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1、单片机原理及应用,数字运算基础-数的表示方法,机器数与真值 用二进制数（最高位为符号位）代表机器数 对应的十进制数为真值 原码、反码和补码 原码：最高位为符号位，其余为数值位 反码：正数的反码和原码相同，负数的反码是将其原码的符号位保持不变，数值位按位取反得到。 补码：正数的补码和原码相同，负数的补码是其反码的末位加1得到。,数的定点和浮点表示法,定点表示 小数点位置是固定的 浮点表示法 小数点位置不固定，分为尾数和阶码,计算机中的编码,ASCII码 由7位二进制组成，共128个字符，包括英文、数字以及其他特殊符号 最高位（第8位）一般用作奇偶校验位 BCD（Binary Coded Deci
2、mal)码 用二进制表示的十进制数，十进制数只有10个，每个数需要用4位二进制数表示（只从16个可能中选10个即可），一般取8421码。,数字运算-二进制运算,加法: 0BD+0AAH=? 减法 0B5H-93H= 减法常用加法器实现 X-Y=X+-Y补码= X+2n+(-y),167H,22H,CY=1,CY=0,数字运算-二进制运算,减法常用加法器实现(用SUB）控制是加法或是减法运算 X-Y=X+-Y补码= X+2n+(-y),最高位C8=1,但实际上本例无借位CY=0,结论: 当做加法时进位/借位位CY=C8 当做减法时,进位/借位位CY与C8相反,【-Y】的补码是将【Y】的补码的所有
3、位取反，并在末位加1,数字运算-二进制运算,乘法 1101BX 1011B 除法 与十进制除法类似,数字运算-有符号数补码运算判断,溢出判断 当结果超出了数的表示范围时,即发生了溢出,说明结果不正确 无论是加法或减法,BCD码的运算及调整,BCD码的加减法运算 每个十进制位用四位二进制位表示 但4位二进制位的权值为16,十进制位的权为10 当结果出现非法码(超过9)时就需要调整 MCS-51有专门的BCD加法调整指令DDA,63 0110 0011B +24 0010 0100B =87 = 1000 0111B,结果正确,不需调整,68 0110 1000B +49 0100 1001B =
4、117 = 1011 0001B,结果不正确,需调整, 低四位向高四位有进位,高四位超过了9,要加66H,1011 0001B + 0110 0110B =1 0001 0111B,调整后 结果正确！,BCD码的运算及调整,减法运算 当低四位或高四位有借位,则减6修正 或用补码加法,再使用调整指令,68 0110 1000B -49 0100 1001B =19 = 0001 1111B 结果不正确！,68 0110 1000B -49 0100 1001B =19 = 0001 1111B -0000 0110B =0001 1001B,100 0110 1010B -49 0100 100
5、1B =51 = 0101 0001B,+0110 1000B =1011 1001B + 0110 0000B 1 0001 1001B,调整,调整,求补码,调整后结果正确！,逻辑运算,与非或异或运算 见P17-18真值表,第1章 微型计算机基础-基本概念,微处理器: 将运算器、控制器集成，称为中央处理器CPU(Central Processor Unit, CPU)，对应的集成芯片亦称微处理器 微型计算机:,CPU,+储存器,+适配器I/O口,+外围设备,微型计算机可分为多板型,单板型和单片型,微型计算机系统: 由微型计算机上加以外围设备,辅助电路和软件系统等构成,硬件,软件,微型计算机的
