數(shù)器、串行接口、中斷系統(tǒng)等電路集成在一塊集成電路芯片上形成的微型計算機。因而被稱為單片微型計算機，簡稱為單片機。2．單片機和單片機系統(tǒng)單片機只是一個芯片，而單片機系統(tǒng)則是在單片機芯片的基礎(chǔ)上擴展其他電路或芯片構(gòu)成的具有一定應(yīng)用功能的計算機系統(tǒng)。通常所說的單片機系統(tǒng)都是為實現(xiàn)某一控制應(yīng)用需要由用戶設(shè)計的，是一個圍繞單片機芯片而組建的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。在單片機系統(tǒng)中，單片機處于核心地位，是構(gòu)成單片機系統(tǒng)的硬件和軟件基礎(chǔ)。

3．單片機應(yīng)用系統(tǒng)和單片機開發(fā)系統(tǒng)單片機應(yīng)用系統(tǒng)是為控制應(yīng)用而設(shè)計的，該系統(tǒng)與控制對象結(jié)合在一起使用，是單片機開發(fā)應(yīng)用的成果。但由于軟硬件資源所限，單片機系統(tǒng)本身不能實現(xiàn)自我開發(fā)，要進行系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計，必須使用專門的單片機開發(fā)系統(tǒng)。1.1.3單片機的發(fā)展概況目前國際市場上8位、16位單片機系列已有很多，但是，在國內(nèi)使用較多的系列是Intel公司的產(chǎn)品，其中又以MCS-51系列單片機應(yīng)用尤為廣泛，二十幾年經(jīng)久不衰，而且還在更進一步發(fā)展完善，價格越來越低，性能越來越好。單片機技術(shù)正以驚人的速度向前發(fā)展，就市場上已出現(xiàn)的單片機而言，其技術(shù)革新與進步主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1.CPU的發(fā)展2.片內(nèi)存儲器的發(fā)展（1）片內(nèi)存儲器的發(fā)展（2）片內(nèi)EPROM開始E2PROM化（3）閃速存儲器（4）串行存儲器（5）片內(nèi)程序的保密措施3．片內(nèi)輸入輸出接口功能單片機在工藝上的提高5.片內(nèi)固化應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件1.1.4單片機主要品種簡介

1.4位單片機高檔8位單片機的巨大產(chǎn)量擠占了部分4位機的市場。為了保住自己的領(lǐng)地，4位機的結(jié)構(gòu)和功能也發(fā)生了很大的改進。其一是增強片內(nèi)I/O功能，把應(yīng)用系統(tǒng)所需的LED、LCD、VFD（FIP）顯示器驅(qū)動電路都集成在單片機芯片內(nèi)，使其成為“單片”控制器。目前8位單片機和16位單片機還很少做到這點。其二是提高指令執(zhí)行速度，新型的4位單片機采用1.5μmCOMS工藝，其指令執(zhí)行速度小于1μs。其三是增大片內(nèi)ROM、RAM，有的ROM已達到32KB，RAM已達到1K×4位。其四是低壓低功耗，有的在2.2V下也能正常工作，有的甚至在μA級電流時也能正常工作。其實有的4位單片機性能已不低于8位單片機。

3.16位單片機16位單片機目前產(chǎn)量只占整個單片機市場的5%。16位單片機的性能都較高，有乘除指令、快速I/O功能。有的還有DMA傳送，可支持C或者FORTH語言等等。其主要機型是Intel的8096。美國國家半導(dǎo)體公司的HPC單片機性能價格比較高，已占CMOS工藝16位單片機銷售量的首位。日本Hitachi公司的H8/500單片機的性能目前最高，其指令執(zhí)行速度為200ns，片內(nèi)FPROM/ROM達62K字節(jié)，片內(nèi)RAM為2K字節(jié)，A/D為10位，轉(zhuǎn)換時間為13.8μs，還有DMA功能。4.32位單片機32位單片機更多地稱作32位嵌入式控制器。它主要應(yīng)用于機器人、光盤、激光打印機等的控制器。這些控制器的地址線為24～32位，尋址能力為16～400MB，并且都有很高的指令執(zhí)行速度和快速運算能力。例如，Intel公司的80960KB在20MHz時鐘下，其指令速度為7.5MIPS，在它內(nèi)部還有IEEE－754標準的80位浮點運算部件，在25MHz時鐘下，可以達到5.2Mwhetstones/s.這些控制器都能直接支持高級語言和實時多任務(wù)處理。1.1.5單片機的應(yīng)用單片機是在一塊芯片上集成了一臺微型計算機所需的CPU、存儲器、輸入/輸出部件和時鐘電路等。因此它具有體積小，使用靈活、成本低、易于產(chǎn)品化、抗干擾能力強，可在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作等特點。特別是它應(yīng)用面廣，控制能力強，使它在工業(yè)控制、智能儀表、外設(shè)控制、家用電器、機器人、軍事裝置等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

