片机原理及应用概述.ppt

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1、单片机原理及应用,教材及参考书,教材单片机原理及接口技术(第三版)-李朝青，北京航空航天大学出版社参考书 单片机中级教程-何立民，北京航空航天大学出版社 单片微型计算机原理及其C语言程序设计-陈光东，华中科技大学出版社 单片机的C语言应用程序设计-马忠梅编，北京航空航天大学出版社 单片机原理与接口技术-牛昱光，电子工业出版社,课程特点及考核要求,应用性强：多动手、多实践考核方法：平时成绩+实验+期末考试 实践环节：Keil+Proteus 虚拟仿真考 试：基本概念原理+设计编程,理论课主要内容,第一部分：MCS-51系列单片机的基本硬件结构 介绍51单片机内部硬件结构（数据寄存器、程序存储器、

2、输入输出端口、定时计数器、串行口及中断等）第二部分：MCS-51单片机的指令系统 51单片机的111条指令的分类、寻址方式、伪指令及使用中的注意事项，和编程基础第三部分：MCS-51单片机的系统扩展及应用 程序与数据存储器的扩展、定时/计数器的应用、串行口的应用及A/D、D/A转换器与单片机的接口和键盘扫描/动态显示接口电路。,如何学好本门课程,理论课是整个课程的基础。它包含了MCS-51单片机的硬件组成及工作原理。只有熟练地掌握这些才能正确地使用指令进行各种编程、应用和开发。正确的理解和掌握指令的寻址方式，掌握程序设计的一般方法。掌握外围芯片的使用方法，以及与单片机的接口原理。这是进行各种应

3、用系统设计的基础。认真完成实验。实验前，分析每个实验程序，独立地完成思考题的编程，掌握程序的各种调试方法。对于综合设计的内容要注意程序的整体结构（流程图），调试方法和步骤，要学会如何利用调试软件，使用不同的方法来调试、运行程序、寻找程序中的错误。,第1章 概 述,本章教学要求掌握常用数制与编码的基础知识；了解单片机与微型计算机的区别；熟悉单片机的结构组成；了解单片机的特点与指标；了解单片机的发展历史、常用产品及应用领域；,主要内容,0、数制与编码的基础知识1、微型计算机及系统2、单片机及单片机系统3、单片机的发展4、单片机的特点5、主流单片机厂家,0 数制与编码的简单回顾,1 数制及数制间转换

4、 2 计算机中常用编码,0.1 数制计数的进位制,1.二进制：是“0”和“1”这样的数、逢2进位。按权展开时权的基数为2。用后缀字母“B”表示。如：1001B=123+022+021+120=9（十进制数）,2.十进制：是“0”“9”之间的数、逢10进位。按权展开时权的基数为10。用后缀字母“D”表示。如：1135=1103+1102+3101+5100,3.十六进制：是“0”“9”，“A,B,C,D,E,F”之间的数、逢16进位。按权展开时权的基数为16。用后缀字母“H”表示。如：1C5H=1162+12161+5160=453D,2、不同数制之间的转换,1、二进制、十六进制转化成十进制：将

5、二、十六进制数按权展开相加即为相应的十进制数。如：1101 B=123+122+021+120=13D如：1F H=1161+15160=31D,2、不同数制之间的转换,2、十进制转换成二进制数：将十进制数除2取余，商为0止余数倒置。如：11D=1011B 3、十进制转换成十六进制数：将十进制数除16取余，商为0止余数倒置。如：100D=64H,2、不同数制之间的转换,4、二进制转换成十六进制数：将二进制数以小数点为界四位一分，不足补0，用一位十六进制数代替四位二进制数。如：1 0011 1100 B=0001 0011 1100 B=13C H5、十六进制转换成二进制数：将十六进制数以小数点

6、为界，用四位二进制数代替一位十六进制数。如：D4E H=1101 0100 1110 B,0.2 计算机中常用编码,BCD（Binary Coded Decimal）码二十进制码ASCII（American Standard Code for Information Interchange）码,1.BCD（Binary Coded Decimal）码二十进制码,BCD码是一种二进制形式的十进制码，也称二十进制码。它用4位二进制数表示1位十进制数，最常用的是8421BCD码。8421BCD码用0000H1001H代表十进制数09，运算法则是逢十进一。8421BCD码每位的权分别是8，4，2，1，

