单片机基础知识

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单片机基础知识,耿文静,本人介绍,姓名：,耿文静,年龄：,31,教龄：,7年,毕业院校：,天津职业技术师范大学自动化系（本科）,四川大学电子与通信工程专业（研究生）,擅长授课课程：,单片机、PLC、电工学、模拟电路、数字电路。,联系方式:,手机,培养目标,重点掌握,基本能力,单片机应用能力,基本知识,基本开发设计能力,分析,调试,设计,制作,岗位需求和相关能力,医疗器械,的设计制作,医疗器械,的维护维修,医疗器械,的测试、技术支持,医疗器械的销售,过硬的专业知识和技能,较好的专业能力,基本的专业能力,基本的专业知识,教学成果体现,数字时钟温度计,数字温度计,电子琴,智能寻轨小车,返回,单片机芯片实物,芯片内部,本部分内容,一 单片机概念,二 单片机的内部构成和外部引脚,三 计算常识补充,四 MCS-51单片机的存储器,一 单片机概念,什么是单片机？,单片机即单片微型计算机SCM （Single Chip Microcomputer），是将微型计算机的主要部件CPU、存储器（RAM、ROM）、I/O接口、定时计数器、中断系统等，集成在一片芯片上构成的一种计算机芯片，由于应用于控制领域，又简称微控制器MCU（Microcontroler Unit）。 由于ROM用于储存程序代码，因此称为“程序存储器”；RAM用于储存程序执行过程中的数据，称为“数据存储器”。,什么是单片机系统？,由硬件（单片机芯片和外围电路）、软件（内部程序）构成，能完成一定功能的设备，比如温度显示系统、交通灯控制系统等。,单片机的发展史,1971年 单片机诞生,1976年 Intel公司 8位MCS-48系列,1980年 Intel公司 8位MCS-51系列典型的、完善的、应用最广泛的一个系列。,1983年 Intel公司16位MCS-96系列,小常识1：什么是“位”。,我们通常用“位”来表示计算机的处理速度，究竟什么是位呢，为什么“位”越大代表着处理速度就越快呢？,在计算机中，一位代表着一个二进制数，几位的CPU代表着该CPU一次能处理的二进制数的长度。,单片机的应用,单片机应用十分广泛，大致可分如下几个范畴：,1.在智能仪器仪表上的应用 ：摇床、离心机,2.在工业控制中的应用 ：工厂流水线、各种警报系统,3.在家用电器中的应用 ：现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电五花八门，无所不在。,4.在计算机网络和通信领域中的应用 ：手机、交换机,5.单片机在医用设备领域中的应用,单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。,6.在各种大型电器中的模块化应用,7.单片机在汽车设备领域中的应用 ：汽车中的发动机控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。,此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。,二 单片机的内部构成和外部引脚,单片机的内部构成,CPU的内部构造和工作原理,CPU执行指令的过程：查询PC中的地址从ROM对应地址中取出指令代码存入IR进入ID译码，确定该指令的功能在控制器的控制下输出控制信号，执行该功能, PC自加1,。重复上述过程。,MCS-51系列单片机简介,8位,外部可以扩展存储器和接口。,分为2个子系列，3个版本：,/,8KB,8052,/,/,8032,52子系列,4KB,/,8751/87c51,/,4KB,8051/80c51,/,/,8031/80c31,51子系列,MCS-51,EPROM,掩膜MOS,存储器类型,单片机系列,8051单片机的外部引脚,引脚介绍,共40个引脚，4类,（1）电源接口：VCC（40脚）VSS（20脚）,（2）时钟接口：XTAL2（18脚）,XTAL1（19脚）,（3）I/O接口：4个8位的并行口P0、P1、P2、P3。,（4）其他引脚：,RST（9脚）复位，高电平有效,小窍门1：,接口助记词：,奇左偶右，小上大下； 占 4 个角，P3少3脚。,只有P0序号反。,单片机最小系统,任何单片机想要正常工作，都有3个必接的电路：电源电路、时钟电路、复位电路。接好这3种电路的单片机系统，称为单片机最小系统。,1 电源电路,VCC（40脚）一般接5V电源，VSS（20脚）接地。,2 时钟电路,时钟电路接法如左图所示，Y1为晶体振荡器，简称晶振，C1、C2为电容。,作为单片机的必接元件，晶振的作用是什么呢？,晶振就是单片机的“时钟”。CPU的每一步运行都是有严格的时间标准的，谁来给它把控时间呢？就是晶振。单片机通电后，晶振电路开始工作，产生周期性方波，CPU就是以波动周期为时间标准的。,MCS-51系列单片机常用的晶振频率为f=12MHz和f=11.0592MHz。,CPU,执行指令是以机器周期为单位的。