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1、Foundation and Application of One Chip Microcomputer单片机原理及应用钱 锐机电控制工程系200909教材及参考书教材及参考书教材：机电设备的单片机控制技术参考书：1.单片微机原理 丁元杰等 上海科技文献出版社 1991 2. 单片微型机原理、应用与实验 张友得等 复旦大学出版社 1995 3.单片机应用系统设计系统配置与接口设计 技术 何立民 北京航空航天大学出版社 1990 周立功教学内容安排教学内容安排第一章 绪论 1.1 单片机概述 1.2 计算机中的数和常用编码 1.3 计算机基础第二章 MCS-51组成 2.1 MCS-51概况 2
2、.2 系统组成结构 2.3 存储器组织 第三章 指令系统及汇编程序设计 3.1 指令概念 3.2 寻址方式 3.3 指令系统 3.4 汇编程序设计教学内容安排教学内容安排第四章 定时器/计数器、串行口和中断系统 4.1 定时器/计数器 4.2 串行口 4.3 中断系统第五章 MCS-51单片机扩展技术 5.1 程序存储器扩展设计 5.2 数据存储器和外部I/0端口扩展设计 5.3 8位A/D、D/A接口电路介绍第六章 输键入与显示电路 6.1 单片机常用显示电路 6.2 单键与行列式键盘 实验实训 第一章第一章 绪论绪论 重点： 1、概念 2、进位计数制及其转换 3、带符号数的表示方法 （真值
3、、原码、反码、补码） 难点： 补码与真值概念第一章第一章 绪论绪论1.1 单片机概述 单片机定义（单片微型计算机）： Single Chip Microcomputer Single Chip Microcontroller The small digital processor made in a single chip. 在一片芯片上集成CPU、存储器、I / O接口等组成一台完整的微型计算机。 CPU 中央处理器 存储器 RAM 、 ROM、EPROM I / O接口 A / D等功能部件第一章第一章 绪论绪论 1.1 单片机概述 单片机作用： 针对工业控制和数据处理，也称为“微控制器”
4、、“微处理器”，Micro-controller, Micro-processor 单片机分类： 4位、8位、16位、32位 单片数字处理装置：单片数字处理装置： single chip digital processing device第一章第一章 绪论绪论 1.1 单片机概述The family of single chip digital processorsdigital signal processor : DSPfield programmable gate array : FPGAprocessor of computer: ex. CPUsingle chip microcon
5、troller第一章第一章 绪论绪论 1.1 单片机概述第一章第一章 绪论绪论 1.1 单片机概述 1.1.1 单片机发展情况1.1.1 单片机发展情况1. 计算机：1946年第一代电子管（宾夕法尼亚大学）ENIA晶体管（5060年）TRANSACS-1000集成电路计算机（1964年IBM360）大规模集成电路（1971年IBM370、470V/6型M-0)2. 微型计算机：1971年INTEL 4004，1972年INTEL 8008第一代； 第一章第一章 绪论绪论 1.1 单片机概述 1.1.1 单片机发展情况8位 INTEL 8080/8085，ZILOG Z80，APPLE 6502
6、16位 Intel 8086，80186，286，Pentium 具有CPU ( Central Processing Unit) 3.单片机： 1974年，Fair Child研制的F8，准单片机,共分四个阶段： 1）单片机初级阶段 7476年 采用双片形式，F8（8位CPU64RAM2个并行I/O口）3851（1K ROM定时器/计数器2个并行I/O） 组成一台完整的计算机。 第一章第一章 绪论绪论 1.1 单片机概述 1.1.1 单片机发展情况 2）低性能单片机阶段 7678年 MCS-48系列INTEL 8048 （8位CPU、2 I/O口、8位定时器/计数器、64 RAM/ 1K R
7、OM、简单中断、寻址小于4K无串行口） 3）高性能单片机阶段 78年 MCS-51系列，Motorola 6801，Zilog Z8 增加功能： 串行I/O、多级中断、16定时/计数器、片内RAM/ROM增大，寻址64K。 Intel，Philips， Motorola第一章第一章 绪论绪论 1.1 单片机概述 1.1.1 单片机发展情况 4）16位单片机 82年 MCS-96系列，8096、8098、80196等 增加性能：16位CPU，RAM/ROM增大，中断能力增强 A/D、HSIO等 性能、速度1.1.2 单片机特点集成度高、可靠性高 一片芯片：CPU、存储器、I/O接口等片内RAM采
8、用存储器结构第一章第一章 绪论绪论 1.1 单片机概述 1.1.3 单片机的应用指令（控制功能强） 单字节、单周期，指令丰富片内有完善的I/O部件 易产品化1.1.3 单片机的应用 各行各业的技术改造和产品的更新换代 1.智能仪表 速度、精度的提高，自动记录仪、温度、压力等 第一章第一章 绪论绪论 1.1 单片机概述 1.1.3 单片机的应用 2.机电一体化微机控制的机床，机器人 3.实时控制伺服系统、调节器、测量与数据处理再反馈 4.分布式控制系统（DCS)信号采集、转换、数据处理、数据通讯等 5.家电产品 应用类型可分为：控制型、数据处理、混合型系统。1.1.4 单片机发展趋势 83年4位
