第1章單片機概述

1.1單片機基礎1.2單片機的發展歷史及發展趨勢1.3單片機的應用1.4計算機中的數制和編碼第1章單片機概述

20世紀70年代問世。已廣泛應用在：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、機電一體化設備等方面。1.1單片機基礎1.1.1電子計算機及其發展歷史

第一臺電子計算機誕生于1946年2月。1946年6月，馮·諾依曼提出“程序存儲”和“二進制運算”的思想，構建了計算機由運算器、控制器、存儲器和輸入/輸出設備，組成這一計算機的經典結構，如圖1-1所示。圖1-1發展經歷五個階段：電子管計算機晶體管計算機集成電路計算機大規模集成電路計算機超大規模集成電路計算機(微型計算機)1.1.2電子計算機及其發展歷史

計算機真正得到廣泛應用和普及，還是由于微型計算機的出現。微型計算機組成：由微處理器（或稱CPU，中央處理單元)、存儲器加上I/O接口電路組成。各組成部分通過地址總線（AB）、數據總線（DB）和控制總線（CB）相連，再配以系統軟件和I/O設備，構成完整的微型計算機系統，簡稱:微機，如圖1-2所示。1.1.3什么是單片機在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、輸出接口。具有一臺計算機的屬性。也稱為：圖1-2微控制器MCU(MicroControllerUnit)嵌入式控制器EMCU（EmbeddedicroControllerUnit）。我國，習慣使用“單片機”這一名稱。單片機主要應用于測試和控制領域按用途可分為通用型和專用型兩大類：（1）通用型可開發的內部資源：RAM、ROM、I/O等功能部件，全部提供給用戶,根據需要，設計一個以通用單片機芯片為核心的測控系統。（2）專用型專門針對某些產品的特定用途而制作的單片機，針對性強且數量巨大。對系統結構的最簡化、可靠性和成本最佳化等方面都作了全面的考慮。“專用”單片機具有十分明顯的綜合優勢。無論“專用”單片機在用途上有多么“專”，其基本結構和工作原理都是以通用單片機為基礎。

1.2單片機的發展歷史及發展趨勢1.2.1單片機的發展歷史處理的位數分為：1位、4位、8位、16位、32位單片機。四個階段:第一階段(1974年～1976年)：單片機初級階段。雙片的形式，且功能比較簡單。第二階段（1976年～1978年）：低性能單片機階段。以Intel

公司制造的MCS-48單片機為代表。第三階段(1978年～現在)：高性能單片機階段。Intel公司的

MCS-51系列、Mortorola公司的6801系列等。第四階段(1982年～現在)：8位單片機鞏固發展及16位單片機、32位單片機推出階段。世界各公司也開發了一大批性能優越的單片機近年，不少新型單片機涌現，單片機產品豐富多彩的局面。

1.2.2

單片機的發展趨勢CPU的改進（1）采用雙CPU結構，提高處理能力（2）增加數據總線寬度，內部采用16位數據總線。（3）串行總線結構，菲利浦公司的I2C總線（Inter－Icbus）。用兩根信號線代替現行的8位數據總線。2．存儲器的發展（1）加大存儲容量。（2）片內EPROM采用E2PROM或閃爍（Flash）存儲器3．片內I/O的改進（1）增加并行口的驅動能力，能直接輸出大電流和高電壓。（2）設置特殊的串行接口功能，課構成分布式、網絡化系統。4．低功耗化CMOS化CHMOS工藝。5．外圍電路內裝化集成度不斷提高，把眾多的外圍功能部件集成在片內－－系統的單片化。典型：美國Cygnal公司C8051F0208位單片機，采用流水線結構，峰值處理能力為25MIPS。片上集成有8通道A/D、兩路D/A、兩路電壓比較器，內置溫度傳感器、定時器、可編程數字交叉開關和64個通用I/O口、電源監測、看門狗、多種類型的串行總線（兩個UART、SPI）等。1.3單片機的應用單片機卓越的性能，得到了廣泛的應用，已深入到各個領域。使用溫度：民品：0°—+70°C工業品：-40—+85°C

汽車：-40—+105°C軍品：

-55—+125°C為什么能夠獲得大量的應用？

（1）功能齊全，應用可靠，抗干擾能力強。（2）簡單方便，易于普及（3）發展迅速，前景廣闊。（4）嵌入容易，用途廣泛總之，單片機軟硬件結合、體積小，很容易應用到嵌入式控制系統中。

