單片微型計算機(jī)概述

單片微型計算機(jī)概述第一頁，共五十三頁，2022年，8月28日建議參考書《單片機(jī)原理及應(yīng)用》

孫涵芳等編著

北京航空航天大學(xué)出版社《單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計工及程應(yīng)用》雷思孝等編著

西安電子科技大學(xué)出版社《單片微型計算機(jī)原理及接口技術(shù)》楊光友等編著

中國水利水電出版社《新編單片機(jī)原理及應(yīng)用》潘永雄編著

西安電子科技大學(xué)出版社《單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)》黃惟公等編著

西安電子科技大學(xué)出版社第二頁，共五十三頁，2022年，8月28日第一章：單片微型計算機(jī)概述主要內(nèi)容第二章：MCS-51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)第四章：匯編語言程序設(shè)計第五章：定時/計數(shù)器與中斷系統(tǒng)第六章：MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展技術(shù)第七章：串行通信及其接口 第八章：MCS-51單片機(jī)的人機(jī)界面接口技術(shù)第九章：MCS-51與D/A及A/D轉(zhuǎn)換器接口第十章：系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例 第三章：MCS-51單片機(jī)指令系統(tǒng)第三頁，共五十三頁，2022年，8月28日第1章

單片微型計算機(jī)概述1.1單片微型計算機(jī)發(fā)展概況1.2微計算機(jī)系統(tǒng)概念1.3單片機(jī)的特點(diǎn)1.4計算機(jī)中的數(shù)和編碼第四頁，共五十三頁，2022年，8月28日第2章

MCS-51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)2.1MCS-51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2.2MCS-51單片機(jī)的引腳及片外總線結(jié)構(gòu)2.3MCS-51單片機(jī)的存儲器配置2.4CPU的時序及輔助電路第五頁，共五十三頁，2022年，8月28日第3章

MCS-51單片機(jī)指令系統(tǒng)3.1MCS-51指令系統(tǒng)的分類、格式及一般說明3.2尋址方式3.3分類指令第六頁，共五十三頁，2022年，8月28日第4章

匯編語言程序設(shè)計

4.1匯編語言基本概念4.2匯編語言程序設(shè)計第七頁，共五十三頁，2022年，8月28日第5章

定時/計數(shù)器與中斷系統(tǒng)5.1定時/計數(shù)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及控制5.2中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及管理5.3定時/計數(shù)器及中斷系統(tǒng)綜合應(yīng)第八頁，共五十三頁，2022年，8月28日第6章

MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展技術(shù)6.1MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展的基本概念6.2程序存儲器擴(kuò)展技術(shù)6.3數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展6.4輸入/輸出口擴(kuò)展技術(shù)第九頁，共五十三頁，2022年，8月28日第7章

串行通信及其接口

7.1概述7.2MCS-51的串行口7.3串行口的控制第十頁，共五十三頁，2022年，8月28日第8章

MCS-51單片機(jī)的人機(jī)界面接口技術(shù)8.1鍵盤及其接口8.2顯示器接口8.3打印機(jī)接口8.4撥碼盤及語音接口第十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日第9章

MCS-51與D/A及A/D轉(zhuǎn)換器接口

9.1概述9.2D/A轉(zhuǎn)換器及其接口9.3A/D轉(zhuǎn)換器及其接口第十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日第10章

系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

10.1步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)10.2紅外線感應(yīng)自動門控制系統(tǒng)10.3通用多點(diǎn)溫度控制系統(tǒng)第十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日第1章

