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1、华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟单片机原理与接口技术单片机原理与接口技术 华南理工大学华南理工大学网络教育学院网络教育学院华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟【课程简介课程简介】单片机原理与接口技术是计算机类、电类、信息类等专业的一门专业课。该课程主要包括单片机的硬件结构、指令系统、程序设计、单片机应用系统的扩展及开发等内容。【教学目标教学目标】通过本课程的学习，学生应熟悉单片机在信息技术、自动化与工业控制等领域的应用；了解单片机的硬件结构及工作原理，学习单片机的指令系统和编程方法，掌握单片机应用系统的研制开发的基本技能，为将来从事电气自动化、电子技术应用与开发、计算机应用技术、自动控制等工作奠定
2、坚实的基础。华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟【主讲教师主讲教师】俞鹤伟 博士 副教授 【课时安排课时安排】64学时【教教 材材 】单片机原理与接口技术吴晓苏，张中明.人民邮电出版社.2009.5【参参 考考 书书 】单片机原理与接口技术李全利.高等教育出版社.2009.1华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟单片机的基础知识单片机的基础知识第一章第一章华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟【学习目标学习目标】1理解单片机的特点、应用、发展趋势2了解MCS-51系列单片机常用芯片 3理解单片机中的数制与码制【重点内容重点内容】1单片机的概念 280C51系列单片机的内部配置 3掌握二进制、十进制和十六进制数
3、的转换 4掌握计算机中带符号数的表示方法 华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟1.1.1 1.1.1 单片机的概念单片机的概念单片机单片机 Single Chip MicrocomputerSingle Chip Microcomputer微控制器微控制器 Micro Controller UnitMicro Controller Unit嵌入式微控制器嵌入式微控制器 Embedded Micro controllerEmbedded Micro controller1.1 1.1 概述概述华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟1 1单片机单片机 Single Chip MicrocomputerSin
4、gle Chip Microcomputer 中央处理器、存储器、定时器/计数器、I/O接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。2.2.微控制器微控制器 Micro Controller UnitMicro Controller Unit 单片机应用于工业控制领域，在芯片内集成了许多面对测控对象的接口电路，如ADC、DAC、高速I/O口、PWM、WDT等。这些对外电路及外设接口已经突破了微型计算机传统的体系结构，因此也称之为微型控制器。华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟3.3.嵌入式微控制器嵌入式微控制器 Embedded Micro controllerEmbe
5、dded Micro controller 单片机的芯片体积小，在现场环境下可高速可靠运行，在工业现场它完全作嵌入式应用，是一台以单芯片形态作为嵌入式应用的计算机，它有唯一的、专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统，因此单片机又称为嵌入式微控制器。华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟 1.1.2 1.1.2 单片机的发展历史单片机的发展历史1971年，Intel公司生产出第一片4位单片机4004。1990年，微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速、强运算能力、寻址范围大以及小型廉价方面发展。19761978年，低性能8位单片机阶段，单片机的探索阶段。以Intel公司的MC
6、S-48为代表，采用了单片结构，主要用于工业领域。19781982年，高性能8位单片机阶段，单片机的完善阶段。以Intel公司的MCS-51为代表，这类单片机的应用范围较广，并在不断的改进和发展。19821990年，16位单片机阶段，例如Intel公司的MCS-96。实时处理能力更强，体现了微控制器的特征。华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟 1.1.3 1.1.3 单片机的应用单片机的应用华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟1.2 1.2 单片机的发展趋势单片机的发展趋势华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟1.3 80C511.3 80C51系列单片机系列单片机1.3.1 MCS-511.3.1 MCS
7、-51系列单片机的常用芯片系列单片机的常用芯片 5252子系列：属增强型产品，根据片内子系列：属增强型产品，根据片内ROMROM的的配置，对应的芯片为配置，对应的芯片为80328032、80528052、87528752、80C3280C32、80C5280C52、87C5287C52。5151子系列：属基本型产品，根据片内子系列：属基本型产品，根据片内ROMROM的的配置，对应的芯片为配置，对应的芯片为80318031、80518051、87518751、80C3180C31、80C5180C51、87C5187C51。华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟 两大子系列单片机的主要硬件特性两大子系
