單片機原理及應用CompanyLogo學習目的掌握計算機基礎知識了解MCS-51系列單片機的系統結構和工作原理了解單片機系統的開發過程了解單片機的應用

課程特點：學時少；內容多；難度大；相關基礎知識薄弱為什么要學習單片機？1）普及計算機基礎知識、拓寬知識面2）計算機能力已成為工科學生必須掌握的知識3）研究工作需要（尤其是測試儀器開發方向）CompanyLogo參考資料單片機初級教程：單片機基礎（第二版）張迎新北京航空航天大學出版社單片機原理及應用張毅剛高等教育出版社CompanyLogoContents單片機概述1計算機基礎知識2MCS-51單片機的系統結構3單片機在紡織上的應用4CompanyLogo第一章單片機概述1.什么是單片機？2.單片機的特點3.單片機的發展歷史及趨勢4.單片機的分類5.MCS-51系列單片機6.單片機的應用范圍CompanyLogo1.1什么是單片機單片機：在一塊半導體硅片上集成了微處理器（CPU），存儲器（RAM，ROM，EPROM）和各種輸入、輸入（I/O）接口（定時器/計數器，并行口、串行口，A/D轉換器以及脈寬調制器PWM等），內部總線，這樣一塊具有計算機屬性的集成電路芯片CompanyLogo單片機的其他稱謂單片機一詞最初源于“SingleChipMicrocomputer”，簡稱SCM。在單片機誕生時，SCM是一個準確、流行的稱謂。隨著SCM在技術上、體系上不斷擴展其控制功能，單片機已不能用單片微型計算機來準確表達其內涵。同時由于單片機主要用于測控領域，用于實現各種測試和控制功能更，為了強調其控制屬性，在國際上多把單片機稱為“微控制器”MCU（MicroControllerUnit)。由于單片機在使用時，通常是處于測控系統的核心地位并嵌入其中，所以通常也把單片機稱為“嵌入式控制器”EMCU(EmbeddedMicroControllerUnit）。國內因為單片機一詞已約定俗成，故而繼續沿用。CompanyLogo微處理器、單片機、微型計算機（一）微處理器即CPU包括算術邏輯單元、累加器、通用寄存器組，程序控制器、時序和控制邏輯部件、內部總線。將CPU、存儲器、I/O接口，片內總線集成在一個芯片內，構成單片機主板和外設支持下的CPU系統構成微型計算機。CPU不能單獨工作，需要主板來連接外部存儲設備和I/O設備支持，組成微型計算機（微機、電腦，PC機）。單片機與微型計算機本質上沒有區別。單片機是微型計算機的一個分支。技術、市場的發展--》應用方向不同--》分單片機希望所有功能都自己內部完成，追求精簡、集成；微機讓CPU專門負責數據處理功能，CPU制定出一系列規則，由外接器件實現具體功能，追求標準統一下的高速性。CompanyLogo微處理器、單片機、微型計算機（二）PC的發展：廠家分散--》集中；單片機的發展：無統一標準、門檻低、需求不同--》體系繁雜微型機與單片機分道揚鑣--》分中有合微型機：更快、更小、更強；單片機：低端機：低價、專用化；高端機：功能強靠攏微機區別：微型機在主板上擴展單片機在片內擴展CompanyLogo1.2單片機的特點計算機技術的發展：集成電路大規模集成電路速度快、控制能力強集成度高，體積小、重量輕：抗干擾能力強（內部總線結構），環境要求不高，可靠性強價格低廉：便宜的幾元RMB低功耗、低電壓，便攜式產品。應用范圍廣：工業自動化控制、自動檢測、智能儀器儀表、家用電器、電力電子、機電一體化。例如：手機、電視、冰箱、汽車、飛機等等。幾乎只要有電的地方就有它的存在。CompanyLogo1.3單片機的發展歷史及趨勢單片機根據其CPU所能接受的指令的位數可分為：1位單片機、4位單片機、8位單片機、16位單片機和32位單片機繼1971年微處理器的研制成功，就出現了單片機，最早的單片機是1位的。單片機的發展歷史可分為四個階段：第一階段（1974-1976）：單片機初級階段。第二階段（1976-1978）：低性能單片機階段第三階段（1978-1982）：高性能單片機階段第四階段（1992-迄今）：8位機鞏固發展，16位、32位機推出階段CompanyLogo單片機歷史及發展（二）初級階段：采用雙片形式、功能簡單。例如：仙童公式生產的F8單片機，只包括了8位CPU、64BRAM和2個并口。需加上3851芯片（1KBROM、定時器/計數器和2個并行I/O）構成一臺完整的系統。低性能階段：以Intel公司制造的MCS-48單片機為代表。MCS-48片內集成8位CPU+并口+8位定時器/計數器+RAMROM等。不足之處：無串口，中斷處理比較簡單。片內RAM和ROM的容量比較小且尋址范圍不大于4KB。高性能階段：單片機普遍帶有串口、多級中斷系統、16位定時器/計數器，片內RAM、ROM容量加大，且尋址范圍可達64KB，有的片內還帶有A/D轉換器。典型代表：IntelMCS-51Motorola6801ZilogZ8CompanyLogo單片機發展歷史（三）鞏固、推廣階段：一方面發展16位、32位單片機；另一方面不斷完善8位機；16位典型代表IntelMCS-96：集成度120000管子/片，主振12MHz，片內RAM232B，ROM8KB，中斷8級，片內多通道10位A/D，HIS/HSO實時處理能力強32位機：集成度更高、主振20MHz處理速度高性能比8位、16位單片機更優越。CompanyLogo單片機的發展趨勢（一）CompanyLogo單片機的發展趨勢（二）5.大容量化：以往：ROM1KB~4KB，RAM64~128B復雜場合、存儲容量不足；目前：ROM64KB，RAM2KB6.高性能化：改進CPU的性能，加快指令運算速度，提高系統控制可靠性。措施：采用精簡指令集RISC結構和流水線技術.位處理能力、中斷和定時控制能力。指令速度可達100MIPS(MillionInstructionperSecond)7.小容量、低價格化：對于4位、8位機向小容量、低價格發展8.外圍電路內裝化：除了CPU、ROM，RAM，定時器/計數器等器件之外，A/D,D/A轉換器,DMA控制器，聲音發射器、監視定時器、液晶顯示驅動等CompanyLogo單片機的發展趨勢（三）9、串行擴展技術以往通過三總線擴展外圍器件隨著低價位OTP(OneTimeProgrammable)及各種類型的片內程序存儲器的發展，加之外圍接口不斷進入片內，推動了單片機結構的發展。I2C、SPI串行總線總之，隨著半導體集成工藝的不斷發展，單片機的集成度更高、體積更小、功能更強。CompanyLogo1.4單片機的分類從不同角度單片機大致可分為：1.按適用范圍：通用型/專用型通用型：不是為某種專門用途設計的單片機；例如80C51專用型：針對某類產品、某個產品專門設計的單片機。例如為滿足電子體溫計要求，在片內集成ADC接口等功能的溫度測量控制電路2.按系統結構：總線型/非總線型總線型單片機：設有并行地址總線、數據總線、控制總線，其引腳用以擴展并行外圍器件；非總線型單片機：把外圍器件及外設接口集成到片內，不要并行擴展總線，目的：減少封裝成本和芯片體積3.按應用領域：工控型/家電型注意：分類不是嚴格的、唯一的CompanyLogo8位單片機主要廠家和機型20世紀80年代，單片機發展非常迅速,就通用單片機而言，世界上一些著名的計算機廠家已投放市場的產品就有幾十個系列，數百個品種。其中有Motorola公司的6801、6802。Zilog公司的Z8系列，Rockwell公司的6501、6502等。此外，荷蘭的PHILIPS公司、日本的NEC公司、日立公司等也不甘落后，相繼推出了各自的單片機品種，許多國外的公司以MCS-51的內核為基礎，推出了各種與MCS-51系列單片機兼容的衍生品種。CompanyLogo為什么選擇MCS-51？盡管市面上單片機的品種很多，但是在我國使用最多的是Intel公司的MCS-51系列單片機及其增強型、擴展型的衍生機型。20世紀80年代，Intel公司以專利轉讓的形式把8051內核技術轉讓給了許多半導體廠家。它們都是MCS-51系列兼容產品。嚴格說，與MCS-51指令系統兼容。與8051系統結構相同，都用CMOS工藝，因此常用80C51系列稱呼所有具有8051指令系統的單片機。MCS-51系列是在MCS-48系列的基礎上發展起來的，是最早進入國內的單片機主流品種之一。雖然它是8位的單片機，但它具有品種全、兼容性強、性能價格比高等特點，且軟硬件應用設計資料豐富齊全，已為我國廣大工程技術人員所熟悉.因此，MCS-51系列單片機在我國得到了廣泛的應用。CompanyLogo1.5MCS-51系列單片機（一）MCS的含義：MCS(Micro-ControllerSystem)是Intel公司單片機的系列符號.MCS-48(8位機）/MCS-51（8位機）/MCS-96（16位機）系列MCS-51系列包括三個基本型：8031,8051,8751，增強型：8032,8052,8752對應低功耗型：80C31,80C51,87C511.基本型：8031,8051,87518031：1個8位CPU，128KRAM，21個特殊功能寄存器，4個8位并行I/O口，1一個全雙工串行口，2個16位定時器/計數器，片內無存儲器，需外擴EPROM8051：在8031基礎上，片內集成4KROM（程序存儲器）。廠家代為燒制。因此，都是含特殊特殊用途的單片機。8751：在8031基礎上，增加4KEPROM，可反復修改程序CompanyLogoMCS-51系列單片機（二）2.增強型:在MCS-51系列基礎上推出MCS-52系列；8032：256KRAM8052：8KROM，3個16位定時器/計數器，6個中斷，串口速率提高5倍。8752：8KEPROM3.低功耗型：80C31,80C51,87C511）均采用CMOS工藝，功耗低例如：8051功耗630mW，80C51功耗120mW用途：便攜式產品、航天技術2）兩種掉電工作方式：A.CPU停止工作，其余部分仍繼續工作B.除片內RAM繼續保持數據外，其余部分都停止工作CompanyLogo1.6單片機的應用領域

