单片机原理及应用教程 第3版 教学课件 ppt 作者 刘瑞新1

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1、单片机原理及应用（第3版） 赵全利主编 机械工业出版社 2013-4,第1章 计算机基础知识概述,1.1 数制与编码 1.2 计算机系统组成 1.3 单片机与嵌入式系统组成 1.4 一个简单的单片机应用实例,1.1 数制与编码 1.1.1 计算机与二进制 计算机只是一种以二进制数据形式内部存储信息、以程序存储为基础、由程序自动控制的电子设备。二进制数是计算机硬件能直接识别并进行处理的惟一形式。 1.1.2 数制及其转换 数制就是计数方式。常用的数制有二进制、八进制、十进制、十六进制数据 等。在计算机内只能使用二进制表示，因此，计算机在处理数据时，必须进行各种数制之间的相互转换。 1. 二进制数

2、 二进制数只有两个数字符号：0和1。计数时按“逢二进一”的原则进行计数。二进制数的表示形式有(110)2 (110.11)2 10110B等。,2. 十六进制数 十六进制数有16个数字符号，其中09与十进制相同，剩余6个为AF，分别表示十进制数的1015。十六进制数的计数原则是逢“十六进一”。 为了便于区别不同进制的数据，一般情况下可在数据后跟一后缀： 二进制数用“B”表示（如00111010B）； 十六进制数用“H”表示（如3A5H）； 十进制数用“D”表示（如39D或39）。 3. 不同数制之间的转换 (1) 二进制数转换为十进制数 对任意二进制数均可按权值展开将其转化为十进制数。 (10

3、)2=121020=(2)10 对于十进制整数，可采用除取余的方法转化成二进制数。对于十进制小数，可采用乘取整的方法转化成二进制数。,(2) 二进制数与十六进制数的相互转换 在将二进制数转换为十六进制数时，其整数部分可由小数点开始向左每4位为一组进行分组，直至高位。若高位不足4位，则补0使其成为4位二进制数，其小数部分由小数点向右每4位为一组进行分组，不足4位则末位补0使其成为4位二进制数。 例如：1000101B=0100 0101B=45H 例如： 100101.101B=0010 0101.1010B=25.AH 需要将十六进制数转换为二进制数时，则为上述方法的逆过程。 例如：45.AH

4、=0100 0101. 1010 B7 A B F 例如：7ABFH=0111 1010 1011 1111 B,1.1.3 编码 1. 二进制数的编码 (1) 机器数与真值 一个数在计算机中的表示形式叫做机器数，而这个数本身（含符号“+”或“-”）称为机器数的真值。 通常在机器数中，用最高位“1”表示负数，“0”表示正数 (2) 原码、反码和补码 1) 原码。正数的符号位用“0”表示，负数的符号位用“1”表示，其数值部分随后表示，称为原码。 2) 反码、补码。 在计算机中，任何有符号数都是以补码形式存储的。对于正数，其反码、补码与原码相同。,对于负数，其反码为：原码的符号位不变，其数值部分按

5、位取反。 负数的补码为：原码的符号位不变，其数值部分按位取反后再加1（即负数的反码1），称为求补。 如果已知一个负数的补码，可以对该补码再进行求补码（即一个数的补码的补码），即可得到该数的原码 。 2. 二十进制编码 二十进制编码又称BCD编码，既具有二进制数的形式，以便于存储，又具有十进制数的特点，以便于进行运算和显示结果。在BCD码中，用4位二进制代码表示1位十进制数。 3. ASCII码 ASCII（American Standard Code for Information）码是一种国际标准信息交换码，它利用7位二进制代码来表示,字符，再加上1位校验位，故在计算机中用1个字节8位二进制

