單片機(jī)課件-概述

單片機(jī)原理及應(yīng)用電計(jì)系電子技術(shù)應(yīng)用教研室7/29/2023

學(xué)單片機(jī)需要什么基礎(chǔ)？與以前所學(xué)的知識(shí)關(guān)聯(lián)很少；只需要掌握很基本的數(shù)電模電知識(shí)，如二進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換，與、或、非邏輯關(guān)系等；對(duì)各種器件的概念基本上是從0開(kāi)始；如果要用C語(yǔ)言編程，需具備簡(jiǎn)單的C語(yǔ)言基礎(chǔ)；所有人都站在了同一起跑線上;7/29/20233:46PM序號(hào)內(nèi)容理論上機(jī)1第一章概述402第二章MCS-51系列單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)403第三章MCS-51系列單片機(jī)指令系統(tǒng)804第四章匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)0105第五章MCS-51系列單片機(jī)硬件資源的應(yīng)用466第六章MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展技術(shù)第七章MCS-51系列單片機(jī)接口技術(shù)2147第八章單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)028第九章單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)207/29/20233:46PM本次課主要內(nèi)容：1.1微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)概述

1.2單片機(jī)概述7/29/20233:46PM

什么是單片機(jī)？單片微型計(jì)算機(jī)7/29/20233:46PM

回顧計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)7/29/20233:46PMCPU（CentralProcessUnit）馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)7/29/20233:46PM1946年2月15日，第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)問(wèn)世，這標(biāo)志著計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來(lái)。（CALCULATOR）ENIAC（“埃尼阿克”）7/29/20233:46PM電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，相繼經(jīng)歷了四個(gè)時(shí)代：﹡電子管計(jì)算機(jī)；﹡晶體管計(jì)算機(jī)；﹡集成電路計(jì)算機(jī)；﹡大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)及超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)仍然沒(méi)有突破馮·諾依曼提出的計(jì)算機(jī)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)框架。7/29/20233:46PM名詞解釋微處理器：把運(yùn)算器、控制器集成在一塊硅片上，成為獨(dú)立的器件，該器件稱為微處理器或微處理機(jī)，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)核心部件（CPU―CentralProcessUnit），并不是一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī)。7/29/20233:46PM微型計(jì)算機(jī)：P.2由CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出（I/O）接口構(gòu)成，芯片之間通過(guò)總線(Bus)連接。名詞解釋7/29/20233:46PM名詞解釋微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：以微型計(jì)算機(jī)為主體，配上輸入/輸出設(shè)備、外圍設(shè)備、電源、系統(tǒng)軟件一起構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)，稱為微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。7/29/20233:46PM

單板機(jī)：

將CPU芯片、存儲(chǔ)器芯片、I/O接口芯片、簡(jiǎn)單的I/O設(shè)備（小鍵盤、LED顯示器）等裝配在一塊印刷電路板上，再配上監(jiān)控程序（固化在ROM中），就構(gòu)成了一臺(tái)單板微型計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱單板機(jī)）。

單板機(jī)7/29/20233:46PM將微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口電路集成在一塊芯片上，稱為單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)(Single-Chip-MicroController或MicroControllerUnit)單片機(jī)：7/29/20233:46PM名詞解釋指使用和管理計(jì)算機(jī)的各種程序（Program）以二進(jìn)制代碼來(lái)描述指令功能的語(yǔ)言。用機(jī)器語(yǔ)言組成的程序，稱為目標(biāo)程序。軟件：機(jī)器語(yǔ)言：7/29/20233:46PM

采用助記符和其它一些符號(hào)所編寫的指令程序，稱為匯編語(yǔ)言源程序，需經(jīng)編譯變成計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的目標(biāo)程序。各種計(jì)算機(jī)的匯編語(yǔ)言是不同的，須清楚機(jī)器的結(jié)構(gòu)、原理和指令系統(tǒng)。

不足：不能通用于其它機(jī)器。名詞解釋匯編語(yǔ)言：7/29/20233:46PM高級(jí)語(yǔ)言：

是面向過(guò)程的語(yǔ)言，編寫程序時(shí)主要著眼于算法，而不必了解計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，一般地說(shuō)，同一個(gè)程序可在任何種類的機(jī)器中使用名詞解釋7/29/20233:46PM通用單片機(jī)和專用單片機(jī)

