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1、单片机系统基础知识第1页，本讲稿共46页第第1章章 单片机系统基础知识单片机系统基础知识1.1概述概述1.1.1基本概念基本概念微处理器微处理器微型计算机微型计算机单片机单片机嵌入式系统嵌入式系统SOC1.1.2单片机的发展概况单片机的发展概况1.1.3单片机的特点和应用单片机的特点和应用1.1.4单片机的系列产品介绍单片机的系列产品介绍1.2单片机的数制表示法单片机的数制表示法1.3单片机常用逻辑电路简介单片机常用逻辑电路简介第2页，本讲稿共46页微处理器微处理器MPU（MicroprocessorUnit）是集成在同一块芯）是集成在同一块芯片上的具有片上的具有运算和控制功能运算和控制功能的
2、中央处理器。的中央处理器。微处理器不仅是微处理器不仅是构成微型计算机、单片微型计算机系构成微型计算机、单片微型计算机系统、嵌入式系统的核心部件统、嵌入式系统的核心部件，而且也是，而且也是构成多微处理器构成多微处理器系统和现代并行结构计算机的基础系统和现代并行结构计算机的基础。BACK第3页，本讲稿共46页微型计算机微型计算机由由微处理器微处理器+大规模集成电路制成的大规模集成电路制成的程序存储器和数程序存储器和数据存储器据存储器+输入输入/输出设备相连接的输出设备相连接的I/O接口电路构成接口电路构成微微型计算机。型计算机。微型计算机简称微型计算机简称MC（microcomputer）。BAC
3、K第4页，本讲稿共46页单片机单片机l单片机是单片微型计算机的简称单片机是单片微型计算机的简称l单片机是把单片机是把微处理器（微处理器（CPU）、一定容量的、一定容量的程序存储器程序存储器（ROM）和）和数据存储器数据存储器（RAM）、）、输入输入/输出接口（输出接口（I/O）、时钟及其它一些计时钟及其它一些计算机外围电路算机外围电路，通过，通过总线连接总线连接在一起并在一起并集成在一个芯片集成在一个芯片上，构成上，构成的的微型计算机系统微型计算机系统。l其它名称：其它名称：l微控制器微控制器MCU（MicroControllerUnit）l嵌入式微控制器（嵌入式微控制器（EmbeddedMi
4、crocontroller）BACK第5页，本讲稿共46页嵌入式系统嵌入式系统嵌入式系统泛指嵌入式系统泛指嵌入于宿主设备嵌入于宿主设备的系统中，嵌入的的系统中，嵌入的目的目的主要是用智主要是用智能化提升宿主设备的功能。能化提升宿主设备的功能。嵌入式系统是以应用技术产品为嵌入式系统是以应用技术产品为核心核心，以计算机技术为，以计算机技术为基础基础，以通，以通信技术为信技术为载体载体，引入各类，引入各类传感器传感器，可接入，可接入Internet网络，以适应网络，以适应应用环境的机电应用环境的机电/电子产品。电子产品。特点：特点：嵌入式微处理器对嵌入式微处理器对实时多任务实时多任务有很强的支持能力
5、；有很强的支持能力；嵌入式微处理器具有功能很强的嵌入式微处理器具有功能很强的存储区保护存储区保护功能；功能；嵌入式微处理器嵌入式微处理器功耗很低功耗很低。BACK第6页，本讲稿共46页SOCSOC是片上系统的简称。是片上系统的简称。SOC是一种是一种高度集成化、固件化高度集成化、固件化的系统集成技术。使用的系统集成技术。使用SOC技术设技术设计系统的计系统的核心思想核心思想，就是要把整个，就是要把整个应用电子系统应用电子系统全部集成在全部集成在一个芯一个芯片片中。中。使用使用SOC技术设计应用系统时，技术设计应用系统时，除了除了无法集成无法集成的外部电路或机械部的外部电路或机械部分以外，其他所
