本 章 重 点 什么是单片机的？单片机的简称 单片机的分类 单片机的应用范围及开发过程 数制及编码 课时安排：1个课时

第1章 单片机概述 1.1 什么是单片机 1.2 数制与编码 1.3 存储器分类介绍 1.4 单片机的历史及发展趋势 第1章 单片机概述 1.1 什么是单片机 1.2 数制与编码 1.3 存储器分类介绍 1.4 单片机的历史及发展趋势 1.5 单片机特点及系统组成 1.6 80C51系列概述 1.7 单片机的应用开发 思考题

1.1 什么是单片机 单片机就是单片微型计算机(Single-Chip Microcomputer)。为了强调其控制属性，在国际上，多把单片机称为微控制器MCU（MicroController Unit）。 微型计算机系统的硬件部分通常由五部分组成: 输入设备 运算器 输出设备 控制器 存储器

这种计算机系统通常由多块印刷电路板制成： 多板机 主板 显卡 声卡 存储器接口 网卡 输入输出接口 内存条 CPU

单板机 内存条 CPU 刷 电 路 存储器芯片 板 存储器接口 输入输出接口 印 输入输出接口 芯片 CPU芯片 定时计数器 芯片 A/D、D/A 芯片

单片机 单 硅 晶 片 存储器 CPU I / O口 时钟电路 控制电路 定时器

单片机就是在一块半导体硅片上集成了微处理器 (CPU)，存储器（RAM，ROM，EPROM）和各种输入输出接口（定时器/计数器，并行I/O口，串行口，A/D转换器等），这样一块集成电路芯片具有一台计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。

单片机和微处理器 微计算机技术的发展，形成了两大分支：微处理器和单片机。 微处理器MPU（Micro Processor Unit）是计算机的核心部件，计算机系统的主要用途是科学计算、数据处理、图象分析、数据库管理、人工智能、数字模拟和仿真等。为了满足人们对海量数值运算的需求，8位、16位的MPU已被淘汰，32位机也以每两三年换代一次的速度发展。 单片机MCU主要用于控制目的。要求构成的检测控制系统有实时、快速的外部响应，能迅速采集到大量数据，做出逻辑判断与推理后实现对被控制对象的参数调整与控制。单片的发展方向现在仍是以8位为主，32为辅。

单片机和嵌入式系统 什么是嵌入式系统？ 嵌入式系统——是面向测控对象，嵌入到应用系统中的计算机系统的统称。嵌入式系统通常有工控计算机、通用CPU模块、嵌入式微处理器、嵌入式微控制器。前两者是基于通用CPU的计算机系统，后两者是芯片形态的计算机系统。嵌入式微控制器则是嵌入式系统概念广泛使用后，给传统单片机定位的称呼。

为什么说单片机是典型的嵌入式系统？ 单片机从体系结构到指令系统都是按照嵌入式应用特点专门设计的。它体积小、控制能力强、抗干扰能力强、指令丰富，并且包含位处理指令，等等这些特性都使得单片机能最好地满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行，以及非凡的控制品质要求。因此，单片机是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。

1.2 数制与编码 1.2.1 英文字符的表示方法——ASCII码 1.2.2 BCD码(二进制编码的十进制数) 1.2 数制与编码 1.2.1 英文字符的表示方法——ASCII码 1.2.2 BCD码(二进制编码的十进制数) 1.2.3 计算机中带符号数的表示方法

1.2.1 英文字符的表示方法——ASCII码 由于计算机只能处理二进制数，因此除了数值本身需要用二进制数形式表示外，字符，包括数码(如0，1，2，3，4，5，6，7，8，9)、字母(如A，B，C，D，…，X，Y，Z及a，b，c，d，…，x，y，z)、特殊符号(如%，!，+，-，=等)也必须用二进制数表示，即在计算机中需将数码、字母、特殊符号等代码化，以便于计算机识别、存储和处理。

目前计算机系统中普遍采用美国标准信息交换代码(American Standard Code for Information Interchange II，简称ASCII码)。该标准用7位二进制数表示一个字符，最多可以表示128个字符。 128个字符对于某些特殊应用来说可能不够，因此就采用8 位的ASCII，即扩展ASCII码（共256个代码）。其中前128 （高位为0）个编码用于表示基本的ASCII码，基本ASCII码 主要用于表示数字、英文字母、标点符号、控制字符等；后 128（高位为1）个编码用于表示扩展的ASCII码，扩展ASCII 用于表示一些特殊的符号，如希腊字母等。

