单片机原理及接口技术

本章内容： 本章主要介绍单片机的概念、单片机的发展、基本的结构和特点、单片机的应用模式和领域以及MCS-51单片机等。 第1章 基础知识 本章内容： 本章主要介绍单片机的概念、单片机的发展、基本的结构和特点、单片机的应用模式和领域以及MCS-51单片机等。

1.1 计算机的一些概念 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个部分组成。 计算机的结构

1.1 计算机的一些概念 8位计算机每个单元可存放一个8位二进制数，即一个字节，每一位的状态是0或1。 1.1 计算机的一些概念 　　8位计算机每个单元可存放一个8位二进制数，即一个字节，每一位的状态是0或1。 　　存储单元保存的8位二进制数称为单元的内容。 存储单元示意图 如图地址为0110单元的内容为10101001，表示为（06H）=A9H。

1.2 单片机 1.2.1单片机的概念及特点 　　单片机即单片机微型计算机，就是将CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。 　　　单片机也称为微控制器（Microcontroller unit ，MCU）， 嵌入式控制器（Embedded Microcontroller unit，EMCU ） 　　单片机分为通用型和专用型，通用型单片机把可开发的内部资源全部提供给用户。 内部资源丰富、性能全面、适应性强。专用型单片机针对某些产品的特定用途而制作的单片机，是MCU发展的一个趋势。

1.2 单片机 1.2.1单片机的概念及特点 单片机有以下特点： 1.2 单片机 1.2.1单片机的概念及特点 　　单片机有以下特点： （1）集成度高，功能强。单片机在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、I/O接口等资源，在芯片上还包含了中断系统、串行通信接口、定时器/计数器等功能部件，芯片功能强、体积小、集成度高。 （2）具有较高的性能价格比。单片机尽可能地把应用所需的各种资源集成在一块芯片内，性能高，但是价格却相对较低廉。 （3）抗干扰能力强。单片机是面向工业检测控制环境设计的，因此，抗噪声干扰能力较强。程序固化在ROM类型的存储器中不易被破坏；许多资源集成在一个芯片，可靠性高。

1.2 单片机 1.2.2 单片机的发展 第1阶段（1971~1976）：单片机萌芽阶段。 第2阶段（1976~1980）：初级单片机阶段。 1.2 单片机 1.2.2 单片机的发展 第1阶段（1971~1976）：单片机萌芽阶段。 第2阶段（1976~1980）：初级单片机阶段。 第3阶段（1980~1983）：高性能单片机阶段。 第4阶段（1983~1990）：8位单片机巩固发展及16 位单片机推出阶段。 第5阶段（1990~）：单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等方面全方位地向更高水平发展。

1.2 单片机 1.2.3 MCS-51系列单片机及其兼容单片机 （１） MCS-51单片机的第一代产品： 1.2 单片机 1.2.3 MCS-51系列单片机及其兼容单片机 （１） MCS-51单片机的第一代产品： 　　　 Intel MCS-51 8031/ 8051/ 8751 （２）第二代产品系列采用了CMOS技术制造而成，集成度高，速度快，功耗低： 　　　ATMEL MCS-51兼容系列 89C51/ 89C52、89C2051/ 89C2052； （３） 第三代80C51产品的单片机内核SoC（System On Chip, SoC）化。 　　　　CYGNAL C8051Fxxxx（SilabC8051F ）

1.2 单片机 1.2.4 单片机的应用 （2）办公自动化 （3）商业领域 （4）工业领域 （5）汽车电子 （6）航空航天与军事 1.2 单片机 1.2.4 单片机的应用 （1）家用电器 （2）办公自动化 （3）商业领域 （4）工业领域 （5）汽车电子 （6）航空航天与军事 单片机应用从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。以前必须由硬件（模拟电路或数字电路）实现的控制功能，现在可以用单片机的软件方法实现，这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。随着单片机应用技术的推广普及，微控制技术将发挥将越来越重要的作用。