9、机，85年4、8位机，86年16位机打开市场 1.大容量、高性能CPU功能增强：速度、精度、I/O处理能力提高、指令丰富内部资源的增多：波形输出、LED输出、PWM输出、A/D输入寻址范围增大：几兆第一章第一章 绪论绪论 1.1 单片机概述 1.1.4 单片机的发展趋势 2. 超小型、低功耗、廉价 工作电压低（26V）、工作电流几个毫安、引脚少等。1.1.5 典型的单片机产品 INTEL：MCS-48、MCS-51、MCS-96 8051；80C51，20C51 PHILIPS： 51 MOTOROLA：M68HC05/M68HC11、M68HC16第一章第一章 绪论绪论 1.1 单片机概述
10、1.1.4 单片机的发展趋势1.2 计算机中的数和常用编码 Computer基本功能：计数和数的处理 计算机中的数：电子元件的稳定状态 0，1 1.2.1进位计数制 1. 十进制 特点：1）“0，1，9 ” 十个数组成； 2） 逢“10”进 “1” 任意一个十进制数第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码任意一个十进制数A第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码 其中：10为基数（底）； n 个整数，m 个小数； 小数点左移1位，数据扩大10倍。权2. J进制特点：1）“0，1，J-1 ” J个数组成； 2） 逢“J”进 “1”第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机
11、中的数和常用编码 其中：J为基数（底）； n 个整数，m 个小数； 小数点左移1位，数据扩大J倍。权3. 二进制（J=2）特点：1）“0，1” 2个数组成； 2） 逢“2”进 “1”第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码 二进制数 十进制数第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码4. 十六进制（J=16）特点：1）“0，1，.9,A,B,C,D,E,F” 16个 数组成； 2） 逢“16”进 “1”第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码5. 八进制（J=8）1.2.2 进位计数制转换1. 二进制、八进制、十六进制转换为十进制 按定义（公式）展开 第
12、一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码2.十进制转换为二进制 1）整数 用2不断去除要转换的十进制数，直之商为0。每次得到的余数（0，1）为所求的二进制数，最初得到的是最低位。 例：215 = ？B 第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码 转换原理分析 第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码 等式两边同除2： A/2 =整数+分数（0，1）/2 =B0 + 分数 设有一个任意十进制整数A，转化为二进制数 2）小数 用2去乘要转换的十进制小数，得到的整数部分即为所求的进制小数，先得到的为高位。第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码第一
13、章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码 转换原理（小数） 结论：十进制转二进制，整数与小数分别转换 3. 十进制转换为八进制、十六进制 整数部分：用8、16整除； 小数部分：用8、16乘； 注意余数：0-7；0-15。 4. 二进制、八进制、十六进制相互转换 了解与十进制数的关系，见下表 二进制数B 十进制D 十六进制H第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码二进制数B 十进制D 十六进制H第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码1.2.3 、二进制数的运算第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码. 无符号数算术运算）加法1. 算术运算规则
14、加法：000，011，111进位1；减法：000，101，011借位1；乘法：000，010，111第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码）减法 注意：4，负数的表达方法？ 1100B， 0CH， 12 3）乘法乘法计算乘法计算第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码部分积方法部分积方法4）除法）除法第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码部分商部分商左移相减左移相减3. 逻缉运算规则第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码 与AND、或OR、非NOT、异或XOR 1) 与AND第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码2)