1.2.2 BCD码(二进制编码的十进制数) 二进制数以其物理易实现和运算简单的优点在 计算机中得到了广泛应用，但人们日常习惯最熟悉 的还是十进制。为了既满足人们的习惯，又能让计 算机接受，便引入了BCD码。它用二进制数码按 照不同规律编码来表示十进制数，这样的十进制数 的二进制编码，既具有二进制的形式，又具有十进 制的特点，便于传递处理。

十进制数 8421 BCD码 0000 5 0101 1 0001 6 0110 2 0010 7 0111 3 0011 8 1000 4 0100 9 1001

注：在BCD码中，不使用1010（0AH）～1111（0FH）。 例如: （1） 78.43 ＝ (0111 1000 . 0100 0011)BCD （2） (0110 1001 . 0001 0101)BCD ＝ 69.15

1.2.3 计算机中带符号数的表示方法 ——原码、反码、补码 在计算机中，对于带符号数来说，一般用最高位表示 0001011 1 1.2.3 计算机中带符号数的表示方法 ——原码、反码、补码 在计算机中，对于带符号数来说，一般用最高位表示 数的正、负。对于正数，最高位规定为“0”，对于负数，最高位为“1”。 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0001011 1 符号 数值部分

计算机中用三种方式来表示带符号数，分别是： 原码、反码、补码。 （1）原码 用最高位表示数的正负（正数的符号位用0表示，负数的符号位用1表示），其余各位表示该数的绝对值，这种表示方法称为原码。 例如：＋115和-115在计算机中(设机器字长为8位)，其原码可分别表示为 ［+115］原＝01110011B； ［-115］原＝11110011B

（2）反码 反码可由原码得到，如果是正数，则其反码和原码相同，如果是负数，则其反码除符号为1外，其它各位取反（即1转换为0，0转换为1），这种表示方法称为反码。 （3）补码 补码可由反码得到，如果是正数，则其补码和反码相同，如果是负数，则其补码为反码加1，这种表示方法称为补码。

【例1】假设X1＝+83，X2＝-76，当用8位二进制数表示 解: ［X1］原＝［X1］反＝［X1］补＝01010011B ［X2］原＝11001100B ［X2］反＝10110011B ［X2］补＝［X］反＋1＝10110100B 综上所述可归纳为: 正数的原码、反码、补码就是该数本身； 负数的原码其符号位为1，数值位不变； 负数的反码其符号位为1，数值位逐位求反； 负数的补码其符号位为1，数值位逐位求反并在末位加1。

1.3 存储器分类介绍 存储器的分类方法很多，例如： 从材料和电路类型，分为磁芯存储器、半导体存储器、 电藕荷存储器等。 1.3 存储器分类介绍 存储器的分类方法很多，例如： 从材料和电路类型，分为磁芯存储器、半导体存储器、 电藕荷存储器等。 从其与微处理器的关系，分为内存和外存。通常把直 接同CPU进行信息交换的存储器称为内存；而把通过内存 间接与CPU进行信息交换的存储器称为外存，如磁盘、光 盘等。 对于单片机所使用的半导体存储器，在功能上按如下 方式分类：

1、只读存储器ROM（Read Only Memory） RAM 可现场改写的非易失存储器 掩膜ROM PROM EPROM E PROM 2 静态RAM 动态RAM 1、只读存储器ROM（Read Only Memory） ROM在设计之初是只能读出不能写入，特点是掉电后信息不会丢失。因此一般用来存放固定程序、数据表、字库等。 （1）掩膜ROM 也称固定ROM，是由厂家编好程序写入ROM供用户使用，用户不能更改它。

（2）可编程序的只读存储器PROM（Programmable ROM） 它的内容可由用户一次写入，就只能读出，不能再改写。 （3）可改写的只读存储器EPROM（Erasable Programmable ROM） 它的内容可由通过紫外线擦除，擦除后又可重新写入。 (4) 可电改写的只读存储器E PROM（Electrically Erasable PROM） 它的内容可用电的方法写入和擦除，既有与RAM一样读写操作简便，又有数据不会因掉电丢失的优点，因此使用极为广泛。 2

2、随机存储器RAM（Random Access Memory） RAM又叫读写存储器，不仅能读取数据，还能随时写入新的数据，覆盖原来的数据。但是掉电后RAM中的信息全部丢失，因此常用于存放经常改变的程序或中间结果等信息。 （1）静态SRAM（Static RAM） 其特点是为只要有电源加于存储器，数据就能长期保留。 （2）动态DRAM（Dynamic RAM） 写入的信息只能保持若干ms的时间，因此，每隔一定时间必须重新写入一次，以保持原来的信息不变。