2.智能儀表中的應(yīng)用用單片機制作的測量、控制儀表，能使儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、柔性化發(fā)展，并使監(jiān)測、處理、控制等功能一體化，使儀表重量大大減輕，便于攜帶和使用，同時降低了成本，提高了性能價格比。如數(shù)字式RLC測量儀、智能轉(zhuǎn)速表、計時器等。3.智能產(chǎn)品

單片機與傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品結(jié)合，使傳統(tǒng)機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化、控制智能化，構(gòu)成新型的機、電、儀一體化產(chǎn)品。如數(shù)控車床、智能電動玩具、各種家用電器和通信設(shè)備等。

4.在智能計算機外設(shè)中的應(yīng)用在計算機應(yīng)用系統(tǒng)中，除通用外部設(shè)備（鍵盤、顯示器、打印機）外，還有許多用于外部通信、數(shù)據(jù)采集、多路分配管理、驅(qū)動控制等接口。如果這些外部設(shè)備和接口全部由主機管理，勢必造成主機負擔(dān)過重、運行速度降低，并且不能提高對各種接口的管理水平。如果采用單片機專門對接口進行控制和管理，則主機和單片機就能并行工作，這不僅大大提高系統(tǒng)的運算速度，而且單片機還可對接口信息進行預(yù)處理，以減少主機和接口間的通信密度、提高接口控制管理的水平。如繪圖儀控制器，磁帶機、打印機的控制器等等。一、計算機中數(shù)和字符的存放

數(shù)據(jù)存放于存儲器或寄存器中。數(shù)據(jù)按字長一般分為：

8位（字節(jié)BYTE，簡寫為B）

16位（字WORD）

32位（雙字DWORD）

64位、128位、256位概述二、數(shù)制及其轉(zhuǎn)換

1、數(shù)制 十進制（Decimal）后綴加“D”

例如：25D或25（后綴可略） 二進制（Binary）后綴加“B”

例如：11010001B 八進制（Octonary）后綴加“O”或“Q”

例如：76Q 十六進制（Hexadecimal）后綴加“H”

例如：0F6H（字符開頭的數(shù)前需加“0”）2、數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換任意進制轉(zhuǎn)換為十進制

例如：10101101B=27+25+23+22+20=1794F.8H=4*161+15*160+8*16-1=79.5十進制轉(zhuǎn)換為任意進制 整數(shù)部分：連續(xù)除以基數(shù)取余倒計法小數(shù)部分：連續(xù)乘以基數(shù)取整順計法加法運算：11010011

+101011111

進位

減法運算：-1借位三、二進制數(shù)的運算

1、二進制數(shù)的算術(shù)運算特點：按一定字長進行，運算結(jié)果超過字長則產(chǎn)生進位、借位或自動丟失。1）邏輯乘（與）AND

AND110000012）邏輯加（或）OR

OR11110011

2、二進制數(shù)的邏輯運算特點：按位進行，無進位或借位

4）邏輯異或XOR

XOR 001101003）邏輯反（非）NOT NOT11010011=00101100

計算機中數(shù)和字符的表示1.概述2.無符號數(shù)的表示3.有符號數(shù)的表示4.定點數(shù)和浮點數(shù)5.計算機中的二進制編碼當n=8時，可表示的無符號數(shù)的范圍為0～255，當n=16時，可表示的無符號數(shù)的范圍為0～65535。

在計算機中最常用的無符號整數(shù)是表示地址的數(shù)