8、列单片机的主要硬件特性片内片内ROMROM型号型号ROMROM容量容量RAMRAM容量容量寻址范寻址范围围I/OI/O特性特性中断中断源源数量数量无无ROMROMEPROMEPROM计数器计数器并行口并行口8031803180518051875187514KB4KB128B128B64KB64KB2*162*164*84*85 580C3180C3180C5180C5187C5187C514KB4KB128B128B64KB64KB2*162*164*84*85 58032803280528052875287528KB8KB256B256B64KB64KB3*163*164*84*86 680
9、C3280C3280C5280C5287C5287C528KB8KB256B256B64KB64KB3*163*164*84*86 6华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟 1.3.2 80C511.3.2 80C51系列单片机系列单片机 以以80C5180C51为内核，通过内部资源的扩展和删减，具有优为内核，通过内部资源的扩展和删减，具有优异性能的各具特色的单片机异性能的各具特色的单片机。特点：特点：（1 1）普遍采用）普遍采用CMOSCMOS工艺，通常都能满足工艺，通常都能满足CMOSCMOS与与TTLTTL的的兼容。兼容。（2 2）都和）都和MCS-51MCS-51系列有相同的指令系统。系列有
10、相同的指令系统。（3 3）所有扩展功能的控制，并行扩展总线和串行总线）所有扩展功能的控制，并行扩展总线和串行总线UARTUART都保持不变。都保持不变。（4 4）系统的管理仍采用）系统的管理仍采用SFRSFR模式，增加的模式，增加的SFRSFR不会和原有不会和原有的的80C5180C51的的2121个个SFRSFR产生地址冲突。产生地址冲突。（5 5）最大限度保持双列直插）最大限度保持双列直插DIP40DIP40封装引脚不变。封装引脚不变。华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟1.4 1.4 单片机的数制与码制单片机的数制与码制1.4.1 1.4.1 数制及其转换数制及其转换二进制数：计算机能处理的
11、数据二进制数：计算机能处理的数据十进制数：人们日常用十进制数：人们日常用 的数的数十六进制数：用来缩写二进制数十六进制数：用来缩写二进制数 华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟十进制十进制二进制二进制十六进制十六进制十进十进 制制二二 进进 制制十十 六六 进进 制制0 0000000000 08 8100010008 81 1000100011 19 9100110019 92 2001000102 2101010101010A A3 3001100113 311 1110111011B B4 4010001004 4121211001100C C5 5010101015 51313110111
12、01D D6 6011001106 6141411101110E E7 7011101117 7151511111111F F表表1-21-2 十进制、二进制、十六进制数对照表十进制、二进制、十六进制数对照表华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟1 1二进制数和十进制数之间的相互转换二进制数和十进制数之间的相互转换 二进制转换成十进制二进制转换成十进制:展开求和法展开求和法,即将二进制数按权展开再相加。即将二进制数按权展开再相加。例如：例如：（101100）B=125+024+123+122+021+020 =32+0+8+4+0+0 =44十进制转换成二进制十进制转换成二进制:除除2 2取余法取余
13、法,即用即用2 2不断地去除待转换的十进不断地去除待转换的十进制数，直至商等于制数，直至商等于0 0为止，再将所得的各次余数依次倒序排列。为止，再将所得的各次余数依次倒序排列。即即 43D=101011B。例如：例如：华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟2 2二进制数和十六进制数之间的相互转换二进制数和十六进制数之间的相互转换二进制整数转换为十六进制数二进制整数转换为十六进制数:则在其左边添加则在其左边添加0 0，以凑成，以凑成4 4位，位，每组按表每组按表1-21-2用用1 1位十六进制数表示。位十六进制数表示。例如：例如：10011100100B0100 1110 0100B=4E4H 十六进
14、制数转换为二进制数十六进制数转换为二进制数:按表按表1-21-2用用4 4位二进制数表示位二进制数表示1 1位十位十六进制数。六进制数。例如：例如：8DF3H=1000 1101 1111 0011B华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟1.4.2 1.4.2 有符号数的表示有符号数的表示有符号数在计算机中有原码、反码和补码三种表示方法。有符号数在计算机中有原码、反码和补码三种表示方法。数值在计算机中表示形式为机器数，用数值在计算机中表示形式为机器数，用“0 0”和和“1 1”表表示数值正负的示数值正负的“+”和和“-”。一般在计算机中，对于正数，最高位规定为一般在计算机中，对于正数，最高位规定为“
15、0 0”；对于负数，最高位规定为对于负数，最高位规定为“1 1”。例如：例如：+100=0 1100100B -100=1 1100100B D7 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 符号位符号位 数值位数值位华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟1 1原码原码 用最高位表示数的正负，其余各位表示数的绝对值。用最高位表示数的正负，其余各位表示数的绝对值。例如：+5原码=00000101B=05H -5原码=10000101B=85H 如果计算机的数据宽度为如果计算机的数据宽度为8 8，即字长为，即字长为1 1字节，则原码能表字节，则原码能表示数值的
16、范围为示数值的范围为FFHFFH7FH7FH（-127-127-0-0，+0+0+127+127），共），共256256个。个。在计算机进行数值运算时一般不采用原码运算。在计算机进行数值运算时一般不采用原码运算。华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟2 2反码反码 正数的反码与原码相同；负数的反码为其原码的符号位不变，正数的反码与原码相同；负数的反码为其原码的符号位不变，数值部分按位取反数值部分按位取反。例如：+5反码=+5原码=00000101B=05H -5反码=11111010B=FAH 如果计算机的数据宽度为如果计算机的数据宽度为8 8，即字长为，即字长为1 1字节，则反码能字节，则反码能表