3、可现场改写的非易失存储器 特点是：从原理上，它们属于ROM型存储器；从功能上，它们又可以随时改写信息，相当于RAM。所以，ROM、RAM的定义和划分已逐渐失去意义。典型代表是“FLASH”。 FLASH 这种存储器是在EPROM和E PROM的制造基础上产生的一种非易失存储器。集成度高，制造成本低，具有SRAM读写的灵活性和较快的访问速度，又具有ROM在掉电后信息不丢失的特点，所以发展很快。

1.4 单片机的历史及发展趋势 一、单片机的历史 单片机的发展历史分为四个阶段： 1.4 单片机的历史及发展趋势 单片机的发展历史分为四个阶段： 一、单片机的历史 第一阶段（1974－1976年）：单片机初级阶段。因工艺限制，此时的单片机是一位的。 第二阶段（1976－1978年）：低性能单片机阶段。以Intel公司制造的MCS-48单片机为代表，集成了8位CPU、并行I/O口、8位定时器/计数器、RAM、ROM。为单片机的发展奠定了坚实的基础。

第三阶段（1978－1982）：高性能单片机阶段。典型代表有Intel公司制造的MCS-51系列单片机、Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。带有串口，多级中断系统， 定时器/计数器、片内RAM、ROM容量加大，寻址范围可达64KB。 第四阶段（1982－现在）：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。此阶段的主要特征是一方面发展16位单片机、32位单片机及专用型单片机；另一方面不断完善高档8位单片机，以满足不同的用户需求。16位单片机的典型产品如Intel公司生产的MCS-96系列单片机。

二、单片机的发展趋势 单片机的发展趋势将是向大容量、高性能、外围电路内装化等方面发展，满足不同用户的需求。 1、CPU的改进 2、存储器的发展 加大存储容量，片内EPROM采用E PROM或闪存(Flash)，程序保密化。 2 3、片内I/O的改进 增加并行口的驱动能力，增加I/O口的逻辑控制功能，设置一些特殊的串行接口，为构成网络化系统提供条件。

4、外围电路内装化 随着集成度的不断提高，有可能把众多的外围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的ROM、RAM、定时器/计数器、中断系统外，还可能集成A/D转换器、D/A转换器、DMA控制器、中断控制器、频率合成器、字符发生器、声音发生器、CRT控制器等。 5、低功耗化 8位单片机中有二分之一的产品已CMOS化，CMOS芯片的单片机具有功耗小的优点。例如采用CHMOS工艺的MCS-51系列单片机80C31/80C51/87C51在正常运行时，工作电路为16mA，Wait方式工作时，工作电路为3.7mA，Stop方式时，工作电路仅为50nA。

1.5 单片机特点及系统组成 一、单片机特点： （1）体积小，重量轻； （2）可靠性高，运行速度快，抗干扰能力强； 1.5 单片机特点及系统组成 一、单片机特点： （1）体积小，重量轻； （2）可靠性高，运行速度快，抗干扰能力强； （3）控制功能强，使用灵活，性价比高； （4）易扩展，易于开发； （5）受集成度限制，片内存储器容量较小，一般内ROM在8KB以下，内RAM在256B以内。

二、单片机系统的组成： CPU AB DB CB 存储器 接口部件 键盘 显示器 数码管 打印机 定时计数器

运算器 寄存器组 控制器 CPU 内存 中断控制逻辑 通用接口 单片机芯片 外围器件 硬件部分 软件部分 并行I / O口 串行UART 定时/计数器 单片机系统 ADC0809、DAC0832 8253 8251 8255A、8155 2764、6264 指令系统 应用程序

1.6 80C51系列概述 一、MCS-51系列 （1）MCS-51是Intel公司生产的一个单片机系列名称。属于这一系列的单片机有多种，如： ﹡8051/8751/8031； ﹡8052/8752/8032； ﹡80C51/87C51/80C31 ﹡80C52/87C52/80C32等 。

（2）该系列生产工艺有两种： 一是HMOS工艺（高密度短沟道MOS工艺）。二是CHMOS工艺（互补金属氧化物的HMOS工艺）。 CHMOS是CMOS和HMOS的结合，既保持了HMOS高速度和高密度的特点，还具有CMOS的低功耗的特点。在产品型号中凡带有字母“C”的即为CHMOS芯片，CHMOS芯片的电平既与TTL电平兼容，又与CMOS电平兼容。

