1、第第章章单单片片机机基基础础知知识识 本章内容本章内容Single Chip Microcomputer什么是单片机？什么是单片机？数制和码制数制和码制单片机分类单片机分类计算机发展概述计算机发展概述2/503/50约翰约翰冯冯诺依曼诺依曼 电子元件双稳工作的特点，提出在电子计算机中采用二进制运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备 4/50 阶段阶段 CPU(中央处理器中央处理器)第一代第一代 Intel 4004 / 8008第二代第二代 Intel 8080第三代第三代 Intel 8085 第四代第四代 Intel 8086 / 8088 / 80486第五代第五代 Pentium
2、 586Pentium Pentium Pentium 微型计算机的发展微型计算机的发展1.1.15/50Intel80806/507/50IntelMCS-481976年年intel公司研制出公司研制出MCS-48系列系列8位的单片位的单片机，这也是单片机的问世。机，这也是单片机的问世。8/50IntelMCS-511980年年intel公司研制出公司研制出MCS-51系列系列8位的单片位的单片机。机。 8位位CPU、4K字节字节ROM、128字节字节RAM、4个个8位并口、位并口、1个全双工串行口、个全双工串行口、2个个16位定时位定时/计数器。计数器。寻址范围寻址范围64K，并有控制功能
3、较强的布尔处理，并有控制功能较强的布尔处理器器。 。微型计算机硬件结构微型计算机硬件结构 运 算 器控 制 器CPU存 储 器输输入入接接口口电电路路输输入入设设备备输输出出设设备备输输出出接接口口电电路路硬件系统CPU (Central Processing Unit)软软件件系系统统+运 算 器控 制 器CPU存 储 器输输入入接接口口电电路路输输入入设设备备输输出出设设备备输输出出接接口口电电路路硬件系统计算机主要技术指标计算机主要技术指标v字长字长： CPUCPU并行处理二进制的数据位数并行处理二进制的数据位数 8 8位机位机、1616位机、位机、3232位机和位机和6464位机。位机
4、。 内存容量内存容量：内存存储单元数内存存储单元数 容量单位：容量单位：1 1K=2K=21010=1024=1024，1M=21M=22020=1KK=1KK 8K8K、64K64K、1616M M、64M64M。 运算速度运算速度：CPUCPU处理速度处理速度时钟频率、主频、每秒运算次数时钟频率、主频、每秒运算次数 6 6MHzMHz、12MHz12MHz、2424MHzMHz、100MHz100MHz、300MHz300MHz。 内存存取周期内存存取周期：内存读写速度内存读写速度 5050nS nS 、70nS 70nS 、200200nS nS 。v单片机单片机即单即单片微型计算机片微
5、型计算机，是将计算机主机是将计算机主机( (CPUCPU、 内存内存和和I/I/O接口接口) )集成在一小块硅片上的微型机集成在一小块硅片上的微型机。 单片机为单片机为工业测控工业测控而设计，又称微控制器而设计，又称微控制器。具有三高具有三高优势优势(集成度高、可靠性高、性价比高集成度高、可靠性高、性价比高)。 主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用电器等。仪表、通讯设备、家用电器等。 特别适合于嵌入式微特别适合于嵌入式微型机应用系统。型机应用系统。单片机的特点及应用单片机的特点及应用 体积小，重量轻体积小，重量轻电源单
6、一，功耗低电源单一，功耗低功能强，价格低功能强，价格低运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高单片机发展概况v1976-1978 1976-1978 初级初级8 8位单片机位单片机 Intel MCS-48 Intel MCS-48 系列系列v1978- 1978- 高档高档8 8位单片机位单片机 Intel Intel MCS-51MCS-51系列系列：v-51-51子系列：子系列：80318031/8051/8751/8051/8751v-52-52子系列：子系列：80328032/8052/8752/8052/8752v低功耗型低功耗型8080C31C31高性
7、能型高性能型8080C252C252廉价型廉价型8989C C20512051/ /10511051 1983- 161983- 16位单片机位单片机 Intel MCS-96 Intel MCS-96 系列系列8098/80968098/8096、8080C198/80C196C198/80C196 3232位单片机位单片机 80960 80960 主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。构。“创新模式创新模式”获得成功，奠定了获得成功，奠定了SCM与通用计算与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展机完全不同的发展道路。
8、在开创嵌入式系统独立发展道路上，道路上，Intel公司功不可没公司功不可没SCM即单片微型计算机即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段 主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。象的智能化控制能力。 它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，角度来