6、发展,历史: 1971年,intel 推出4位机,型号4004 1974-1978年 ,为8位机时代,主要有Intel的8080,Motorloa的M6800,Zilog的Z80 1980年,Intel的16位机8086及后续的86系列机具有重要意义,IBM PC开始流行. 更快更廉价的32位及62位机,多处理器技术出现,微型计算机的发展,现状及方向: 低端机应用广泛,依然流行. 高端机朝速度更快,功能更强大的方向迈进 应用多处理器技术,改进指令系统等技术推进机器整体性能.,微型计算机的应用与单片机,科学计算,信息处理,自动控制,测量和测试,教育和卫生,家用电器,人工智能,单片微机,ROM /
7、RAM,并行I/O口,串行I/O口,定时/计数器,系统时钟,BUS,中断控制,集成在一个芯片上,CPU,Single Chip Microcomputer,微型计算机的组成,以微处理器MPU为核心,通过三总线与存储器,I/O接口等资源联接,存储器,是计算机的存储部件，设在CPU外。 (但单片机CPU内，有一定容量的存储器） 根据存储器能否随机读写，可将存储器分为两大类： 只读存储器（Read Only Memory，简称ROM ）。 随机读写存储器(Random Access Memory，简称RAM)。 根据信息的可保存性，存储器亦可分为： 非永久记忆的存储器；（如：RAM） 永久记忆的存储
8、器；（如：ROM、磁性存储器，断电后信息可保持） 根据所在位置，存储器亦可分为： 内部存储器；（包括RAM和ROM） 外部存储器；（如：光盘、磁性存储器、可移动存储设备等）,ROM与RAM,掩膜ROM,PROM,Flash ROM,程序在芯片制造时固化。(用户不可编程),程序可由用户作一次编程，不可改写。,EPROM,E2PROM,程序可由用户在专用擦写器上作多次擦写编程。,程序 由用户作高电压多次擦写编程。,RAM -分为动态与静态RAM两类，一般用 SRAM（静态存储器）,ROM,存储容量,= 字数(word) 位数(bit),N 条地址线输入，能产生 2N 个地址，可寻找到2N单元（字）
9、，如6264芯片有A0-A12共13条地址线，因此它提供有 个字,微处理器结构,包含控制器、运算器、总线及相关寄存器 运算器包括算术逻辑单元ALU与Register 控制器包括 指令部件 时序部件 微操作控制部件Firmware,计算机的运行,逐条执行已编好, 并存储在ROM中的指令,I/O接口、总线,I/O接口是用来连接微处理器CPU 和外部设备的中间单元。 总线BUS是信息传递通道 地址总线AB 数据总线DB 控制总线CB,8位微机通常用16根地址线,可寻址 216 64K个存储单元,数据线的多少称为微处理器的“字长”， 8位微机用8根数据线。,微型计算机的基本原理,指令和程序 指令=操作
10、码+操作数 计算机只能够识别二进制形式的机器码指令 为便于人的理解和记忆，通常采用助记符来代替特定的机器码,微型计算机与嵌入式系统,硬件 软件,计算机本身,外围设备,系统软件,应用软件,单片机技术现状及应用领域,单片机芯片系列、品种、规格繁多，先后经历4位机、8位机、16位机、新一代8位机、32位机等几个具有代表性的发展阶段。 目前主流品种主要是新一代 8位单片机芯片、32位嵌入式单片机芯片。 应用广泛,前途无限 (1)无线产品：手机、PDA，据报道 75%以上的手机使用基于ARM内核处理器。 (2)汽车产品：车上娱乐系统、车上安全装置、导航系统等。 (3)消费娱乐产品：数字视频、Intern
11、et终端、交互电视、机顶盒、网络计算机、 数字音频播放器、数字音乐板、游戏机。 (4)数字影像产品： 信息家电、数码照相机、打印机。 (5)工业设备：机器人控制、工程机械、冶金控制等。 (6)网络产品：PCI网络接口卡、ADSL调制解调器、路由器、无线LAN访问点。 (7)安全产品：电子付费终端、银行系统付费终端、 智能卡、32位SIM卡等。 (8)存储产品：PCI到Ultra2 SCSI64位RAID控制器、硬盘控制器等。 如无线产品、消费娱乐、工业设备,单片机发展趋势,朝着速度更快, 性能更高, 容量更大, 更微型化, 多品种, 多规格的方向发展!,1) CPU的运算速度，字长不断提高,