1.3 计算机的数学基础 1.3.1 数制及转换 一. 数制 (1) 十进制 　　十个数符：0～9，逢十进一。加权展开式以10称为基数，各位系数为0～9。 一般表达式： 　ND= dn-1×10n-1+dn-2×10n-2 +…+d0×100 +d-1×10-１+… 1234.5=1×103 +2×102 +3×101 +4×100 +5×10－1

1.3 计算机的数学基础 1.3.1 数制及转换 一. 数制 两个数符：0、1, 逢二进一。加权展开式以2为基数，各位系数为0、1。 (2) 二进制 　两个数符：0、1, 逢二进一。加权展开式以2为基数，各位系数为0、1。 一般表达式： NB = dn-1×2n-1 + dn-2×2n-2 +…+d0×20 +d-1×2-1+… 1101.101=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-3

1.3 计算机的数学基础 1.3.1 数制及转换 一. 数制 (3) 十六进制 　十六个数符0～9、A～F，逢十六进一。展开式以十六为基数，各位系数为0～9，A～F。 一般表达式： NH= hn-1×16n-1+ hn-2×16n-2+…+ h0×160+ h-1×16-1+… DFC.8=13×162 +15×161 +12×160 +8×16-1

1.3 计算机的数学基础 1.3.1 数制及转换 二. 数制之间的转换 进位计数制的一般表达式： N= an-1×Rn-1+an-2×Rn-2+ … +a1×R1＋a0×R0＋ a-1×R-1…＋a-mR-m 一种进制的数转换成另一种进制数的方法： 按权展开，求和计算。

1.3 计算机的数学基础 1.3.1 数制及转换 （一）十六进制数转换成十进制数 按权展开，然后按照十进制运算法则求和。 举例： 1011.1010B=1×23+1×21+1×20+1×2-1+1×2-3 =11.625 DFC.8H=13×162+15×161+12×160+8×16-1 = 3580.5

1.3 计算机的数学基础 1.3.1 数制及转换 （二）二进制与十六进制数之间的转换 24=16 ，四位二进制数对应一位十六进制数。 3AF.2H = 0011 1010 1111.0010 = 1110101111.001B 3 A F 2 1111101.11B = 0111 1101.1100 = 7D.CH 7 D C

1.3 计算机的数学基础 1.3.1 数制及转换 整数、小数分别转换 1. 整数转换法 （三）十进制数转换成二、十六进制数 整数、小数分别转换 1. 整数转换法 “除基取余”：十进制整数不断除以转换进制基数，直至商为0。每除一次取一个余数，从低位排向高位。

1.3 计算机的数学基础 1.3.1 数制及转换 2. 小数转换法 “乘基取整”：用转换进制的基数乘以小数部分，直至小数为0或达到转换精度要求的位数。每乘一次取一次整数，从最高位排到最低位。

1.3 计算机的数学基础 1.3.2 计算机中数的表示方法 一. 带符号数的表示 机器数与真值 机器中，数的最高位作符号位，“0”表示“+”，“1”表示“-” 。 机器数：机器中数的表示形式，其位数通常为8的倍数 真值： 机器数所代表的实际数值。 一个8位机器数+84和-84与它们的真值对应关系 真值： X1=+84=+1010100B X2=-84= -1010100B 机器数：[X1]机= 01010100 [X2]机= 11010100

1.3 计算机的数学基础 1.3.2 计算机中数的表示方法 带符号数通常有三种表示方法：原码、反码、补码 （1）原码 最高位为符号位，0表示 “+”，1表示“－”。 数值位与真值数值位相同。 x1 = +1010100B [x1]原 = 01010100 x2 =－ 1010100B [x2]原 = 11010100 在计算机中，0 可表示为+0和－0，故0 在原码中有两种表示法： [+0]原=00000000B [－0]原=10000000B。

