第1章 單片微型計(jì)算機(jī)概述(新)

《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》

蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系

宋天麟一、課程簡(jiǎn)介所學(xué)課程：“單片微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)”1、原理部分2、接口部分選用教材1、單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)教程

祁偉主編參考教材1、單片微型計(jì)算機(jī)原理及其應(yīng)用趙秀珍單永磊主編 中國水利水電出版社2、高等學(xué)校專科教材 單片微型計(jì)算機(jī)技術(shù)劉國榮主編機(jī)械工業(yè)出版社二、學(xué)習(xí)目的通過學(xué)習(xí)單片微型計(jì)算機(jī)，掌握其基本原理，及接口設(shè)計(jì)（軟件設(shè)計(jì)，硬件實(shí)現(xiàn)）方法，從而為今后從事工業(yè)控制、儀器儀表、電信技術(shù)、辦公自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、商用產(chǎn)品及導(dǎo)航奠定基礎(chǔ)。教學(xué)安排本課共75學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)18學(xué)時(shí)。本課考核方式：閉卷考試本課考試方式采?。荷险n考勤、課堂回答問題，實(shí)驗(yàn)等20~30%、期末考試70~80%作為課程的評(píng)分依據(jù)。本課擬安排授課理論講授：54學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)：18學(xué)時(shí)三、學(xué)習(xí)什么？

單片微型計(jì)算機(jī)區(qū)別于計(jì)算機(jī)的就在于是單片微型，但其功能完全可以和計(jì)算機(jī)媲美，其用途遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過計(jì)算機(jī)。

1、學(xué)習(xí)其結(jié)構(gòu)原理2、學(xué)習(xí)軟件編程，針對(duì)硬件的匯編語言編程3、學(xué)習(xí)硬件設(shè)計(jì)原則（1）最小應(yīng)用系統(tǒng)（2）I/O接口（3）定時(shí)/計(jì)數(shù)器（4）中斷應(yīng)用（5）擴(kuò)展應(yīng)用達(dá)到目的:會(huì)設(shè)計(jì)典型單片機(jī)應(yīng)用硬件及軟件。如何學(xué)習(xí)？單片機(jī)的結(jié)構(gòu)組成匯編語言指令學(xué)習(xí)匯編語言程序設(shè)計(jì)理論學(xué)習(xí)授課自學(xué)課堂討論單片機(jī)模仿實(shí)驗(yàn)針對(duì)不同硬件的程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模仿基礎(chǔ)上的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)上機(jī)實(shí)踐1、模仿練習(xí)2、創(chuàng)造性編程3、結(jié)合硬件編程自行完成老師輔導(dǎo)編程高手不是教出來的，是自己反復(fù)實(shí)踐鍛煉出來的第一章

單片微型計(jì)算機(jī)概述一、單片機(jī)的概念 在當(dāng)今的工作和生活環(huán)境中，有越來越多的單片機(jī)在為我們服務(wù)，我們卻意識(shí)不到它的存在。如：當(dāng)用搖控操縱電視或VCD機(jī)享受其多彩的畫面時(shí)，我們并沒有意識(shí)到這是單片機(jī)在接受我們的遙控指令；當(dāng)我們?cè)谙硎苋詣?dòng)洗衣機(jī)的先進(jìn)功能時(shí)，并不知道這是單片機(jī)在代替我們控制洗衣機(jī)運(yùn)作；單片機(jī)在Call機(jī)和手機(jī)等現(xiàn)代通信設(shè)備中亦發(fā)揮著重要的作用；就連曾一度令許多青少年著迷的電子寵物，也是單片機(jī)在大顯神威。

在美國，平均約40%的家庭擁有一臺(tái)電腦，但每個(gè)家庭平均有30~40個(gè)微處理器

總之，處處都有單片機(jī)的身影。為什么我們意識(shí)不到他的存在呢？因?yàn)閱纹瑱C(jī)只是一小塊集成電路，而且是計(jì)算機(jī)。要了解他，不僅需要硬件知識(shí)，而且還要軟件知識(shí)，這一般人是難以做到的。那么，單片機(jī)究竟是什么呢？單片機(jī)就是將計(jì)算機(jī)的中央處理器(CPU)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多種輸入/輸出接口(I/O)以及相互連接的總線(BUS)等集成在一塊芯片上，形成了芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)。又叫單片微型計(jì)算機(jī)（singlechipmicrocomputer）或微控制器(microcontroller)，縮寫MCU(microcontrollerUnit)。實(shí)際上，單片機(jī)是微機(jī)的一個(gè)分支。鑒于此，一般微機(jī)也叫多片微型計(jì)算機(jī)

