单片原理及应用(第2版)第一章

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1、 单片机原理及应用（第2版）课程地位本课程是电子信息工程专业的重要专业必 修课，主要介绍MCS-51系列单片机的工作原 理及其在电子产品中的应用。授课方法n 本课程48学时，3学分。n本课程的教学方法是：授课时采用课堂讲 授为主，配合多媒体教学手段。考核方法本课程的考试形式如下：n本课程通过两方面进行考核：平时成绩（ 40%）+期末考试（60%）n其中：平时成绩含作业，课堂学习情况， 考勤，期末考试采用闭卷方式。 参考书nMCS-51系列单片机与接口技术 李 玉峰编著n 单片微型机原理及应用 徐维 祥主编共分6章内容：第1章 概述 第2章 单片机硬件结构 第3章 指令系统 第4章 程序设计 第

2、5章 MCS-51系列单片机硬件资源的应用 第6章 系统扩展技术 第1章 概述共分两大部分： 11 微型计算机（MC）的基础知识概述 12 单片机概述 11 微型计算机基础知识概述一、微型计算机基本结构二、计算机中的数制三、计算机中常用的编码1.1.1微型计算机的基本结构微型计算机由硬件和软件两大部分组成。n硬件是指那些为组成计算机而有机联系的 电子、电磁、机械、光学的元件、部件或装 置的总和，它是有型的物理实体。n软件是相对于硬件而言的，包括计算机运 行所需要的各种程序，还包括手册、说明书 和有关资料。1、硬件结构微型计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。n运算器+

3、控制器+存储器=主机；n输入+输出设备则称为计算机的外围设备（简称“外设”）；n运算器+控制器=中央处理单元CPU（Central Process Unit）。（1）微处理器CPU（2）微型计算机（MC）（3）微型计算机系统（1）微处理器CPU微处理器是利用微电子技术将计算机的核心部件（运算器和控制器）集中做在一块集成电路上而形成的一 个独立芯片。它具有解释指令、执行指令及与外界交换数据的能 力。该芯片称为微处理器或微处理机（Microprocessor） ，也称CPU。目前，无论哪种CPU，其内部基本组成总是大同小异的，包括三部分：运算器、控制器、内部寄存器阵列 （工作寄存器组）。（2）微型

4、计算机微型计算机由 CPU、存储器(RAM、ROM、EPROM)和各种输入、输出接口电路构成。芯片之间通过总线连接。 存储器存储器是微型计算机的重要组成部分，用来存放程序和数据，计算机有了存储器才具备记忆的能力。计算机工作时，CPU对存储器的操作只有“读”和“写”操作。CPU将数据存入存储器的过程称为“写”操作，CPU从存储器中取出数据的过程称为“读”操作。l 写入存储单元的数据取代了原数据，而且在下一个新的数据写入之前一直保留着，即存储器具有记忆的功能。l 在执行“读”操作后，存储单元中原有的内容不变，即存储器的读出是非破坏性的。l对存储器的操作是对存储器地址的操作。 输入/输出接口电路输入

5、/输出接口电路是微型计算机的重要组成部件 ，是微型计算机连接外部输入、输出设备及各种控制对 象并与外界进行信息交换的逻辑控制电路。计算机工作时，CPU对I/O口的操作只有“读”和“ 写”。CPU对输入口的操作称为“读”操作，对输出口的操 作称为“写”操作，操作是对所选择的I/O口的口地址进 行的。 总线总线是在微型计算机各芯片之间或芯片内部各部件之间传 输信息的一组公共通信线。微型计算机采用总线结构后，芯片之间不需要单独走线， 这就大大减少了连接线的数量。采用总线结构后，系统中各功 能部件间的相互关系转变为各部件面向总线的单一关系，符合 总线标准的设备都可以连接到系统中，使系统功能得到扩展。微