6、有的系统分以外，其他所有的系统电路全部集成电路全部集成在一起。在一起。BACK第7页，本讲稿共46页1.1.2 单片机的发展概况单片机的发展概况计算机是应数值计算要求而诞生的。长期以来，电子计算机是应数值计算要求而诞生的。长期以来，电子计算机技术都是沿着满足海量高速数值计算要求的道路发计算机技术都是沿着满足海量高速数值计算要求的道路发展的。直到展的。直到20世纪世纪70年代，电子计算机在数字逻辑运算、年代，电子计算机在数字逻辑运算、推理、实际控制方面显露出非凡能力后，在工业控制领域推理、实际控制方面显露出非凡能力后，在工业控制领域才开始对计算机技术发展提出了与传统海量高速数值计算才开始对计算机
7、技术发展提出了与传统海量高速数值计算完全不同的要求。完全不同的要求。第8页，本讲稿共46页一、单片机的发展阶段一、单片机的发展阶段l第第一一阶阶段段(197476)初初始始阶阶段段。以以4位位单单片片机机为为主主，功功能能比比较较简简单单。如如美美国国Fairchild公司生产的第一台单片机公司生产的第一台单片机F8，采用双片形式，功能简单。，采用双片形式，功能简单。l第第二二阶阶段段(197678)探探索索阶阶段段。如如76年年Intel公公司司生生产产的的MCS-48系系列列单单片片机机是是第第一一台台完全的完全的8位低档单片机。此后各种位低档单片机。此后各种8位单片机纷纷应运而生。位单片
8、机纷纷应运而生。l第第三三阶阶段段(197882)完完善善阶阶段段。提提高高电电路路的的集集成成度度，增增加加8位位单单片片机机的的功功能能。如如在在MCS-48基础上推出的高档基础上推出的高档8位单片机系列位单片机系列MCS-51。l第第四四阶阶段段(198290)巩巩固固和和发发展展阶阶段段。巩巩固固发发展展8位位单单片片机机、推推出出16位位单单片片机机、向向微微控控制制器器发发展展，强强化化了了智智能能控控制制器器的的特特征征。如如将将ADC、DAC、PWM、WDT、DMA集集成到单片机成到单片机。l第第五五阶阶段段(1990至至今今)全全面面发发展展阶阶段段。适适合合不不同同领领域域
9、要要求求的的单单片片机机，如如各各种种高高速速、大大存存储储容容量量、强强运运算算能能力力的的8位位/16位位/32位位通通用用型型单单片片机机，还还有有用用于于单单一一领领域域的的廉廉价价的的专专用用型型单片机单片机。第9页，本讲稿共46页二、单片机技术发展方向二、单片机技术发展方向1)主流机型发展趋势主流机型发展趋势2)全盘全盘CMOS化趋势化趋势3)RISC体系结构的大发展体系结构的大发展4)大力发展专用型单片微机大力发展专用型单片微机5)OTPROM、FlashROM成为主流供应状态成为主流供应状态6)ISP及基于及基于ISP的开发环境的开发环境7)单片微机中的软件嵌入单片微机中的软件
10、嵌入8)实现全面功耗管理实现全面功耗管理9)推行串行扩展总线推行串行扩展总线BACK第10页，本讲稿共46页1.1.3 单片机的特点和应用特点特点：1)体积小，成本低，运用灵活，性能价格比高，易产品化；体积小，成本低，运用灵活，性能价格比高，易产品化；研制周期短，能方便构成智能化的控制设备和仪器。研制周期短，能方便构成智能化的控制设备和仪器。2)可靠性高，抗干扰性强；可靠性高，抗干扰性强；BUS大多在内部，易采取电磁大多在内部，易采取电磁屏蔽；适用温度范围宽，在各种恶劣环境下都能可靠工作。屏蔽；适用温度范围宽，在各种恶劣环境下都能可靠工作。3)实时控制功能强：实时响应速度快实时控制功能强：实时
11、响应速度快,可直接操作可直接操作I/O口。口。4)可方便地实现多机和分布式控制，提高系统效率和可靠可方便地实现多机和分布式控制，提高系统效率和可靠性。性。应用应用：1)工业测控、工业测控、2)智能设备智能设备3)家用电器、家用电器、4)消费类电子产品消费类电子产品5)网络与通信的智能接口网络与通信的智能接口BACK第11页，本讲稿共46页1.1.4 单片机的系列产品介绍1.8051类单片机类单片机2.Atmel的的AT89系列系列3.Atmel的的AVR系列系列4.Motorola单片机单片机5.Microchip单片机单片机BACK第12页，本讲稿共46页AtmelAtmel公司的公司的公司
