单片机原理与应用技术(第2版)电子课件.ppt

单片机原理与应用技术（第2版）,1.1 单片机的发展概述 1.2 单片机的特点及分类 1.3 单片机的应用领域 小结,第1章 单片机基础知识,单片机 在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路等，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。 三种应用形态的比较 ：,单板机,单片机,系统机（多板机）,1.1 单片机的发展概述,单片机的发展，主要经历了四个阶段： 第一阶段（19741978年）：初级单片机阶段。 第二阶段（19781982年）：高性能8位机阶段。 第三阶段（19821990）：16位单片机推出阶段。 第四阶段（1990到现在）：单片机全面发展阶段。,1.1.1 单片机的发展过程,1. 高性能化 2. 存储大容量化 3. 外围电路内装化 4. 片内I/O口的改进 5. 低功耗化、宽电压,1.1.2 单片机的发展趋势,1.1 单片机的发展概述,控制性能和可靠性高 实时控制功能特别强，其CPU可以对I/O端口直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。另外，由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。,1、单片机的特点,1.2 单片机的特点及分类,体积小、价格低、易于产品化 单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择；同时还可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系；在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少。 从而使应用系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。, 按CPU处理字的长度分 就CPU处理字的长度而言，有4位、8位、32位单片机 按使用范围分 可分为通用单片机和专用单片机两大类,2、单片机的分类,1.2 单片机的特点及分类,3. 主要产品系列,智能仪器仪表,单片机用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度，使仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。如各种智能电气测量仪表、智能传感器等。,1.3 单片机的应用领域,实时工业控制,单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产线等 。,机电一体化产品,机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。,家用电器,家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。,另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等 。,1.3 计算机运算基础,1.3.1 数制 1.3.2 有符号二进制数的编码 1.3.3 二进制编码,1.3.1 数制,数制是指数的制式，是人们利用符号进行计数的科学方法。 数制有很多种，在计算机中常用的数制有十进制、二进制和十六进制。,1. 十进制,十进制中共使用09十个数字符号(称为数码)，数码的个数称为基数。十进制的基数为10，任何一个十进制数都可用这十个数码的组合来表示。 十进制数一般有以下特点： 有09十个数字符号，基数为10，各位的权为10n(n为整数)。 运算规则是加法逢十进一、减法借一为十。 用后缀D(Decimal)表示十进制数，通常对十进制数可不加后缀。,1. 十进制,任一个数中每一位的值可用该位的数字乘以基数的幂次来表示，基数的幂次称为权。 十进制数各位的权是以10为底的幂，任何一个十进制数都可用权展开式来表示。 例如：十进制数1986.129可如下式展开： 1986.129=1103+9102+8101+6100+110-1 +210-2+910-3 上式中100、101、102、103分别称为0权位、1权位、2权位、3权位。,2. 二进制,二进制中共使用0、1两个数字符号。 二进制数一般有以下特点： 有0、1两个数字符号，基数为2，各位的权为2n(n为整数)。 运算规则是加法逢二进一、减法借一为二。 用后缀B(Binary)表示二进制数。,2. 二进制,二进制数各位的权是以2为底的幂，任何一个二进制数都可用权展开式来表示。 例如：二进制数1011.11可如下式展开： 1011.11B=123+022+121+120+12-1+12-2 =11.75 由上式可知，二进制数1011.11B相当于十进制数11.75。,3. 十六进制,十六进制中共使用09及AF十六个数字符号，其中AF相当于十进制数的1015。 十六进制数一般有以下特点： 有09及AF十六个数字符号，基数为16，各位的权为16n(n为整数)。 运算规则是加法逢十六进一、减法借一为十六。 用后缀H(Hexadecimal)表示十六进制数。,3. 十六进制,十六进制数各位的权是以16为底的幂，任何一个十六进制数都可用权展开式来表示。 例如：十六进制数5D6E.4可如下式展开：5D6E.4H=5163+13162+6161+14160+416-1 =23918.25 由上式可知，十六进制数5D6E.4相当于十进制数23918.25。