单片机ppt课件第0章计算机的基础知识.ppt

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1、单片机原理、接口及应用,嵌入式系统技术基础(第2版),高等学校教材计算机应用,肖看 李群芳 编著,清华大学出版社,第0章 计算机的基础知识,单片机原理、接口及应用,内 容 提 要,绪论 微型计算机的基本结构和工作原理 计算机中的数制与码制 小结,0.1 绪 论, 计算机的新分类 嵌入式系统 单片机 单片机的应用 单片机的发展趋势 MCS-51系列单片机类型,一、计算机的新分类, 长期以来人们按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域，将其分为 大型计算机、中型机、小型机和微型计算机。 随着计算机技术的迅速发展，计算机技术和产品对其它行业的广泛渗透，人们以应用为中心、按计算机的嵌入式应用

2、和非嵌入式应用进行新的分类,将其分为 嵌入式计算机 和 通用计算机。 通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现，并应用在社会的各个方面，其典型产品为PC机； 嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。,什么是嵌入式系统 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、针对具体应用系统、对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含了5-10个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、网卡、Modem、声卡、打印机、扫描仪

3、、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、家电产品等方面无不是嵌入式计算机的应用领域。,二、嵌入式系统,1.嵌入式系统的种类 嵌入式系统的核心部件有以下三类： （1）嵌入式微处理器（Embedded Microprocessor Unit, EMPU）： 功能同标准的CPU，但在工作温度、 电磁干扰、可靠性等方面做了各种增强。 （2）嵌入式微控制器（Microcontroller Unit, MCU又称单片机）。 （3）嵌入式DSP处理器（Embedded Digital Signal Processor, E

4、DSP）：DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。,2.嵌入式系统的特点 1。分散、创新、不可垄断性 通用计算机行业的技术是垄断的， 其体系结构、操作系统（如Windows）几乎垄断全世界。而嵌入式系统是一个分散的工业，充满竞争、机遇和创新，没有哪一个系列的处理器和操作系统 能垄断全世界，各自有各自的应用领域市场。2。产品稳定性多样化 通用计算机淘汰很快，几年一个更新换代，而嵌入式系统新产品虽层出不穷，但它的核心处理器不变，指令系统兼容，51单片机问世20多年，至今方兴未艾。4位机、8位机、 16位机、32位机并存于市场，各有自己

5、的用武之地、因为嵌入式产品追求性价比，生产厂家绝不会杀鸡用牛刀。3。软件特性：编程的语言可以是C语言、也可以是汇编语言，程序不是以磁盘的形式存储，而是固化在单片机芯片或存储器芯片中。 4。嵌入式系统的开发需要开发工具 嵌入式系统自身无开发能力，需借助开发工具，如编程器、仿真器。单片机、DSP、ARM各自都有自己的开发工具。,嵌入式操作系统负责嵌入式系统全部的软、硬件资源分配、调度工作，它除了具备一般操作系统的具备功能外，还具有以下等特点：1.体系结构具有可装卸性、开放性和可伸缩性。2.强实时性。3.提供各种设备驱动接口。4.操作方便、简单、提供友好界面。5.提供强大网络功能。 常用的嵌入式操作

6、系统有Linux等,嵌入式操作系统,全称单片微型计算机(Single ChipMicrocomputer) 又称微控制器MCU(Micro Controller Unit),是将计算机的基本部分微型化,使之集成在一块芯片上的微机。片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/0、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等，它本身就是一个嵌入式系统，同时它也可作更大的嵌入式系统的核心。 单片机的特点是小而全，即体积小、功能全、功耗低、性能价格比高。,三、单片机,1.单片机的应用 由于单片机小而全，易于推广应用等显著优点，在自动化装置，智能化仪器仪表和家用电器等领域得到日益广泛的应用。下