9、看，Intel逐渐淡出逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。的发展也有其客观因素。在发展在发展MCU方面，最著名的厂家当数方面，最著名的厂家当数Philips公司。公司。MCU即微控制器即微控制器（Micro Controller Unit）阶段 单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋化趋势。随着微电子技术、势。随着微电子技术、IC设计、设计、EDA工具的发展，基工具的
10、发展，基于于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。器延伸到单片应用系统。SoC单片机单片机(System On Chip)单片机内部结构示意图单片机内部结构示意图 C P U 存 储 器定 时 器 / 计 数 器 中 断 系 统P0-P3TxDRxD TINT并行I/O口串行I/O口单片机应用系统单片机应用系统单单片片机机接口接口电路电路及外及外设等设等单片机应用系统单片机应用系统: :由由硬件系统硬件系统和和软件系统软件系统组成
11、组成硬件是硬件是应用系统的基础应用系统的基础软件是在硬件的基础上软件是在硬件的基础上对其资源对其资源进行合理调配和使用进行合理调配和使用，从而完成，从而完成应用系统所要求的任务，二者相应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可互依赖，缺一不可22/50 广州周立功单片机发展有限公司广州周立功单片机发展有限公司 广州致远电子有限公司广州致远电子有限公司我依然保持每天学习到深夜的习惯，但我只学习有用的知识，每天学以致用在实践中验证和提高我在三十多岁的时候就胡子全白了，每天工作16小时。23/5024/50一个数值，可以用不同进制的数表示。 通常用数字后面跟一个英文字母来表示该数的数制。十进制数十
12、进制数： D Decimal D可以省略不用. 二进制数二进制数： B Binary 八进制数八进制数： O Octal 十六进制数十六进制数：H Hexadecimal.例：1001B=09H=9D1-2 计算机运算基础计算机运算基础*基数：数制所使用的数码的个数基数：数制所使用的数码的个数 *权：数制中每一位所具有的值权：数制中每一位所具有的值.进制数数学表达形式进制数数学表达形式v一. 十进制NDv有十个数码：有十个数码：0 09 9，逢十进一。，逢十进一。例例 1234.5=11234.5=110103 3 +2+210102 2 +3+310101 1 +4+410100 0 +5+
13、51010-1-1v加权展开式以加权展开式以1010称为基数，各位系数为称为基数，各位系数为0 09 9。一般表达式：一般表达式：vN ND D= d= dn-1n-11010n-1n-1+d+dn-2n-21010n-2 n-2 + +d+d0 010100 0 +d+d-1-11010-1-1+ +v二. 二进制NBv两个数码：两个数码：0 0、1, 1, 逢二进一逢二进一。例例 1101.101=11101.101=12 23 3+1+12 22 2+0+02 21 1+1+12 20 0+1+12 2-1-1+1+12 2-3-3 v加权展开式以加权展开式以2 2为基数，各位系数为为基
14、数，各位系数为0 0、1 1。一般表达式：一般表达式： N NB B = b = bn-1n-12 2n-1 n-1 + b+ bn-2n-22 2n-2 n-2 + +b+b0 02 20 0 +b+b-1-12 2-1-1+ +进制数数学表达形式进制数数学表达形式进制数数学表达形式进制数数学表达形式v三.十六进制NHv十六个数码十六个数码0 09 9、A AF F，逢十六进一逢十六进一。例：例：DFC.8=13DFC.8=1316162 2 +15 +1516161 1 +12 +1216160 0 +8 +81616-1-1 v展开式以十六为基数，各位系数为展开式以十六为基数，各位系数为
15、0 09 9，A AF F。一般表达式：一般表达式：N NH H= h= hn-1n-11616n-1n-1+ h+ hn-2n-21616n-2n-2+ + h+ h0 016160 0+ h+ h-1-11616-1-1+ +29/50二进制二进制八进制八进制十进制十进制十六进制十六进制00000000001111001022200113330100444010155501106660111777100010881001119910101210A10111311B11001412C11011513D11101614E11111715F100002016101000121171130/503
