单片机原理及应用 蔡启仲 第1章 绪论教材

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1、,单片机原理与应用,2,第1章 绪论 1.1 计算机常用的编码 1.2 微型计算机的分类与组成 1.2.1 微型计算机系统的分类 1.2.2 微型计算机系统组成 1.3 微型计算机的基本工作原理 1.4 单片机的基本概念 1.4.1 单片机的特点 1.4.2 单片机的发展概况 1.4.3 单片机的应用 1.4.4 常用的系列单片机 习题,3,1.1 计算机常用的编码,编码：用数字或某种文字、符号或数码串来表示某一对应数字、信号和状态的过程，称为编码。 二进制编码：计算机中采用的是二进制数。数据、字母、符号等以二进制数来表示，这就是二进制编码，编码的结果称为代码，或二进制码。 十六进制编码：数据

2、、字母、符号等以十六进制数表示。 4位二进制数组成十六进制数，这就是十六进制编码。例如字符A的二进制编码为0100 0001B，即十六进制编码的41 H。 二进制编码和十六进制编码的实质是将二进制数按一定的规律和数字、对象、信号和状态一一对应起来，用不同的二进制代码或十六进制代码串对应数字、对象、信号和状态。 下面就计算机中常用的BCD码和ASCII码进行介绍。,4,(1) BCD码,1. BCD码(十进制数的二进制编码),BCD码是一种具有十进制权位的二进制编码，最常的BCD码是标准BCD码或称为8421码。 BCD码是将4位二进制数组成1位十进制数，4位二进制数有16种组合0000B111

3、1B，取其00001001B（00H09H）按照二进制数的规律排列成十个数字，4位二进制数的权位分别为8、4、2、1而得名为8421码，用00001001 B表示十进制的09，不使用10101111B (0AH0FH)六种状态。 BCD码有压缩BCD码和非压缩BCD码之分。压缩BCD码：4位二进制数表示1位十进制数；非压缩BCD码：8位二进制数表示1位十进制数。 1位十进制数的BCD码如表11所示。 通常压缩BCD码简称为BCD码。,5,例11： 写出两位十进制数97、42和三位十进制数125 的二进制数、压缩BCD码和非压缩BCD码。 十进制数 二进制数 压缩BCD码 非压缩BCD码 97

4、0110 0001 1001 0111 00001001 00000111 42 0010 1010 0100 0010 00000100 000000l0 125 0111 1101 0001 0010 0101 00000001 00000010 00000101,6,两个BCD码的数据相加，其结果仍然是BCD码的二进制数。 4位二进制数的加数和被加数之间只能逢16进位，不能逢 10进位，因此，计算机在进行BCD加法时，必须对二进制加法 的结果进行调整。 十进制调整是利用调整指令予以实现。只有调整后的BCD 码才能够做到逢10进位。51单片机专门用于十进制调整的指令 将在第3章的3.3.2

5、节中介绍。 例12：已知X=37，Y=15，试计算(X+Y) BCD码=？ 分析：(37) BCD码=0011 011l B，(15) BCD码=000l 0101B 则有： (X+Y)BCD码=(37+15)BCD码=0101 0010B=52,(2) BCD码的加法运算,7,BCD码的优点： BCD码与自然二进制数（十六进制数）有很好的对应关 系，很容易实现彼此之间的转换。 BCD码具有奇偶特性，凡是奇数十进制数BCD 码的最低位皆为1，偶数BCD码最低位皆为0，所以采用 BCD码的十进制数容易判别奇偶性。,2. ASCII码,ASCII码是美国国家标准信息交换码，它是一种国际标准 码。一

6、个8位二进制数来表示一个字符的代码，其中最高位常 用作奇偶校验位，低7位是字符的ASCII码的代码值。,8,ASCII码用7位二进制数的代码进行编码，可以得到128个 不同的代码，其中26个大写英文字母AZ的代码为41 H5AH； 26个小写英文字母az的代码为61H7AH；十进制数09的代码 为30H39H，文字符34个代码，其余代码则分配给各种标点符 号和运算符等。 例如：英文字母A的ASCII码：41H； 数字7的ASCII码：37H； 回车“CR”的ASCII码：0DH； 逗号“,”的ASCII码：2CH。 ASCII码表如表12所示。,2. ASCII码,9,1.2 微型计算机的分类

