单片机原理及接口技术讲义

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1、单片机原理及接口技术杨词慧教 材胡汉才. 单片机原理及接口技术（第2版）M.北京 ：清华大学出版社，2003目 录微型计算机基础MCS-51单片机结构与时序MCS-51单片机指令系统汇编语言程序设计半导体存储器MCS-51中断系统并行I/O接口MCS-51的串行通信单片机应用系统的设计1.微型计算机基础1.1计算机中的数制及数的转换1.2计算机中数的表示方法1.3计算机中数的表示形式1.4计算机中数和字符的编码1.5单片微型计算机概述1.1计算机中的数制及数的转换1.1.1 计算机中的数制十进制（Decimal）主要特点：有0、1、2、9等十个数码；逢10进1 二进制（Binary）主要特点：

2、有0、1两个数码；逢2进1 十六进制（Hexadecimal）：主要特点：有0、1、9、A、B、C、D、E、F等16个数码 ；逢16进1 八进制（Octal）主要特点：有0 、1、2、7等八个数码；逢8进11.1计算机中的数制及数的转换1.1.2 计算机中数制间数的转换二进制和十进制数间的转换按权相加法；除2取余法/乘2取整法 八进制和十进制数间的转换十六进制和十进制数间的转换二进制和十六进制数间的转换四位合一位法；一位分四位法 二进制和八进制数间的转换八进制和十六进制数间的转换通过二进制数作为中间变量进行转换1.2计算机中数的表示方法1.2.1 定点机中数的表示方法定点整数表示法定点计算机：

3、二进制数的小数点位置固定不变 小数点位置被固定在数值位之后 MCS-51是一种定点整数计算机 优点：运算规则简单 定点小数表示法小数点位置被约定在数值位之前 优点：运算规则简单1.2计算机中数的表示方法1.2.2 浮点机中数的表示方法 浮点计算机二进制数的小数点位置是浮动的 浮点数由阶码和尾数两部分组成，阶码部分包括阶符 和阶码，尾数部分包括尾符和尾码 小数点约定在尾数之前，实际位置是浮动的， 由阶码决定 优点：数的表示范围大 缺点：运算规则复杂1.2计算机中数的表示方法1.2.3 二进制数的运算 算术运算加法、减法运算 乘法运算：“部分积左移”和“部分积右移”算法，有 利于计算机采用硬件或软

4、件的方法实现。 部分积右移：先使部分积为“0”并右移一位，若乘数 最低位为“1”，则右移后的部分积与被乘数相加（是 “0”，则该部分积与“0”相加）；然后使得到的部分 积右移一位，用同样的方法对乘数次低位进行处理，直 到处理到乘数的最高位为止。 除法运算：原码除法有“比较法”、“恢复余数法”和 “不恢复余数法”三种，后两种较常用，可以采用硬件 电路实现，也可通过软件实现。1.2计算机中数的表示方法1.2.3 二进制数的运算 逻辑运算逻辑乘（逻辑与）： 逻辑加（逻辑或）： 逻辑非（逻辑取反）： 逻辑异或（逻辑半加）：1.3计算机中数的表示形式1.3.1 机器数的原码、反码和补码 补码加法器现代微

5、型机中，其内部运算器通常只有一个补码加法器 、n位寄存器/计数器组和移位控制电路等组成 补码加法器既能做加法又能将减法运算变为加法来做 配有左移、右移和判断等电路，不仅可进行逻辑运算， 还能完成加、减、乘、除的四则运算 原码最高位为符号位，其余位为数值位 符号位为0表示该数为正数，为1表示为负数 反码正数的反码和原码相同；负数反码的符号位为1，数值 位是它的原码的数值位按位取反1.3计算机中数的表示形式1.3.1 机器数的原码、反码和补码 补码正数的补码和原码相同；负数的补码是反码加1 补码的运算非常方便：所有参加运算的带符号数表示成 补码后，微型机对它运算后得到的结果也是补码 补码数的符号扩