由于單片機具有顯著的優點，它已成為科技領域的有力工具，人類生活的得力助手。它的應用遍及各個領域，主要表現在以下幾個方面：1在智能儀器儀表中的應用儀器儀表智能化、提高測量的自動化程度和精度、簡化儀器儀表的硬件給構，提高其性價比。2在機電一體化中的應用機電一體體化是機械工業的發展方向。機電一體化產品是指集機械技術、電子技術、計算機技術于一體，具有智能化特征的機電產品。例如微機控制的車床、鉆床等。單片機作為產品中的控制器，能充分發擲它的體積小、可靠性高、功能強等優點，可大大提高機器的自動化、智能化程度。CompanyLogo單片機的應用領域（二）3.在實時控制中的應用單片機廣泛地用于各種實時控制單統中。例如，在工業測控、航空航天、尖端武器、機器人等各種實時控制系統中，都可以用單片機作為控制器。單片機的實時數據處理能力和控制能力，可使系統保持在最佳工作狀志，提高系統的工作效率和產品質量。4、在分布式多機系統中的應用在比較復雜的系統中，常采用分布式多機系統。多機系統一般由若干臺功能各異的單片機組成，各自完成特定的任務，它們通過串行通信相互聯系、協調工作。單片機在這種系統中往往作為一個終端機，安裝在系統的某些節點上，對現場信息進行實時的測量和控制。單片機的高可靠性和強抗干擾能力，使它可以置于惡劣環境的前端工作。CompanyLogo單片機的應用領域（三）