6、型计算机总线的种类非常多，从使用的角度可分为内部 总线、元件级总线、系统总线、外部总线四大类，在微型计算 机中使用比较多的是元件级总线。计算机元件级总线包括地址总线AB（Address Bus）、数据 总线DB（Data Bus）、控制总线CB（Control Bus）三种。地址总线（AB)地址总线是CPU用来向存储器或I/O口传送地址信息的，是三态单向总线。地址总线的宽度决定了CPU可直接寻址的内存容量 。l8条地址线用A7A0表示，A7为最高位地址线，A0为 最低位地址线，最大寻址范围为28 = 256；l16条地址线用A15A0表示，A15为最高位地址线， A0为最低位地址线，最大寻址范

7、围为216 = 65536 = 64K。通过地址总线确定要操作的存储单元或I/O口的地 址。数据总线(DB)数据总线是CPU与存储器及外设交换数据的通路，是三态双向总线。n数据总线的位数与微处理器的位数相同，一般有8 位、16位、32位等。n8位数据线用D7D0表示，D7为最高有效位，D0为最低有效位；n16位数据线用D15D0表示，D15为最高有效位， D0为最低有效位。最高有效位用MSB表示，最低有效 位用LSB表示。控制总线(CB)控制总线是用来传输控制信号的，传送方向 依具体控制信号而定.n例如，CPU向存储器或I/O接口电路输出读信 号、写信号、地址有效信号，而I/O接口部件向 CP

8、U输入复位信号、中断请求信号等。n控制总线的宽度根据系统需要而定。微型计算机的应用形态 从应用形态上，微机可以分成三种：l 多板机l 单板机l 单片机多板机（系统机）将CPU、存储器、I/O接口电路和总线接口等组装 在一块主机板（即微机主板）。各种适配板卡插在主 机板的扩展槽上并与电源、软/硬盘驱动器及光驱等 装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完 整的微型计算机系统（简称系统机）。 工业PC机 也属于多板机。单板机将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单 的I/O设备（小键盘、LED显示器）等装配在一块印 刷电路板上，再配上监控程序（固化在ROM中），就 构成了一台单板微型计算

9、机（简称单板机）。单单板机单板机的I/O设备简单，软件资源少，使用不方便。早期主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统，现在已很少使用。单片机单片机在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/OI/O 接口电路，从而构成了接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机单芯片微型计算机，即单片机三种应用形态的比较 ：单单 板机单单 片机系统统机（多板 机）系统机（桌面应用）属于通用计算机，主 要应用于数据处理、办公自动化及辅助设计。单片机（嵌入式应用）属于专用计算机， 主要应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、 智能办公设备、汽车及军事电子设备等应

10、用系统 。单片机的出现是计算机技术发展史上的一个重要里程 碑，它使计算机从海量数值计算进入到智能化控制领域 。计算机技术逐步发展形成通用计算机系统和嵌入式计 算机系统两大分支。 （3）微型计算机系统微型计算机为主体，配上外部输入/输出设备、电 源、系统软件一起构成应用系统，称为微型计算机系 统。嵌入式系统n(1)嵌入式系统基本概念n嵌入式计算机系统是面对测控对象，嵌入到应用系统中的计 算机系统的统称，简称嵌入式系统(Embedded System) 。n通用计算机系统主要满足海量、高速数值处理，兼顾控制功 能；嵌入式计算机系统主要满足测控对象的控制功能，兼顾数 值处理。 （2）嵌入式计算机系统

11、与通用计算机系统的主要区别 n嵌入式系统最显著的特点是面对工控领域的测控对象。控制对象对嵌入 式计算机系统采集、处理、控制的速度要求是有限的，而对控制方式与控制 能力的要求是无限的。n为了实现海量高速数值计算，通用计算机系统对计算机运行速度的要求 是无限的，而对计算机的控制功能的要求是有限的。n在数字信号处理(DSP)领域的嵌入式系统也要求高速处理能力，在多媒体 技术的外设管理领域的通用计算机系统也要求良好的控制能力，但两者存在 本质的差别。l单片机是经典的嵌入式系统，它具有唯一的专门为嵌入式应用设计的体系结构与指令系统 。l国内外公认的标准体系结构是Intel的MCS-51系列，其中8051