7、面仅列举一些典型的应用领域。 （1）工业控制 数控机床，电机控制，工业机器人，自动控制等 （2）仪器仪表 智能仪器，医疗器械，数字示波器等。 （3）电信技术 调制解调器，声像处理，数字滤波，通信设备等。 （4）办公自动化和计算机外部设备 传真机，复印机，打印机，绘图仪，扫描仪等,（5）汽车与节能 点火控制，变速控制，防滑车控制，排气控制，计费器，交通控制等。 （6）导弹 导弹控制，鱼雷制导，智能武器装置，航天导弹系统等。 （7）商用产品 电子收款机，电子秤，银行统计机等。 （8）家用电器 微波炉，电视机，录像机，音响设备，游戏机等 以上可见它无处不有、无时不在，像个万能的螺丝钉。,2.单片机的

8、发展趋势（1）单片机的字长由4位、8位、16 位发展到32位。 这几种字长的MCU目前同时存在于市场，由于单片机主要用于控制，目前8位的MCU 仍然占主流地位，只有在精度要求特别高的场合如图像处理等，才采用16位的MCU, 用户可以根据产品的需要进行选择。（2）运行速度不断提高。 单片机的使用最高频率由6MHz、12MHz 、24MHz、 33MHz、发展到 40MHz。（3）单片机内的存储容量越来越大。 由1KB、 2KB、 4KB、 8KB、 16KB、 32KB、发展到 64KB 等。,（4）ROM存储器的编程也越来越方便 有 ROM型（掩模型）、OTP型（一次性编程）、EPROM（紫外

9、线擦除编程）、EEPROM（电擦除编程）及FLASH（闪速编程）。编程（烧录）方式也越来越方便，目前有脱机编程、在系统编程（ISP）、在应用编程（IAP）。各类产品并存，可供用户选择。 （5）I/O端口多功能化 单片机内除集成有并行接口、串行接口外，还集成有A/D、D/A、LED/LCD显示驱动、DMA控制、PWM（脉宽调制输出）、 PLC（锁相环控制）、 PCA(逻辑阵列） WDT（看门狗）等。,（6）功耗越来越低 采用CHMOS制作工艺使单片机集HMOS的高速、高集成度和CMOS的低功耗技术为一体，使单片机的功耗进一步降低，适应的电压范围更宽（2.66V）。（7）结合专用集成电路ASIC、

10、精简指令集和RISC技术，使单片机发展成为嵌入式的处理器，深入到数字信号处理、图象处理、人工智能、机器人等领域。 为适应不同的应用需求，一个系列的单片机都有多种衍生产品，其处理器核心一样，只是存储器、接口配置不一样，使功能与应用匹配，以减少功耗和成本。,以上单片机各种发展系列并非一代淘汰一代，用户根据产品要求、性价比等情况选择。 目前市面上较有影响的单片机厂家有：INTEL：MCS-51、MCS-96系列。MOTOROLA：68HCXX系列。MICROCHIP：16C5X/6X/7X/8X系列。ZILOG：Z86EXXXPSC系列TEXAS：MSP430FXX系列多个公司生产32位ARM系列,

11、各厂家单片机的指令系统各不相同，功能各有所长，其中市场占有最高的是MCS-51系列，因为世界上很多知名的IC生产厂家都生产51兼容的芯片。目前为止，MCS-51单片机已有数百个品种，还在不断推出功能更强的新产品。近年来PHILIPS公司又推出了指令和MCS-51兼容的16位单片机，这样保证了MCS-51单片机的先进性，同时，很多专用芯片以它作为控制核心，可以预言，几十年内不会淘汰。因此，MCS-51单片机成为教学的首选机型。,3.MCS-51系列单片机类型 MCS-51系列单片机品种很多，如果按照存储器ROM配置状态,可划分为：片内无EPROM型，如80(C)3X;片内EPROM,如87(C)

12、5X；片内FLASH EEPROM型，如89C5X;片内EEPROM ISP型(可在系统编程）如89S5X。,如果按照其功能，则可划分以下一些类型:(1)基本型 基本型有8031、8051、8751、89C51/S51等。 基本型的代表产品是8051，其基本特性如下： 一个8位CPU和指令系统。 128字节的片内RAM。 21个特殊功能寄存器。 32线并行I/O口。 2个16位定时/计数器。 一个全双工串行口。 5个中断源、2个中断优先级的中断结构.,4KB片内ROM。 一个片内时钟振荡器和时钟电路. 片外可扩展64KBROM和64KBRAM. 由此可见,它本身就是一个功能相当强的8位微型机.