12、的公司的AT89AT89系列单片机系列单片机系列单片机系列单片机 nAT89系列单片机不但具有一般系列单片机不但具有一般MCS-51单片机的所有特性，而且其单片机的所有特性，而且其Flash程序存储器可以用电擦除方式程序存储器可以用电擦除方式瞬间擦除、改写瞬间擦除、改写,写入单片机内的写入单片机内的程序还可以进行程序还可以进行加密加密。nAT89系列单片机主要有系列单片机主要有AT89C51/C2051/1051等型号等型号:AT89C51最为实用，它不但和最为实用，它不但和8051指令、管脚完全兼容，指令、管脚完全兼容，而且其片内含有而且其片内含有4KBFlash型程序存储器，性价比远高于型
13、程序存储器，性价比远高于8751。AT89C2051去掉了去掉了P0口和口和P2口，内部的口，内部的Flash程序存储器也程序存储器也只有只有2K，封装形式也由，封装形式也由40脚改为脚改为20脚。脚。AT89C1051在在AT89C2051的基础上，再次精简掉了串口等功能，的基础上，再次精简掉了串口等功能，程序存储器减小到程序存储器减小到1KB。BACK第13页，本讲稿共46页Atmel公司的公司的AVR单片机单片机Atmel公司的公司的AVR单片机，是增强型单片机，是增强型RISC(精简指令精简指令集集)、内载、内载Flash的单片机。的单片机。由于采用增强的由于采用增强的RISC结构，使
14、其具有高速处理能力，在一结构，使其具有高速处理能力，在一个时钟周期内可执行复杂的指令。个时钟周期内可执行复杂的指令。AVR单片机工作电压为单片机工作电压为2.76.0V，可以实现耗电最优化。，可以实现耗电最优化。BACK第14页，本讲稿共46页MotorolaMotorola公司公司公司公司M68HC08M68HC08系列单片机系列单片机系列单片机系列单片机 nM68HC08系列单片机，具有速度快、功能强、价格低、功耗低、指令系列单片机，具有速度快、功能强、价格低、功耗低、指令系统丰富等特点，内部程序存储器采用成熟的系统丰富等特点，内部程序存储器采用成熟的Flash存储器技术。存储器技术。n编
15、程速度快、可靠性高编程速度快、可靠性高。n单一电源电压供电单一电源电压供电片内集成电荷泵，可由单一工作电压在片内产生编片内集成电荷泵，可由单一工作电压在片内产生编程电压。程电压。n支持在线编程支持在线编程允许单片机内部运行的程序去改写允许单片机内部运行的程序去改写Flash存储器内容，存储器内容，这样可代替外部电可擦除存储器芯片，减少外围部件，增加嵌入式系统这样可代替外部电可擦除存储器芯片，减少外围部件，增加嵌入式系统开发的方便性。开发的方便性。n高频噪声低，抗干扰能力强高频噪声低，抗干扰能力强。BACK第15页，本讲稿共46页MicroChipMicroChip公司单片机公司单片机公司单片机
16、公司单片机 MicroChip公司的主要产品是公司的主要产品是PIC16C系列和系列和PIC17C系列系列8位单位单片机，片机，CPU采用采用RISC结构，分别仅有结构，分别仅有33、35、58条指令，采用条指令，采用Harvard双总线结构，运行速度快，工作电压低，低功耗，有较双总线结构，运行速度快，工作电压低，低功耗，有较大的输入大的输入/输出直接驱动能力，价格低，能一次性编程，体积小，输出直接驱动能力，价格低，能一次性编程，体积小，适用于用量大、档次低、价格敏感的产品。适用于用量大、档次低、价格敏感的产品。BACK第16页，本讲稿共46页1.2 单片机中的数和编码单片机中的数和编码1.2