無符號數(shù)的表示機器字長的所有位都參與表示數(shù)值。若計算機的字長為n位，則n位無符號數(shù)可表示的數(shù)X的范圍是0≤X≤2

－1n

計算機中數(shù)和字符的表示1.概述2.無符號數(shù)的表示3.有符號數(shù)的表示4.定點數(shù)和浮點數(shù)5.計算機中的二進制編碼1．機器數(shù)與真值計算機中的數(shù)是用二進制表示的，數(shù)的符號也是用二進制表示的。通常一個數(shù)的最高位為符號位，為0表示正數(shù)，為1表示負數(shù)。若字長為8位的計算機，則D7為符號位，D6～D0為數(shù)值位。

D7D6D5D4D3D2D1D0符號位數(shù)值位有符號數(shù)的表示這種符號數(shù)碼化的數(shù)稱為機器數(shù)。機器數(shù)所代表的實際數(shù)值稱為真值。若計算機的字長為n位，則n位有符號數(shù)可表示的數(shù)X的范圍是-2n-1≤X≤+（2n-1–1）當n=8時，可表示的有符號數(shù)的范圍為-128～127，當n=16時，可表示的有符號數(shù)的范圍為-32768～32767。

機器數(shù)可以用不同的碼制來表示，常用的有原碼和補碼表示法。2．原碼表示法

最高位為符號位，0表示正數(shù)，1表示負數(shù)，其余各位為數(shù)值位，這種表示法稱為原碼表示法。

例：若X=＋97則[X]原=01100001B

若X=－97則[X]原=11100001B

原碼表示數(shù)0有兩種表示形式：

[＋0]原=00000000B[－0]原=10000000B注意：n位原碼可表示的數(shù)X的范圍是：－2n-1+1≤X≤＋2n-1-13．反碼表示法反碼表示法中，正數(shù)的反碼和原碼相同；負數(shù)的反碼可由其原碼除符號位，保持不變外，其余各位按位取反，即0變1、1變0

。例：若X=＋45,

[X]反=00101101BX=-45,[X]反=11010010B

4.補碼表示法

補碼表示法中，正數(shù)的補碼和原碼相同；負數(shù)的補碼可由其原碼除符號位，保持不變外，其余各位按位取反，再在最末位加1而形成。

例：假設(shè)機器字長為8位，則[X]原=01100001B則[＋97]補=01100001B[X]原=11100001B則[－97]補=10011111B

10011110B+1補碼具有以下特點：①[＋0]補=[－0]補=00000000B②n位二進制補碼所能表示的數(shù)值范圍為：－2n-1≤X≤＋2n-1－1若n=8，則8位二進制補碼所能表示的數(shù)值范圍為－128～＋127。③對于一個用補碼表示的負數(shù)，如果將[X]補再求一次補，即將[X]補除符號位外取反并在最末位加1就可得到[X]原。用下式表示為：［［X］補］補=[X]原[[-15]補]補=[[10001111B]補]補=[11110001B]補

=10001111B=[-15]原注意：[10000000]補=[-128]原=10000000B二進制數(shù)碼無符號數(shù)原碼反碼補碼00000000 0 +0 +0 +000000001 1 +1 +1 +100000010 2 +2 +2 +2 :01111110 126+126 +126 +12601111111 127+127 +127 +12710000000 128-0 -127 -12810000001 129-1 -126 -12710000010 130-2-125 -126 :11111110 254-126 -1 -211111111 255-127 -0 -15.補碼的加減運算(1)補碼的加法運算規(guī)則是：[X＋Y]補=[X]補＋[Y]補

該式表明，當有符號的兩個數(shù)采用補碼形式表示時，進行加法運算可以把符號位和數(shù)值位一起進行運算（若符號位有進位，則丟掉），結(jié)果為兩數(shù)之和的補碼形式。例：用補碼進行下列運算：（＋33）＋（＋15）；（＋33）＋（－15）