7、故得此名。例如，1 649的BCD码为0001 0110 0100 1001。用1个字节表示2位十进制数的代码，称为压缩的BCD码。,表 1-2 8421 BCD码表,2.ASCII（American Standard Code for Information Interchange）码,ASCII码是一种字符编码，是美国信息交换标准代码的简称，见表1-3。它由7位二进制数码构成，共有128个字符。ASCII码主要用于微机与外设通信。当微机与ASCII码制的键盘、打印机及CRT等连用时，均以ASCII码形式进行数据传输。例如，当按微机的某一键时，键盘中的单片机便将所按的键码转换成ASCII码传

8、入微机进行相应处理。,表 1-3 ASCII码字符表,0.3 数据在计算机中的表示,0.3.1 有符号数 0.3.2 无符号数,0.3.1 有符号数,有符号的8位二进制数用最高位D7表示数的正或负0代表“+”，1代表“-”，D7称为符号位，D6D0为数值位。,上述的8位带符号二进制数又有3种不同表达形式，即原码、反码和补码。在计算机中，所有有符号数都是以补码形式存放的。,1.原码 一个二进制数，用最高位表示数的符号，其后各位表示数值本身，这种表示方法称为原码。原码的表示范围是-127+127例如:X=+1011010B X原=01011010B；X=-1011010B X原=11011010B

9、,2.反码 正数的反码与原码相同。符号位一定为0，其余位为数值位。负数的反码符号位为1，数值位将其原码的数值位逐位求反。反码的表示范围是-127+127例如:X=-1011010B X 原=11011010B X 反=10100101B,3.补码正数的补码与原码相同。负数的补码符号位为1，数值位将其原码的数值位逐位求反后加1，即负数的反码加1。补码的表示范围是-128+127例如:X=-1011010B X 补=10100110B通常计算机中的数用补码表示，用补码进行运算。一个很明显的优点是减法可以用补码的加法来运算。这里还要特别提示“溢出”的概念。溢出与进位不同，溢出是指有符号数的运算结果超

10、出了数-128+127的表示范围，破坏了符号位。,补码的优点是可以将减法运算转换为加法运算，同时数值连同符号位可以一起参加运算。如：45H-55H=-10H，用补码运算时可以表示为：45H补+-55H补=-10H补,结果1111 0000B为补码；求补得到原码为：1001 0000B；真值为-001 0000B（即-10H）。,几个典型的带符号数据的8位编码表,采用补码时，“0”只有一种表示方式，单字节表示的范围是：-128+127。,4 机器数与真值机器数：计算机中以二进制形式表示的数。真值：机器数所代表的数值。例如，机器数10001010B，它的真值为138（无符号数）-10（原码）-11

11、7（反码）-118（补码）【例15】怎样根据真值求补码，或根据补码求真值？答：只有两种求补码的方法：一是求负数的补码，用绝对值“取反加1”来求补码；二是求负数（补码）的真值，可先将该补码数用“取反加1”的方法得到其绝对值，再在绝对值前添加一负号。,无符号的8位二进制数没有符号位，从D7D0皆为数值位，所以8位无符号二进制数的表示范围是0+255。8位二进制数码的不同表达含义见表1-4。,0.3.2 无符号数,表 1-4 数的表示方法,一、电子计算机 以存储程序的方式、自动地进行算术和逻辑运算 的数字电子装置称电子计算机。1946年2月15日，世界上第一台数字式电子计算机 是在美国费城宾夕法尼亚

12、大学莫尔学院研制成功并运 行，名为(ENIAC)。1955年10月切断电源。,1 微型计算机及系统,ENIAC是电子管计算机，时钟频率仅有100 KHz，但能在1秒钟的时间内完成5000次加法运算。有18000个电子管。它的问世开创了计算机科学技术的新纪元，对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响。,1 微型计算机及系统,1 微型计算机及系统,匈牙利籍数学家冯诺依曼在方案的设计上做出了重要的贡献。“指令和数据一起以二进制的形式存放在存储器中。”由计算机之父美籍匈牙利数学家冯 诺依曼1945年3月提出，标志着电子计算机时代的真正开始。,1946年6月，他又提出了“程序存储”和“二进制运算”的思想，