6、数来表示一个字符，这样有利于对这些数据进行处理及传输。 1.2 计算机系统组成 1.2.1 计算机硬件组成 1. 计算机的基本结构 一台计算机的基本结构如图 1-1所示。它由运算器、控制 器、存储器、输入设备和输 出设备五部分组成。,图1-1 计算机的基本结构框图,2. 微型计算机 随着大规模集成电路技术的迅速发展， 把运算器、控制器和通用寄存器集成在一块半导体芯片上，称其为微处理器（机），也称CPU。 微处理器主要包括算术逻辑运算部件（ALU）、累加器、控制逻辑部件、程序计数器及通用寄存器等组成。 3. 存储器 存储器具有记忆功能，用来存放数据和程序。计算机中的存储器主要有随机存储器（RAM

7、）和只读存储器（ROM）两种。 存储器的容量常以字节为单位表示如下： 1Byte=8bit 1024B=1KB 1024KB=1MB 1024MB=1GB 1024GB=1TB,4. 总线 总线是连接计算机各部件之间的一组公共的信号线。其可分为系统总线和外总线。 系统总线应包括： 地址总线（AB） 控制总线（CB） 数据总线（DB） 5. 输入输出(I/O)接口 CPU通过接口电路与外部输入、输出设备交换信息 。 1.2.2 计算机软件系统 根据软件功能的不同，软件可分为系统软件和应用软件。 使用和管理计算机的软件称为系统软件 。应用软件是由用户在计算机系统软件资源的平台上，为解决实际问题所编

8、写的应用程序。,1.2.3 计算机语言及程序设计 计算机语言是实现程序设计、以便人与计算机进行信息交流的必备工具，又称程序设计语言。 1. 计算机语言 计算机语言可分为三类：机器语言、汇编语言、高级语言。 机器语言（又称二进制目标代码）是CPU硬件惟一能够直接识别的语言，在设计CPU时就已经确定其代码的含义。 汇编语言使用人们便于记忆的符号来描述与之相应的机器语言，机器语言的每一条指令，都对应一条汇编语言的指令。 高级语言（如C51），是一种接近人们习惯的程序设计语言，它使用人们所熟悉的文字、符号及数学表达式来编写程序，使程序的编写和操作都显得十分方便。,2. 程序设计 程序设计的一般步骤。

9、1） 确定数据结构 2） 确定算法 3） 编程 4） 调试 5） 整理源程序并总结资料。 3. 算法 所谓算法，是为解决某一特定的问题，所给出的一系列确切的、有限的操作步骤。 在算法设计中应遵循下面几个准则： 1) 可执行性。 2) 确定性。,3) 有穷性。 4) 输入。 5) 输出。 4. 结构化程序设计 结构化程序设计步骤： 1) 自顶向下，逐步求精。 2) 模块化设计。 3) 每一个模块可以独立地进行编程调试。 4) 除最上层外，每层功能模块可接受上层调用 。 结构化程序的每个模块应由3种基本结构组成：顺序结构、选择结构、循环结构。 1）顺序结构 程序中的语句按先后顺序逐条执行。,2）选

10、择结构 在执行程序中的选择结构语句时，该语句的执行将根据不同的条件执行不同分支的语句。 3）循环结构 在执行程序中的循环结构语句时，该语句将根据各自的条件，对循环结构所限定的语句（即循环体）重复执行多次或零次。 循环结构特点是：当条件满足时，就执行循环体，否则就退出循环结构。 1.3 单片机与嵌入式系统组成 1.3.1 单片机及其发展概况 1. 什么是单片机 单片机（Single-Chip-Microcomputer）又称单片微控制器，其基本结构是将微型计算机的基本功能部件：中央,处理机（CPU）、存储器、输入接口、输出接口、定时器/计数器、中断系统等全部集成在一个半导体芯片上。 2. 单片机

11、的发展 1976年Intel公司推出MCS-48系列8位单片机，以体积小、功能全、价格低等自身的魅力，得到了广泛的应用，成为单片机发展过程中的一个重要标志。世界各地厂商已相继研制出大约50个系列300多个品种的单片机产品。代表产品有Intel公司的MCS-51系列机（8位机）、Motorala公司的MC6801系列机、Zilog公司的Z-8系列机等。 1.3.2 单片机的特点和应用 1. 单片机的应用特点 (1) 具有较高的性能价格比。 (2) 体积小，可靠性高。 (3) 控制功能强。,(4) 使用方便、容易产品化。 2. 单片机的应用领域 单片机由于其体积小、功耗低、价格低廉，且具有逻辑判断