通用單片機(jī)：是一個(gè)基本芯片，內(nèi)部資源比較豐富，性能全面且通用性強(qiáng)，覆蓋多種應(yīng)用需求。

專用單片機(jī)：針對(duì)某一種產(chǎn)品，或某一種控制應(yīng)用，而專門設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)；軟硬件資源利用最優(yōu)；可靠性以及經(jīng)濟(jì)成本最佳。本課程介紹的MCS-51系列單片機(jī)是一種通用單片機(jī)，其結(jié)構(gòu)和原理對(duì)所有單片機(jī)都是適用的。7/29/20233:46PM

單片機(jī)系統(tǒng)：在單片機(jī)芯片的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展其它電路或芯片，構(gòu)成具有一定應(yīng)用功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)：為控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)，系統(tǒng)和控制對(duì)象結(jié)合在一起。

單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)調(diào)試工具相關(guān)概念：7/29/20233:46PM計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)=硬件系統(tǒng)+軟件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)：構(gòu)成計(jì)算機(jī)的實(shí)體和裝置軟件系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)所使用的各種程序的總稱7/29/20233:46PM單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成硬件系統(tǒng)是應(yīng)用的基礎(chǔ)軟件是在硬件的基礎(chǔ)上對(duì)其資源進(jìn)行合理的調(diào)配和使用，從而完成應(yīng)用系統(tǒng)所要求的任務(wù)二者相互依賴，缺一不可7/29/20233:46PM單片機(jī)的硬件系統(tǒng)由工程師根據(jù)需求設(shè)計(jì)單片機(jī)的軟件系統(tǒng)需要從0開(kāi)始，從頭到尾的由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)的不同點(diǎn)7/29/20233:46PM本門課程的重點(diǎn)掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)硬件原理的分析方法（必須熟悉單片機(jī)提供的資源）掌握軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試的基本技能1.如何根據(jù)實(shí)際的需求編制軟件2.如何在編制的過(guò)程中對(duì)單片機(jī)提供給我們的資源進(jìn)行合理的調(diào)配，使得我們最終設(shè)計(jì)的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能夠滿足于設(shè)計(jì)的需要7/29/20233:46PM單片機(jī)概述7/29/20233:46PM單片機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)況1971年Intel公司研制成功世界上第一臺(tái)4位微處理器；1973年Intel公司研制成功80808位微處理器；1976年Intel公司推出MCS-48系列8位單片機(jī)；80年代初在MCS-48單片機(jī)基礎(chǔ)上推出MCS-51系列單片機(jī).7/29/20233:46PM主要單片機(jī)廠商由于8位單片機(jī)基本上能滿足目前大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的要求，所以目前8位單片機(jī)仍是應(yīng)用主流Intel公司：8048、8051（8位）、8096（16位），80960（32位）。Motorola公司：MC-6801(8位)，68H16(16位),68HC332(32位)。另外Zilog公司、日本NEC公司、荷蘭Philips公司等。7/29/20233:46PMCPU的發(fā)展CPU字長(zhǎng)：8位、16位、32位時(shí)鐘頻率：6MHz、12MHz、20MHz雙CPU結(jié)構(gòu)，處理能力大大提高7/29/20233:46PM存儲(chǔ)器的發(fā)展K7/29/20233:46PM7/29/20233:46PM7/29/20233:46PM單片機(jī)產(chǎn)品系列簡(jiǎn)介1.MCS-51系列（1）MCS-51是Intel公司生產(chǎn)的一個(gè)單片機(jī)系列名稱。屬于這一系列的單片機(jī)有多種，如：