13、进一步构建了计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成这一计算机的经典结构。（EDVAC-ELECTRONIC DISCRETE VARIABLE AUTOMATIC COMPUTER）,1971年1月，INTEL公司的特德霍夫在与日本商业通讯公司合作研制台式计算器时，将原始方案的十几个芯片压缩成三个集成电路芯片。其中的两个芯片分别用于存储程序和数据，另一芯片集成了运算器和控制器及一些寄存器，称为微处理器（即Intel 4004）。,4004微处理器,电子计算机技术的发展，相继经历了五个时代：,电子管计算机；晶体管计算机；集成电路计算机；大规模集成电路计算机；超大规模集成电路计算机

14、。,计算机的结构仍然没有突破冯诺依曼提出的计算机的经典结构框架。,1 微型计算机及系统,微机系统具有硬件功能强大、数据处理能力强等优点，已经成为当今社会普遍应用的不可替代的“通用”工具硬件：由CPU、存储器、定时/计数器、并行输入/输出接口电路、中断控制器等大规模IC芯片安置在一个（或多个）电路板上，配合键盘、显示器等构成了微型计算机的硬体部分。软件：微型计算机的硬件在其丰富的软件（系统软件+应用软件）支持下，可以进行各种复杂的数据处理、过程控制等领域中的应用。,返回,输出接口电路,1.1 基本概念,微处理器-把运算器与控制器封装在一小块芯片上，称该芯片为微处理器。微型计算机-微处理器与存储器

15、，输入输出接口电路在印制电路板上用总线连接起来，就构成了微型计算机。包括运算器、控制器、存储器、输入输出接口组成。,单片机-在一块芯片上，集成一台微型计算机的四个基本组成部分，则这种芯片称为单片微型计算机，简称单片机。单片机系统-以单片机为核心的系统称为单片机系统。,1.1.1 微型计算机基本结构,它由控制器、运算器、存储器、输入/输出接口电路、输入设备和输出设备几部分组成，它们之间由总线连接进行信息传输。控制器和运算器综合起来称中央处理器（CPU），也称为微处理器。,1.1.1 微型计算机基本结构,1控制器,控制器是计算机的控制核心，它负责从内部存储器中,1.1.1 微型计算机基本结构,取出

16、指令并对指令进行分析、根据指令发出控制信号，指挥输入、输出、运算器、存储器等功能部件协调工作。,2运算器,运算器（Aithmctieal Logic Unit，ALU）,1.1.1 微型计算机基本结构,运算器又称算术逻辑部件，主要完成算术运算和逻辑运算。,3存储器,存储器用于存储程序和数据。存储器根据其位置不同可分为两类：内部存储器和外部存储器。,1.1.1 微型计算机基本结构,内部存储器(简称内存)和CPU直接相连，存放当前要运行的程序和数据，故称主存储器(简称主存)。外部存储器(简称外存)，主要用于保存暂时不用但又需长时间保留的数据和程序。存放在外存的程序必须调入内存才能运行。,4输入/输

17、出接口I/O,输入/输出接口（又称I/O接口）是CPU与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。,1.1.1 微型计算机基本结构,5输入和输出设备,输入和输出设备（如：键盘、鼠标、显示器、打印机等）用于完成和计算机进行信息交流的输入和输出操作。,1.1.1 微型计算机基本结构,6总线（Bus）,总线是控制器、运算器、存储器、I/O接口之间相连的一组线。数据总线（Data Bus，DB）；地址总线（Address Bus，AB）控制总线（Control Bus，CB）。,1.1.1 微型计算机基本结构,2、单片机及单片机系统,单片机的概念 我们将组成微型计算机的各功能部件：中央

18、处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）I/O接口电路及定时/计数器等制作在一块集成电路芯片中从而构成完整的微型计算机。故称作单晶片微型计算机，简称单片机（Single chip microcomputer)。或称微控制器(MCU:Microcontroller),返回,微型计算机与单片机在硬件结构上的比较,微型计算机 单片机,数据RAM,CPU,并行I/O,程序ROM,定时/计数器,串型端口,中断控制器,扩展I/O端口,系统总线（DB、AB、CB）,微型计算机的组成框图（由多个IC芯片组装在一个主电路板上）,MCS-51单片机,所有单元都组装在一个IC芯片上,返回,3、单片机的发展,197