12、6MHz 33MHz 。4位 32位,8) 微巨机的单片化。,4) I/O口的多功能化 (A/D,HSIO,PWM) 提供特殊的串行口功能，适应网络化发展 。,3) 存储器容量进一步增加，存储技术水平提高， ISP(在线编程)/IAP(在应用系统编程)普及化 。,6) 应用系统的单片化, 。,7) 超小型化微型化。,1992研发：i 80860超级单片机，CPU运算速度1.2亿次每秒；32位整数运算；64位浮点运算，集成三维图像处理器,多品种，多系列，多型号并存 。,5) 功耗越来越低，适应工作电压范围宽（2.66V）。,ISP(在线编程): 允许芯片直接在电路板上进行擦除与固化操作(近100
13、0次)。使编程，修改，调试更方便灵活。,IAP(在应用系统编程): 在ISP基础上允许芯片在应用系统运行时可以通过自己的程序代码对自己进行编程, 更新程序。采用多个可编程序区。,单片机的应用系统,1. 基本应用系统,2. 扩展应用系统,外部扩展总线,（最小应用系统）,本课程主要学习单片机结构,汇编语言编程,基本接口应用,最后是应用系统的简单扩展.,第2章 MCS-51 单片机的结构和原理,MCS-51 单片机的组成 有CPU，Clock, RAM, ROM 并行口，串行口，Timer/counter，Interrupt,MCS-51系列单片机,从51系列（31，51） 到 52（32，52）系
14、列 型号带C的为CHMOS工艺，其余为HMOS工艺，CHMOS工艺芯片功耗较小。 片内ROM有掩膜ROM，EPROM，也有没有任何ROM的，如8031,8051单片机的内部结构单元-CPU,CPU内有运算器、控制器及总线 运算器包括ALU及各个Register 布尔处理器， 累加器ACC,B, PSW（Program Status Word), 控制器包括操作电路及相关Register PC（Program Counter)，ID， DPTR（分为高8位DPH和低8位DPL),及其他Rgs,8051单片机系统的存储器结构,据存储器地址空间结构分类,诺依曼结构,哈佛结构,ROM与RAM统一地址空
15、间，,ROM与RAM分开地址空间，,8051单片机系统的存储器结构,从物理位置上分为片内和片外存储器RAM和ROM。 从用户编程角度，可分为程序存储器ROM（片内片外统一编址，片内RAM（00-FFH），片外RAM RAM和ROM地址有重叠，必须用指令和控制ESPN信号指明。,8051单片机的存储器结构,ROM 片内ROM和片外ROM 统一编址 片外ROM的寻址范围由设计人员任意确定。 假定片内有4K的ROM，其地址范围是0000-0FFFH，而这时候若片外扩展了64KB的ROM 若EA=1，当寻址范围小于等于0FFH时，从片内找，当寻址范围大于0FFFH时，从片外找 若EA=0，直接转向片外
16、ROM 寻找,8051单片机的存储器结构,RAM 片内RAM 地址00-0FFH 片外RAM 地址范围由设计人员任意确定，可从0000H-0FFFFH。 程序使用不同的指令，如MOVX，MOV来区分是要寻址片外还是片内。,8051单片机的存储器结构,片内高128字节中常用的SFR,堆栈及堆栈指针,堆栈是存在于片内RAM 的一片存储器 堆栈主要用于保护断点和现场 堆栈范围有栈顶和栈底确定，栈底一般不变，栈顶用SP指针指向。 向上生长型（栈顶地址比栈底地址大）和向下生长型 向上生长型，进栈时，先SP 加1，再压入数据，出栈时，先弹出数据，再SP减1 向下生长型操作规则相反,I/O接口、定时器/计数器,两个16位定时器/计数器 4个并行口，很多有第二功能。 一个串行口 中断系统，用于实现多级中断,8051引脚功能,电源Vcc，Vss, 复位RST/备用电源Vpd EA/Vpp(编程电