5.在人類生活中的應用自從單片機誕生以后.它就步入了人類生活，如洗衣機、電冰箱、電子玩具、收錄機等家用電器配上單片機后，提高了智能化程度，增加了功能，備受人們喜愛，單片機將使人類生活更加方便、舒適、豐富多彩。綜上所述，單片機已成為計算機發展和應用的一個重要方面。另一方面，單片機應用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統的控制系統設計思想和設計方法。從前必須由模擬電路或數字電路實現的大部分功能，現在已能在單片機通過軟件方法來實現了。這種用軟件代替硬件的控制技術也稱為微控制技術，是對傳統控制技術的一次革命。CompanyLogo第一章思考題1.微處理器、微計算機、微處理機、CPU、單片機它們之間有何區別？2.單片機與普通計算機的不同之處在于其將（）（）和（）三部分集成于一塊芯片上。3.除了單片機這一名稱之外，單片機還可稱為（）和（）。4.MCS-51系列單片機的基本型芯片分別為哪幾種？它們的差別是什么？其低功耗型芯片分為哪幾種？與基本型有何差別？5.為什么不應當把51系列單片機稱為MCS-51系列單片機？6.在家用電器中使用單片機應屬于微計算機的（）。A．輔助設計應用；B．測量、控制應用；C．數值計算應用；D．數據處理應用；7.單片機的發展分為幾個階段？8.什么是通用性單片機，什么是專用型單片機？CompanyLogo第二章計算機基礎知識計算機是微電子學與計算科學相結合的產物。微電子學的基本元件及其集成電路構成計算機的硬件基礎；計算科學的計算方法與數據結構構成計算機的軟件基礎2.1數制與編碼2.2計算機的基本組成電路2.3存儲器2.4系統時鐘2.5中斷和輪詢、觸發CompanyLogo2.1數制與編碼CompanyLogo常用數制CompanyLogo常用數制的特點十進制人們日常習慣為什么會有十進制？二進制適合于計算機處理十六進制易于書寫、便于記憶；與二進制轉換方便CompanyLogo2數制的轉換CompanyLogo2.1.2計算機中的編碼1.有符號數的編碼計算機中只有0、1兩個數字，符號如何表示？一般規定：最高位為符號位0=正數1=負數計算機中帶符號數的表示方法有三種：1）原碼正數的符號位=0，負數的符號位=1例：X1=+1010101[X1]原=01010101X2=-1010101[X2]原=11010101真值原碼CompanyLogo2）反碼一個數的反碼很容易從原碼求得if正數then反碼=原碼elseif負數then反碼符號位=1，其余各數位均將1轉換為0,0轉換為1endif例X1=+1010101[X1]反=01010101X2=-1010101[X2]反=10101010CompanyLogo3補碼一個數的補碼很容易有反碼求得。if正數then補碼=反碼elseif負數then補碼=反碼+1endif例如：X1=+1010101[X1]補=01010101X2=-1010101[X2]補=10101011注意：正數：原碼=反碼=補碼都一樣負數：上述規則CompanyLogo2有符號數的運算原碼優點：簡單、直觀原碼缺點：采用原碼進行減法運算時，計算機電路復雜；補碼：采用補碼可以把減法變成加法，省去減法器，簡化硬件電路。例1：24-11=24+[-11]補=13二進制運算如下：0001100024）+）11110101-11）10000110113）注意：1.在8位機中，最高位D7的進位已超出計算機字長，所以是自然丟失的。2.在不考慮最高位產生進位的情況下，減法運算與補碼相加結果相等CompanyLogo35例2（-5）+（-6）=（-5）補+（-6）補=-11=F5H用二進制運算如下：11111011（-5補）+）11111010（-6補）111110101（F5H=11補）注意：1）對補碼運算的結果仍然是補碼2）本例所求得的和數其符號位=1，即表示和為負數的補碼結論：當數采用補碼表示時，無論加法還是減法都可以采用加法運算，而且是連同符號位一同進行，不必關心符號位，且能得到正確結果。因此，在計算機中普遍用補碼來表示帶符號數。CompanyLogo3.BCD碼BCD碼:二進制編碼的十進制數.在BCD碼中用4位二進制數對0~9這十個數字編碼。例：十進制94=10010100特點：既考慮率計算機的特點又兼顧人類使用十進制的習慣使用場合：微型機輸入輸出數據時經常使用BCD碼BCD碼與十進制的相互轉換：按位轉換例：010010010111（BCD）=497BCD碼與二進制碼的轉換：非直接轉換BCD碼《--》十進制碼《--》二進制碼CompanyLogoCompanyLogo4.字母與字符的編碼計算機用二進制，字母字母也需要用二進制表示用二進制表示字母字符的方法很多最普遍的是ASCII碼（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）采用7位二進制編碼，故可以表示128個字符。其中包括0~9以及大小寫英文字母，和可打印的字符。CompanyLogoCompanyLogo2.2計算機的基本組成電路無論多么復雜的計算機，都是由若干基本電路單元組成。常見的基本電路：1.常用邏輯電路2.觸發器3.寄存器4.常用數據鎖存器/緩沖器/驅動器CompanyLogo1.常用邏輯電路邏輯電路時計算機實現運算、控制功能所必須的電路，是計算機的基本單元電路。在邏輯電路中，輸入和輸出只有兩種狀態：高電平和低電平。通常以邏輯“1”和“0”表示電平高低。1）與門：能夠實現邏輯乘運算的多端輸入、單端輸出的邏輯電路。邏輯表達式：Y=A?B2）或門：能夠實現邏輯加運算的多端輸入、單端輸出的邏輯電路。邏輯表達式：Y=A+B3）非門：能夠實現邏輯非運算的單端輸入、單端輸出的邏輯電路。邏輯表達式：Y=4）異或門：能夠實現邏輯異或運算的多端輸入、單端輸出的邏輯電路。邏輯表達式：Y=A⊕B5）與非門：能夠完成邏輯與非運算的多端輸入、單端輸出的邏輯電路。邏輯表達式：Y=6）或非門：能夠完成邏輯或非運算的多端輸入、單端輸出的邏輯電路。邏輯表達式：Y=CompanyLogoCompanyLogo2.觸發器觸發器是計算機記憶裝置的基本單元，它具有把以前的輸入“記憶”下來的功能；一個觸發器能存儲一位二進制代碼。觸發器的類型：1）R-S觸發器S置位信號輸入端，R復位信號輸入端，Q和為輸出端。2）D觸發器R，S分別為置0端，置1端；觸發器狀態由時鐘脈沖上升沿到來時D端的狀態決定。3）J-K觸發器R，S同上；K同步置0輸入端，J同步置1輸入端。觸發器狀態由時鐘脈沖下降沿到來時，J、K端的狀態決定CompanyLogo3.寄存器寄存器由觸發器組成。一個觸發器就是一個一位寄存器；多個觸發器組成一個多位寄存器。由于寄存器在計算機中的作用不同，從而其名稱也不同。常見的寄存器：1）緩沖寄存器（buffer）用來暫存某個數據，以便在適當的時間節拍和給定的計算步驟將數據輸入或輸出到其他記憶單元中2）移位寄存器（shiftingregister）將所存儲的數據逐位向左或向右移動，以達到計算機運行過程中所需的功能。3）計數器（counter）能夠把存儲在其中的數字加1或減1。CompanyLogo2.3存儲器存儲器由大量的緩沖寄存器組成。存儲器的用途：存放程序和數據，使計算機具有記憶功能。1.名稱介紹2.存儲器的分類3.存儲器的尋址CompanyLogo1.名稱介紹1存儲地址和存儲單元程序和數據在存儲器中用二進制代碼表示，根據CPU的指令，按照指定地址，可以把代碼取出或存入新代碼。存儲單元：存儲器由大量寄存器組成，其中每個寄存器稱為一個存儲單元。它可以存放一個由獨立意義的二進制代碼。存儲單元的地址：對每個存儲單元的唯一固定編號。存儲單元的內容：二進制代碼或數據二者之間的關系：旅館房間的編號與某個房間內的旅客之間的關系CompanyLogo每個存儲單元存放幾位二進制數呢？一般情況下，計算機中一個代碼的位數與CPU算術運算單元的位數相同。例如：算術運算單元是8位，則代碼的字長就是8位。字長：一個代碼由若干位（bit）組成，代碼的位數稱為位長，習慣上也稱為字長。字節、字、雙字節的關系：8bit=1Byte（字節）2Byte=1Word（字）4Byte=1DoubleWord（雙字節）它們都是代碼位數的常用單位。