19、6年，Intel公司首先推出了MCS-48系列的单片微型计算机，单片机的发展历史大致可分为三个阶段。第一阶段 低性能阶段（19761978年）：以Intel公司的MCS-48系列为代表，此单片微型计算机具有8位CPU、并行I/O端口、8位时序同步计数器，寻址范围不大于4KB，但没有串口。,第二阶段 高性能阶段（19781982年）：如Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司的6801和Zilog公司的Z-8等。该类单片机具有串口、多级中断处理系统和16位时序同步计数器，RAM、ROM容量加大，寻址范围可达64KB，有的芯片还有A/D转换接口。第三阶段（1982至今）：8位单片微型

20、计算机改良型及16与32位单片微型计算机阶段，如Intel公司的16位单片机MCS-96系列，32位单片机ARM系列。,电子计算机是科技发展的产物 计算机的飞速发展归功于半导体集成技术的发展 计算机的发展趋势微型化巨型化网络化智能模拟化,单片机学科的发展趋势,单片机学科的发展趋势,自从1974年美国Fairchild公司研制出第一台单片机F8之后，迄今为止，单片机经历了由4位机到8位机再到16位机以及32位的发展过程。单片机制造商很多，目前，单片机正朝着高性能、多品种方向发展。近年来，32位单片机已进入了实用阶段，但是由于8位单片机在性能价格比上占有优势，而且8位增强型单片机在速度和功能上向现

21、在的16位单片机挑战，因此在未来相当长的时期内，8位单片机仍是单片机的主流机型。,4、单片机的特点,1、产品特点体积小：基本功能部件满足要求可靠性高：BUS大多在内部；易采取电磁屏蔽功能强：实时响应速度；I/O直接操作使用方便：硬件设计简单；提供开发工具资料性能价格比高：电路板小；接插件少易产品化：研制周期短,2、硬件结构与功能上特点存储器ROM和RAM严格分工采用面向控制的指令系统输入/输出端口引脚具有复用功能品种规格的系列化硬件功能具有广泛的通用性,3、应用面广智能化测控系统智能化接口机电一体化：电脑缝纫机智能仪表：测量仪实时控制：汽车家电：（MOTOROLA）网络通信：通信协议集成其中计

22、算机外设：键盘、打印机保健 产品：按摩器,返回,。,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,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。,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

23、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。,分布式系统的前端模块,在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块，系统具有运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一系列优点。,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

24、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。,5、主流单片机厂家,器件厂家美国：Intel、Motorola、Microchip、Atmel 荷兰:Philips 德国：Siemens日本：Nec大陆：STC,返回,ATMEL公司融入Flash存储器技术的AT89系列；Philips公司的80C51、80C552系列；华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列；ADI公司的ADC8xx高精度ADC系列；LG公司的GMS90/97低压高速系列；Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列；Cygnal公司的C8051F系列高速SOC单片机。尽管目前单片机的

25、品种繁多，但其中最具典型性的仍当属Intel公司的MCS-51系列单片机。,80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成，近年来推出的与80C51兼容的主要产品有：,对单片机的选择原则主要是从指令结构、程序存储方式和功能等几个方面考虑。要考虑单片机的性能指标：位数存储器I/O口速度工作电压功耗温度,单片机的选择,网络学习资源,周立功单片机（）武汉力源（）中源单片机（）嵌入开发网（）51单片机（）单片机学习网（）单片机爱好者（www.mcufan.con）,网络学习资源,51单片机世界（）中国单片机公共实验室（www.Bol-）中国单片机综合服务网（）中国电子网（）单片机技术开发网（www.Mcu-）老古开发网（）我爱51单片机（）电子工程师（）世界电子元器件（）世界单片机论坛大全（www.E,网络学习资源,http:/(电子工程师社区)http:/（水木社区MCUTech版）http:/（单片机爱好者）http:/（单片机学习网）http:/(电子工程专辑)国家精品课程网站 国外开放课程（麻省理工等）And more.,思考题,1-1 微型计算机通常由哪些部分组成？各有哪些功能？1-2 单片微型计算机与一般微型计算机相比较有哪些区别？有哪些特点？1-3 简述计算机的工作过程。,