13、 (2)增强型 有8052AH、8032AH、8752BH,此类型单片机的内ROM和RAM容量比基本型的增大一倍,同时把16位计数增为3个.87C54内部ROM增加到16KB,87C58增加到32KB.,(3)低功耗型 有80C5XBH、80C31XBH、87C5X.这类型号带有“C”字的单片机采用CHMOS工艺,其特点是功耗低，另外, 87C51还有两级程序存储器保密系统,可防止非法拷贝程序. 此外还有内含DMA、PCA (可编程计数阵列)、A/D、多并行口、及内含BASIC高级语言型等多类产品，详见教材续表。,由于单片机结构完整、不涉及操作系统，易学易懂、价格便宜、方便动手实践，因此它是嵌

14、入式系统学习的入门课，通过它，既学习了硬件、也学习了软件，是工科学生的基础课。,0.2.1 微机的系统结构,微机系统,软件,硬件,主机,外围设备,微处理器（CPU）,运算器控制器寄存器,存储器（内存）,RAMROM,输入/输出接口（I/O接口）,并行、串行接口定时器、A/D、D/A,总线,系统软件应用软件程序设计语言,外部设备,辅助设备,输入设备输出设备辅助存储器,电源电路时钟电路,CPU是计算机的控制核心，它的功能是执行指令，完成算数运算、逻辑运算，并对整机进行控制。存储器用于存储程序和数据。输入/输出接口（又称I/O接口）是CPU和外设之间相连的逻辑电路，外设必须通过接口才能和CPU相连。

15、不同的外设所用接口不同。每个I/O接口也有一个地址，CPU通过对不同的I/O接口进行操作来完成对外设的操作。总线 CPU 、存储器、I/O接口和之间相连的一组线。用于传送程序或数据的总线称为数据总线（DB) ；用于传送地址，以识别不同的存储单元或I/O接口的一组线称为地址总线（AB) ；用于控制数据总线上数据流送的方向、对象等的一组线称为控制总线（ 。,计算机系统的硬件结构如下图所示:,CPU,输入接口,输入设备,DB,AB,CB,DB,AB,CB,输出接口,输出设备,0.2.2 微机的基本工作原理,存储程序、执行程序是微机的工作原理，取指令，译码，执行是微机的基本工作过程。单片机是微型计算机

16、的一种，是将计算机主机（CPU、存储器和I/O接口）集成在一小块硅片上的微机，又称微控制器。它专为工业测量与设计而设计，具有三高优势（集成度高、可靠性高、性价比高）. 单片机的特点是小而全(体积小，功能全），主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器、仪表、通信设备、家用电器等，特别适合于嵌入式微型机应用系统。 嵌入式工程师的任务 就是根据应用对象的需求，完成硬件和软件的设计，即选择合适的单片机，进行接口、存储器等电路的系统设计，并设计程序，以控制应用系统按程序的指令完成规定的工作。这就是本门课要学习的内容。,0.2.3 微机的主要技术指标,微型计算机主要有如下一些技术指标：字长：CPU并