。計(jì)算機(jī)的開拓者——數(shù)學(xué)家約翰·馮·諾依曼最先提出的，所以就稱之為馮·諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。

二、單片機(jī)的發(fā)展歷史

(1)第一階段(1971一1974)

1971年美國Intel公司設(shè)計(jì)出集成度為2000只晶體管/片的四位微處理器Intel4004，其配有RAM、ROM和移位寄存器等芯片，構(gòu)成第一臺(tái)MCS-48微型計(jì)算機(jī)。(2)第二階段(1974一1978)

以Intel公司首先推出的MCS-48系列的八位單片微型計(jì)算機(jī)為代表。它以體積小、功能全、價(jià)格低等特點(diǎn)，贏得了廣泛的應(yīng)用，為單片機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，成為單片機(jī)發(fā)展過程中的一個(gè)重要階段。(3)第三階段(1978—1983)

Intel公司在MCS-48基礎(chǔ)上推出了完善的、典型的MCS-51單片機(jī)系列。它在以下幾個(gè)方面完善了單片機(jī)體系。

①M(fèi)CS-51設(shè)置了經(jīng)典的8位單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)，包括8位數(shù)據(jù)總線、16位地址總線、控制總線及具有多機(jī)通信功能的串行通信接口。

②CPU外圍功能單元的集中管理模式。

③體現(xiàn)工控特性的位地址空間及位操作方式。

④

指令系統(tǒng)趨于豐富和完善，增加了許多突出控制功能的指令。

Intel公司在MCS-48基礎(chǔ)上推出了完善的、典型的MCS-51單片機(jī)系列。

(4)第四階段(1983—1990)

在8位單片機(jī)的基礎(chǔ)上，推出了16位單片機(jī)，也是單片機(jī)向微控制器發(fā)展的階段。

隨著MCS—5l系列的廣泛應(yīng)用，許多電氣廠商競(jìng)相使用80C51的內(nèi)核技術(shù)，將許多測(cè)控系統(tǒng)中使用的電路技術(shù)、接口技術(shù)、多通道A／D轉(zhuǎn)換部件、可靠性技術(shù)等應(yīng)用到單片機(jī)中，增強(qiáng)了外圍電路功能，強(qiáng)化了智能控制器的特征。

(5)第五階段(1990之后)

在此階段，隨著單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域全面、深入地發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強(qiáng)運(yùn)算能力的8位／16位／32位通用型單片機(jī)，以及小型廉價(jià)的專用型單片機(jī)。單片機(jī)的種類很多，到目前為止，世界各國廠商已研制出大約50個(gè)系列、30多個(gè)品種的單片機(jī)的產(chǎn)品。最具典型代表的應(yīng)屬Intel公司的MCS-51系列單片機(jī)。

雖然它仍然是8位的單片機(jī)，但其功能強(qiáng)，具有品種全、兼容性強(qiáng)、軟硬件資料豐富等特點(diǎn)。因此，MCS-51應(yīng)用非常廣泛，直到現(xiàn)在MCS-51仍不失為單片機(jī)中的主流機(jī)型。這主要由于在工業(yè)控制、智能儀表、家用電器、IC卡等諸多應(yīng)用領(lǐng)域，8位單片機(jī)系列在性能、價(jià)格兩方面都做到了較好的兼顧。

估計(jì)在未來十年內(nèi)，8位單片機(jī)仍將是單片機(jī)中的主流機(jī)型。故而本書仍以MCS-51系列單片機(jī)為主線來進(jìn)行講授。三、單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面

1．多功能

在單片機(jī)中盡可能多地把應(yīng)用所需的存儲(chǔ)器、各種功能的I/O口都集成在一塊芯片內(nèi)，使單片機(jī)的功能更加強(qiáng)大。如把LED、LCD或VFD顯示驅(qū)動(dòng)器也開始集成在8位單片機(jī)中。2．高性能

進(jìn)一步改進(jìn)CPU的性能，加快指令運(yùn)算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性，采用精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)RISC（ReducedInstructionSetComputer）結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，大幅度提高運(yùn)行速度?，F(xiàn)指令速度最高者已達(dá)100MIPS(MillionInstructionPerSeconds，即兆指令每秒)，并加強(qiáng)了位處理功能、中斷和定時(shí)控制功能，使單片機(jī)的性能明顯地優(yōu)于同類型的微處理器。單片機(jī)集成度進(jìn)—步提高，有的單片機(jī)的尋址能力已突破64KB的限制，8位、16位的單片機(jī)有的尋址能力已達(dá)到1MB和16MB。片內(nèi)ROM的容量可達(dá)64KB，RAM的容量可達(dá)2KB。3．低電壓、低功耗