﹡8051/8751/8031；

﹡8052/8752/8032；

﹡80C51/87C51/80C31

﹡80C52/87C52/80C32等

。

7/29/20233:46PM（2）該系列生產(chǎn)工藝有兩種：CHMOS是CMOS和HMOS的結(jié)合，既保持了HMOS高速度和高密度的特點(diǎn)，還具有CMOS的低功耗的特點(diǎn)。在產(chǎn)品型號(hào)中凡帶有字母“C”的即為CHMOS芯片，CHMOS芯片的電平既與TTL電平兼容，又與CMOS電平兼容。一是HMOS工藝（高密度短溝道MOS工藝）。二是CHMOS工藝（互補(bǔ)金屬氧化物的HMOS工藝）。7/29/20233:46PM（3）在功能上，該系列單片機(jī)有基本型和增強(qiáng)型兩大類：增強(qiáng)型：8052/8752/803280C52/87C52/80C32基本型：8051/8751/803180C51/87C51/80C317/29/20233:46PM（4）在片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的配置上，該系列單片機(jī)有三種形式，即掩膜ROM、EPROM和ROMLess(無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器)。如：﹡80C51有4K字節(jié)的掩膜ROM；﹡87C51有4K字節(jié)的EPROM；﹡80C31在芯片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器。7/29/20233:46PM7/29/20233:46PM預(yù)備知識(shí)：數(shù)制與碼制一、數(shù)制及其轉(zhuǎn)換1、進(jìn)位計(jì)數(shù)制的概念使用有限個(gè)基本數(shù)碼來(lái)表示數(shù)據(jù)，按進(jìn)位的方法進(jìn)行計(jì)數(shù)稱為進(jìn)位計(jì)數(shù)制。包含兩大要素：基數(shù)和位權(quán)

基數(shù)：用來(lái)表示數(shù)據(jù)基本數(shù)碼的個(gè)數(shù)R，≧此數(shù)后必須進(jìn)位。

位權(quán)：數(shù)碼在表示數(shù)據(jù)時(shí)所處的數(shù)位所具有的固定值W。簡(jiǎn)稱“權(quán)”。特點(diǎn)：1）基數(shù)為R

，用0，1，…，R

-1來(lái)表示數(shù)據(jù)，逢R進(jìn)一

2）各位的權(quán)為W=Ri（i為一組數(shù)的位序，小數(shù)點(diǎn)左端第1位為0，第2位為1，…；右端第1位為-1，第2位為-2…）7/29/20233:46PM2、常用進(jìn)制

（1）十進(jìn)制（Decimal）表示法

特點(diǎn)：①基數(shù)為10，用0，1，…，9來(lái)表示數(shù)據(jù)，逢十進(jìn)一；

②各位的權(quán)為10i。

十進(jìn)制數(shù)的表示方法：

例如（273.45）D=2×102+7×101+3×100+4×10-1+5×10-2

（2）二進(jìn)制(Binary)表示法

特點(diǎn)：①基數(shù)為2，用0，1兩個(gè)數(shù)碼來(lái)表示數(shù)據(jù)，逢二進(jìn)一

②各位的權(quán)為2i。

二進(jìn)制數(shù)的表示方法：

例如（1011.101）B=1×23+0×22+1×101+1×20+1×2-1+

0×2-2+1×2-3

7/29/20233:46PM（3）十六進(jìn)制(Hexadecimal)表示法

特點(diǎn)：①基數(shù)為16，用0~9和字母A,B,C,D,E,F

（對(duì)應(yīng)十進(jìn)制10~15）來(lái)表示數(shù)據(jù)，逢十六進(jìn)一；

②各位的權(quán)為16i。

任意一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)的表示方法為

其中ki=0~F

例如:

（55）H=5×161+5×160

（A87.E79）H=A×162+8×161+7×160+E×16-1+

7×16-2+9×16-3

3、進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換

（1）R進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制

按定義：只需按權(quán)展開(kāi)即可。7/29/20233:46PM2）十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為R進(jìn)制

①整數(shù)部分的轉(zhuǎn)換

把十進(jìn)制的整數(shù)不斷除以所需要的基數(shù)R，直至商為零，倒取其余數(shù)，就能轉(zhuǎn)換成以R為基數(shù)的數(shù)，稱為除基倒取余法。

②小數(shù)部分的轉(zhuǎn)換

要將一個(gè)十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換成R進(jìn)制小數(shù)時(shí)，可不斷將十進(jìn)制小數(shù)部分乘以R，并取整，直至小數(shù)部分為零為止。稱為乘基取整法。

例如：（25.3125）D=(？)B

（116.84375）D=（？）H

7/29/20233:46PM7/29/20233:46PM4、二進(jìn)制與十六進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換

由于二進(jìn)制的基數(shù)是2，而十六進(jìn)制的基數(shù)為16=24，即4位二進(jìn)制數(shù)正好對(duì)應(yīng)一位十六進(jìn)制數(shù)，因此二者之間的轉(zhuǎn)換十分方便。

使用8421權(quán)