机器周期和晶振频率的关系是,T=12/f,。假设,f=12MHz,，则其机器周期为,1us,。,小常识2：,二进制单位有，位-bit，字节-Byte，字-Word,三者关系：,1B=8b，1W=2B=16b,小常识3：,十进制和二进制单位前缀对应数量级对比。,前缀,二进制,十进制,G,2,30,10,9,M,2,20,10,6,K,2,10,10,3,m,-,10,-3,u,-,10,-6,n,-,10,-9,3 复位电路,复位的功能：使单片机恢复初始状态。令程序计数器PC清零，令大部分RAM存储器清零。特殊的有：P0P1P2P3复位后各引脚均为高电平；堆栈指针SP=07H。,复位的条件： 复位引脚的高电平维持两个机器周期以上。,复位的方式：上电复位和手动复位。,三 计算常识补充,进制,进制,字符,计算原则,基数,位权,二进制B,0 1,逢2进1,2,2,-1,2,0,2,1,2,2,十进制D,0 1 9,逢10进1,10,10,-1,10,0,10,1,10,2,十六进制H,09，A B C D E F,逢16进1,16,16,-1,16,0,16,1,16,2,思考：5D和5H一样大吗？15D和15H呢？,进制转换,二、十六进制转换为十进制 原则：按权展开,198 D,=110,2,+910,1,+810,0,=198 D,2A H=2,16,1,+1016,0,=42 D,10110 B=,12,4,+02,3,+12,2,+12,1,+010,0,=22 D,十进制转换成二、十六进制,转换原则1：除基取余，倒序写（整数）练习：将35 D转换为二进制和十六进制数。2,35D,余数2,17,- 1,2,8,- 1 2,4,- 0 2,2,- 0 2,1,- 0 0 - 1,结果：35 D=100011 B=2D H,16,45D,余数16,2,- D,0 - 2,小窍门2：,十进制转换成二进制可采用“拆分法”，将十进制数,拆分成二进制位权之和,的形式，即可直接获得所求二进制数。,8 位二进制数的位权为：,2,7,2,6,2,5,2,4,2,3,2,2,2,1,2,0,128、64、32、16、8、4、2、1。,练习：35D=32+2+1= 2,5,+,2,1,+ 2,0,=100011 B,29D=,40D=,100D=,转换原则2,: 乘基取整法,，顺序写 练习 把0.645 D转换成二、十六进制,0.645D=0.10100 B=0.A51EB H,二进制和十六进制相互转换,转换原则：每一位十六进制数和四位二进制数对应。,练习 :,2AH=00101010B,10010B=00010010=12H,B,D,H,B,D,H,0000,0,0,1000,8,8,0001,1,1,1001,9,9,0010,2,2,1010,10,A,0011,3,3,1011,11,B,0100,4,4,1100,12,C,0101,5,5,1101,13,D,0110,6,6,1110,14,E,0111,7,7,1111,15,F,计算机中数据的表示法,机器数与真值,机器只认识二进制数：0、1。,这是因为，电路状态常有两个，如通、断；高电平、低电平；可用0、1表示。,这种0、1组成的数据称为机器数，在计算机中一般以8位1字节为单元储存。,机器数的编码及运算,对带符号数而言，有原码、反码、补码之分，计算机内一般使用补码。,原码,“+”用0表示， “-”用1表示，数值部分为该数本身，就构成了原码。,如，+3原 = 00000011B,- 3原 = 10000011B,0有两种表示方法：,+0 00000000 B,-0 11111111 B,8位原码能表示的最大、最小的数据为：+127、-128,反码,规定：正数的反码等于原码；负数的反码是将原码的数值位各位取反。,如，+4反 = +4原 = 00000100 B,-4反 = 11111011 B,反码的数据范围：-128 +127,补码,概念：现在是下午3点，手表停在12点，可正拨3点，也可倒拨9点。即是说-9的操作可用+3来实现，在12点里：3、-9互为补码。,运用补码可使减法变成加法。,规定：正数的补码等于原码。,负数的补码求法：反码 + 1,如，+6补 = +6原 = 00000110 B,-6补 = 11111001 +1 = 11111010 B,8位补码的范围 128 +127。,0 的个数：只一个，即00000000 ，而10000000 B是-128的补码。,补码的运算, X补补 = X原,X补+ Y补 = X+Y 补, X-Y 补= X+（-Y）补,例：已知 X=52 Y=38 求X-Y的补码。,十进制数的编码,对机器来说二进制数方便，对人 来说二进制数不直观，习惯于使用十进制数。,在编程过程中，有时需要采用十进制运算，但机器不认识十进制数。怎么办？可以将十进制的字符用二进制数进行编码，这叫做二进制数对十进制编码BCD码。每4位二进制数表示一个十进制字符，这4位的位权依次是：,8、4、2、18421 BCD码。