允許使用的電壓范圍越來越寬，一般在3

6V范圍內(nèi)工作，有的已能在1.2V或0.9V電壓下工作。。幾乎所有的單片機(jī)都具有省電運(yùn)行方式。單片機(jī)的功耗已從mA級(jí)降到μA級(jí)，甚至1μA以下，在一粒鈕扣電池下就可長期工作。低功耗化的效應(yīng)不僅是功耗低，而且?guī)砹水a(chǎn)品的高可靠性、高抗干擾能力以及產(chǎn)品的便攜化。4．低價(jià)格

現(xiàn)在，市面上8031，89c51單片機(jī)12元~15元左右。四、單片機(jī)的特點(diǎn)1、優(yōu)異的性能價(jià)格比2、集成度高、體積小、可靠性高3、控制功能強(qiáng)4、低電壓、低功耗

五、單片機(jī)的應(yīng)用

單片機(jī)的特點(diǎn)決定其應(yīng)用領(lǐng)域非常寬廣。無論是工業(yè)部門、國防部門、民用部門乃至事業(yè)部門，到處都有他的身影。現(xiàn)將單片機(jī)的應(yīng)用大致歸納為以下幾個(gè)方面：（一）單片機(jī)在在智能儀器儀表中的應(yīng)用這是單片機(jī)應(yīng)用最多,最活躍的領(lǐng)域之一。在各類儀器儀表中引入單片機(jī)，使其智能化，提高測(cè)試的自動(dòng)化程度和精度，簡(jiǎn)化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，提高其性價(jià)比。同時(shí)便于使用、維修和改進(jìn)。

如用MCS-51系列單片機(jī)控制的“汽車發(fā)動(dòng)機(jī)綜合測(cè)試儀”、“煙葉水分測(cè)試儀”、“智能超聲波測(cè)試儀”等。

（二）單片機(jī)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用

機(jī)電一體化是指集機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，具有智能化特征的機(jī)電產(chǎn)品。這是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的方向。

單片機(jī)的出現(xiàn)促進(jìn)了機(jī)電一體化，它作為機(jī)電產(chǎn)品中的控制器，能充分發(fā)揮其體積小、可靠性高、功能強(qiáng)、安裝方便等到特點(diǎn)，大大強(qiáng)化了機(jī)器的功能，提高了機(jī)器的自動(dòng)化、智能化程度。（三）在實(shí)時(shí)過程控制中的應(yīng)用單片機(jī)也廣范地應(yīng)用于各種實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，例如對(duì)工業(yè)上各種窯爐、鍋爐的溫度、酸度、化學(xué)成分的測(cè)量和控制。將測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮其數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)控制功能，使系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)，提高系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。在航空航天、通訊、遙控、遙測(cè)等各種實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中都可以用單片機(jī)作為控制器。（四）在分布式多機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用分布式多機(jī)系統(tǒng)具有功能強(qiáng)可靠性高的特點(diǎn)，在比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，都采用分布式多機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)中有若干臺(tái)功能各異的計(jì)算機(jī)，各自完成特定的任務(wù)，它們又通過通訊線路相互聯(lián)系、協(xié)調(diào)工作。單片機(jī)在這種多機(jī)系統(tǒng)中，往往作為一個(gè)終端機(jī)，安裝在系統(tǒng)的某些節(jié)點(diǎn)上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量和控制。高檔的單片機(jī)多機(jī)通訊(并行或串行)功能很強(qiáng)，它們?cè)诜植际蕉鄼C(jī)系統(tǒng)中能發(fā)揮很大作用。（五）在家用電器中的應(yīng)用

家用電器涉及到千家萬戶，生產(chǎn)規(guī)模大。目前國內(nèi)外各種家用電器都已普遍采用單片機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制電路。如洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)、電飯煲、收音機(jī)、功放、電風(fēng)扇、電視機(jī)、VCD、DVD及許許多多的電子玩具等等都配上了單片機(jī)。從而提高了自動(dòng)化程度，增強(qiáng)了功能，深受用戶的歡迎。（六）在其它方面的應(yīng)用 除以上之外，單片機(jī)還廣泛用于辦公自動(dòng)化、商業(yè)營銷、汽車及通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)外設(shè)、模糊控制等各種領(lǐng)域中。復(fù)習(xí)（提問、做習(xí)題）數(shù)的幾種常用進(jìn)制1、二進(jìn)制數(shù)2、十六進(jìn)制數(shù)3、十進(jìn)制數(shù)4、數(shù)的不同進(jìn)制數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換帶符號(hào)數(shù)的表示方法

D7D6D5D4D3D2D1D0無符號(hào)數(shù)，數(shù)的表示范圍0～256D7D6D5D4D3D2D1D0符號(hào)位0