代碼最低位、最高位：對于一個8位二進制代碼來說，其最低位稱為第0位（位0）最高位稱為第7位（位7）CompanyLogo2.存儲器指標：衡量存儲器的性能有很多種指標，例如：功耗、可靠性等，但是最重要的指標是：存取速度和存儲容量。存取速度：指讀或寫一條信息所需要的時間。單位：ns（納秒）幾十納秒至幾百納秒。越快越好。存儲容量：存儲器最多能夠存儲多少個單位信息。單位：字節（Byte）1024byte=1KB；1024KB=1MB；1024MB=1GB例如：80C51單片機的最大尋址范圍是65536個存儲單元（每單元存儲8位一字節數據），所以稱其數據存儲器的容量最大可擴展至64KB存儲芯片容量=單元數*數據線位數CompanyLogo2存儲器分類按組成材料和單元電路類型分：磁芯存儲器、半導體存儲器、電荷耦合存儲器按存儲器與微處理器（CPU)的關系分：

內存：通常把直接同微處理器進行信息交換的存儲器稱為內存，其特點是存取速度快，但容量有限。

外存：把通過內存間接與CPU進行信息交換的存儲器稱為外存，如：磁盤、磁帶、光盤、U盤，其特點是：容量大速度慢按存儲信息的功能分1）只讀存儲器（ROMReadOnlyMemory：2）隨機存儲器（RAMRandomAccessMemory）3）可現場改寫非易失存儲器（閃存）FlashMemoryCompanyLogo1）只讀存儲器ROM只讀存儲器ROM:使用時只能讀出不能寫入，斷電后存儲的信息不丟失。用途：存放固定的程序、數據表等按存儲信息的方法分為四種ROM1）掩膜ROM（固定ROM）：由廠家編好程序寫入（燒入、固化）到ROM中供用戶使用，用戶不能更改，價格便宜2）可編程只讀ROMPROM（ProgrammableROM):其內容可由用戶根據自己編好的程序一次性寫入，一但寫入，只能讀出不能更改，亦稱OTP（OneTimeProgrammable)3)可改寫只讀存儲器EPROM紫外線照射擦除4)電可擦除只讀存儲器E2PROM可加電寫入或擦除+5VCompanyLogo2）隨機存儲器RAMRAM又稱讀寫存儲器，不僅能讀取存放在其存儲單元中的數據，還能隨時寫入新的數據，寫入后原來的數據則丟失。斷電后RAM中的信息全部丟失。用途：用來存放經常要改變的程序或中間計算結果。按存儲信息的方式分為兩種：1）靜態RAM（SRAMStaticRAM)特點：只要有電源加于存儲器、數據就能長期保留2)動態RAM(DRAMDynamicRAM)特點：寫入的信息只能保持若干毫秒，因此每隔一定時間必須重新寫入一次以保持原來信息不變。這種操作又稱刷新比較：靜態RAM控制電路簡單，但價格昂貴動態RAM控制電路復雜，但價格便宜

CompanyLogo3）可現場改寫非易失存儲器E2PROM缺點：改寫信息速度慢，達不到現場改寫的要求隨著半導體存儲技術的發展，快擦寫Flash存儲器、新型非易失靜態存儲器NVSRAM、鐵電存儲器FRAM等不斷涌現可現場改寫非易失存儲器的共同特點：