17、.1 数制1.2.2 数制的转换1.2.3 原码、反码、补码1.2.4 数的运算1.2.5 常用的编码BACK第17页，本讲稿共46页1.2.1 数制数制进进位位计计数数制制：使使用用有有限限个个基基本本数数码码来来表表示示数数据据，按按进进位位的的方方法法进进行行计计数。数。两大要素两大要素：基数和位权。：基数和位权。二进制：以二进制：以2为基数的数制，为基数的数制，0和和1两个数符两个数符十进制：以十进制：以10为基数的数制，为基数的数制，0,1,2,3,4,5,6,7,8,9等等10个数符。个数符。十十进进制制：以以16为为基基数数的的数数制制，0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A
18、,B,C,D,E,F等等16个数符。个数符。BACK第18页，本讲稿共46页1.2.2 数制的转换数制的转换1101.11B=123122021120121 122=13.753BH =316111160=59 1A6CH =116310162616112160 =6764第19页，本讲稿共46页1.2.2 数制的转换数制的转换除基取余法除基取余法：把一个十进制整数把一个十进制整数依次依次除以除以2，并记下每次所得的余数（，并记下每次所得的余数（1或或0），最后所得的），最后所得的余数的组合余数的组合即为转换即为转换的的二进制数二进制数。第一位余数为第一位余数为LSB最后一个余数为最后一个余数
19、为MSB126D=1111110B第20页，本讲稿共46页1.2.2 数制的转换数制的转换十进制转换成十进制转换成十六进制十六进制与十进制转换与十进制转换成二进制方法一样，只是除数为成二进制方法一样，只是除数为16而不而不是是2。而余数是。而余数是0F中的任一个数。中的任一个数。9168D=23D0H第21页，本讲稿共46页1.2.2 数制的转换数制的转换乘基取整法乘基取整法：0.318=0.010100010B第22页，本讲稿共46页1.2.2 数制的转换数制的转换101,1011,0110,1010B=7B6AH38AFH=0011,1000,1010,1111BBACK第23页，本讲稿共
20、46页1.2.3 原码、反码、补码原码、反码、补码计算机中计算机中，数的最高位用来表示正、负数。最高位为，数的最高位用来表示正、负数。最高位为“0”表示正数表示正数，最高位为，最高位为“1”表示负数。表示负数。机器数：数据连同数码化的符号位一起表示的编码数。机器数：数据连同数码化的符号位一起表示的编码数。真真值：把机器数实际代表的数称为机器数的真值。值：把机器数实际代表的数称为机器数的真值。机器数有三种表示方法机器数有三种表示方法：原码、反码、补码原码、反码、补码。第24页，本讲稿共46页1原码原码符号位符号位0表示正数，表示正数，1表示负数，表示负数，数值位保持原样数值位保持原样。8位二进制
21、原码表示的位二进制原码表示的数的范围数的范围为：为：127127。特点特点:（1）正数的原码与原来的数相同。）正数的原码与原来的数相同。（2）负数的原码为符号位置）负数的原码为符号位置1，而数值位不变。，而数值位不变。（3）0的原码表示法有两种，即正的原码表示法有两种，即正0和负和负0。+0原原00000000-0原原10000000第25页，本讲稿共46页2反码反码8位二进制反码表示的数的范围为：位二进制反码表示的数的范围为：127127（1）正数的反码）正数的反码=正数的原码正数的原码（2）负数的反码）负数的反码=符号位为符号位为1，数值位对原码按位求反。，数值位对原码按位求反。（3）0在