（3）在功能上，该系列单片机有基本型和增强型两大类： 基本型： 8051/8751/8031 80C51/87C51/80C31 增强型： 8052/8752/8032 80C52/87C52/80C32

（4）在片内程序存储器的配置上，该系列单片机有三种形式，即掩膜ROM、EPROM和ROMLess(无片内程序存储器)。如： ﹡80C51有4K字节的掩膜ROM； ﹡87C51有4K字节的EPROM ； ﹡80C31在芯片内无程序存储器。

二、80C51系列 80C51是MCS-51系列中CHMOS工艺的一个典型品种 ；其它厂商以8051为基核开发出的CMOS工艺单片机产品统称为80C51系列。当前常用的80C51系列单片机主要产品有： ﹡ Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等； ﹡ ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等； ﹡ Philips、华邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的许多产品 。

三、80C51典型产品资源配置

1.7 单片机的应用开发 单片机的主要应用在检测、控制领域。具有小巧灵活、成本低、可靠性好、适应温度范围宽、易扩展等特点。以下是单片机应用领域的举例： 一、单片机的应用 1、工业自动化 在自动化技术中，无论是过程控制技术、数据采集还是测控技术，都离不开单片机。机电一体化技术（例如机器人技术）将发挥愈来愈重要的作用。

2、智能仪器仪表 在智能仪器仪表中，单片机应用十分普及。单片机的使用有助于提高仪器仪表的精度，减小体积而易于携带。 3、消费类电子产品 主要反映在家电领域，目前家电产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度。例如，洗衣机、电冰箱、空调、电视机、微波炉、手机、MP3、IC卡、汽车电子设备等。 4、通信方面 在调制解调器、程控交换技术，以及各种通信设备（如MODEM、路由器、交换机等），单片机都得到了广泛的应用。

5、武器装备 在现代化的武器装备中，如飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、智能武器、航天飞机导航系统等领域都有单片机深入其中。 6、终端及外部设备控制 计算机网络中断设备，银行中断及计算机外部设备，如打印机、硬盘驱动器、绘图机、传真机、复印机等设备中，都使用了单片机。 7、多机分布式系统 可用多片单片机构成分布式测控系统，它使单片机的应用进入了一个新的水平。

二、单片机的开发 单片机系统的开放过程主要包括以下几个步骤： 1、总体设计 包括确定技术指标、机型选择、器件选择、硬件和软件的功能划分等几个步骤。 2、硬件设计 根据总体设计要求，再所选择机型的基础上，确定系统扩展所要用的存储器、I/O电路、A/D电路以及有关外围电路等，然后设计出系统的电路原理图。

3、软件设计 在单片机应用系统的研制过程中，软件设计一般是工作量最大、最重要的任务。软件编写和调试所花的时间也是整个设计过程中最长的。

单片机应用系统开发流程图

思 考 题 1.已知原码如下，写出其反码和补码（最高位是符号位） （1）[X] ＝01011001， （2）[X] ＝00111110 （3）[X] ＝11011011， （4）[X] ＝11111100 原 原 原 原 2. 当微机把下列数看成无符号数时，它们相应的十进制为多少？若把它们看出是补码，最高位为符号位，它们相应的十进制数又是多少？ （1）10001110 （2）10110000 （3）00010001 （4）01110101

2、答: 当把(1)～(4)的数看成无符号数时，它们相应的十进制 数如下： (1)10001110＝142 (2)10110000＝176 1、答：（1）[X] ＝01011001， （1）[X] ＝01011001 （2）[X] ＝00111110， （2）[X] ＝00111110 （3）[X] ＝10100100， （3）[X] ＝10100101 （4）[X] ＝10000011， （4）[X] ＝10000100 反 补 2、答: 当把(1)～(4)的数看成无符号数时，它们相应的十进制 数如下： (1)10001110＝142 (2)10110000＝176 (3)00010001＝17 (4)01110101＝117 当把它们看成是补码，最高位为符号位时，它们相应的十进制数如下: (1)10001110＝-114 (2)10110000＝-80 (3)00010001＝17 (4)01110101＝117

3、单片机（MCU）和微处理器（MPU）有何不同？ 为什么说单片机是典型的嵌入式系统？ 4、你认为在哪个领域中单片机的应用将得到较大 发展？简述该领域的现状和技术发展趋势。