單片微型計算機(jī)概述1.1單片微型計算機(jī)發(fā)展概況1.2微計算機(jī)系統(tǒng)概念1.3單片機(jī)的特點(diǎn)1.4計算機(jī)中的數(shù)和編碼第十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.1單片微型計算機(jī)發(fā)展概況通用微機(jī)和單片機(jī)是當(dāng)代微型計算機(jī)發(fā)展的兩大分支，它們有各自的應(yīng)用領(lǐng)域，不能互換。以IBM-PC機(jī)為代表的通用微機(jī)，追求高速運(yùn)行程序、增大存儲容量，采用了高速緩沖存儲(Cache)技術(shù)、虛擬存儲技術(shù)、流水線作業(yè)技術(shù)、亂序執(zhí)行技術(shù)等一系列當(dāng)代計算機(jī)新技術(shù)，數(shù)據(jù)處理的位數(shù)也達(dá)64位，從而廣泛應(yīng)用在科學(xué)計算、圖像處理、文字處理、數(shù)學(xué)建模、系統(tǒng)仿真、數(shù)據(jù)批量處理等領(lǐng)域。返回本章首頁以數(shù)據(jù)檢測、實(shí)時控制為目的的單片機(jī)具有體積小、功能全、功耗低、可靠性高和性價比高的特點(diǎn)，成為智能系統(tǒng)中一個必不可少的環(huán)節(jié)。第十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.1單片微型計算機(jī)發(fā)展概況返回本章首頁單片機(jī)在過程控制、機(jī)電一體化產(chǎn)品、智能家用電器、機(jī)器人、智能玩具、智能檢測、智能儀器儀表中，以及在制約生產(chǎn)環(huán)節(jié)的溫度、壓力、流量測量等方面，均具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，其地位不能被通用微機(jī)取代。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通訊等方面也得到廣泛應(yīng)用。第十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.1單片微型計算機(jī)發(fā)展概況返回本章首頁單片機(jī)是將計算機(jī)的基本部件微型化并集成到一塊芯片上的微型計算機(jī)。通常在芯片內(nèi)含有CPU、ROM、RAM、并行I/O口、串行口、定時/計數(shù)器、中斷控制系統(tǒng)、系統(tǒng)時鐘及系統(tǒng)總線等。單片機(jī)一詞來源于“SingleChipMicrocomputer”(SCM)?！癝CM”一詞目前國際上已基本上不大采用，而被微控制器(MCU—MicrocontrollerUnit)或嵌入式控制器(EmbeddedController)所代替。第十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日1976年問世的MCS-48系列單片機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造過于簡單，以其典型產(chǎn)品8048為例，內(nèi)部僅由8位CPU、27條I/O線、1KBROM、64BRAM和1個8位定時/計數(shù)器組成，由于沒有集成串行接口及中斷控制，它的應(yīng)用范圍日益縮小。1980年誕生的MCS-51系列單片機(jī)，雖然也是8位機(jī)，但由于在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上增加了通用異步接收/發(fā)送邏輯部件UART(UniversalAsynchronousReceiverandTransmitter)，增強(qiáng)了定時/計數(shù)、中斷處理功能，在指令操作中又設(shè)置了大批位操作指令，與片內(nèi)位尋址空間一起構(gòu)成獨(dú)有的布爾操作系統(tǒng)，使得單片機(jī)成為名副其實(shí)的微控制器。它的使用長盛不衰，成為當(dāng)今的主流機(jī)型。第十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日如果把MCS-48、MCS-51機(jī)型分別算作單片機(jī)發(fā)展進(jìn)程中的第一代和第二代，那么1984年由Intel公司推出的MCS-96系列就成為單片機(jī)的第三代。這一代計算機(jī)的特點(diǎn)是字長16位、運(yùn)算速度快，但這一代計算機(jī)應(yīng)用范圍不廣，并沒有形成氣候。之所以16位MCS-96系列機(jī)(代表機(jī)型8098)取代不了MCS-51系列機(jī)，正是因為微控制領(lǐng)域多數(shù)場合下字長用不著16位，而且MCS-96系列機(jī)價格又普遍偏高。第十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日目前在市場上較為流行的單片機(jī)品種除Intel公司的MCS-51、MCS-96系列外，還有：Motorola公司：68HC5、68HC11系列；Zilog公司：Z86EXXXPSC系列；Texas公司：MSP430FXX系列；MicroChip公司：PIC16C系列。這些產(chǎn)品中，MCS-51系列所占市場份額最大。世界上許多知名生產(chǎn)廠家，如美國Intel、AMD、ATMEL、Winbond、Temic等公司，以及其它國家的Simens、Philips、NEC、LG等，都生產(chǎn)MCS-51系列單片機(jī)。生產(chǎn)該系列單片機(jī)的這些公司中，又以Intel公司的產(chǎn)品時間最長、品種最多、應(yīng)用最快。