6、展一个n位补码数扩展为2n位补码数，只要把符号位向左 扩展n位，其值不变 适合于定点整数计算机 补码数的右移规则一个n位的X的补码数，其符号位连同数值位向右移动一 位（符号位不变），其值是X/2的补码（仍为n位） 适合于定点小数计算机1.3计算机中数的表示形式1.3.2 补码的加减运算 补码加法运算通式：X+Y补=X补+Y补（mod 2n） 条件：X、Y和X+Y须在-2n-12n-1范围内 式中n为机器的字长 补码减法运算通式：X-Y补=X补+-Y补（mod 2n） 上两式表明：补码加法可以将减法运算化为加 法来做，把加法和减法问题巧妙地统一起来， 从而实现了一个补码加法器在移位控制电路作 用

7、下完成加、减、乘、除的四则运算1.3计算机中数的表示形式1.3.3 补码运算的正确性及变形码 补码运算的正确性溢出：对于字长为n位的定点整数机，如果运算运算结 果超出-2n-12n-1范围，则称为溢出。 补码运算的正确性集中体现在对补码运算结果的溢出判 断上，如果溢出，则运算结果不正确 变形码可分为：变形原码、变形反码和变形补码 变形补码比补码多一位符号位，即有两位符号位 变形补码对运算结果的溢出判断：运算结果中的两位符 号位若同号，则运算结果正确；若为01，则运算结果为 正溢出，若为10，则运算结果为负溢出1.4计算机中数和字符的编码1.4.1 BCD码和ASCII码 BCD码BCD码（Bi

8、nary Coded Decimal）是一种具有十进制权 的二进制编码。常用的有8421码、2421码、余3码等 8421码：采用4位二进制数来代表十进制数码 BCD运算。进行BCD加法或减法运算时，必须对二进制加 法或减法运算的结果进行修正。 ASCII码ASCII码（American Standard Coded for Information Interchange，美国信息交换标准）：由7位二进制数码 构成，共可为128个字符编码，其中图形字符96个，控 制字符32个。另外1位作奇偶校验位1.4计算机中数和字符的编码1.4.2 汉字的编码 国标码收集汉字6763个，一般字符202个，连

9、同数字、汉语拼 音字母等其他图形字符，总共7445个 国标码采用14位二进制进行图形字符编码，它是计算机 处理汉字的最基本编码 区位码国标码用4位十六进制来表示一个汉字，区位码是用4位 十进制区号和位号来表示一个汉字，只是在编码的表示 形式上有所区别 计算机最终要把区位码替换成国标码，替换方法是先把 十进制形式的区号和位号替换成二十制形式，然后分别 加上20H1.4计算机中数和字符的编码1.4.3 校验码编码 奇偶校验码编码校验码编码用于对信息进行查错和纠错，采用“冗余校 验”的编码思想，即在基本有效信息代码上扩充几位校 验位 奇偶校验：可分为奇校验和偶校验，只有一位冗余位 奇（偶）校验的编码

10、规律：要求编码后的校验码（包括 有效信息位和校验位）中“1”的个数保持为奇（偶） 数 海明码编码码位有（n+k）位，n为有效信息的位数，k为奇偶校验 位位数，校验码的位数k必须满足2kn+k+1 海明码编码中规定：位号恰好等于2的权值的那些位均 可用作奇偶校验位，并命名为P1，P2，Pk位 既能发现错误又能纠正错误1.5单片微型计算机概述1.5.1 单片机的内部结构 存储器ROM 用于存放应用程序，又称程序存储器，132K 字节 根据片内ROM的结构，单片机可分为无ROM型、 ROM型和EPROM型三类 RAM 用于存放实时数据或作为通用寄存器、数据堆 栈和数据缓冲器之用，64256字节，最多