17、行处理数据位，由此定为8位机、16位机、32位机等。存储容量：存储器单元数，例如256B、8KB、1MB等（1B即一个字节，也就是一个8位二进制数，是计算机数据的基本单位）。运算速度：CPU处理速度，它和内部的工艺结构以及外接的时钟频率有关。时钟频率：在CPU极限频率以下，时钟频率越高，执行指令速度越快，对单片机而言，有6MHz、12MHz、24MHz等。,0.3.1 计算机中的数,计算机中的数字电路具有两种不同的稳定状态且能相互转换，即“0”和“1”两种状态。计算机处理的一切信息均用二进制数表示，但是二进制数书写起来太长，所以微型计算机中的二进制数都采用十六进制来缩写。十六进制数用09、AF

18、等16个数码表示十进制数015。 为了区别十进制数、二进制数及十六进制数3种数制，在数的后面加一个字母以进行区别。用 B（binary）表示二进制数制； D（decimal）或不带字母表示十进制数制； H（hexadecimal）表示十六进制数制。,表0-1 不同进位记数制对照表,二进制数转换为十六进制数 将二进制数从右（最低位）向左每4位为1组分组，若最后一组不足4位，则在其左边添加0，以凑成4位，每组用1位十六进制数表示。如：1111111000111B1 1111 1100 0111B0001 1111 1100 0111B1FC7H 十六进制数转换位二进制数 只需用4位二进制数代替1位

19、十六进制数即可。 如：3AB9H=0011 1010 1011 1001B,十六进制数和十进制数间的相互转换 将十六进制数按权展开相加，如：1F3DH=163116215161316013 =4096125615163113 =409638404813=7997 十进制整数转换为十六进制数可用出16取余法，即用16不断地去除待转换的十进制数，直至商等于0为止。将所得的各次余数，依倒叙排列，即可得到所转换的十六进制数。如将38947转换为十六进制数，其方法及算式如下： 即38947=9823H,0.3.2 计算机中数的几个概念,1.机器数与真值机器数：机器中数的表示形式，它将数的正、负符号和数值

20、部分一起进行二进制编码，其位数通常为8的整数倍。真值：机器数所代表的实际数值的正负和大小，是人们习惯表示的数。2。数的单位位（bit）：一个二进制数中的1位，其值不是1便0。字节（Byte）：一个字节，就是一个8位的二进制数。字（Word）：两个字节，就是一个16位的二进制数。双字：两个字，即四个字节，一个32位二进制数。 只有8位、16位或32位机器数的最高位才是符号位。,0.3.3 计算机中的有符号数的表示,有符号数有原码、反码和补码三种表示法。1.原码 数值部分用其绝对值，正数的符号位用“0”表示，负数的符号位用“1”表示。如：X1=5=+00000101B X1原=00000101B

21、X2=-5=-00000101B X2原=10000101B,符号位,8位原码数的范围为FFH7FH（-127127）。原码数00H和80H的数值部分相同、符号位相反，它们分别为+0和-0。16位原码数的数值范围为FFFFH7FFFH（-3276732767）。原码数0000H和8000H的数值部分相同、符号位相反，它们分别为+0和-0。 原码表示简单易懂，而且与真值的转换方便。但若是两个异号数相加，或两个同号数相减，就要做减法。为了把减运算转换为加运算，从而简化计算机的结构，就引进了反码和补码。,（2）反码 正数的反码与原码相同； 负数反码：符号位不 变，数值部分按位取反。 例 求8位反码机

22、器数：x1=+4 x1原=00000100B x1反=00000100B=04Hx2=-4 x2原=10000100B x2反=11111011B= FBH,(3)补码正数的补码与原码相同；负数补码为其反码加1。例：求 8位补码机器数：x1=+4： x1原=x1反=x1补= 00000100=04Hx2= - 4：x2原 =10000100 x2反 = 11111011 x2补 = x2 反+1= 1111100=FCH 8位补码数的数值范围为-128127（80H7FH）。16位补码数的数值范围为8000H7FFFH（-3276832767）。字节80H和字8000H的真值分别是-128(-