22、反码中也有两种表示法，正在反码中也有两种表示法，正0和负和负0。+0反反00000000-0反反11111111第26页，本讲稿共46页3补码补码8位二进制补码表示的数的范围为：位二进制补码表示的数的范围为：128127补码计算方法：补码计算方法：（1）正数的补码）正数的补码=正数的原码正数的原码（2）负数的补码）负数的补码=反码加反码加1（3）0的补码表示只有一种：的补码表示只有一种：+0补补=-0补补00000000B（4）比原码多一种组合，即）比原码多一种组合，即10000000（-128）其最高位）其最高位“1”既表示既表示符号符号，又表示，又表示数值数值；补码的加法规则是：补码的加法
23、规则是：XY补补=X补补Y补补补码的减法规则是：补码的减法规则是：XY补补=X补补-Y补补l补码的符号位作为数值的一部分，可以参加运算补码的符号位作为数值的一部分，可以参加运算第27页，本讲稿共46页3补码补码l求十进制数求十进制数7628的运算的运算l76的的2进制是进制是01001100l28的的2进制是进制是00011100l-28的补码是的补码是11100100第28页，本讲稿共46页3补码补码求十进制数求十进制数3652的运算的运算-16补补=11110000第29页，本讲稿共46页原码、反码、补码原码、反码、补码之间的关系对于正数：对于正数：x原原x反反x补补对于负数：对于负数：x
24、反反x原原数值位取反，符号位不变。数值位取反，符号位不变。x补补=x反反1采取采取求补运算求补运算，可以将计算机中的，可以将计算机中的减法运算减法运算转换成转换成加法运算加法运算，从，从而节约了而节约了计算机的硬件成本计算机的硬件成本。负数的补码如何转换为原码负数的补码如何转换为原码?BACK第30页，本讲稿共46页1.2.4 数的运算数的运算进位（进位（CY）：指运算结果最高位：指运算结果最高位D7向更高位有进位或借位。向更高位有进位或借位。溢出（溢出（OV）：运算结果超出数的表示范围（）：运算结果超出数的表示范围（-128+127）。）。1）加法加法正数正数+正数、负数正数、负数+负数：负
25、数：可能产生溢出可能产生溢出。正数正数+负数：不会溢出，负数：不会溢出，结果总是正确结果总是正确。2）减法减法：相当于正数：相当于正数+负数，负数，不会有溢出，结果正确不会有溢出，结果正确。溢出的判断方法溢出的判断方法：看看有有没没有有破破坏坏符符号号位位，即即观观察察CY CS，异异或或结结果果为为“1”时时，OV位位置置1，即溢出。，即溢出。BACK第31页，本讲稿共46页1.2.5 计算机中常用的编码1.ASC码码ASC编码表（编码表（AmericanstandardCodeforinformationinterchange美国信息交换标准代码）美国信息交换标准代码）ASC码用码用7位二
26、进制数位二进制数表示，可表示，可表达表达128个字符个字符，其中包括数，其中包括数码码09，英文大小写字母，标点符号和控制字符。，英文大小写字母，标点符号和控制字符。7位位ASC码分成二组：高码分成二组：高3位一组，低位一组，低4位一组，分别表示这些符位一组，分别表示这些符号的列序和行序。号的列序和行序。第32页，本讲稿共46页2BCD（8421）码）码 用用4位二进制数表示一个十进制数。因共有位二进制数表示一个十进制数。因共有24=16种组合状态，故种组合状态，故可选可选其中十种编码来表示其中十种编码来表示09十个数字十个数字。最常用的编码方式称为。最常用的编码方式称为BCD码码（Binar
27、ycodedDecimalCode）。）。表表十进制与二进制的对照十进制与二进制的对照第33页，本讲稿共46页BCD码加法码加法“逢十进一逢十进一”若各位的和均在若各位的和均在09之间，则之间，则其加法运算规则完全同二进制数其加法运算规则完全同二进制数加法的规则一样；加法的规则一样；若相加后的低若相加后的低4位位大于大于9，或，或有有进位进位，则应对低，则应对低4位加位加6修正。修正。类似，高类似，高4位加位加60H修正。修正。例：例：BCD码码X=59,Y=78,求求X+YX=01011001Y=01111000第34页，本讲稿共46页BCD码减法码减法BCD码减法修正的条件和方法码减法修正
