单片机的发展及原理介绍

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1、单片机的发展及原理介绍 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片 ,而是把一个 计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体 积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使 用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU,内存，并行总线，还有 和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑 弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10 元即可用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD 等等的家电里面都可以看到它的身影！它

2、主要是作为控制部分的核心部件。它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的 抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区 别。单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其 是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是 花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国 50 年代开发的 74 系列，或者 60 年代的 CD4000 系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大 PCB 板！但是如果要是用美国 70 年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有 天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以

3、实现高智能，高效率，以及高 可靠性！由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语 言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？ 很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是 单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可 视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十 K 的尺寸！对 于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。单片机在硬 件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样 的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用P

4、C上来运行，家 用 PC 的也是承受不了的。可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已 进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主 机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算 机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机 的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通 常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用， 它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如 智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种

5、产品一旦用上了 单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智 能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞 出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因， 可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。1.4 计算机中的数和编码1.4.1计数制1.4.2二进制数（用 B 表示）1.4.3十六进制数（用 H 表示）1.4.4不同进制数之间的转换1.4.5数制书写约定1.4.6计算机中数的表示1.4.7计算机常用编码1.4.1 计数制日常生活中广泛使用的数为十进制数，这是一种逢十进一的计数方法。 用的数制还有二进制、八进制

6、和十六进制等。基数小于10的计数制，可用十进制相应的数码作为它的数字符号，一个 数一般由多个数码组成。数码在数中的位置不同，其值也不同。1.4.2 二进制数（用 B 表示）以2为基数的数制称为二进位计数制，它只包括0和1两个数码，很容 易用电子兀件的两种不同的状态来表示，例如，用高电平表示1,用低电平表示 0。所以，计算机中通常采用二进制数。二进制数的计数特征：逢二进一，运算简单。在加、减、乘、除四则运算中，乘法实质上是做移位加法，除法则是移 位减法。1.4.3 十六进制数（用 H 表示）为了书写和阅读方便，经常采用十六进制数作为二进制的缩写形式。十 进制数、二进制数、十六进制数的对照表如表1

7、-1所示。在计数时，逢十六进一，这样书写长度短，且可方便将十六进制数转换 为二进制数或将二进制数转换为十六进制数。1.4.4 不同进制数之间的转换1. 二进制转换为十进制 基本方法：将二进制数按权展开式，利用十进制数的运算法则求和，即可得 到等值的十进制数。2. 十进制到二进制的转换十进制整数转换为二进制整数十进制小数转换为二进制小数带小数的十进制数转换为二进制数3. 二进制、十六进制之间的相互转换将二进制数转换为十六进制数，从低位开始，每四位一组，然后将其转换为对应的十六进制数。如最后一组不足四位，需在左边补0。用同样方法可将二进制小数转换十六进制小数。只是分组应从小数点右 边开始分成四位一

8、组。十六进制数转换为二进制数，将每位十六进制数直接转换成相应的二进 制数。1.4.5 数制书写约定在书写计算机程序时，一般不用基数作为下标来区分各种进制，而是用相应的英文字母作后缀来表示各种进制的数。例如：B（Binary）表示二进制数。D（Decimal）表示十进制数，一般D可省略，即无后缀的数字为十进制数。H （Hexadecimal）表示十六进制数。1.4.6 计算机中数的表示1. 原码、反码和补码原码：在符号位中用0表示正、用1表示负的二进制数，称为原码。例如，x1=+1110111B,x1原=01110111Bx2=1110111B,x2原=11110111B数0可是+0或0。因此，

9、 0在原码中形式：+0原=0000 0000B，0原=1000 0000B反码：正数的反码二原码；负数的反码二原码的符号位不变而数值按位取反。所谓按位取反，即将各位的1变成0, 0变成1。例如，x1=+13,x1反二+13原=0 0001101B。又如，x2=13，x2原二 13原=1 0001101B，x2反二 13 反=1 1110010B。补码：正数的补码二原码；负数的补码二反码+1。例如，x1=+1101101B,x1补二+13原=0 1101101B。又如，x2=1101101B,x2 反=10010010B,x2补=10010011B。在补码表示中，“0”是唯一的。卩0补=0000