1.3 计算机的数学基础 1.3.2 计算机中数的表示方法 （2）反码 正数的反码与原码表示相同。 负数反码符号位为 1，数值位为原码数值各位取反。 x= +4 [x]原= 00000100 [x]反= 00000100 x= -4 [x]原= 10000100 [x]反= 11111011 负数的反码

1.3 计算机的数学基础 1.3.2 计算机中数的表示方法 （3）补码 正数的补码表示与原码相同。 负数的补码等于其反码加1。 x=+4， [x]原=[x]反=[x]补= 00000100 x=-4 [x]原 = 10000100 [x]反 = 11111011 [x]补 = 11111100 负数的补码 补码表示的优点：0的表示唯一。

1.3 计算机的数学基础 1.3.2 计算机中数的表示方法 （4）真值与机器数之间的转换 1）正数的原码、反码、补码相同，无需转换； 2）负数原码的最高位为符号位，其余位为数值位，由数值位可以获取真值； 负数反码的数值位按位取反，可转换为原码，即一个负数反码的反码为该负数的原码； 负数补码的数值位按位取反后，末位再加1，可转换为原码，即一个负数补码的补码为原码。 3） 由原码求真值。用“＋” 、“－”代替原码的符号位0和1。 推论：一个数的绝对值等于原码的符号位清0。

1.3 计算机的数学基础 1.3.2 计算机中数的表示方法 （4）真值与机器数之间的转换 X1=+127，X2=-127，求[X]原 、[X]补 [X1]原=[X1]补=01111111= 7FH [X2]原=11111111= FFH [X2]补=10000001= 81H X1=+255，X2=-255 ，求[X]原 、[X]补 [X1]原=[X1]补=0000000011111111= 00FFH [X2]原=1000000011111111= 80FFH [X2]补=1111111100000001= FF01H

1.3 计算机的数学基础 1.3.2 计算机中数的表示方法 （二） 定点数浮点数的表示 （1）定点数 小数点位置固定的机器数。运算简便，表示范围小。 数据用2字节整数和1字节小数表示，小数点位于两部分之间，表示如下：

1.3 计算机的数学基础 1.3.2 计算机中数的表示方法 （2 ）浮点数 二进制数也可以表示为类似于科学计数法的形式，一个二进制数浮点表示为： S为尾数，J为阶码，它们均为整数。通常，有 2字节浮点数、3字节浮点数、4字节浮点数。 3字节浮点数

1.3 计算机的数学基础 1.3.3 编码 （一）二进制代码 计算机只能处理二进制数和二进制编码，任何进入计算机的信息必须转化为二进制数或二进制编码。 由0和1组成的二进制数码用来表示数值的大小，或用来表示特定的信息，这种具有特定含义的二进制数码称为二进制代码。

1.3.3 编码 二. 十进制数四位二进制编码(BCD 码) 8421 BCD码 例：求十进制数876的BCD码 1.3.3 编码 二. 十进制数四位二进制编码(BCD 码) BCD码(Binary Coded Decimal) 二进制代码表示的十进制数。 8421 BCD码 例：求十进制数876的BCD码 [876]BCD = 1000 0111 0110 876 = 36CH = 1101101100B

1.3 计算机的数学基础 1.3.3 编码 （二）十进制数四位二进制编码 1.3.3 编码 （二）十进制数四位二进制编码 十进制数四位二进制编码就是用四位二进制数来表示0~9 这十个十进制符号，简称为BCD 码。

1.3 计算机的数学基础 1.3.3 编码 用于计算机与计算机、计算机与外设之间传递信息。 1.3.3 编码 （三） ASCII码【美国标准信息交换码】 用于计算机与计算机、计算机与外设之间传递信息。 ASCII码用一个7位二进制数来表示一个特定的字符，可表示27=128个符号。这128个符号共分为两类：一类是图形字符，共96个；一类是控制字符，共32个。