解:(2)補碼的減法運算規(guī)則是：[X－Y]補=[X]補＋[－Y]補

該式表明，求[X－Y]補可以用［X］補與[－Y]補相加來實現(xiàn)[－Y]補是對減數(shù)進行求負操作。一般稱已知[Y]補求得[－Y]補的過程叫變補或求負。變補運算（NEG）——已知[+X]補求[-X]補規(guī)則：全部位（含符號位）按位取反后再加1例：已知[+15]補=00001111B則[-15]補=11110000B+1=11110001B或：0-[+15]補=0-00001111B=11110001B解:若X=＋33，Y=＋15[X]補=00100001B[Y]補=00001111B[－Y]補=11110001B

00100001B[X]

補

+11110001B[－Y]補

自然丟失100010010B[＋18]

補

例：用補碼進行X－Y運算若X=－33Y=－15

則[－33]補=11011111B[－15]補=11110001B[＋15]補=00001111B

11011111B[－33]

補

+00001111B[＋15]補

11101110[－18]補

補碼的作用:1、引入補碼后，將減法運算轉(zhuǎn)化為易于實現(xiàn)的加法運算，且符號位也當作數(shù)據(jù)相加，從而可簡化運算器的結(jié)構(gòu)，提高運算速度。因此，在微型計算機中，有符號數(shù)通常都用補碼表示，得到的是補碼表示的結(jié)果。2、當字長由8位擴展到16位時，對于用補碼表示的數(shù)，正數(shù)的符號擴展應(yīng)該在前面補0，而負數(shù)的符號擴展應(yīng)該在前面補1。例：機器字長為8位，[＋46]補=00101110B，[－46]=11010010B，從8位擴展到16位[＋46]補=0000000000101110B=002EH[－46]補=1111111111010010B=FFD2H6.有符號數(shù)運算時的溢出問題當兩個有符號數(shù)進行加減運算時，如果運算結(jié)果超出可表示的有符號數(shù)的范圍時，就會發(fā)生溢出，使計算結(jié)果出錯。顯然，只有兩個同符號數(shù)相加或兩個異號數(shù)相減時，才會產(chǎn)生溢出。例：設(shè)機器字長為8位，以下運算都會發(fā)生溢出(＋88)＋(＋65)=＋153>127(＋88)－(-65)=＋153>127(－83)－(＋80)=－163<－128（1）無符號數(shù)的溢出——最高位的進位位CFCF=CYD7（MOD28）或CF=CYD15（MOD216）；例如，250=11111010B+50=00110010B44=100101100B（進位CF=CYD7=1丟失）（2）帶符號數(shù)的溢出——OFOF=CYD7

CYD6（MOD28）或OF=CYD15

CYD14（MOD216）例：[＋65]補=01000001＋[－15]補=11110001[＋50]補=100110010OF=CYD7

CYD6=11=0（無溢出，結(jié)果正確）[＋96]補=01100000+[＋65]補=01000001[－95]補=010100001OF=CYD7

CYD6=01=1（有溢出，結(jié)果錯誤）CYD6=1CYD7=1

計算機中數(shù)和字符的表示1.概述2.無符號數(shù)的表示3.有符號數(shù)的表示4.定點數(shù)和浮點數(shù)5.計算機中的二進制編碼

在計算機中，數(shù)值數(shù)據(jù)有兩種表示法：定點表示法和浮點表示法。分別稱為定點數(shù)和浮點數(shù)。1.定點數(shù)

定點數(shù)是指小數(shù)點在數(shù)中的位置是固定不變的，常用的定點數(shù)有純小數(shù)和純整數(shù)兩種。純小數(shù)：小數(shù)點固定在符號位之后，如1.1100111B，此時機器中所有數(shù)均為小數(shù)。純整數(shù)；小數(shù)點固定在最低位之后，如111001l1.B，此時機器中所有數(shù)均為整數(shù)。定點數(shù)和浮點數(shù)2.浮點數(shù)

浮點數(shù)由階碼和尾數(shù)兩部分組成。對任意一個有符號的二進制數(shù)N的普遍形式可表示為

N=2E×M式中E稱為N的階碼，是一個有符號的可變整數(shù)。設(shè)E＝ejek－1……e0ej為階符：若ej=0，則E是正數(shù)；若ej=1，則E為負數(shù)。ek-1…e0是階值。式中M稱為N的尾數(shù)，是一個有符號的純小數(shù)。設(shè)M=mjm1……mnmj為尾符：若mj=0，則M為正數(shù)；若mj=1，則M為負數(shù)。尾數(shù)M的符號就是浮點數(shù)N的符號。m1…mn是尾值。例：科學(xué)計數(shù)法：3．14159=0．314159×10+1高級語言中的格式：+0．314159E+01

