單片機(jī)原理與應(yīng)用

單片機(jī)原理與應(yīng)用

PrinciplesandApplicationofMicrocontroller

講授：唐露新廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院測控技術(shù)系第1頁，共29頁。學(xué)習(xí)要求：上課記筆記獨(dú)立完成作業(yè)認(rèn)真做好實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)方法：動(dòng)手實(shí)踐Practiceisabestwaytolearning.第2頁，共29頁。第1章

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1.1

計(jì)算機(jī)發(fā)展與應(yīng)用1.2

計(jì)算機(jī)的應(yīng)用概況

1.3

計(jì)算機(jī)的數(shù)制及轉(zhuǎn)換1.4單片機(jī)應(yīng)用概況1.5單片機(jī)結(jié)構(gòu)及指令執(zhí)行過程

第3頁，共29頁。1.1

計(jì)算機(jī)發(fā)展與應(yīng)用一、

發(fā)展概況1946-1958:

第一代電子管計(jì)算機(jī)。磁鼓存儲(chǔ)器，機(jī)器語言匯編語言編程。世界上第一臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC。1958-1964:

第二代晶體管計(jì)算機(jī)。磁芯作主存儲(chǔ)器,磁盤作外存儲(chǔ)器，開始使用高級(jí)語言編程。1964-1971:

第三代集成電路計(jì)算機(jī)。使用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，出現(xiàn)多終端計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。1971-:

第四代大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。出現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)、單片微型計(jì)算機(jī)，外部設(shè)備多樣化。1981-:

第五代人工智能計(jì)算機(jī)。模擬人的智能和交流方式。第4頁，共29頁。二、

計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢微型化─

便攜式、低功耗巨型化─

尖端科技領(lǐng)域的信息處理，需要超大容量、高速度智能化─

模擬人類大腦思維和交流方式，多種處理能力系列化、標(biāo)準(zhǔn)化─

便于各種計(jì)算機(jī)硬、軟件兼容和升級(jí)網(wǎng)絡(luò)化─

網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)和信息高速公路多機(jī)系統(tǒng)─大型設(shè)備、生產(chǎn)流水線集中管理(獨(dú)立控制、 故障分散、資源共享)第5頁，共29頁。1.2

計(jì)算機(jī)的應(yīng)用概況

1．科學(xué)計(jì)算：人造衛(wèi)星軌跡，

天氣預(yù)報(bào)等2．?dāng)?shù)據(jù)處理：企業(yè)管理、情報(bào)檢索等3．自動(dòng)控制：航天飛行、火星探測等現(xiàn)場控制等

4．輔助設(shè)計(jì)和制造

5．系統(tǒng)仿真

6．智能模擬

7．計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息高速公路第6頁，共29頁。1.3

計(jì)算機(jī)的數(shù)制及轉(zhuǎn)換一、十進(jìn)制ND

有十個(gè)數(shù)碼0～9、逢十進(jìn)一。十進(jìn)制用于計(jì)算機(jī)輸入輸出，人機(jī)交互。二、二進(jìn)制NB

兩個(gè)數(shù)碼:0、1,逢二進(jìn)一。二進(jìn)制為機(jī)器中的數(shù)據(jù)形式。三、十六進(jìn)制NH

十六個(gè)數(shù)碼:0～9,A～F,逢十六進(jìn)一。十六進(jìn)制用于表示二進(jìn)制數(shù)。不同進(jìn)位制數(shù)以下標(biāo)或后綴區(qū)別,十進(jìn)制數(shù)可不帶下標(biāo)。如:101、101D、101B、101H、101H1.3.1