該系列機(jī)的品種已達(dá)數(shù)百個，為此，MCS-51不僅成為市場上的佼佼者，也成為高校教學(xué)的首選。第二十頁，共五十三頁，2022年，8月28日單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域作為一種芯片級的計算機(jī)，單片機(jī)具有集成度高、體積小、功耗低、性價比高、可靠性高、控制功能強(qiáng)、供電電壓低等一系列優(yōu)點(diǎn)，在微控制領(lǐng)域一枝獨(dú)秀。單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域大體有如下幾個方面：(1)智能控制。單片機(jī)適用于各種控制系統(tǒng)，如溫度、壓力、流量智能控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)可編程順序控制、程序控制、實(shí)時控制、連續(xù)控制、離散控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等多種控制方案。控制對象涉及到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、社會生活各個部門，如數(shù)控機(jī)床、加熱爐、化工生產(chǎn)裝置等。第二十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日(2)智能儀表。在各種儀器儀表中引入單片機(jī)，讓單片機(jī)成為儀表的一部分，是單片機(jī)最為重要的用途之一，由此也產(chǎn)生了智能傳感器、智能醫(yī)療器械、智能測量儀表、數(shù)字示波器等等。(3)辦公自動化設(shè)備。在當(dāng)代微機(jī)的鍵盤中裝入一片單片機(jī)，能適時處理即時鍵入的字符，完成初步轉(zhuǎn)換。具備如此智能處理功能的還有眾多的辦公自動化設(shè)備，如打印機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、磁盤機(jī)、終端設(shè)備等等。(4)實(shí)時控制。在過程控制、過程監(jiān)測、運(yùn)動機(jī)械、遙控遙測、機(jī)器人等各種實(shí)時過程控制系統(tǒng)中，單片機(jī)能夠使系統(tǒng)保持最佳工作狀態(tài)、提高效率。例如汽車控制，從點(diǎn)火、變擋、防滑、倒車直至排氣、最佳油氣比等，都能使用單片機(jī)操縱。又如航天領(lǐng)域的導(dǎo)航、制導(dǎo)、自動尋找目標(biāo)、目標(biāo)辨識等，也能使用單片機(jī)進(jìn)行控制。第二十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日(5)日常生活。單片機(jī)可應(yīng)用于智能建筑、洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐、電視機(jī)、游戲機(jī)等當(dāng)中。有了單片機(jī)，人們的生活將更加舒適方便。(6)商務(wù)用品。單片機(jī)可應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域的自動售貨機(jī)、電子秤、電子收款機(jī)、自動收款機(jī)等當(dāng)中。第二十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日**存儲器（Cache、ROM、RAM）輸入/輸出接口（并行、串行）系統(tǒng)總線（ABUS、DBUS、CBUS）運(yùn)算器（定點(diǎn)、浮點(diǎn)）寄存器組（通用、專用）控制部件內(nèi)部總線微處理器微型計算機(jī)微型計算機(jī)系統(tǒng)外圍設(shè)備（外部設(shè)備、輔助設(shè)備）軟件系統(tǒng)（系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件）第二十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.2微計算機(jī)系統(tǒng)概念 返回本章首頁存儲器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口地址總線AB輸出設(shè)備CPU數(shù)據(jù)總線DB控制總線CBI/O接口微型計算機(jī)的概念結(jié)構(gòu)第二十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.2微計算機(jī)系統(tǒng)概念 返回本章首頁第二十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.3單片機(jī)的特點(diǎn)（1）體積小、重量輕、功耗低、功能強(qiáng)、性價比高。（2）數(shù)據(jù)大都在單片機(jī)內(nèi)部傳送，運(yùn)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。（3）結(jié)構(gòu)靈活，易于組成各種微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。（4）應(yīng)用廣泛，既可用于工業(yè)自動控制等場合，又可用于測量儀器、醫(yī)療儀器及家用電器等領(lǐng)域。返回本章首頁第二十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日單片機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)