28、的条件和方法是：是：低低4位向高位向高4位借位，或低位借位，或低4位出现位出现非法码，低非法码，低4位位减减6修正；修正；高高4位出现非法码，或高位出现非法码，或高4位向位向更高的借位，高更高的借位，高4位位减减6修正。修正。例如：例如：BCD码码X=55，Y=38，求，求X-YX=01010101，Y=00111000BACK第35页，本讲稿共46页1.3 单片机常用逻辑电路简介单片机常用逻辑电路简介1.3.1 基本门电路基本门电路1.3.2 触发器触发器1.3.3 寄存器寄存器1.3.4 计数器计数器1.3.5 三态门与缓冲器三态门与缓冲器1.3.6 译码器译码器BACK第36页，本讲稿共
29、46页1.3.1 基本门电路基本门电路与门芯片74LS0874LS0974LS1174LS21或门芯片74LS32非门芯片74LS04(六反相器)、74LS05(集电极开路型六反相器)。与非门芯片74LS0074LS1074LS2074LS3074LS01/03或非门芯片74LS0274LS2774LS25BACK第37页，本讲稿共46页1.3.2 触发器触发器q1基本RS触发器第38页，本讲稿共46页1.3.2 触发器触发器l2D触发器第39页，本讲稿共46页1.3.2 触发器触发器l3JK触发器触发器TTL电路电路JK触发器有触发器有74LS70、74LS7274LS73、74LS76BA
30、CK第40页，本讲稿共46页1.3.3 寄存器寄存器1简单的寄存器简单的寄存器常用的有常用的有74LS75、74LS175、CC4076等。等。2移位寄存器移位寄存器常用的有常用的有74LS194、74LS195、74LS164、74LS165、74LS166等。等。BACK第41页，本讲稿共46页1.3.4 计数器计数器1同步计数器同步计数器4位二进制计数器位二进制计数器74161十六进制加法计数器十六进制加法计数器CC4520十六进制加十六进制加/减计数器减计数器74LS19174LS193第42页，本讲稿共46页1.3.4 计数器计数器2异步计数器异步计数器异步十进制计数器异步十进制计数
31、器74LS29074LS90异步二进制计数器异步二进制计数器74LS29374LS197二进制计数器二进制计数器十进制计数器十进制计数器BACK第43页，本讲稿共46页1.3.5 三态门与缓冲器三态门与缓冲器三态输出门电路可以加到寄存器的输出端上，这样的寄存器就称为三态输出门电路可以加到寄存器的输出端上，这样的寄存器就称为三态（缓冲）寄存器。三态（缓冲）寄存器。使用三态输出门电路，计算机就可以通过数据总线与一组寄存器接使用三态输出门电路，计算机就可以通过数据总线与一组寄存器接通，而断开另外一组寄存器，从而与任意多个寄存器交换信息。通，而断开另外一组寄存器，从而与任意多个寄存器交换信息。BACK第44页，本讲稿共46页1.3.6 译码器译码器3 8译码器BACK第45页，本讲稿共46页本章小结本章小结1 1、对比、对比PCPC机，理解单片机机，理解单片机/微控制器微控制器2 2、计计算算机机中中的的数数制制和和常常用用编编码码、进进位位计计数数制制及及其其转转换、二进制常用编码（换、二进制常用编码（BCDBCD码、码、ASCIIASCII码）码）3 3、带带符符号号数数的的表表示示方方法法（真真值值、原原码码、反反码码、补补码码）、二二进制数的算术、逻缉运算进制数的算术、逻缉运算4 4、单片机常用逻辑电路、单片机常用逻辑电路第46页，本讲稿共46页