7、与组成 计算机可以分为巨型、大型、小型和微型计算机。 1.2.1 微型计算机系统的分类 微型计算机常简称为微型机或微机。 按微处理器的位数可分为1位、4位、8位、32位和64位机 等。 按组装方式可分为单片机、单板机、通用微型计算机和 嵌入式微型机。 (1) 单片机。利用大规模集成电路工艺将微型机的三大组成 部分：CPU、内存储器和I/O接口电路集成在一块硅片 上，这就是单片机。目前有8位机、16位机和32位机之分。,10,(2) 单板机。将微型机的CPU、内存、I/O接口电路的多个芯 片安装在一块印制电路板上就组成了单板机。 (3) 通用微型计算机。CPU、内存、I/O接口电路、电源等组装

8、在同一个机箱的（多块）印制电路板上，构成一个通用微型 计算机。目前，由多个微处理器组成多核微型计算机已得到 普及，与单核计算机比较，多核微型计算机的运行速度得到 了极大地提高。并配置键盘、监视器(CRT、液晶显示器)、 硬磁盘驱动器等多种外围设备和软件，成为一个通用微型计 算机系统。包括个人微型计算机和笔记本式微型计算机等都 是单核和多核微处理器的微型计算机系统，膝上微型计算机、 掌上微型计算机和平板微型计算机。,11,(4) 嵌入式微型机。微型机作为各种应用装置的控制处理核心， 嵌入到装置中组成嵌入式系统，例如ARM系列微处理器、 DSP信息处理芯片等与各种外设组成嵌入式微型机，使得这 些装

9、置成为数据处理、智能控制和检测系统，已在通讯装置、 家电、仪器仪表、信息处理、测控、自动化装置等领域得到 广泛的应用。,12,1.2.2 微型计算机系统组成 1. 硬件系统,冯诺依曼结构的 型计算机系统基本组 成如图11所示。运算 器、存储器、控制器 合在一起称为微型计 算机的主机，而把各,图11 微型计算机系统的基本组成,种输入输出设备统称为微型计算机的外围设备。在主机部分， 将运算器和控制器合在一起称之为中央处理单元 CPU。,13,运算器：进行运算的部件； 存储器：记忆原始题目、原始数据和处理结果，机器能自动 进行运算而编制的各种命令。存储器通常分为内存储器(简称 为内存)和外存储器(简

10、称为外存)两部分。内存也称为主存 ， 外存也称辅助存储器； 控制器：能代替人的控制作用的部件，它能根据事先给定的 命令发出各种控制信息，使整个计算过程能一步一步地有序 的进行； 输入设备和输出设备：数据和命令的输入，数据计算和处理 结果的输出。 这样就构成了一个基本的微型计算机系统。,14,软件泛指计算机中的程序和文件等，是微型计算机必不 可少的重要组成部分。软件系统可分为两大类：系统软件和 应用软件。 （1）系统软件 管理微型计算机资源，协调其内部工作的程序；系统软件 通常包括操作系统(或监控管理程序)；各种语言的处理程序( 如汇编、解释或编译程序)；数据库管理程序；网络管理软件； 编辑、调

11、试、装配、故障检查和诊断等工具软件。 操作系统具有特殊的地位。只要计算机处在工作状态，就 有操作系统负责接受、分析并调度执行用户的程序和各种命令。 DOS、Windows、Unix、Linux及Mac OS等是目前最流行 的微机操作系统。,2. 软件系统,15,（2） 应用软件 解决某些实际问题或用户根据自己的需要而设计的程序。 比如目前流行的各种软件包：文字处理系统、MATLAB软 件平台、计算机辅助设计(CAD)软件、计算机辅助教学(CAI) 软件、图形动画软件、病毒防护软件、各种网络应用软件等； 在工业自动控制方面有许多数据采集与控制程序；在信 息管理方面有许多管理程序，如人事管理、财务