12、已被许多厂 家作为基核，发展了许多兼容系列，所有这些系列都统称为80C51系列。 2.微型计算机的软件软件是指使用和管理计算机的各种程序（ Program），而程序是由一条条指令（ Instruction）组成的。（1）指令（2）程序（3）机器语言、汇编语言和高级语言 （1）指令与程序控制计算机完成各种操作的命令称为指令。这种一系列指令的有序集合称为程序。编制程序的过程称为程序设计。（2）机器语言、汇编语言和高级语言n编制程序可使用汇编语言或高级语言。n计算机中只能存放和处理二进制信息，所以 无论高级语言程序还是低级语言程序，都必须 转换成二进制代码形式后才能送入计算机，这 种二进制代码形式的

13、程序就是机器语言程序。 二进制代码形式的指令又称为机器指令或机器 码。汇编指令与机器指令具有一一对应的关系 。汇编语言与机器语言的对照：nMOV A，#63 0111 0100 0011 1111 nADD A，#56 0010 0100 0011 1000 nADD A，#36 0010 0100 0010 0100 nADD A，#14 0010 0100 0000 1110 （3）汇编、编译与解释程序汇编语言程序与高级语言程序统称为源程序 ，而机器语言程序称为目标程序。n机器语言只有0，1两个符号，用它来直接编 写程序十分困难。因此，往往先用汇编语言或 高级语言编写程序，然后再转换成目标

14、程序。 将汇编语言程序翻译成目标程序的过程称为汇 编，汇编时用到的软件称为汇编程序。n高级语言转换成机器语言的工作只能由计算 机完成，转换时所用的软件称为编译程序或解 释程序。3、硬件与软件的关系n有机结合的整体n硬件是基础n软件是灵魂1.1.2 计算机中的数制计算机的工作过程就是对数据的处理。计 算机是一个典型的数字化设备，它只能识别0和 1，所有的计算机都是以二进制数的形式进行算术运算和逻辑操作的。1计算机中的数制在使用微型计算机时常用的进位计数制有二进制、十六进制、十进制三种. n二进制（B）n十六进制（H）n十进制（D）1. 十进制 n十进制中共使用09十个数字符号(称为数码)，数码的

15、个 数称为基数。十进制的基数为10，任何一个十进制数都可用这 十个数码的组合来表示。 n十进制数一般有以下特点：l有09十个数字符号，基数为10，各位的权为10n(n为整数 )。l运算规则是加法逢十进一、减法借一为十。l用后缀D(Decimal)表示十进制数，通常对十进制数可不加 后缀。 1. 十进制 n任一个数中每一位的值可用该位的数字乘以基数的幂次来表 示，基数的幂次称为权。n十进制数各位的权是以10为底的幂，任何一个十进制数都可 用权展开式来表示。例如：十进制数1986.129可如下式展开：1986.129=1103+9102+8101+6100+110-1+210-2+910-3上式中

16、100、101、102、103分别称为0权位、1权位、2权 位、3权位。 2. 二进制 n二进制中共使用0、1两个数字符号。n二进制数一般有以下特点：l有0、1两个数字符号，基数为2，各位的权为2n(n为整数)。 l运算规则是加法逢二进一、减法借一为二。 l用后缀B(Binary)表示二进制数。2. 二进制 n二进制数各位的权是以2为底的幂，任何一个二进制数都可 用权展开式来表示。例如：二进制数1011.11可如下式展开： 1011.11B=123+022+121+120+12-1+12-2=11.75由上式可知，二进制数1011.11B相当于十进制数11.75 。 3. 十六进制 n十六进制中共使用09及AF十六个数字符号，其中AF相 当于十进制数的1015。 n十六进制数一般有以下特点：l有09及AF十六个数字符号，基数为16，各位的权为 16n(