,十进制数、二进制数和十六进制数对照表,4. 不同数制之间的转换,二进制数转换成十六进制数采用“四位合一位”法 十六进制数转换成二进制数采用“一位分四位”法 二进制数转换成十进制数按权展开后相加 十六进制数转换成十进制数按权展开后相加 十进制整数转换成二进制整数采用“除以2取余”法 十进制整数转换成十六进制整数采用“除以16取余”法 十进制小数转换成二进制小数采用“乘2取整”法 十进制小数转换成十六进制小数采用“乘16取整”法,4. 不同数制之间的转换,【例1】 将十进制整数100转换成二进制整数。 解：用2连续除100，直至商小于2，算式如下： 运算结果：100=1100100B。,1.3.3 二进制编码,在计算机中对数字、字母和字符用二进制代码进行编码的方法很多，二进制数的位数越长，所能编码的数字、字母和字符就越多。 常用的二进制编码有BCD码、ASCII码等。,1. BCD码,用二进制编码表示的十进制数称为二-十进制数，简称BCD(Binary Coded Decimal)码。 BCD码保留了十进制的权，用四位二进制数给09这10个数字编码。 BCD码种类较多，如有8421码、2421码和余3码等。 最常用的是 8421BCD码(以后简称BCD码)，组成它的4位二进制数码的权分别是8、4、2、1。,8421BCD码与十进制数的对应关系表,1. BCD码,BCD码的加减法运算与十进制运算规则相同，加法为逢十进一、减法为借一为十。 BCD码加法运算的修正原则： 若和的低4位大于9或低4位向高4位有进位，则低4位加6；若高4位大于9或高4位向最高位有进位，则高4位加6。 BCD码减法运算的修正原则： 若差的低4位大于9或低4位向高4位有借位，则低4位减6；若高4位大于9或高4位向最高位有借位，则高4位减6。,2. ASCII码,ASCII码(Ameriacan Standard Coded for Information Interchange)是“美国信息交换标准代码”的简称，已成为国际通用的标准编码。 ASCII码采用7位二进制编码，可为128个字符编码，这128个字符分为两类。 图形字符包括10个十进制数符、52个大小写英文字母和34个其它字符，共计96个。图形字符具有特定的形状，可以在显示器上显示。 控制字符包括回车、换行、退格等，共32个。控制字符没有特定的形状但有一定的控制作用，不能在显示器上显示。,ASCII码字符表,1.4 微型计算机的结构与原理,1.4.1 微型计算机的基本结构 1.4.2 微型计算机的工作原理,1.4.1 微型计算机的基本结构,微型计算机由硬件系统和软件系统两大部分组成，一般把二者构成的系统称为微型计算机系统。 微型计算机的硬件主要是由CPU(运算器和控制器)、存储器、I/O接口和I/O设备组成，各组成部分之间通过地址总线AB (Address Bus)、数据总线DB (Data Bus)、控制总线CB (Control Bus)联系在一起。 微型计算机的软件包括系统软件和应用软件两大类。软件与硬件相辅相成，共同构成微型计算机系统，缺一不可。,微型计算机的系统结构框图,微型计算机系统采用总线结构形式。 总线结构的主要优点：设计简单、灵活性好、易于扩展、便于故障检测和维修。,AB,1.4.2 微型计算机的工作原理,指令是对计算机发出的一条条工作命令，命令它执行规定的操作，程序是实现既定任务的指令序列。 把程序和数据送到具有记忆功能的存储器中保存起来，计算机工作时只要给出程序中第一条指令的地址，控制器就可依据存储程序中的指令顺序周而复始地取出指令、分析指令、执行指令，直到执行完全部指令为止。,微型计算机执行程序的过程,微型计算机执行程序的过程就是逐条执行指令的过程。由于执行每一条指令，都包括取指令与执行指令两个基本阶段，所以，微机的工作过程，也就是不断地取指令和执行指令的过程。 17+15的加法运算程序如下： 存储地址 机器语言程序 汇编语言程序 注释 0000H 74 11 MOV A,#11H;数11H送入累加 器A 0002H 24 0F ADD A,#0FH;数0FH与累加器A中的11H 相加,和送入累加器A 0004H 80 FE SJMP ;暂停,执行程序的过程示意图,执行第一条指令的过程（一）,开始执行程序时，必须先给程序计数器PC赋以第1条指令的首地址0000H，然后就进入第一条指令的取指令阶段。 取第一条指令的步骤如下： 把程序计数器PC的内容0000H送到地址寄存器AR。 程序计数器PC的内容送入AR后，PC自动加1，即由0000H变为0001H。此时AR的内容并没有变化。 把地址寄存器AR的内容0000H通过地址总线AB送至存储器，经地址译码器译码，选中存储器相应的0000H单元。 CPU控制器发出读命令。 在读命令控制下，把所选中的0000H单元中的内容即第1条指令的操作码74H读到数据总线DB上。 把读出的内容74H经数据总线DB送到数据寄存器DR。 因取出的是指令的操作码，故把数据寄存器DR的内容74H送到指令寄存器IR，然后再送到指令译码器ID。这就完成了第一条指令的取指令阶段，然后转入第一条指令的执行阶段。,执行第一条指令的过程（二）,经过对操作码74H译码后，CPU识别出这个操作码是把下一个存储单元中的操作数送入累加器A的双字节指令，所以，执行第一条指令就必须把指令第2字节中的操作数取出来。 取第一条指令操作数的步骤如下： 把程序计数器PC的内容0001H送到地址寄存器AR。 