10、0000B2数的小数点表示方法定点表示法：表示小数点的位置是固定不变的。分为纯整数和纯小 数两类。浮点表示法浮点表示法中小数点的位置是不固定的。任意二进制数N 般可表示为： N=2P X S一个浮点数分为阶码和尾数两部分，二者各有表示正负的阶符和数符，常用 存储格式：在微计算机中常用的浮点数表示有：（1）四字节浮点数格式（如图1-2所示），它由一个字节指数（EXP）、三个 字节尾数构成，共用四个存储单元。（2）三字节浮点数格式（如图1-3所示）。1.4.7 计算机常用编码常见的编码有BCD码、ASCII码等。1二 十进制编码是一种用二进制编码的十进制数，称BCD码。BCD码用标准的8421的纯

11、 二进制码的十六个状态中的十个（如表1-2所示）。用BCD码表示十进制数，只要将每位十进制数用适当的四位二进制码代 替即可。2 .字母和符号的编码微机普遍采用的是ASCII码（如表1-3所示）ASCII码是一种八位代码, 最高位一般用于奇偶校验，其余七位二进制码对128个字符进行编码。2.1 MCS-51 单片机的基本结构2.1.1 MCS-51 单片机的基本组成2.1.2 MCS-51 单片机硬件结构特点2.1.3 MCS-51 单片机内部结2.1.4输入/输出(I/O)端口结构2.1.1 MCS-51 单片机的基本组成( 1 )一个 8 位微处理器 CPU 。(2)数据存储器RAM和特殊功

12、能寄存器SFR。( 3)内部程序存储器 ROM。( 4)两个定时/计数器，用以对外部事件进行计数，也可用作定时器。(5) 四个8位可编程的I/O (输入/输出)并行端口，每个端口既可做输入， 也可做输出。第2章MCS-51单片机的硬件结构2.1 MCS-51 单片机的基本结构2.2 MCS-51 单片机的引脚及片外总线结构2.3 MCS-51 单片机的存储器配置2.4 CPU 的时序及辅助电路(6) 一个串行端口，用于数据的串行通信。( 7 )中断控制系统。( 8)内部时钟电路。2.1.2 MCS-51 单片机硬件结构特点1.内部程序存储器(ROM)和内部数据存储器(RAM)容量(如表2-1所

13、示)。2输入/输出(I/O)端口3. 外部程序存储器和外部数据存储器寻址空间4. 中断与堆栈5. 定时/计数器与寄存器区6. 指令系统2.1.3 MCS-51 单片机内部结构1.运算器运算器由 8 位算术逻辑运算单元 ALU(Arithmetic Logic Unit)、8 位累加 器ACC (Accumulator)、8位寄存器B、程序状态字寄存器PSW (Program Status Word)、8位暂存寄存器TMP1和TMP2等组成。2. 控制器主要由程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、堆栈指针SP、数据 指针DPTR、时钟发生器及定时控制逻辑等组成。2.1.4输入/输出（I

14、/O）端口结构正如图2-2所示，MCS-51单片机有4个双向并行的8位I/O 口 P0P3, P0 口为三态双向口，可驱动8个TTL电路，P1、P2、P3 口为准双向口（作为输入 时，口线被拉成高电平，故称为准双向口），其负载能力为4个TTL电路。1P0 口的结构2P1 口的结构3P2 口的结构4P3 口的结构2.2 MCS-51 单片机的引脚及片外总线结构2.2.1 MCS-51 单片机芯片引脚描述2.2.2 MCS-51 单片机的片外总线结构2.2.1 MCS-51 单片机芯片引脚描述图 2-7 为 MCS-51 单片机的引脚配置图。1.主电源引脚VCC和VSS2外接晶振引脚XTAL1和X

15、TAL23. 控制或其他电源复用引脚RST/ VPD、ALE/、和/VPP4输入/输出引脚PO、P1、P2、P3 （共32根）2.2.2 MCS-51 单片机的片外总线结构微型计算机中的总线通常分为：（1）地址总线（AB）：地址总线宽度为16位，由P0 口经地址锁存器提供低 8位地址（A0-A7）； P2 口直接提供高8位地址（A8A15）。地址信号是由CPU 发出的，故地址总线是单方向的。（2）数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，用于传送数据和指令，由P0 口提供。（3）控制总线（CB）：控制总线随时掌握各种部件的状态，并根据需要向有 关部件发出命令。2.3 MCS-51 单片机的存储器配置2.3.1 片内数据存储器2.3.2 片外数据存储器2.3.3 程序存储器2.3.1 片内数据存储器片内数据存储器结构如图2-9 (a)所示；其具体位地址单元如表2-3所示； 专用寄存器的地址映像如表 2-4 所示。1 累加器累加器是一个最常用的专用寄存器，其自身带有全零标志Z,若A=