23、80H)和-32768(-8000H)。补码数80H和8000H的最高位既代 表了符号为负,又代表了数值为1。,快速求法：将负数原码的最前面的1和最后一个1之间的每一位取反。例如x=-4： x原 = 10000100 x补 = 11111100=FCH取反 用 模-X求 两数互补是针对一定的“模”而言，“模”即计数系统的过量程回零值，例如时钟以12为模（12点也称0点），4和8互补，一位十进制数3和7互补（因为3710，个位回零，模为10110），两位十进制数35和65互补（因为3567100，十进制数两位回零，模为102100），而对于8位二进制数，模为28100000000B=100H,同

24、理16位二进制数，模为21610000H,设有原码机器数X, X0 则 X补=X原 ; X0 则 X补= 模-例如对八位二进制数： X1=+4：X1补=00000100=04H； X2=-4：X2补 = 100H-4=FCH对于16二进制位数： X2=+4： X2补= 0004H； X2=-4： X2补 = 10000H-4=FFFCH,由此得出求补的通用方法：一个数的补数模该数，这里补数是对任意的数而言，包括正、负数。而补码是针对符号机器数而言。,几点说明： 根据两数互为补的原理，对补码求补码就可以得到其原码，将原码的符号位变为正、负号，即是它的真值 例如求补码数FAH的真值 。因为FAH为

25、负数,求补码 FAH补86H=-6, 所以补码数FAH的真值为-6. 例如求补码数78H的真值 。因为78H为正数求补码 78H补78H=+120 78H的真值为120 一个用补码表示的机器数，若最高位为0，则其余几位即为此数的绝对值；若最高位为1，其余几位不是此数的绝对值，必须把该数求补（按位取反（包括符号位）加1），才得到它的绝对值。如：X=-15 -15补F1H11110001B 求补得00001110100001111B=15, 当数采用补码表示时，就可以把减法转换为加法。例1：64-10=64+(-10)=5464补=40H=0100 0000B10补=0AH=0000 1010B

26、-10补=1111 0110B做减法运算过程： 用补码相加过程 结果相同，其真值为36H（=54）。由于数的八位限制，最高位的进位是自然丢失的（再计算机中。进位被存放在进位标志CY中的。）用补码表示后，减法均可以用补码相加完成。因此，在微机中，凡是符号数一律是用补码表示的。用加法器完成加、减运算，用加法器和移位寄存器完成乘、除运算，简化计算机硬件结构。,例2: 34-68=34+(-68)-3434=22H=0010 0010B68=44H=0100 0100B -68补=1011 1100B做减运算过程： 用补码相加过程： 结果相同。因为符号位为1，对其求补，得其真值：-00100010B，

27、 即为-34=-22H。由上面两个例子还可以看出，1)用补码相加完成两数相减，相减若无借位，化为补码相加就会有进位；相减若有借位，化作补码相加就不会有进位。2)补码运算后的结果为补码，需再次求补才能得到运算结果的 真值。,0.3.4 进位和溢出,例3 10550155 10569H 5032H 若把结果视为无符号数，为155，结果是正确的。若将此结果视为符号数，其符号位为1，结果为-101，这显然是错误的。其原因是和数155大于8位符号数所能表示的补码数的最大值127，使数值部分占据了符号位的位置，产生了溢出，从而导致结果错误。又如： -105-50=-155 CY=1 两个负数相加，和应为负

28、数，而结果01100101B却为正数，这显然是错误的。其原因是和数-155小于8位符号数所能表示的补码数的最小值-128，也产生了溢出。结论：当两个补码数相加结果超出补码表示范围，就会产生溢出，导致结果错误。计算机中设立了溢出标志位OV，通过最高位的进位（符号位的进位）CY和次高位进位（低位向符号位的进位）CY-1异或产生。,例4 74744AH+4AH 0 1 0 0 1 0 1 0 0 01 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 CY CY-1=0 1=1.有溢出 OV1 CY CY-1 无进位 CY=0 由上两例中，例3的 OV=1、CY=1,例4中OV=1、CY=