原理上它們都屬于ROM

功能上可以隨時改寫信息，因此作用又相當于RAM快擦寫存儲器（閃存Flashmemory)：在EPROM和E2PROM基礎上生產的一種非易失存儲器。其集成度高，制造成本低于DRAM，既具有SRAM讀寫的靈活性和較快的訪問速度，又具有ROM斷電后不丟失信息的特點。容量逐漸增大、可重新擦寫次數可達上百萬次，存取時間70ns.可用來做固態盤代替磁盤CompanyLogo3.存儲器的尋址原理CompanyLogo2.4系統時鐘1.晶振晶振是石英振蕩器的簡稱，英文名為Crystal，它是時鐘電路中最重要的部件。原理：石英晶體加電后會產生某種固定頻率的振蕩。晶振的作用：向單片機的各部分提供基準頻率晶振是單片機所有工作時序觸發的信號源，單片機通過它所提供周期穩定的觸發信號去觸發程序相應操作，或者是去檢查外部有沒有什么觸發信號輸入。大部分單片機都需要晶振才能工作起來，晶振就象交響樂團的指揮家一樣控制單片機的工作節奏，指揮家的指揮棒沒起，交響樂團是不會開始演奏的，同樣晶振沒開始向單片機提供節奏信號，單片機也不會工作起來。CompanyLogo2系統時鐘單片機內部的所有工作，都是基于由晶振產生的同一個觸發信號源，由這個信號來同步協調工作步驟，我們把這個信號稱為系統時鐘。系統時鐘是整個單片機工作節奏的基準，它每振蕩一次，單片機就被觸發執行一次操作。系統時鐘一般由晶振產生，但在單片機內部系統時鐘不是一定等于晶振頻率，有可能小于晶振頻率，也有可能大于晶振頻率，具體是多少由單片機內部結構決定，正常情況和晶振頻率會存在一個整數倍關系。CompanyLogo2.5輪詢與中斷例子：任務：燒兩壺開水、燉一鍋排骨、將家里的地板拖一遍。已知：如果單獨完成這些事情，燒一壺開水大概需要十分鐘，燉排骨大概二十五分鐘，拖地板大概需要三十分鐘，燒開水只要等水開了倒進保溫瓶里，排骨燉好后關掉火就行。燒開水兩壺：20分鐘并燉排骨：25分鐘行跑十次：1分鐘*10=10分鐘拖地：30分鐘CompanyLogo輪詢方式流程圖雖然四十分鐘把家務全部做完，但他是隔幾分鐘才去看一下水有沒有燒開，于是水被燒開了一會他才會發現；另外，水燒開后從壺里溢出流到煤氣灶上，有點危險，顯然從家務完成的質量來看不是很理想。第一周，先開始燒水和燉排骨，然后去拖地板，為了看水有沒有燒開和排骨有沒有燉好，拖一會地板就要停下來跑到廚房去看一看，這樣看一次需要一分鐘，總共看了十次，四十分鐘后三樣家務全部做完。CompanyLogo中斷方式流程圖第二周，吸取上周經驗。燒水換用自動鳴笛壺;燉排骨有上周的經驗知道燉二十五分鐘，用一個鬧鐘定時；接下來專心開始拖地板。大約十分鐘后，第一壺水鳴笛，停下拖地板去把倒水接著燒第二壺；之后繼續拖地板；又過了大約十分鐘，第二壺水燒開，同樣處理；二十五分鐘時間到，鬧鐘響起，看排骨，已經燉好于是關火；接著拖地板；總共三十三分鐘，地板拖完，家務全部完成。和第一周對比，時間少用了七分鐘，而且水一開就去倒掉，消除了潛在危險；完成質量好。看來日常生活中的一些事情，不同的處理方法做出來的效果也會有明顯差異。CompanyLogo上述例子對應單片機處理幾個需要同時處理的工作任務的兩種基本方法：輪流查詢和中斷響應。開水燒開了不馬上處理就會有危險，拖地板被打斷有延時不會發生什么意外，但燒開水只要把水倒進壺里燒就行，燒的過程中并不需要做其它事情，拖地板則需要一直拖到全部地板拖完。如果說第一周的方法是輪流查詢。那二周的方法就是中斷響應，水燒開鳴笛和鬧鈴為中斷發生信號，從他兩周完成的結果可以看出中斷響應效果要好過輪流查詢。CompanyLogo中斷的概念單片機技術是一門實用工程技術學科，和日常生活息息相關，正是為了應付做家務例子中燒水燉排骨這類問題，單片機有了中斷的概念。中斷就是在工作過程中突然有更緊要的事情去要去處理，于是將當前的工作打斷，處理好更緊要的事情后，再繼續當前的工作的方式。通過做家務的例子，我們明白了中斷的原理和方法。單片機在工作的時候往往需要處理多個事情，有些事情只并不需要單片機時刻進行控制，只是需要在某些特定的條件下由單片機做出相應處理，有些事情則需要單片機花比較多的時間逐步控制，一旦停止控制就無法進行下一步操作，中斷的引入可以讓單片機面對這樣的問題時有更高的工作效率，對于不需時刻進行控制的事情，在需要被干預時，發出中斷信號，讓單片機來進行相應處理，需要時刻控制的時候，就由單片機主程序循環持續控制。CompanyLogo中斷的類型中斷的類型：單片機的中斷可分為兩大類。