進(jìn)位計(jì)數(shù)制簡介第7頁，共29頁。第8頁，共29頁。一、十進(jìn)制ND

符號(hào)集：0～9規(guī)則：逢十進(jìn)一。

例：1234.5=1×103+2×102+3×101+4×100+5×10-1加權(quán)展開式以10稱為基數(shù)，各位系數(shù)為0～9。

一般表達(dá)式：ND=dn-1×10n-1+dn-2×10n-2+…+d0×100+d-1×10-1+…1.3.2

進(jìn)位計(jì)數(shù)制第9頁，共29頁。二、二進(jìn)制NB

符號(hào)集：0、1規(guī)則：逢二進(jìn)一。

例：1101.101=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-3

加權(quán)展開式以2為基數(shù)，各位系數(shù)為0、1。

一般表達(dá)式：

NB=bn-1×2n-1+bn-2×2n-2+…+b0×20+b-1×2-1+…第10頁，共29頁。三、十六進(jìn)制NH

符號(hào)集：0～9、A～F規(guī)則：逢十六進(jìn)一。

例：DFC.8=13×162+15×161+12×160+8×16-1

展開式以十六為基數(shù)，各位系數(shù)為0～9，A～F。 一般表達(dá)式：

NH=hn-1×16n-1+hn-2×16n-2+…+h0×160+h-1×16-1+…第11頁，共29頁。1.3.3不同進(jìn)位計(jì)數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換

進(jìn)位計(jì)數(shù)制的一般表達(dá)式：

Nr=an-1rn-1+an-2rn-2+…+a1r1＋a0r0＋a-1r-1…＋a-mr-m

一個(gè)r1進(jìn)制的數(shù)轉(zhuǎn)換成r2進(jìn)制數(shù)的方法：先展開，然后按r2進(jìn)制的運(yùn)算法則求和計(jì)算。一、二、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)

先展開，然后按照十進(jìn)制運(yùn)算法則求和。 舉例：1011.1010B=1×23+1×21+1×20+1×2-1+1×2-3=11.625DFC.8H=13×162+15×161+12×160+8×16-1=3580.5第12頁，共29頁。二、二進(jìn)制與十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

24=16，四位二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)一位十六進(jìn)制數(shù)。舉例：3AF.2H=0011

1010

1111.0010=1110101111.001B 3AF2

1111101.11B=0111

1101.1100=7D.CH 7DC第13頁，共29頁。

三、十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二、十六進(jìn)制數(shù)1.整數(shù)轉(zhuǎn)換法

“除基取余”：十進(jìn)制整數(shù)不斷除以轉(zhuǎn)換進(jìn)制基數(shù)，直至商為0。每除一次取一個(gè)余數(shù)，從低位排向高位。舉例：

（1）39轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)

39=100111B 2 391（b0） 2 191（b1） 2 91（b2） 2 40（b3） 2 20（b4） 2 11（b5） 0（2）208轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)

208=D0H16208余01613余13=DH 0第14頁，共29頁。2.小數(shù)轉(zhuǎn)換法

“乘基取整”：用轉(zhuǎn)換進(jìn)制的基數(shù)乘以小數(shù)部分，直至小數(shù)為0或達(dá)到轉(zhuǎn)換精度要求的位數(shù)。每乘一次取一次整數(shù)，從最高位排到最低位。舉例：

（1）0.625轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)1) 0.625×2

2) 1.2501(b- × 23)

0.500(b- × 2 1.0 1(b-0.625=0.101B（2）0.625轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)0.625×16=10.0

0.625=0.AH（3）208.625轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)208.625=D0.AH第15頁，共29頁。1.3.4

帶符號(hào)數(shù)的表示方法

機(jī)器中，數(shù)的符號(hào)用“0”、“1”表示。最高位作符號(hào)位，“0”表示“+”，“1”表示“-”。一、機(jī)器數(shù)與真值

機(jī)器數(shù)：機(jī)器中數(shù)的表示形式，其位數(shù)通常為8的倍數(shù)真值：機(jī)器數(shù)所代表的實(shí)際數(shù)值。舉例:一個(gè)8位機(jī)器數(shù)與它的真值對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

真值： X1=+84=+1010100BX2=-84=-1010100B機(jī)器數(shù)：[X1]機(jī)=01010100[X2]機(jī)=11010100第16頁，共29頁。二、原碼(TrueForm)