29、0，可见溢出和进位并非有必然的联系，这是由于两者产生的原因是不同的，两者判断的方法也是是不同的。重述如下： 溢出OV：两个补码数相加结果超出补码表示范围而产生，OV= CY CY-1 进位CY: 当运算结果超出计算机位数的限制（8位、16位），会产生进位，它是由最高位计算产生的,在加法中表现为进位，在减法中表现为借位。,0.3.5 BCD码,生活中人们习惯于十进制数，计算机只能识别二进制数，为了将十进制数变为二进制数，出现了BCD码，即二进制代码表示的十进制数。故名思意，它即是逢十进一，又是一组二进制代码。用4位二进制数编码表示1位十进制数称为压缩的BCD码，8位二进制数可以放2个十进制数位。

30、也可以用8位二进制数表示1个十进制数位，这种BCD码称为非压缩的BCD码。十进制数和BCD码的对照表见表0-2,表0-2 BCD编码表,例：求十进制数876的BCD码 压缩的BCD码 ：876BCD = 1000 0111 0110B=876H 非压缩的BCD码：876BCD=00001000 00000111 00000110B080706H 又如,十进制数1994的压缩的BCD码1944H 1994的非压缩的BCD码01090404H,0.3.6 BCD码的运算,BCD码运算应该得到BCD码结果，由于计算机是按二进制运算，结果不为BCD码，因此要进行十进制调整。调整方法为：当计算结果有非B

31、CD码或产生进位/借位时，加法进行 +6、减法进行 -6 调整运算。例：计算BCD码 78+69=？ 0111 1000 78H+ 0110 1001 + 69H 1110 0001 E1H不调整，结果为二进制+ 0110 0110 + 66H调整， 高4位产生非BCD码+6， 和低4位有半进位+61 0100 0111 147 调整结果：147 （带进位一起）为十进制结果,例：计算BCD码 38-29=？ 0011 1000 38H - 0010 1001 - 29H 0000 1111 0FH- 0000 0110 - 06 低4位有半借位-6调整 高4位未产生非 BCD且无借位不调整 0

32、000 1001 9 结果：9在计算机中，有专门的调整指令完成调整操作。,0.3.7 ASCII码,表-3 常用字符的ASCII码） 美国标准信息交换码ASCII码，用8位二进制编码表示字符，用于计算机与计算机、计算机与外设之间传递信息，每一个符号都有对应的ASCII码，常用数字和字母ASCII码如表1-所列，在程序中，字符可用ASCII码表示，也可以用加引号的字符表示，例如字符4，可以用34H表示，也可以用4表示，此时，它只有符号的意义，而无数量的概念。,表-3 常用字符的ASCII码）,0.4 小 结,1了解计算机的系统结构，明确单片机是微机的一种。2计算机的基本数制是二进制，所有的信息都

33、是以二进制数的形式存放，为方便阅读，以十六进制表示，对于二、十、十六几种进制之间的转换要求十分熟练。3计算机中的有符号数一律以补码表示，补码、原码。真值之间的转换要求十分熟练。4计算机中的计算一律为二进制运算，符号位也参与运算，运算中会产生进位和溢出，应明确概念，掌握判断方法5编码是用一组特定的数码表示一定的字符，计算机常用的编码有BCD码和ASCII码，应记住常用的字符编码。,特别提出的是，计算机只识别0 和1，是有符号数还是无符号数、是补码还是原码、是BCD码、ASCII码还是一般的二进制数计算机是不能识别的，完全是人的认定，人根据不同的认定作不同的分析和处理。例如FFH 作为无符号，它代表255，作为有符号原码，它代表127，作为有符号补码，它代表1；又如32H，视作ASCII码它是字符2, 视作BCD码，它是十进制数32，视作二进制数它是50这就是根据不同的认定作不同的分析，编程作不同的处理，如：认定是BCD码，运算后加调整指令，如果认定不是BCD码，而是一般的二进制数，运算后不加调整指令。,