在下述領域廣泛應用：

1.工業自動化

2.智能儀器儀表

3．消費類電子產品

4.通訊

5．武器裝備

6．終端及外部設備控制

7．汽車電子

8．多機分布式系統

1.4MCS-51系列與AT89C5x系列單片機1.4.1MCS-51系列單片機20世紀80年代以來，單片機的發展非常迅速，世界上一些著名廠商投放市場的產品就有幾十個系列，數百個品種。其中有：Intel公司的MCS-48、MCS-51Motorola公司的6801、6802Zilog公司的Z8系列Rockwell公司的6501、6502等。PHILIPS公司NEC公司日立公司相繼推出了各自的單片機產品。單片機問世以來，在我國使用最多的還是Intel公司的及其兼容單片機。MCS-51單片機是最早進入我國的單片機主流產品之一。MCS是Intel公司生產的單片機的系列號，如Intel公司的MCS-48、MCS-51、MCS-96系列單片機。MCS-51系列單片機既包括三個基本型8031、8051、8751，也包括對應的低功耗型80C31、80C51、87C51。

（1）基本型

典型產品：8031/8051/8751（2）增強型

典型產品：8032/8052/8752內部RAM增到256字節，8052、8752的內部程序存儲器擴展到8KB，16位定時器/計數器增至3個。（3）低功耗型

典型產品：80C31/87C51/80C51。采用CMOS工藝適于電池供電或其它要求低功耗的場合。（4）專用型

8044/8744，用于總線分布式多機測控系統。美國Cypress公司的EZUSR-2100單片機－USB接口。表1-1列出了MCS-51系列單片機的內部硬件資源

1.4.2AT89C5x系列單片機20世紀80年代中期以后，Intel公司已把精力集中在CPU芯片的開發、研制上，并逐漸放棄了單片機芯片的生產。但是以MCS-51為技術核心和主導的單片機已經成為許多廠家、電氣公司競相選用的對象，以此為基核。以專利或技術交換的形式把8051內核技術轉讓給各廠家。如：AMTEL、PHILIPS、ANALOGDEVICES、DALLAS公司。這些廠家的兼容單片機，與8051的系統結構（主要是指令系統）相同，采用CMOS工藝------80C51系列。80C51系列：所有具有8051指令系統的單片機，不應直接稱為MCS-51系列單片機，MCS只是Intel公司專用的單片機系列符號

習慣把兼容機等衍生產品統稱為51系列單片機或51單片機。在8051的基礎上又進行了一些擴充,稱為增強型、擴展型，如52子系列單片機，功能和市場競爭力更強。世界單片機芯片生產廠商推出的與8051（80C51）兼容的主要產品如表1-2所示。眾多的MCS-51單片機及其各種增強型、擴展型衍生品種，ATMEL公司推出的AT89C5x系列，尤其是該系列中的AT89C51單片機在8位單片機應用中占有相當大的市場份額。ATMEL公司以E2PROM技術與Intel公司的80C51內核的使用權進行交換。該公司技術優勢是其閃爍（Flash）存儲器技術，將Flash存儲器與80C51內核相結合，形成了AT89C5x系列。與MCS-51系列單片機在功能、引腳及指令系統方面完全兼容。又增加了一些新的功能，如看門狗定時器WDT、ISP及SPI串行接口等，

是取代MCS-51系列單片機的主流芯片之一。表1-3為ATMEL公司生產的AT89系列單片機的主要產品的片內硬件資源。低檔機型

低電壓型---“LV”盡管AT89C5x系列單片機有多種機型，但是掌握好基本型AT89C51是十分重要的，是具有8051內核的各種型號單片機的基礎，具有典型性、代表性，也是各種增強型、擴展型等衍生品種的基礎。因此，以AT89C51為51單片機的代表機型來介紹，并簡寫為89C51。除了8位單片機得到廣泛應用外，一些廠家的16位單片機也得到用戶的青睞。如TI公司的MSP430、臺灣的凌陽單片機。這些單片機本身帶有A/D轉換器，一片芯片就構成了一個數據采集系統，用戶設計使用時非常方便。盡管如此，16位單片機遠遠沒有8位單片機應用得那樣廣泛和普及。231.4計算機中的數制和編碼數制和編碼的表示各種計數制之間的相互轉換241.常用計數法

十進制（D）二進制（B）十六進制（H）25例：234.98D或（234.98）D1101.11B或（1101.11）BABCD.BFH或（ABCD.BF）H262.各種進制數間的轉換非十進制數到十進制數的轉換十進制到非十進制數的轉換二進制與十六進制數之間的轉換

27非十進制數到十進制數的轉換按相應的權值表達式展開例：1011.11B=1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1+1×2-2

=8+2+1+0.5+0.25=11.755B.8H=5×161+11×160+8×16-1

=80+11+0.5=91.528十進制到非十進制數的轉換到二進制的轉換：對整數：除2取余；對小數：乘2取整。到十六進制的轉換：對整數：除16取余；對小數：乘16取整。29二進制與十六進制間的轉換用4位二進制數表示1位十六進制數例：25.5=

11001.1B=

19.8H11001010.0110101B=CA.6AH303.