最高位為符號(hào)位，0表示“+”，1表示“－”。數(shù)值位與真值數(shù)值位相同。例8位原碼機(jī)器數(shù)：

真值： x1=+1010100B x2=－1010100B

機(jī)器數(shù)：[x1]原=01010100

[x2]原=11010100原碼表示簡單直觀,但0的表示不唯一，加減運(yùn)算復(fù)雜。第17頁，共29頁。三、補(bǔ)碼（Two’sComplement）正數(shù)的補(bǔ)碼表示與原碼相同。負(fù)數(shù)補(bǔ)碼的符號(hào)位為1，數(shù)值位等于求反加1。例：求8位補(bǔ)碼機(jī)器數(shù)：

x=+4 [x]補(bǔ)=00000100

x=-4 10000100 x1111011 [x]補(bǔ)=11111100

補(bǔ)碼表示的優(yōu)點(diǎn)： 0的表示唯一，加減運(yùn)算方便第18頁，共29頁。數(shù)的補(bǔ)碼與“?！庇嘘P(guān)“模”即計(jì)數(shù)系統(tǒng)的量程。

當(dāng)X<0，[X]補(bǔ)=模-｜X｜。

8位二進(jìn)制數(shù)的模為：28=256

當(dāng)X<0，[X]補(bǔ)=28-｜X｜

=256-｜X｜=255-｜X｜+1

=[X]反碼+1

規(guī)則：求反加1，符號(hào)位不變。

如：10001101B其補(bǔ)碼：11110010

規(guī)定：00000000B為0

10000000B不是－0，而是－128

第19頁，共29頁。8位機(jī)器數(shù)表示的真值第20頁，共29頁。四、機(jī)器數(shù)與真值之間的轉(zhuǎn)換

1.真值?機(jī)器數(shù)(1)X1=+127，X2=-127，求[X]原、[X]補(bǔ)[X1]原=[X1]補(bǔ)=01111111=7FH [X2]原=11111111=FFH [X2]補(bǔ)=10000001=81H(2)X1=+255，X2=-255，求[X]原、[X]補(bǔ)[X1]原=[X1]補(bǔ)=0000000011111111=00FFH [X2]原=1000000011111111=80FFH [X2]補(bǔ)=1111111100000001=FF01H 第21頁，共29頁。1.3.5二—十進(jìn)制編碼BCD碼BCD碼(BinaryCodedDecimal)二進(jìn)制代碼表示的十進(jìn)制數(shù)。一、8421BCD碼例：求十進(jìn)制數(shù)876的BCD碼[876]BCD=100001110110 876=36CH=1101101100B第22頁，共29頁。二、BCD碼運(yùn)算十進(jìn)制調(diào)整：計(jì)算機(jī)實(shí)際按二進(jìn)制法則計(jì)算，加入十進(jìn)制調(diào)整操作，可計(jì)算BCD碼。十進(jìn)制調(diào)整方法：當(dāng)計(jì)算結(jié)果有非BCD碼或產(chǎn)生進(jìn)位或借位，進(jìn)行加6或減6調(diào)整。例：計(jì)算BCD碼38-29=？

00111000

[38]BCD

+11010111

-[29]BCD 1

00001111產(chǎn)生非BCD

+11111010-06調(diào)整 1

00001001結(jié)果無借位：9第23頁，共29頁。1.3.6

字符編碼

美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼ASCII碼，用于計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)及外設(shè)之間傳遞信息。第24頁，共29頁。1.4單片機(jī)應(yīng)用概況

1976-1978初級(jí)8位單片機(jī)IntelMCS-48系列1978-高檔8位單片機(jī)IntelMCS-51系列：-51子系列：8031/8051/8751-52子系列：8032/8052/8752低功耗型80C31高性能型80C252廉價(jià)型89C2051/10511983-

16位單片機(jī)IntelMCS-96系列8098/8096、80C198/80C196,DSP32位單片機(jī)ARM第25