尾符尾數(shù)階符階碼浮點數(shù)N在計算機內(nèi)的表示形式如下所示。

ek-1ek-2…e0ejmjek-1ek-2…e0m1m2…mn一位階符m位階值一位尾符n位尾值3．規(guī)格化數(shù)與溢出

為了便于浮點數(shù)的運算，數(shù)采用規(guī)格化表示。對尾數(shù)規(guī)格化作如下定義：若mj≠m1，則稱尾數(shù)M為規(guī)格化數(shù)；若mj=m1，則稱尾數(shù)M為非規(guī)格化數(shù)。例如，N=2011×0.0010100，顯然尾數(shù)0.001010為非規(guī)格化數(shù)。如果尾數(shù)不是規(guī)格化數(shù)，那么要用移位手段把它變?yōu)橐?guī)格化數(shù)。尾數(shù)每左移一位，階碼就減1，尾數(shù)每右移一位，階碼就加1，直至mj≠m1為止。以左移操作實現(xiàn)尾數(shù)的規(guī)格化稱為左規(guī)，以右移實現(xiàn)規(guī)格化稱為右規(guī)。如上例中的N為非規(guī)格化數(shù)，則將0.0010100左移兩位后，變成0.1010000，此數(shù)已是規(guī)格化數(shù)，不再左移，從階碼011中減去010，得001。所以規(guī)格化后的N應(yīng)為2001×0.1010000。

存儲在計算機中的數(shù)一定是規(guī)格化數(shù)。兩數(shù)的運算結(jié)果也應(yīng)為規(guī)格化數(shù)，如果不是，那么必須通過移位方式把它變?yōu)橐?guī)格化數(shù)。

當浮點數(shù)超出機器所能表示數(shù)的范圍時，我們稱為溢出。對規(guī)格化的浮點數(shù)，當階碼小于機器所能表示的最小數(shù)時，稱為下溢，此時機器將把此數(shù)作0處理；若階碼大于機器所能表示的最大范圍時，稱為上溢。溢出發(fā)生時，機器就產(chǎn)生溢出中斷，進入中斷處理。浮點表示法比定點表示法所表示的數(shù)的范圍大，精度高，但運算規(guī)則比較復(fù)雜，成本較高。早期的微型計算機采用定點表示，機器中數(shù)均為整數(shù)，沒有處理浮點數(shù)的指令。為了彌補這方面的不足，專門設(shè)計了相應(yīng)的數(shù)值協(xié)處理器（8087、80287、80387等）來實現(xiàn)對浮點數(shù)的運算。80486、80586的數(shù)值協(xié)處理器已集成在CPU芯片內(nèi)部。在本教材中，若無特別說明，數(shù)據(jù)均采用純整數(shù)定點表示。

計算機中數(shù)和字符的表示1.概述2.無符號數(shù)的表示3.有符號數(shù)的表示4.定點數(shù)和浮點數(shù)5.計算機中的二進制編碼

1.BCD碼（BinaryCodedDecimal）

BCD碼是以四位二進制的不同組合表示十進制數(shù)十個數(shù)碼的方法，又稱二—十進制編碼。常用的BCD碼為8421BCD碼，即每位十進制數(shù)碼用四位二進制數(shù)來表示，四位二進制數(shù)從高到低的權(quán)值分別為23、22、21、20即8421。8421BCD碼如表所示。

計算機中的二進制編碼表：8421BCD碼十進制數(shù)

8421BCD碼

十進制數(shù)8421BCD碼00000501011000160110200107011130011810004010091001例:十進制數(shù)和BCD碼相互轉(zhuǎn)換。將十進制數(shù)86.5轉(zhuǎn)換為BCD碼：86.5=（10000110.0101）BCD將BCD碼10010111.0100轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)：（10010111.0100）BCD=97.4根據(jù)在存儲器中的不同存放格式，BCD碼又分為壓縮型BCD碼：一個字節(jié)中存放兩個十進制數(shù)碼非壓縮型BCD碼：每個字節(jié)只存放一