12、、定时计数、程序控制等多种功能，广泛应用于智能仪表、可编程序控制器、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。 单片机最常用的场合： (1) 智能仪器。 (2) 工业控制。 (3) 家用电器。 (4) 机电一体化。,1.3.3 嵌入式系统 从使用的角度来说，计算机应用可分为两类： 一类是应用广泛的独立使用的计算机系统（如个人计算机、工作站等）。 一类是嵌入式计算机系统。 所谓嵌入式系统，是“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁减、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统”。 嵌入式系统的重要特征： 1)系统内核小 2)专用性强 3)系统精简 4

13、)高实时性 5)嵌入式软件开发走向标准化 6)嵌入式系统开发需要开发工具和环境,1.3.4 单片机应用系统的组成 单片机应用系统包括单片机硬件系统和软件系统。 单片机的硬件系统包括： 单片机系统 单片机应用系统硬件组成 单片机的系统软件构成有两种模式： 监控程序：用非常紧凑的代码，编写系统的底层软件。这些软件实现的功能，往往是实现系统硬件的管理及驱动，并内嵌一个用于系统的开机初始化等功能的引导（BOOT）模块。 操作系统：今天已有许多种适合于8位至32位单片机的操作系统进入实用阶段，在操作系统的支持下，嵌入式系统会具有更好的技术性能 。,1.4 一个简单的单片机应用实例 在设计一个单片机应用系

14、统（嵌入式系统）时，一般来说要经过以下步骤： 分析问题，明确任务。 总体设计，拟定出性能/价格比最高的方案。 硬件设计。 软件设计。 编译、仿真及调试。 程序下载运行。 例如，某广告灯，要求8个灯循环点亮，即8个灯点亮顺序循环左移（或右移），循环不止（这里为了简化电路，用8个发光二极管替代广告灯）。 分析问题，明确任务。（略） 总体设计。（略）,图1-10广告灯控制硬件电路, 硬件设计。图1-10广告灯控制硬件电路 图1-10 广告灯控制硬件电路 由于功能简单，故可直接由单片机的输出口P1并行输出驱动8个LED发光二极管，其硬件电路如图1-10所示。 在图1-10中，被控对象是8个发光二极管，

15、采用共阳极接法，8个发光二极管的阴极分别由P1.0P1.7（即单片机端口P1的8位输入、输出端）控制。若P1的某位输出为“0”（低电平），相应位的发光二极管的阴极为低电平，则该管加正向电压被点亮发光。若P1口的某位输出为“1”，则相应位的发光二极管截止而熄灭。 软件设计。 根据以上原理，针对其硬件电路可编程实现：使P1口每一位依次输出“0”（低电平），点亮相应位的发光二极管，并经软件延时后，将“0”（低电平）左移一位后输出，不断循环。,汇编程序如下： ORG 0000H MOV A , #0FEH ;FEH为点亮第一个发光二极管的代码 LOOP: MOV P1 , A ;点亮P1.0位控制的发

16、光二极管 LCALL DELAY ;调用延迟一段时间的子程序 RL A ;“0”左移一位 SJMP LOOP ;不断循环 DELAY: MOV R1, #0FFH ;延时子程序入口 LP: MOV R2, #80H LP1: NOP NOP,DJNZ R2, LP1 DJNZ R1, LP RET ;子程序返回 END 编译、仿真及调试。 利用单片机开发系统编译、仿真、调试此程序，并生成.hex文件。对于初学者来讲，可以使用Proteus进行仿真。 程序下载运行。 将程序对应的.hex文件写入电路中单片机的程序存储器ROM中，即可投入使用。AT公司的89系列单片机需要专门编程器写入程序；STC系列单片机可以由上位机在线通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，然后对单片机电路直接调试运行成功后，8个LED发光二极管灯顺序左移点亮，循环不止。,本章结束 谢谢使用,