內部中斷：單片機內部控制電路在某種條件下產生的中斷；

外部中斷：由單片機外部器件產生的中斷。例子中，燒水和燉排骨對于他來說都是兩個獨立的外部事件，這兩個外部事件所產生的“中斷信號”分別屬于外部中斷和內部中斷。為什么？水燒開是水壺主動發出笛聲，這個笛聲和他沒有直接的關聯，他不知道水壺會在什么時候響，只要水開就會由水壺產生并傳到他的耳朵里，笛聲是他的“外部中斷信號”；鬧鈴是通過他的鬧鐘產生的，和燉排骨沒有直接聯系，只是因為他知道燉排骨要花二十五分鐘，才設置成這個時間。他自己是知道鬧鈴什么時候會響，只是他不想頻繁地去看時間才用鬧鐘定時，因此鬧鈴聲是他的“內部中斷信號”。CompanyLogo觸發單片機是如何工作的？武俠小說中的機關單片機就是機關；區別：機關--》力學原理、機械裝置；單片機--》內部電路、CPU、程序（規則）單片機將需要完成的操作任務預先設定好（程序），然后被逐步觸發來實現這些操作。什么是觸發？在某種信號的激勵下，單片機開始執行某種預先設定好的操作的機制。單片機的觸發機制？晶振是單片機所有操作的觸發時序的信號源。單片機通過它所提供的周期穩定的觸發信號去觸發程序所指定的相應操作、或去檢查外部有沒有觸發信號的輸入。CompanyLogo第二章思考與練習題1.將下列各二進制數轉換為十進制數（1）11010B（2）110100B（3）10101011B（4）11111B2.將第1題中各二進制數轉換為十六進制數3.將下列各數轉換為十六進制數129D253D01000011BCD00101001BCD4.什么叫原碼、反碼及補碼5.已知原碼如下，寫出其補碼和反碼（其最高位為符號位）（1）[X]原=01011001（3）[X]原=11011011（2）[X]原=00111110（4）[X]原=111111006.當微機把下列數看成是無符號數時，它們相應的十進制數為多少？若把它們看成是補碼，最高位為符號位，那么它們相應的十進制數是多少？(1)10001110(2)10110000(3)00010001(4)011101017.觸發器、寄存器及存儲器之間有什么關系？8.存儲器分幾類？各有何特點和用途？9.什么是觸發？什么是中斷？中斷有幾種類型，其各種的特征是什么？CompanyLogo第三章MCS-51單片機結構及原理80C51單片機結構單片機工作原理80C51的存儲器I/O端口結構CPU時序及時鐘電路CompanyLogo3.180C51單片機結構80C51是ROM型單片機，內部有4KBROM；80C31無片內ROM；87C51片內有4KBEPROM;除此之外，三者內部結構和引腳完全一致MCS-51系列的基本型8031,8051，8751結構及功能與上述芯片完全一致，只是采用HMOS工藝。本節內容1.80C51單片機的組成及結構2.80C51單片機的引腳定義及功能CompanyLogo1.80C51功能框圖由圖可見，在一塊芯片上集成了微型計算機的主要組成部分：CPU、存儲器、可編程I/O口、定時器/計數器、串行口各部分通過內部總線相連CompanyLogo80C51的內部結構1.中央處理器（CPU)：大腦主要完成運算和控制功能，80C51的CPU字長8位2.內部數據存儲器（RAM）80C51共256個RAM單元256B；作為寄存器供用戶使用；前128個后128個被專用寄存器占用3.內部程序存儲器（ROM）4KB掩膜ROM程序原始數據4.2個16位定時器/計數器5.4個8位并行I/O口（P0,P1,P2,P3)6.1個全雙工可編程串口7.時鐘電路內部有時鐘電路但晶振和微調電容需要外接。時鐘電路為單片機產生時鐘脈沖序列。8.中斷系統共有5個中斷源；兩個外部中斷源；三個內部中斷源，即2個定時/計數中斷，1個串口中斷

CompanyLogo682.80C51的引腳80C51采用40腳雙列直插（DIP）封裝方式因為受到引腳數目的限制，所以不少引腳具有第二功能CompanyLogo80C51引腳名稱和功能（一）1.主電源引腳Vss和Vcc：Vss（20腳）：接地；Vcc（40腳）：主電源+5V2.時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2XTAL1（19腳）：接外部晶振的一端。XTAL2（18腳）：接外部晶振的另一端CompanyLogo80C51引腳名稱和功能（二）3.控制信號引腳RST，ALE/PROG,PSEN,EA/VppRST（9腳）：單片機剛接上電源時，其內部各寄存器處于隨機狀態，在該引腳輸入24個時鐘周期寬度以上的電平將使單片機復位（RESET）。ALE/PROG（30腳）：訪問片外存儲器時，ALE作鎖存擴展地址低位字節的控制信號（稱允許鎖存地址）。平時不訪問片外存儲器時，該端也以1/6的時鐘振蕩頻率固定輸出正脈沖，供定時或其他需要使用；在訪問片外數據存儲器時，會丟失一個脈沖。ALE端的負載驅動能力為8個LSTTL（低功耗高速TTL）。另外，在對87C51片內EPROM編程（固化）時，此引腳用于輸入編程脈沖。CompanyLogo80C51引腳名稱和功能（三）PSEN（29腳）：在訪問片外存儲器時，此端輸出負脈沖作為存儲器讀選通信號。CPU在向片外存儲器取指期間，PSEN信號在12個時鐘周期內兩次生效。不過，在訪問片外數據存儲器時，這兩次有效地PSEN信號不出現。PSEN端同樣可驅動8個LSTTL負載。根據PSEN，ALE和XTAL2端是否有信號輸出，可以判斷80C51是否工作。EA/Vpp(31腳）：當EA端輸入高電平時，CPU從片內程序存儲器地址0000H單元開始執行程序。當地址超過4KB時，將自動執行片外程序存儲器的程序。當EA端輸入低電平時，CPU僅訪問片外存儲器。在對87C51EPROM編程時，此引腳用于施加編程電壓Vpp。CompanyLogo80C51引腳名稱和功能（四）4.輸入/輸出引腳（P0，P1，P2和P3端口引腳）P0~P3是4個寄存器，也稱4個端口，是80C51單片機與外界聯系的4個8位雙向并行I/O端口。由于在數據傳輸過程中，CPU需要對接口電路中輸入輸出數據的寄存器進行讀寫操作，所以在單片機中對這些寄存器像對存儲單元一樣進行編址。通常把接口電路中這些已經編址并能進行讀寫操作的寄存器稱為端口（PORT），簡稱口。P0.0~P0.7（39~32腳）：P0口是一個8位漏極開路型雙向I/O端口。在訪問片外存儲器時，它分時提供8位地址和8位雙向數據通道，故這些I/O線有地址線/數據線之稱，簡寫為AD0~AD7。在EPROM編程時，從P0輸入指令字節；在驗證程序時，則輸出指令字節。驗證時，要外接上拉電阻P1.0~P1.7（1~8腳）：P1口是一個帶上拉電阻的8位雙向I/O端口。在EPROM編程和驗證程序時，它輸入低8位地址。P2.0~P2.7（21~28腳）：P2口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在訪問片外存儲器時，它輸出高8位地址。在對EPROM編程和驗證程序時，它輸入高8位地址。

CompanyLogo80C51引腳名稱和功能（五）P3.0~P3.7（10~17腳）：P3口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在整個系統中，這8個引腳還具有專門的第二功能。CompanyLogo3.2單片機的工作原理對大多數用戶，并不需要十分詳細地了解CPU、存儲器、I/O接口等芯片中的具體線路，但需要比較清楚地理解單片機的工作原理。單片機是通過執行不同的程序而完成不同的任務。因此單片機執行程序的過程實際上體現了單片機的工作原理。1.指令和程序2.CPU工作原理3.單片機執行程序的過程CompanyLogo3.2.1指令與程序概述指令：規定計算機執行特定操作（例如加、減等)的命令。指令由二進制代碼表示。通常指令分為：操作碼和操作數兩部分。