12、管理、图书资 料管理等。这些程序都是针对某一具体问题设计的，统属应用 软件。,16,（3）软、硬件的关系 硬件系统是构成微机系统各功能部件的集合，而软件系 统是微机系统的各种程序的集合。软件与硬件的关系可以用 图12描述。,应用软件 程序在系统软 件的干预下， 由微机硬件系 统执行。所以， 硬件系统是物理 基础，软件系统 是信息交换、,通信对话、对微机系统进行控制和管理的工具。,图12 软、硬件的关系,17,计算机能够自动地进行计算，是由于人把实现计算的一 步步操作用命令的形式(即一条条指令)预先送入到存储器中， 在执行时，机器把这些命令从存储器中按照预先设定的时序一 条条地取出来，加以翻译和

13、执行。 例如：计算A+B=?。 假定A，B的值已存储在存储器中，进行这个简单运算， 通常，需要做以下几步操作： 第一步：从存储器中取数A； 第二步：从存储器中取数B并与A相加； 第三步：把A+B的结果存储到存储器； 第四步：停机。,17,1.3 微型计算机的基本工作原理,18,取数、相加、存数等都是一种基本操作。 指令：计算机执行的各种操的命令（二进制编码）形式； 指令系统：计算机所能执行的各种指令的集合；计算机的指 令系统是在设计CPU时由设计人员规定的。 程序：把要解决的问题编成一条条指令，这些指令的有序集 合就称为程序。 指令通常分成操作码和操作数两大部分。操作码表示计 算机执行什么操作

14、；操作数表示参加操作的数本身或操作数 存储在存储器的地址。 指令都是以二进制编码的形式来表示，称为机器指令。,1.3 微型计算机的基本工作原理,19,为了便于记忆和理解，用助记符(便于记忆的符号)代替 操作码，用符号表示操作数，这样形成的指令称为汇编语言 指令。例如：MOV A, 09H 汇编语言源程序（简称汇编程序）：用汇编语言指令编写的 程序，汇编源程序必须翻译成机器能识别的二进制数编码， 计算机才能执行。 微机的工作过程就是执行程序的过程。程序由用户预先 输入到存储器中。所以，执行程序的过程就是执行指令序列 的过程，也就是周而复始地取指令、执行指令的过程。,1.3 微型计算机的基本工作原

15、理,20,图13是微型计算机 的结构图，由微处理器 (CPU)、存储器、接口电路 组成，通过三条总线(BUS)： 地址总线(AB)、 数据总线(DB)、 控制总线(CB)来连接。 要执行的程序以及数 据，已存储在存储器中。,1.3 微型计算机的基本工作原理,图13 微机结构图,21,1CPU的结构 CPU的基本结构如图14中虚线以上部分所示。,1.3 微型计算机的基本工作原理,22,图14中各单元定义如下： ALU 算术逻辑单元； F 标志寄存器 A 累加器； B 寄存器 AR 地址寄存器； DR 数据寄存器 IR 指令寄存器； ID 指令译码器 PC 程序计数器(指令指针寄存器)； PLA 可编程逻辑阵列 AB 地址总线； DB 数据总线 程序计数器PC：存放执行的指令地址； 地址寄存器AR：存储单元地址；从该地址存储单元中取出 指令后，由数据寄存器DR送至指令译码器ID译码，再通过 控制电路发出执行该条指令所需要的各种控制信息。,23,2. 存储器 存储器的结构如图14中虚线以下部分所示。 存储器以二进制代码的形式存储数据和程序，具有非破 坏性读出的特点。 存储器由许多存储单元(简称单元)组成，每个存储单元 可以是1、4、8、16、32位等二进制数，其中1位：位单元， 4位：半个字节，8位：字节， 16位：字，32位：双字。 单元地址：内存储器中的每个存储单元都对应一个编号