單片機(jī)的應(yīng)用具有三個明顯的特征：(1)由于控制對象涉及到機(jī)械動作(如機(jī)器人)或場效應(yīng)(如溫度的變化、流體的流動)，因此片面追求單片機(jī)的高速度本身沒有什么特別意義。單片機(jī)的工作頻率一般為6MHz、12MHz、24MHz、33MHz或40MHz，遠(yuǎn)低于通用微機(jī)。頻率低有利于降低成本，取得較好的效益。(2)目前單片機(jī)字長有8位、16位、32位之分，數(shù)據(jù)位數(shù)選擇以夠用為原則，不是越長越好。由于8位機(jī)用于控制已能滿足大多系統(tǒng)的要求，因此8位、16位機(jī)是單片機(jī)的主流機(jī)型，今后相當(dāng)長的時間可能都不會改變。第二十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日(3)單片機(jī)內(nèi)的存儲容量有增大的趨勢，這種增大不僅只是增加RAM、ROM的容量，而是改用一些新型的存儲器。美國ATMEL公司開發(fā)的8位AT89系列單片機(jī)就是在MCS-51內(nèi)集成了閃速存儲器(FlashMemory)。由于芯片內(nèi)帶有閃速可編程、可擦除只讀存儲器(FPEROM，F(xiàn)lashProgrammableandErasableROM)，使得89C51和89C52單片機(jī)能在掉電后保存已寫入的數(shù)據(jù)。第二十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日根據(jù)單片機(jī)的三個應(yīng)用特點(diǎn)，決定了單片機(jī)較之通用微機(jī)有不同的發(fā)展方向：(1)工業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境通常比較惡劣，甚至存在有毒、有害、有腐蝕的氣、液體場合，存在高溫、高壓、強(qiáng)電、磁輻射等，這就要求單片機(jī)具有極強(qiáng)的抗干擾能力，不被外界的干擾影響輸出。(2)在人類不能涉足的場合工作，要求單片機(jī)具備高的可靠性和穩(wěn)定性，否則任何差錯都不能達(dá)到滿意的控制效果。(3)要求單片機(jī)的指令系統(tǒng)簡單，并且I/O端口和存儲器統(tǒng)一編址。第三十頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.4計算機(jī)中的數(shù)和編碼1.4.1計數(shù)制 1.4.2二進(jìn)制數(shù)（用B表示）1.4.3十六進(jìn)制數(shù)（用H表示）1.4.4不同進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換1.4.5數(shù)制書寫約定1.4.6計算機(jī)中數(shù)的表示 1.4.7計算機(jī)常用編碼返回本章首頁第三十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.4.1計數(shù)制日常生活中廣泛使用的數(shù)為十進(jìn)制數(shù)，這是一種逢十進(jìn)一的計數(shù)方法。用的數(shù)制還有二進(jìn)制、八進(jìn)制和十六進(jìn)制等?；鶖?shù)小于10的計數(shù)制，可用十進(jìn)制相應(yīng)的數(shù)碼作為它的數(shù)字符號，一個數(shù)一般由多個數(shù)碼組成。數(shù)碼在數(shù)中的位置不同，其值也不同。返回本節(jié)第三十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.4.2二進(jìn)制數(shù)（用B表示）以2為基數(shù)的數(shù)制稱為二進(jìn)位計數(shù)制，它只包括0和1兩個數(shù)碼，很容易用電子元件的兩種不同的狀態(tài)來表示，例如，用高電平表示1，用低電平表示0。所以，計算機(jī)中通常采用二進(jìn)制數(shù)。二進(jìn)制數(shù)的計數(shù)特征：逢二進(jìn)一，運(yùn)算簡單。在加、減、乘、除四則運(yùn)算中，乘法實(shí)質(zhì)上是做移位加法，除法則是移位減法。返回本節(jié)第三十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.4.3十六進(jìn)制數(shù)（用H表示）為了書寫和閱讀方便，經(jīng)常采用十六進(jìn)制數(shù)作為二進(jìn)制的縮寫形式。十進(jìn)制數(shù)、二進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)的對照表如表1-1所示。在計數(shù)時，逢十六進(jìn)一，這樣書寫長度短，且可方便將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)或?qū)⒍M(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)。第三十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日表1-1十進(jìn)制數(shù)、二進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)對照表返回本節(jié)第三十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.4.4不同進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換1．二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制基本方法：將二進(jìn)制數(shù)按權(quán)展開式，利用十進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算法則求和，即可得到等值的十進(jìn)制數(shù)。第三十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日2．十進(jìn)制到二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換