操作碼：規定指令操作的類型。做什么操作數：給出參加操作的數據或存放數據的地址

CPU就是根據指令來指揮和控制計算機各部分協調地動作、完成規定的操作。指令系統：某種計算機的全部指令的集合。指令系統的性能與計算機硬件密切相關，不同的計算機指令系統不完全相同。程序：根據任務要求有序地編排的指令序列的集合。軟件：為了運行和管理計算機所編制的各種程序及相關文檔的總和。指令操作碼操作數CompanyLogo3.2.2CPU的工作原理CPU是計算機的核心，由控制器和運算器組成控制器：根據指令碼產生控制信息，使運算器、存儲器、I/O端口之間自動協調地工作。運算器：用于算術、邏輯運算以及位操作處理等。CompanyLogo1控制器控制器的功能：1）接受來自存儲器（ROM）中的逐條指令2）進行指令譯碼，3）通過定時和控制電路，在規定的時刻發出各種操作所需的全部內部控制信息和CPU外部所需的控制信號、目的：使各部分協調工作，完成指令所規定的操作。控制器的組成:指令部件時序部件微操作控制部件等部分組成CompanyLogo指令部件（一）指令部件：一種能夠對指令進行分析、處理和產生控制信號的邏輯部件。它是控制器的核心。指令部件通常由程序計數器PC、指令寄存器、指令譯碼器等組成。1）程序計數器（PCprogramCounter）是一個16位的專用寄存器，用于存放和指示下一條要執行指令的地址。它具有自動加一的功能。當一條指令字節按照PC所指示的地址從存儲器中取出之后，PC就會自動加一。80C51單片機中指令長度一般為1~3字節。由于在單片機中取指操作是以字節為單位的，因此PC在自動加至該指令字節數后，才指向下一條將要執行的指令地址。CompanyLogo指令部件（二）2）指令寄存器：8為寄存器，用于暫時存放指令、等待譯碼3）指令譯碼器：用于對送入的指令進行譯碼。所謂譯碼就是將指令轉變為執行此指令所需要的電信號。當譯碼器對該指令進行譯碼后，根據譯碼器輸出的信號，CPU控制電路根據要求產生執行該指令所需的各種控制信號，使計算機正確執行程序所要求的各種操作。CompanyLogo時序部件和微操作控制部件時序部件：組成：由時鐘電路和脈沖分配器組成作用：用于產生微操作控制部件所需的定時脈沖信號微操作控制部件：可以為指令譯碼器的輸出信號配上節拍電位和節拍脈沖，也可和外部進來的控制信號組合，共同形成響應的微操作控制序列，以完成規定的操作。CompanyLogo2.運算器運算器是用于對數據進行算術運算和邏輯操作的執行部件。1）算術/邏輯部件ALU累加器ACC：用于對算術運算和邏輯操作的執行部件。由加法器和其他邏輯電路組成。在控制信號的作用下，完成算術（加、減、乘、除）運算和邏輯（與、或、異或）運算、以及循環移位操作、位操作等功能。此外，通過對運算結果的判斷，影響程序狀態標志寄存器PSW的有關標志位。暫存寄存器：用以暫存進入運算器之前的數據程序狀態字寄存器PSW通用寄存器BCD碼運算調整電路等。CompanyLogo3.2.3單片機執行程序的過程單片機的工作過程實質上就是執行人們所編制的程序的過程，即逐條執行指令的過程。計算機每執行一條指令可分為三個階段：

取指、譯碼（分析）、執行1）取指階段的任務：根據程序計數器PC中的值，從程序存儲器的相應地址中讀出指令，并將其送到指令寄存器。2）譯碼階段的任務：將指令寄存器中的指令操作碼取出后進行譯碼，分析器指令性質。如指令要求操作數，則尋找操作數地址。3）執行階段的任務：取出操作數，然后按照操作碼的性質對操作數進行相應的操作。計算機逐條指令重復上述操作，直至遇到停機指令或循環等待指令。CompanyLogoCompanyLogo3.380C51的存儲器1.程序存儲器2.數據存儲器CompanyLogo3.4I/O端口結構1.P0口2.P1口3.P2口4.P3口5.端口負載能力與接口要求CompanyLogo3.5CPU時序及時鐘電路1.CPU時序及有關概念2.80C51的指令時序3.振蕩器和時鐘電路CompanyLogo3.6復位電路CompanyLogo3.780C51低功耗方式CompanyLogo第三章思考與練習題1.80C51單片機內部包含哪些主要邏輯功能部件？各有什么主要功能？2.什么是指令？什么是程序？簡述程序在計算機中的執行過程。3.80C51四個I/O端口在結構上有何異同？使用時有何注意事項？CompanyLogo第四章單片機應用系統的設計開發學習單片機的最終目的是能夠把它應用到實際工作中。盡管單片機的應用領域很廣、技術要求各不相同，使得應用系統的硬件設計各異，但是總體設計方法和研制步驟卻基本相同。本章目的：1.了解單片機應用系統的一般開發、研制方法2.了解所用到的開發工具3.掌握設計開發與研制調試的過程CompanyLogo4.1應用系統研制過程單片機應用系統：為達到某種應用目的而特別設計的單片機系統(在調試階段也稱目標系統）。單片機應用系統由硬件和軟件組成。硬件：指由單片機、擴展的存儲器、輸入/輸出設備等組成的系統。軟件：各種工作程序的總稱。軟、硬件緊密配合、協調一致，才能組成高性能的單片機應用系統。在系統研制過程中，軟、硬件功能不斷調整，相互適應、相互配合，達到最佳性價比。CompanyLogo單片機應用系統的研制過程，包括：1）總體設計2）硬件設計3）軟件設計4）在線調試不能絕對分開，有時交叉進行CompanyLogo1總體設計1）確定技術指標：任務：明確系統功能、技術要求；手段：綜合考慮系統的先進性、可靠性、可維護性成本、經濟效益。參考國內外同類產品的資料