15、 或OR3) 非NOT4) 异或XOR第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码 1.2.4 带符号数的表示方法第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码1. 机器数与真值 二进制数的最高位：符号位。“0”正，“1”负； 以8位二进制数为例： 01011011 = 5BH = 91 ； 11011011 = DBH = 91 ；机器数： 一个数字在机器(计算机)中的表示形式；二进制（0，1），符号位数字化。 01011011 ；5BH 真值：机器数本身代表的值称为真值。91 第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码 机器数：包括无符号数、有符号数； 有符号
16、数：常见表示方法是原码、反码、补码1）原码 （d7d0） 最高位是符号位d7： 正数0； 负数1 特点：（） 8位二进制数表示的范围：127127；（）00000000，10000000，0、0不相等；（）加、减运算困难。 求解真值、原码： + 65，34；32H，0A3H第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码 2）反码 正数的反码 = 正数的原码 负数的反码 = 正数的原码按位取反； 例：（+0）反 = 0000，0000B； （-0）反 = 1111，1111B （+127）反 = 0111，1111B； （-127）反 = 1000，0000B 特点：（1）范围 +127
17、-127； （2）+0、-0不相等 （3）求真值时，若d7=1，则按位取反。 + 65，34；32H，0A3H第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码3）补码 正数的补码 = 正数的原码 负数的补码 = 正数的原码按位取反，再加1。 例：（-127）补 = 1000，0001； （-1）补 = 1111，1111 + 65，34 ？ 32H，0A3H？ 特点：（1）范围：128127；（2）0 = 0 =0000，0000；（3）求真值时，若d7 = 1，则按位取反，再加1。 第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码 8位二进制数的补码表示： 00H，01H，.，7
18、FH； +0，+1，.，+127； 80H，81H，.，0FFH；-128，-127，.，-1 2. 补码的进一步解释： 补码的作用：将减法运算转换为加法运算。 模与补码的概念： a）钟表 10点拨到6点：104 = 6，逆时针 108 = 126，顺时针；第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码模：系统所能表示的最大量程，称之为模。 钟表采用十二进制. X + （-X）补 = 模， （-4）补= = 12 10 - 4 = 10 +（-4）补 = 10 +（12-4） =12 + 6，其中12可自然丢失 b）十进制数（以二位十进制数举例） 模 70 - 40 = 70 + （-
19、40）补 =70 +60 =100 + 30 =30第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码 c）二进制数（以8位二进制数举例） 模 256= 64 - 50 = 14； 40H - 32H = 0EH （-32H）补=（00110010）按位取反加1 = 11001101 + 1 =11001110 = 206 40H + （-32H）补 = 100H + 0EH 注：求二进制数补码，不需做减法。第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码3. 有符号数的加、减运算（以补码形式表示）1) 补码 + 补码 = 补码结果不产生溢出时为正确。（超出-128+127）正数+正
20、数、负数+负数，可能产生溢出。2) 补码 - 补码 = 补码 （类似）3) 补码不能乘除 4. 数的进位与溢出最高位有进位或借位进位，CY超出了数的表示范围溢出，OV判断方法：有没有破坏符号位。1.2.5 二进制编码第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码 计算机中表示的数、字母、符号等都以二进制数表示。常用编码有以下几种：1. BCD码（BINARY CODED DECIMAL） 用二进制数编码（表示）的十进制数，权为8421码。 一位十进制数用四位二进制数表示。特点：1）09，由四位二进制数表示； 2）逢“十”进一； 3) DAA调整，即加法运算 数（结果）大于9，再加6。
21、压缩BCD码； 非压缩BCD码。2. ASCII码（美国标准信息交换码） American Standard Code for Information Interchange 七位二进制编码表示128种字符 52 大小写英文字母； 10 十进制数； 7 标点符号； 9 运算符号； 50 其他符号。第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码 30H-39H； 0-9 41H-46H； A-F第一章第一章 绪论绪论 1.2 计算机中的数和常用编码 4. 可靠性代码 奇偶校验码； 格雷GRAY码； 海明HAMMING码3. 2421码、余3代码 特点：以9为模，取反即为补码。 例：242