十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制整數(shù)

十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制小數(shù)

帶小數(shù)的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)第三十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日3．二進(jìn)制、十六進(jìn)制之間的相互轉(zhuǎn)換 將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)，從低位開始，每四位一組，然后將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)。如最后一組不足四位，需在左邊補(bǔ)0。 用同樣方法可將二進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換十六進(jìn)制小數(shù)。只是分組應(yīng)從小數(shù)點(diǎn)右邊開始分成四位一組。 十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)，將每位十六進(jìn)制數(shù)直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。返回本節(jié)第三十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.4.5數(shù)制書寫約定在書寫計算機(jī)程序時，一般不用基數(shù)作為下標(biāo)來區(qū)分各種進(jìn)制，而是用相應(yīng)的英文字母作后綴來表示各種進(jìn)制的數(shù)。

返回本節(jié)例如：B（Binary）——表示二進(jìn)制數(shù)。 D（Decimal）——表示十進(jìn)制數(shù)，一般D可省略，即無后綴的數(shù)字為十進(jìn)制數(shù)。 H（Hexadecimal）——表示十六進(jìn)制數(shù)。第三十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.4.6計算機(jī)中數(shù)的表示1．原碼、反碼和補(bǔ)碼原碼：在符號位中用0表示正、用1表示負(fù)的二進(jìn)制數(shù)，稱為原碼。例如，

x1=＋1110111B，[x1]原=01110111Bx2=－1110111B，[x2]原=11110111B數(shù)0可是＋0或－0。因此，0在原碼中形式：

[＋0]原=00000000B，[－0]原=10000000B第四十頁，共五十三頁，2022年，8月28日反碼：正數(shù)的反碼=原碼；負(fù)數(shù)的反碼=原碼的符號位不變而數(shù)值按位取反。所謂按位取反，即將各位的1變成0，0變成1。例如，x1=＋13，[x1]反=[＋13]原=00001101B。又如，x2=－13，[x2]原=[－13]原=10001101B，

[x2]反=[－13]反=11110010B。第四十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日補(bǔ)碼：正數(shù)的補(bǔ)碼=原碼；負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼=反碼＋1。例如，x1=＋1101101B，[x1]補(bǔ)=[＋13]原=01101101B。又如，x2=－1101101B，[x2]反=10010010B，

[x2]補(bǔ)=10010011B。在補(bǔ)碼表示中，“0”是唯一的。即[±0]補(bǔ)=00000000B第四十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日2．?dāng)?shù)的小數(shù)點(diǎn)表示方法定點(diǎn)表示法：表示小數(shù)點(diǎn)的位置是固定不變的。分為純整數(shù)和純小數(shù)兩類。數(shù)符尾數(shù)·純整數(shù)表示方法純小數(shù)表示方法數(shù)符·尾數(shù)其格式如下所示：第四十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日浮點(diǎn)表示法浮點(diǎn)表示法中小數(shù)點(diǎn)的位置是不固定的。任意二進(jìn)制數(shù)N一般可表示為：N=2P×S一個浮點(diǎn)數(shù)分為階碼和尾數(shù)兩部分，二者各有表示正負(fù)的階符和數(shù)符，常用存儲格式：階符階碼數(shù)符尾數(shù)第四十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日在微計算機(jī)中常用的浮點(diǎn)數(shù)表示有：（1）四字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)格式（如圖1-2所示），它由一個字節(jié)指數(shù)（EXP）、三個字節(jié)尾數(shù)構(gòu)成，共用四個存儲單元。（2）三字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)格式（如圖1-3所示）。第四十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日圖1