計算機中的編碼BCD碼用二進制編碼表示的十進制數ASCII碼西文字符編碼31BCD碼壓縮BCD碼用4位二進制碼表示一位十進制數每4位之間有一個空格擴展BCD碼用8位二進制碼表示一位十進制數，每4位之間有一個空格。32BCD碼與二進制數之間的轉換先轉換為十進制數，再轉換二進制數；反之同樣。例：（00010001.00100101）BCD=11.25=（1011.01）B33ASCII碼西文字符的編碼，一般用7位二進制碼表示。D7位為校驗位，默認情況下為0。要求：理解校驗位的作用熟悉0---F的ASCII碼34ASCII碼的奇偶校驗奇校驗加上校驗位后編碼中“1”的個數為奇數。例：A的ASCII碼是41H（1000001B）以奇校驗傳送則為C1H（11000001B）偶校驗加上校驗位后編碼中“1”的個數為偶數。上例若以偶校驗傳送，則為41H。35三、無符號二進制數的運算算術運算邏輯運算無符號數有符號數二進制數的運算36主要內容無符號二進制數的算術運算無符號數的表達范圍運算中的溢出問題無符號數的邏輯運算基本邏輯門和譯碼器371.無符號數的算術運算加法運算1+1=0（有進位）減法運算0-1=1（有借位）乘法運算除法運算38乘除運算例00001011×0100=00101100B

00001011÷0100=00000010B

即：商=00000010B

余數=11B392.無符號數的表示范圍：

0≤

X≤2n-1若運算結果超出這個范圍，則產生溢出。對無符號數：運算時，當最高位向更高位

有進位（或借位）時則產生

溢出。40[例]：

最高位向前有進位，產生溢出413.邏輯運算與、或、非、異或掌握：與、或、非門邏輯符號和邏輯關系（真值表）；與非門、或非門的應用。42“與”、“或”運算“與”運算：任何數和“0”相“與”，結果為0。“或”運算：任何數和“1”相“或”，結果為1。&&≥1≥143“非”、“異或”運算“非”運算按位求反“異或”運算相同則為0，相異則為1444.

譯碼器掌握74LS138譯碼器各引腳功能輸入端與輸出端關系（真值表）4574LS138譯碼器G1G2AG2BCBAY0Y7

?

?

?

?主要引腳及功能46三、機器數（有符號數）的運算47計算機中符號數的表示機器數計算機中的數據構成：符號位+真值“0”表示正“1”表示負48[例]

+52=+0110100=0

0110100

符號位真值-52=-0110100=1

0110100

符號位真值491.

符號數的表示機器數的表示方法：原碼反碼補碼50原碼最高位為符號位（用“0”表示正，用“1”表示負），其余為真值部分。優點：真值和其原碼表示之間的對應關系簡單，容易理解；缺點：計算機中用原碼進行加減運算比較困難0的表示不唯一。51數0的原碼8位數0的原碼：+0=00000000

-0=10000000

即：數0的原碼不唯一。52反碼對一個機器數X：若X>0，則[X]反=[X]原若X<0，則[X]反=對應原碼的符號位不變，數值部分按位求反53[例]X=-52=-0110100[X]原=10110100[X]反=11001011540的反碼：

[+0]反=00000000[-0]反=11111111即：數0的反碼也不是唯一的。55補碼定義：若X>0，則[X]補=[X]反=[X]原若X<0，則[X]補=[X]反+156[例]X=–52=–0110100[X]原=10110100[X]反=11001011[X]補=[X]反+1=11001100570的補碼：[+0]補=[+0]原=00000000[-0]補=[-0]反+1=11111111+1=100000000

對8位字長，進位被舍掉58特殊數10000000對無符號數:（10000000）B=128在原碼中定義為：-0在反碼中定義為：-127在補碼中定義為：-12859符號數的表示范圍對8位二進制數：原碼：-127~+127反碼：-127~+127補碼：-128~+127602