例如：（B6.8）H=1011

0110.1000=（10110110.1）B

（11011.011）B=0001

1011.0110=（1B.6）H

注意：

（1）以小數(shù)點(diǎn)為界，朝左右劃分，整數(shù)部分不足4位高位加0，小數(shù)部分不足4位低位加0。

（2）二進(jìn)制與八進(jìn)制之間也有類似的情況（23=8）。7/29/20233:46PM二、二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算

1、算術(shù)運(yùn)算

（1）位運(yùn)算規(guī)則

加法：0+0=0，0+1=1，1+1=0進(jìn)位1，1+1+1=1進(jìn)位1；

減法：0-0=0，1-0=1，0-1=1借位1，1-1=0；

乘法：0×0=0，0×1=0，1×0=0， 1×1=1；

（2）多位無(wú)符號(hào)數(shù)的運(yùn)算

①加法：按照加法運(yùn)算規(guī)則，從最低位開(kāi)始逐位相加。兩個(gè)

4位的二進(jìn)制數(shù)相加，其“和”可能超過(guò)4位，從而產(chǎn)

生進(jìn)位。

②減法：按照減法運(yùn)算規(guī)則，從最低位開(kāi)始逐位相減，與十

進(jìn)制數(shù)相減類似，不夠減時(shí)，應(yīng)向高位借位。

記住，二進(jìn)制的2相當(dāng)于十進(jìn)制的10，二進(jìn)制計(jì)算要逢2進(jìn)1。

7/29/20233:46PM③乘法：乘法運(yùn)算可看作是被乘數(shù)自身多次移位相加，相加的次數(shù)由乘數(shù)的數(shù)值決定。

④除法：除法是乘法的逆運(yùn)算，它是確定一個(gè)數(shù)可以從另一個(gè)數(shù)中減去多少次的過(guò)程。

例如：

7/29/20233:46PM2、基本邏輯運(yùn)算

常用有“與”、“或”、“非”、“異或”等邏輯運(yùn)算。

（1）“與”：AND，“有0出0，全1出1”，C=A·B，

運(yùn)算規(guī)則：0·0=0，0·1=0，1·0=0，1·1=1

（2）“或”：OR，“有1出1，全0出0”，C=A+B，

運(yùn)算規(guī)則：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=1

（3）“非”：NOT，“求反”，C=C

運(yùn)算規(guī)則：

（4）“異或”：XOR，“異則1，同則0”，C=A⊕B，運(yùn)算規(guī)則：0⊕0=0，1⊕0=1，0⊕1=1，1⊕1=0

例如：求DAH、99H兩個(gè)數(shù)的幾種運(yùn)算結(jié)果7/29/20233:46PM與：DAH·99H=98H；或：DAH+99H=DBH；

異或：DAH+99H=43H；

如圖：

三、符號(hào)數(shù)的表示法

計(jì)算機(jī)只能識(shí)別0、1兩種信息，那么“符號(hào)數(shù)”

在計(jì)算機(jī)中如何表示呢？(8位二進(jìn)制數(shù))

比如RAM中某單元的內(nèi)容是EFH→11101111B，

代表十進(jìn)制數(shù)可以是多少？

7/29/20233:46PM試問(wèn)：+17又是如何表示呢？（→00010001B）

1、機(jī)器數(shù)與真值

符號(hào)的數(shù)碼化：將符號(hào)用“0正1負(fù)”表示，并以二進(jìn)制數(shù)的最高位（D7位）作為符號(hào)位。

例如：+91=01011011=5BH；

-91=11011011=-5BH；7/29/20233:46PM機(jī)器數(shù)：數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中連同數(shù)碼化的符號(hào)位一起表

示的編碼數(shù)。

真值：把機(jī)器數(shù)實(shí)際代表的數(shù)稱為機(jī)器數(shù)的真值。

2、原碼表示法

D7位作為符號(hào)位（0正1負(fù)），D6~D0為原來(lái)的

二進(jìn)制數(shù)值位。

例如： （+55）原=00110111

（-55）原=101101117/29/20233:46PM特點(diǎn)：

1）8位二進(jìn)制數(shù)表示的范圍：-127～+127；

2）（+0）原=00000000B，（—0）原=10000000B；

3）加、減運(yùn)算困難。

3、反碼表示法

正數(shù)的反碼=正數(shù)的原碼

負(fù)數(shù)的反碼=原碼符號(hào)位不變，其余按位取反

例如：（+0）反

=00000000；（+127）反=01111111

（-0）反=11111111；（-127）反=10000000

特點(diǎn)：1）范圍-127～+127；

2）+0、-0不相等；

3）求反碼的真值時(shí)，若D7=1，則按位取反。7/29/20233:46PM4、計(jì)算機(jī)內(nèi)符號(hào)數(shù)的補(bǔ)碼表示法