16、1/5032/50例题v例1：将237D化为二进制数。v例2：0.6875D化为二进制数。v例3：237D化为十六进制数v例4：将0.5429D为十六进制数v例5：将3D7BH化为十进制数34/50常用的编码方案：原码、反码、补码。常用的编码方案：原码、反码、补码。1、原码、原码原码：用最高位表示符号，其中：原码：用最高位表示符号，其中：0-正、正、1-负，其它负，其它位表示数值的绝对值。位表示数值的绝对值。 【例】有符号数的原码表示。X=45=00101101B X原= 00101101BX=-45, X原=10101101B 原码表示简单易懂，但若是两个异号数相加（或两个同号数相减）,就要
17、做减法。为了把减法运算转换为加法运算就引进了反码和补码。35/50 0的表示形式（的表示形式（8位）位）+0原原=00000000-0原原=10000000 特点A、原码与真值的对应关系简单。B、0的编码不唯一，处理运算不方便。C、8位二进制数，原码可表示的范围：+127D-127D36/502、反码、反码正数的反码与原码相同，符号位用正数的反码与原码相同，符号位用0表示，数值位值不变。表示，数值位值不变。负数的反码符号位用负数的反码符号位用1表示表示, 数值位由原码数值位按位取数值位由原码数值位按位取反形成，即反形成，即0变变1、1变变0。【例】有符号数的反码表示。X=45=00101101
18、B, X反=00101101BX=-45, X反=11010010B反码的特点：(1) “0”有+0和-0之分。+0反反 = 0000 0000-0反反 = 1111 11111 (2) 8位二进制反码所能表示的数值范围为+127127， 一般地，对于n位字长的计算机来说，其反码表示 的数值范围为+2n-112n-1+1。 (3) 8位带符号数用反码表示时，若最高位为“0”（正数） 则后面的7位即为数值；若最高位为“1”（负数）， 则后面7位表示的不是此负数的数值，必须把它们按 位取反，才是该负数的二进制值。 如：一个数的反码为如：一个数的反码为1001 0100B（反）（反） 其实际表示值为
19、其实际表示值为-107Dv 例如:v 一个8位二进制反码表示的数10010100B。它是一个负 数；但它并不等于20D，而应先将其数字位按位取反，然后才能得出此二进制数反码所表示的真值: v 1101011（1261251231211） （643283） 107D39/502022-5-24393、补码、补码v正数的补码和原码相同。正数的补码和原码相同。v负数的补码负数的补码=反码反码+1。【例1.3】有符号数的补码表示。X=45=00101101B X补=00101101BX=-45 X补=11010011B【例1.4】求127和 0的三种编码表示。+127原 = 0 1111111 +0原
20、 = 0 0000000-127反 = 1 0000000 -0反 = 1 1111111-127补 = 1 0000001 -0补 = 0 000000040/502022-5-2440v正数补码等于它本身，只有负数才有求补码的问题，补正数补码等于它本身，只有负数才有求补码的问题，补码的计算可以有以下方法：码的计算可以有以下方法：利用原码求利用原码求X补补= X反反+1直接求补法直接求补法从最低位起，到出现第一个从最低位起，到出现第一个1以前原码中的数字不变，以后逐位以前原码中的数字不变，以后逐位取反，但符号位不变。取反，但符号位不变。例：求补码: X1=-101 0111B ，X2=-11
21、1 0000B X1原 = 1101 0111B X2原 = 1111 0000B - X1补 = 1010 1001B X2补 = 1001 0000B41/502022-5-2441v补码的加法补码的加法v可以证明：两个补码形式的数（无论正负）相加，只可以证明：两个补码形式的数（无论正负）相加，只要按二进制运算规则运算，得到的结果就是其和的补要按二进制运算规则运算，得到的结果就是其和的补码。即有：码。即有：X+Y补补=X补补+Y补补例：用补码进行下列运算 1）、（+18）+（-15） 2）、（-18）+（-11） 42/502022-5-2442v解 1）、0001 0010B +18补
22、+ 1111 0001B -15补 10000 0011B +3补 符号位的进位，舍弃2)、 1110 1110B -18补 + 1111 0101B -11补 11110 0011B -29补 符号位的进位，舍弃43/501 1）压缩）压缩BCDBCD码格式（码格式（Packed BCD FormatPacked BCD Format）（也叫组合式）（也叫组合式BCDBCD码）码） 用用4个二进制位表示一个十进制位，就是用个二进制位表示一个十进制位，就是用0000B-1001B来表示十进制数来表示十进制数0-8。例如：十进制数例如：十进制数4256的压缩的压缩BCD码表示为：码表示为：010
23、0 0010 0101 0110 B (即即4256H)（2）非压缩）非压缩BCD码格式（码格式（Unpacked BCD Format）（也叫分离式）（也叫分离式BCD码）码） 用用8个二进制位表示一个十进制位，其中，个二进制位表示一个十进制位，其中，高四位无意义高四位无意义，我们一般用，我们一般用xxxx表示，低四位和压缩表示，低四位和压缩BCD码相同。码相同。 例如：十进制数例如：十进制数4256的非压缩的非压缩BCD码表示为：码表示为： xxxx0100 xxxx0010 xxxx0101 xxxx0110 B 有时，要求非压缩有时，要求非压缩BCD码的高码的高4位为位为0，这时，这时，4256（10）的非压缩的非压缩BCD码为码为04020506H。44/5045/50