,（1）BCD码加法规则两个BCD数相加时，“某位”的和小于10则保持不变；两个BCD数相加时，“某位”的和大于9，则和数应加6修正。（2）BCD码减法规则两个BCD数相减时，“某位”的差未发生借位，则差数保持不变；两个BCD数相减时，“某位”发生了借位，其差应减6修正。 这里“某位”指BCD数中的“个位”、“十位”、“百位”、,字符信息的表示,计算机能识别0、1，这些0、1、0、1、有的代表数值，有的仅代表要处理的信息（如字母、标点符号、数字符号等文字符号），所以，计算机不仅要认识各种数字，还要能识别各种文字符号。人们事先已对各种文字符号进行二进制数编码。如，美国信息交换标准码ASCII码,四 MCS-51单片机的存储器,ROM,8051单片机的内部ROM容量为4KB，外部最大能扩展到64KB，用于存储程序代码和一些固定的数据表格。,片内片外ROM的选择由引脚31决定。,/EA，31脚，允许读片外ROM控制端。低电平有效。/EA脚的接法和内外ROM使用的关系：,/EA=1 先内后外,/EA=0 只用外部,小常识4：,引脚名称带上划线表示该引脚低电平或下降沿有效。,小常识5：存储空间的地址和容量的关系。,M=2,N,M表示存储容量，N表示存储空间地址的位数。,推导,：,小常识6,如何分清3个B?,在计算机知识中，B可以代表单位（字节），进制（二进制），十六进制数中的一个（B H=11 D）。如何分请他们呢？请看下面几个B的应用,你能分清它们分别代表什么吗。,4KB, 10110100 B，5B H,RAM,外部RAM,最大可以扩展到64KB，地址范围是0000HFFFF H 。,内部RAM,8051只有256B，地址范围是00HFFH。,内部RAM又分为低128B和高128B，在使用上完全不同。,内部RAM的低128B,地址范围：00H-7FH。根据功能的不同又分成-寄存器区、位寻址区、用户区3部分。,寄存器区,共32B，8B一组分成4组。,每个字节在每组内按照地址,从小到大的顺序，名称为R0-R7。用于快速存取数据。,4组寄存器的选择：,组别,RS1 RS0,地址,名称,第3组,11,18H-1FH,R0-R7,第2组,10,10H-17H,R0-R7,第1组,01,08H-0FH,R0-R7,第0组,00,00H-07H,R0-R7,位寻址区,位寻址区的地址范围为20H-2FH，共有16B，这些字节,既可作为一般单元用字节寻址，也可进行位寻址,。 可寻址的位有128个，位地址为00H-7FH。,CPU能直接操作这些位，执行例如置“1”、清“0”、求“反”、转移，传送和逻辑等操作。,我们常称MCS-51具有布尔处理功能，布尔处理的存储空间指的就是这些为寻址区。 位地址分配如下表所示：,用户区,剩下的80B是供用户使用的一般RAM区了，地址为30H-7FH。对这部份区域的使用不作任何规定和限制，但应说明的是，堆栈一般开辟在这个区域。,堆栈,：只有一个口的存储空间。遵循,“先进后出”,原则。弹夹。,可以通过堆栈指针SP设置堆栈的初始位置。比如：SP=0x,4F;,注意：每入栈一个数据，SP的值加1，每弹出一个数据，SP的值减1，SP始终指向栈顶地址。,内部RAM的高128B,此区域零散的分布着21个有特殊功能的寄存器，被称为特殊功能寄存器（SFR）区。,下面，我们介绍一下几个常用的SFR。,1、ACC-累加器，通常用A表示。,运算前存被加减乘除数；,运算后存结果；,数据中转站；,变址寄存器。,2、B-寄存器。,乘、除法前放乘数或除数；,乘、除法后存乘积的高8位、余数；,不做乘除法时，随你怎么用。,3、PSW-程序状态字。,这是一个很重要的东西，里面放了CPU工作时的很多状态，借此，我们可以了解CPU的当前状态，并作出相应的处理。,和运算相关的位：,CY：进位标志。加减法后最高位有进、借位，CY1；无进、借位，CY0,AC：辅助进、借位(高4位与4位间的进、借位)。,0V：溢出标志位。运算结果按补码运算理解。有溢出，OV=1；无溢出，OV0。什么是溢出我们后面的章节会讲到。,P：奇偶校验位：表示运算结果中二进制数位“1”的个数的奇偶性。若运算结果有奇数个1，P1；运算结果有偶数个1，P0。,例：某运算结果是78H（01111000），显然1的个数为偶数，所以P=0。,其他位：,F0：用户标志位，由用户（编程人员）决定什么时候用，什么时候不用。,RS1、RS0：工作寄存器组选择位。这个我们已知了。,4、P0、P1、P2、P3-这个我们已经知道，是四个并行输入/输出口的寄存器。其中的每一位对应着引脚的输出。,5、指针寄存器,（1）程序计数器PC,指明即将执行的下一条指令的地址，16位，寻址64KB范围，复位时PC = 0000H,（2）堆栈指针SP,指明栈顶元素的地址，8位，可软件设置初值，复位时SP = 07H,（3）数据指针DPTR,唯一一个供用户使用的16位的寄存器。指明访问的数据存储器的单元地址，寻址范围64KB。分成DPL(低8位)和DPH(高8位)两个寄存器。如果不用，也可以作为通用寄存器来用，由我们自已决定如何使用。,