（1）引例一：鐘表調(diào)時(shí)

如圖：10點(diǎn)→6點(diǎn)，可以逆時(shí)針撥，也可順時(shí)針撥：

逆撥：10–4=6（減）

順撥：10+8=18=12+6=6（加）

在順撥中，12可自然丟失，稱為模；而8被稱為是

–4的補(bǔ)碼。

相當(dāng)于07/29/20233:46PM顯然鐘表采用十二進(jìn)制，系統(tǒng)所能表示的最大量程為12，稱之為模。

∵8=12–4=12+（–4）

∴（–4）補(bǔ)=12–4=12+（–4）=8

即：（X）補(bǔ)=模+X

（2）二進(jìn)制補(bǔ)碼的計(jì)算方法

正數(shù)的補(bǔ)碼=正數(shù)的原碼

負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼=反碼加1(相應(yīng)正數(shù)的原碼按位取反，再加1）

例如：（-127）補(bǔ)

=？

（-1）補(bǔ)

=？

特點(diǎn)：

1）補(bǔ)碼的符號(hào)位作為數(shù)值的一部分，可以參加運(yùn)算；

2）0只有一種表示，即+0=-0=00000000；7/29/20233:46PM

3）表示范圍：-128～+127（80H~7FH）；

4）比原碼多一種組合，即10000000（-128）其最高位“1” 既表示符號(hào)，又表示數(shù)值；

5）求真值時(shí)，若D7=1，則通過(guò)對(duì)補(bǔ)碼再求補(bǔ)，添“-”而得；

作用：將減法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為加法運(yùn)算。

練習(xí)：

1）十進(jìn)制數(shù)±8，±18，±113的補(bǔ)碼

2）補(bǔ)碼數(shù)1BH，C9H的真值

3）用補(bǔ)碼計(jì)算5–8（用8位二進(jìn)制表示）

7/29/20233:46PM5、符號(hào)數(shù)的加、減運(yùn)算

（1）進(jìn)位與溢出

數(shù)的進(jìn)位：指運(yùn)算結(jié)果最高位D7（符號(hào)位）向更高位有進(jìn)位或借位，稱為進(jìn)位（Cs）。

數(shù)的溢出：運(yùn)算結(jié)果超出了數(shù)的表示范圍（+127~-128）時(shí)，稱為溢出（OV）。

（2）加法

正數(shù)+正數(shù)、負(fù)數(shù)+負(fù)數(shù)：可能產(chǎn)生溢出（超出-128～+127）。無(wú)溢出時(shí)結(jié)果為正確。

正數(shù)+負(fù)數(shù)：不會(huì)溢出，結(jié)果總是正確。

（3）減法

減去一個(gè)數(shù)，等與加上一個(gè)負(fù)數(shù)，補(bǔ)碼形式下成為加法，因此，相當(dāng)于正數(shù)+負(fù)數(shù)，結(jié)果總是正確，也不會(huì)有溢出。

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四、常用編碼

計(jì)算機(jī)中表示的數(shù)、字母、符號(hào)等都以二進(jìn)制數(shù)表示的。

常用編碼有以下幾種：

1、BCD碼（BinaryCodeDecimal）表示法

二—十進(jìn)制數(shù)（BCD）：用4位二進(jìn)制數(shù)表示一個(gè)十進(jìn)制數(shù)。因共有24=16種組合狀態(tài)，故可選其中十種編碼來(lái)表示0~9十個(gè)數(shù)字，不同的選法對(duì)應(yīng)不同的編碼方案。

分有權(quán)碼和無(wú)權(quán)碼兩種：

有權(quán)碼：8421、2421、5211、4311等

無(wú)權(quán)碼：余3碼、格雷碼等

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8421BCD碼：

4位二進(jìn)制碼的權(quán)分別為8、4、2、1碼，是一種最常用的編碼。

特點(diǎn)：