目標：提出合理可行的技術指標以達到最高性價比CompanyLogo2）機型選擇a）市場貨源只能從市場上所提供的機型中選擇，作為產品而生產的系統，必須有足夠穩定、充足的貨源。b）單片機性能根據應用要求，選擇最容易實現系統技術指標的機型。同時考慮具有較高的性價比。c）研制周期選擇最熟悉的機型和元器件。選擇性能優良的開發工具。考慮研發人員的學習能力CompanyLogo3）器件選擇應用系統中單片機只是系統的控制和運算核心，系統中還有傳感器、模擬電路、I/O電路等器件和相關設備這些部件的選擇應符合系統精度、速度和可靠性等方面的要求。CompanyLogo4）硬件、軟件功能的劃分系統硬件的配置和軟件的設計是緊密聯系在一起的，而且某些場合，軟、硬件具有一定互換性。硬件：可提高系統響應速度減少軟件研制的工作量提高系統可靠性、穩定性；缺點：增加成本軟件：節省硬件開支；簡化硬件結構；修改靈活；缺點：可靠性、穩定性差；復雜度高考慮的系統的可靠性，能夠用硬件實現的功能盡可能用硬件實現。大批量采購硬件，價格可降低；軟件是一次性投資，但往往開支很大，注意結合性價比考慮。CompanyLogo2硬件設計任務：根據總體設計要求，在選定機型基礎上，確定系統擴展所要用的存儲器、I/O電路、A/D電路以及相關外圍電路等，設計出系統的電路原理圖。CompanyLogo1）程序存儲器當單片機內部程序存儲器容量不夠時，需要外擴存儲器。EPROM和EEPROM等均可作為外擴程序存儲器。應從它們的性價比特點考慮：大批量生產的、已成熟的應用系統OTP型其他情況可選用EPROM等容量不同的OTP、EPROM芯片價差不大，一般應選用速度高、容量較大的芯片，這樣使得譯碼電路簡單，且給軟件擴展留有一定余地。CompanyLogo2）數據存儲器對于數據存儲器的容量要求，各應用系統差別很大應盡量選用片內RAM容量能符合要求的單片機當單片機內部RAM存儲器容量不夠時，也可外擴存儲器。對于要求較大容量RAM的系統，選擇RAM的原則是盡可能減少RAM芯片的數量。例如：一片6264（8KB）比4片6116（2KB）便宜得多。CompanyLogo1003）輸入輸出接口較大的應用系統一般都需要擴展I/O接口。選擇I/O電路時，應從體積、價格、功能、負載等幾個方面綜合考慮。標準的可編程接口電路8255和8155接口簡單，使用方便，對總線負載小，因而得到廣泛應用。某些系統用到很少的口線，可選用TTL電路，提高口線利用率，且TTL電路驅動能力較大，可直接驅動發光二極管等器件。對于A/D和D/A電路芯片的選擇原則應根據系統對其精度、速度和價格的要求而確定。同時考慮與系統中的傳感器、放大器相匹配。CompanyLogo4地址譯碼電路80C51系統具有充分的存儲器空間，包括64KB程序存儲器和64KB數據存儲器。CompanyLogo5其他外圍電路由于單片機的特點，它被大量應用于工業測控系統在測控系統中，經常需要對一些現場物理量進行測量或者將其采集下來進行信號處理之后，再反過來去控制被測對象或設備。在這種情況下，應用系統的硬件設計就應包括與此有關的外圍電路。用戶數據的類型：模擬量：連續變化的物理量。如：電壓、電流、壓力、拉力、溫度等數字量：所傳輸的信息為有序組合的“0”和“1”兩種TTL電平。如串口信號及某種數字式傳感器或脈沖發生器所產生的電脈沖計數的數字量開關量：如按鍵開關、行程開關等接點在通、斷時產生的突變電壓信號CompanyLogo6可靠性設計可靠性：在規定的條件下、在規定的時間內、完成規定功能的能力。規定條件：包括環境條件（溫度、濕度、振動等），供電條件等；規定時間：一般指平均故障時間、平均無故障時間、連續正常工作時間規定功能：隨單片機應用系統的不同而異。提高可靠性的措施1）提高元器件的可靠性選用質量好的元件；設計時技術參數留余量2）提高印刷電路版和組裝質量，設計時布線合理、接地符合要求3）對供電電源采用抗干擾措施：帶屏蔽電源變壓器；低通濾波；容量留余地4）輸入/輸出通道抗干擾措施：光電隔離；正確接地；雙絞線；CompanyLogo3軟件設計在單片機應用系統設計中，軟件設計一般是工作量最大、最重要的任務。1）系統定義2）軟件結構設計3）程序設計CompanyLogo1）系統定義系統定義：指在軟件設計前，首先要進一步明確軟件所要完成的任務，然后結合硬件結構，進一步弄清軟件所承擔的任務細節。A）定義和說明各輸入/輸出口的功能。模擬信號、數字信號、電平范圍、與系統接口方式，占有口地址、讀取和輸入方式B）在程序存儲器區域中，合理分配存儲空間；包括系統主程序、常數表格、功能子程序塊的劃分、入口地址表等C）在數據存儲器區域中，考慮是否有斷電保護措施，定義數據暫存去標志單元等。D）面板開關、按鍵等控制輸入量的定義；系統運行過程顯示；運算結果顯示；正常運行和出錯顯示等CompanyLogo2）軟件結構設計合理的軟件結構是設計出一個性能優良的單片機應用系統所使用的軟件的基礎。簡單應用：軟件系統由主程序和若干個中斷服務程序構成。通常采用順序設計法，根據系統各操作的性質，指定哪些程序由主程序完成，哪些操作由中斷服務程序完成，并指定各中斷優先級。復雜實時應用：采用多任務實時操作系統，應具備任務調度、實時控制、實時時鐘，輸入輸出中斷控制、系統調用、多任務并行運行等功能。CompanyLogo程序結構設計方法：1）模塊化程序設計法。將一個完整的程