11、可 达48K字节1.5单片微型计算机概述1.5.1 单片机的内部结构 CPU运算器 对二进制数进行算术运算和逻辑操作 由算术逻辑单元ALU、累加器A、通用寄存器R0 、暂存器TMP和状态寄存器PSW等五部分组成 控制器 发布操作命令的机构，是计算机的指挥中心 由指令部件、时序部件和微操作控制部件组成 指令部件由PC、IR和ID（指令序码器）组成1.5单片微型计算机概述1.5.1 单片机的内部结构 内部总线是CPU连接片内各主要部件的纽带，是各类信 息传送的公共通道 分为三种：地址线、数据线和控制/状态线 I/O接口和特殊功能部件I/O接口电路有串行和并行两种 特殊功能部件包括：定时器/计数器、

12、A/D和 D/A、DMA通道和系统时钟电路等1.5单片微型计算机概述1.5.2 单片机的基本原理 单片机的指令系统和程序编制指令的格式： 指令的三种形式：二进制、十六进制、汇编 单片机执行程序的过程求和程序： MOVA， #05H;A05H ADDA， #0AH;A5+10 SJMP $操作码地址码1.5单片微型计算机概述1.5.3 单片机的分类和发展 单片机的分类1974年，美国仙单公司研制出世界上第一台单片微型计算机F8 按处理位数分为四类：4位单片机、8位单片机、16位单片机、 32位单片机 4位单片机：CPU一次只能处理4位二进制数，常用于计算机、 家用电器中的控制器等，代表产品有美国

13、NS公司的COP4系 列等 8位单片机：主要用在工业控制、家用电器和办公自动化系统 中，代表产品有Intel公司的MCS-51系列，Philips司的80C51 系列机（同MCS-51兼容）、Microchip公司的PIC系列机和 Atmel公司的AT89系列机（同MCS-51兼容）等 16位单片机：主要用于过程控制、智能仪表、家用电器及计算 机外部设备的控制器，典型产品有Intel的MCS-96/98系列机、 Motorla公司的M68HC16系列机等 32位单片机：主要产品有Motorla公司的M68300系列机等1.5单片微型计算机概述1.5.3 单片机的分类、发展和应用 单片机的特点体

14、积小、可靠性高、功能强、成本低、灵活方便 8位单片机的市场前景 8位单片机的新发展：CPU功能增强、内部资源增多、引 脚的多功能化、低电压和低功耗 典型单片机性能概览Atmel单片机可分为AT89、AT90、AT91和智能IC卡等四 个系列 AT89系列单片机可分为标准型、低档型和高档型三类， 均属于8位机。数字9表示内含Flash存储器，C表示CMOS 工艺，LV表示低电压，S表示含有串行下载Flash存储器 ，51、52和8252等表示型号 单片机在工业控制中的应用2. MCS-51单片机结构与时序2.1MCS-51单片机结构2.2MCS-51单片机引脚功能2.3MCS-51单片机工作方式

15、2.4MCS-51单片时序2.1MCS-51单片机结构与时序MCS-51内部结构框图2.1MCS-51单片机结构与时序2.1.1 CPU结构 ALU在MCS-51系列里，所有产品都以8051为核心电路发展起 来的 MCS-51系列器件从制造工艺可分为HMOS和CMOS两类 8051的ALU可进行加、减、乘、除四则运算，还可进行 逻辑运算，具有移位、数据传送等功能 控制器 专用寄存器组主要包括PC、A、PSW、SP、DPTR、B等 PSW：Cy AC F0 RS1 RS0 OV P DPTR：16位寄存器，可用来存放片内ROM地址，也可用 来存放片外RAM和片外ROM的地址2.1MCS-51单片机结构与时序2.1.2 存储器结构 存储器地址分配ROM存储器地址空间（片内片外）：0000HFFFFH RAM存储器地址空间：00HFFH 片外RAM存储器地址空间：0000HFFFFH 片内ROM地址范围：0000H0FFFH 片内RAM8052AH/8752BH地址范围：00HFFH 8051/8031地址范围：00H7FH 00H7FH地址空间又可分为：工作寄存器区、位寻址区 和便筏区 特殊功能寄存器SFR（80HFFH）2.1MCS-51单片机结构与时序2.1MCS-51单片机结构与时序2.1MCS-51