程序计数器PC的内容送到AR后，PC自动加1，变为0002H。此时AR中的内容并没有变化。 把地址寄存器AR的内容0001H通过地址总线AB送至存储器，经地址译码器译码，选中存储器相应的0001H单元。 CPU控制器发出读命令。 在读命令控制下，将选中的0001H单元的内容11H读到数据总线DB上。 把读出的内容11H经数据总线DB送到数据寄存器DR。 因CPU已知这时读出的是操作数，且指令要求把它送到累加器A，故把数据寄存器DR的内容11H经内部数据总线送到累加器A中，于是第一条指令执行完毕，进入第二条指令的取指令阶段。,本章小结,计算机按规模、性能、用途和价格来分类，可分为巨、大、中、小、微型计算机。计算机技术已发展成通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支，嵌入式系统一般可分为工业控制计算机、通用CPU模块、嵌入式微处理器和嵌入式微控制器四类。单片机是经典的嵌入式系统，它具有专门为嵌入式应用设计的体系结构与指令系统。 单片机主要特点：集成度高、控制功能强、可靠性高、低功耗、低电压、外部总线丰富、功能扩展性强、体积小、性价比高。单片机按数据处理位数可分为4位机、8位机、16位机和32位机，按适用范围可分为通用型和专用型，按并行总线可分为总线型和非总线型。,本章小结,在计算机中常用的数制有十进制、二进制和十六进制。不同数制之间的转换都有一定的规则，如二进制数转换成十六进制数采用“四位合一位”法，十六进制数转换成二进制数采用“一位分四位”法，十进制整数转换成二进制整数采用“除2取余”法，十进制整数转换成十六进制整数采用“除16取余”法，十进制小数转换成二进制小数采用“乘2取整”法，十进制小数转换成十六进制小数采用“乘16取整”法。 BCD码的加减法运算与十进制运算规则相同，但必须对运算结果进行修正。ASCII码是国际通用的标准编码，采用7位二进制编码，分为图形字符和控制字符两类，共128个字符。,本章小结,微型计算机由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件主要是由CPU、存储器、I/O接口和I/O设备组成，采用总线结构形式。软件包括系统软件和应用软件两大类，程序设计语言分为三级，分别是机器语言、汇编语言和高级语言。 微型计算机执行程序的过程就是逐条执行指令的过程。执行每一条指令，都包括取指令与执行指令两个基本阶段。,习 题,1. 十进制、二进制、十六进制数各有什么特点?请举例加以说明。 2. 将下列十进制数转换为二进制和十六进制数。 255 127 0.123 0.1415 45.32 1999.08 3. 将下列二进制和十六进制数转换为十进制数。 1001010B 0.1010111B 1010.11B 1C3H 0.A49H EB.0AH 4. 将下列二进制数转换为十六进制数。 1011011B 0.1010101B 1010.0101B 111000010100.1110101B 5. 机器数、真值、原码、反码和补码如何表示? 请举例加以说明。 6. 下列是有符号数的原码，请写出其反码和补码。 01111011B 10101010B 10000001B 11111111B,习 题,7. 把下列数看成无符号数时，对应的十进制数为多少?若把它们看成有符号数的补码，对应的十进制数是多少? 10101010B 00110010B 10000001B 8. 把下列各数用补码表示，再按补码运算规则分别求出X+Y补和X-Y补。 X=+46 Y=-78 X=+112 Y=-51 9. 写出89和157两数的BCD码，并对这两个BCD码进行加法运算。 10. 微型计算机系统的硬件和软件包括哪些部分? 11. 结合图1-2简述微型计算机执行一条指令的过程。,单片机的内部、外部结构(一) 一、单片机的外部结构 拿到一块芯片，想要使用它，首先必须要知道怎样连线，我们用的一块称之为89C51的芯片，下面我们就看一下如何给它连线。 1、 电源：这当然是必不可少的了。单片机使用的是5V电源，其中正极接40引脚，负极（地）接20引脚。 2、 振蒎电路：单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，使用晶体振荡器，接18、19脚。只要买来晶振，电容，连上就可以了，按图1接上即可。 3、 复位引脚：按图1中画法连好，至于复位是何含义及为何需要复要复位，在单片机功能中介绍。 4、 EA引脚：EA引脚接到正电源端。 至此，一个单片机就接好，通上电，单片机就开始工作了。,我们要P1.0输出高电平，只要写SETB P1.0， 要P1.0输出低电平，只要写 CLR P1.0就可以了。,计算机看不懂SETB CLR之类的指令，我们得把指令翻译成计算机能懂的方式，再让计算机去读。计算机能懂什么呢？它只懂一样东西数字。因此我们得把SETB P1.0变为（D2H,90H ），把CLR P1.0变为 （C2H,90H ），至于为什么是这两个数字，这也是由51芯片的设计者-INTEL规定的，我们不去研究。第二步，在得到这两个数字后，怎样让这两个数字进入单片机的内部呢？这要借助于一个硬件工具编程器。 我们将编程器与电脑连好，运行编程器的软件，然后在编缉区内写入（D2H,90H）见图2，写入好，拿下片子，把片子插入做好的电路板，接通电源,小 结,单片机是在一片集成电路芯片上集成CPU、存储器、定时器/计数器及多种形式的I/O接口而构成的微型计算机。 本章介绍单片机的发展概述、特点、分类及应用领域，为后面章节的学习打下基础。,