22、1码（4）01001011（5） 余3码 （1）01001011（8）1.3 计算机基础第一章第一章 绪论绪论 1.3 计算机基础1. 计算机基本组成 1) 算盘 算盘：运算工具；运算器 纸和笔：记录、输入/输出数据；存储器、I/O 人的操作控制：控制器。 2）计算机组成 运算器：算盘； 控制器：人的大脑； 存储器：纸； 输入设备；输出设备。笔第一章第一章 绪论绪论 1.3 计算机基础 CPU： (Central Processing Unit) 中央处理单元、微处理器 运算器控制器，完成运算、控制作用； 微型计算机输入设备存储器输出设备运算器控制器第一章第一章 绪论绪论 1.3 计算机基础3
23、） 微型计算机简化结构 存储器 CPU I/O接口I/O设备数据总线地址总线控制总线第一章第一章 绪论绪论 1.3 计算机基础A-BUS：地址总线 直接指定存储器地址和外部I/O接口地址，单向； 8位： 256（00-FFH） 16位：65535（0000-FFFFH）D-BUS：数据总线 实 现 CPU、 存 储 器 、 I/O口 之 间 的 数 据 、 指令交换，双向。 读、写、浮空状态。8、16位。C-BUS：控制总线 每根线有确定的意义，单向。 第一章第一章 绪论绪论 1.3 计算机基础2. CPU结构 内部单总线结构、分时操作； 外部采用三总线A、B、C-BUS。CPU控制器运算器A
24、LU寄存器部件：A、F、DB等IDPCPLAIR第一章第一章 绪论绪论 1.3 计算机基础1）ALU 算术逻缉部件（Arithmetic Logic Unit） 进行算术、逻缉运算，CPU中最主要的部件。2）A（ACC）累加器Accumulator ALU无寄存功能。 凡运算时，操作数之一是A的数。 许多指令是关于A的 。3）PC 程序计数器 （Program Counter） 存放要读取的指令所在地址的一个专用寄存器。 二种功能：具有计数（加1） 接受信息。 第一章第一章 绪论绪论 1.3 计算机基础5）AB和DB（Address Buffer、Data Buffer） 地址缓冲器、数据缓冲
25、器 协调CPU与存储器、I/O设备之间的速度、位数等差异.4）状态标志寄存器FLAG 保存计算机执行一条指令后所处的状态信息。 不同的计算机，标志有所不同。 常用的标志： CY、AC、S、P、Z、OV第一章第一章 绪论绪论 1.3 计算机基础7）指令寄存器IR（Instruction Register） 存放正要被执行的指令。 指令IR（操作码）ID产生相应操作控制命令。6）寄存器阵列RA（Register Array） 通用寄存器、堆栈指针、变址指针、中断页地址指针等8）指令译码器ID（Instruction Decoder） 操作码翻译码产生控制命令第一章第一章 绪论绪论 1.3 计算机基
26、础9）可编程逻缉阵列PLA （Programmable Logic Array） 接受ID、FALG及外设送来的信号； 发出各种内部、外部控制信号； 内部：运算、数据传送； 外部：R/W，ALE.3. 存储器（Memory） 内存储器：半导体存储器 ROM、EPROM、EEPROM、RAM 外存储器：磁带、磁盘等第一章第一章 绪论绪论 1.3 计算机基础 随机读取存储器：静态、动态1) RAM的概念（Random Access Memory) a. 示意图RAMABR/WCSDBDB第一章第一章 绪论绪论 1.3 计算机基础 b.结构图 8位字长的存储器结构图（地址线8位）控制电路ABR/WD
27、B地址译码器00H单元01H单元RAMFFH单元第一章第一章 绪论绪论 1.3 计算机基础注意：地址线8位的存储器存储器由256个单元组成，编号00、01、FF区分不同的单元；每个单元可存放8位二进制数；单元的地址（编号）不同于单元中存放的数（内容）2） RAM的读、写操作读操作（04H）=84H04H由ABAR，译码找到04号单元；CPU发出“读”信号；（04H）=84H送至DB，数据缓冲器。第一章第一章 绪论绪论 1.3 计算机基础 （04H）=84H控制电路ABR/WDB地址译码器00H单元01H单元84HFFH单元040484H第一章第一章 绪论绪论 1.3 计算机基础3）只读存储器R
28、OM EPROM、EEPROM4. I/O接口 联系CPU与外设交换数据信号，起转换、协调作用。速度、数据格式、电平不一样。一般包括数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器。第一章第一章 绪论绪论 1.3 计算机基础5. 软件常用术语字、字节、位（WORD、BYTE、BIT）指令/指令系统（INSTRUCTION SET） 计算机执行的各种操作，用命令的形式写下来；一条指令对应一种基本操作。 全部指令的结合指令系统。程序 一个有用途的指令结合程序；源程序 / 目标程序（SOURCE/TATGET）系统程序 /应用程序/ 用户程序第一章第一章 绪论绪论 1.3 计算机基础计算机语言 人与计算机打交道的一种语言； 机器码、汇编语言（助记符）、高级语言周期 完成规定动作所需的时间； 指令周期、机器周期、时钟周期