17、示数值的范围为表示数值的范围为80H80H7FH7FH（-127-127-0-0，+0+0+127+127），共），共256256个。反码表示个。反码表示“0 0”时，可以有两种数值，即时，可以有两种数值，即00000000B(+0)00000000B(+0)和和11111111B(-0)11111111B(-0)两种数值。两种数值。华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟3 3补码补码 正数的补码与原码相同；负数的补码为其反码加正数的补码与原码相同；负数的补码为其反码加1 1，但符号位不变。，但符号位不变。例如：+5补码=+5反码=+5原码=00000101B=05H -5补码=-5反码+1=111
18、11010B+1=11111011B=FBH +0补码=+0原码=+0反码=00000000B=00H -0补码=-0反码+1=11111111+1=100000000B=00H 如果计算机的数据宽度为如果计算机的数据宽度为8 8，即字长为，即字长为1 1字节，补码的表示字节，补码的表示范围为范围为80H80H7FH(-1287FH(-128+127)+127)，共，共256256个。个。80H(10000000B)80H(10000000B)在计算机中表示最小的负整数，即在计算机中表示最小的负整数，即-128-128，10000001100000011111111111111111依依次表示
19、次表示-127-127-1-1。在计算机进行数值运算时一般采用补码运算。在计算机进行数值运算时一般采用补码运算。华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟原码、反码和补码对应关系表原码、反码和补码对应关系表 无符号二进制数无符号二进制数 无符号十进制数无符号十进制数 原码原码 反码反码 补码补码 00000000000000000 0+0+0+0+00 000000001000000011 1+1+1+1+1+1+100000010000000102 2+2+2+2+2+2+20111110101111101125125+125+125+125+125+125+125011111100111111012
20、6126+126+126+126+126+126+1260111111101111111127127+127+127+127+127+127+1271000000010000000128128-0-0-127-127-128-1281000000110000001129129-1-1-126-126-127-1271000001010000010130130-2-2-125-125-126-1261111110111111101253253-125-125-2-2-3-31111111011111110254254-126-126-1-1-2-21111111111111111255255-1
21、27-127-0-0-1-1华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟 （1 1）在计算机中带符号数都是以补码的形式储存的，学）在计算机中带符号数都是以补码的形式储存的，学习原码和反码的目的是为了更好地理解补码。习原码和反码的目的是为了更好地理解补码。（2 2）补码表示法能使符号位与有效值部分一起参加运算，）补码表示法能使符号位与有效值部分一起参加运算，从而简化运算规则。从而简化运算规则。（3 3）补码表示法能使减法运算转换为加法运算，简化计算）补码表示法能使减法运算转换为加法运算，简化计算机的硬件结构。机的硬件结构。补码的作用华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟1.4.3 1.4.3 十进制数的编码十进制
22、数的编码BCDBCD码码 定义：用二进制代码表示十进制数。定义：用二进制代码表示十进制数。特点：保留十进制的权，数字则用二进制表示。即仍然是特点：保留十进制的权，数字则用二进制表示。即仍然是逢十进一，但又是一组二进制代码。逢十进一，但又是一组二进制代码。8421BCD8421BCD码编码方法：每码编码方法：每4 4位二进制数表示一个十进制字符，位二进制数表示一个十进制字符，这这4 4位中各位的权依次是：位中各位的权依次是：8 8、4 4、2 2、1 1。十进制数十进制数0 01 12 23 34 45 56 67 78 89 98421BCD8421BCD码码00000000000100010
23、0100010 00110011 01000100 01010101 011001100111011110001000 10011001华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟BCDBCD码的运算码的运算 BCDBCD码码用用4 4位位二二进进制制数数表表示示，但但4 4位位二二进进制制数数最最多多可可表表示示1616种种状状态态，余余下下6 6种种状状态态，1010101011111111在在BCDBCD编编码码中中称称为为非非法法码码或或冗冗余余码码。在在BCDBCD码码的的运运算算中中将将会会出出现现冗冗余余码码，需需要要作作某些修正，才能得到正确的结果。某些修正，才能得到正确的结果。BCDBC
24、D码修正方法码修正方法 若相加后的低若相加后的低4 4位（或高位（或高4 4位）二进制数大于位）二进制数大于9 9，或大于，或大于1515（即低（即低4 4位或高位或高4 4位的最高位有进位），则应对低位的最高位有进位），则应对低4 4位（或高位（或高4 4位）加位）加6 6修正。修正。在单片机中，由在单片机中，由BCDBCD码调整指令码调整指令DADA来完成来完成BCDBCD码的修正码的修正 。华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟1.4.4 ASCII1.4.4 ASCII码码 美国信息交换标准代码（美国信息交换标准代码（American American StandedStanded Code
25、 for Code for Information InterchangeInformation Interchange）。）。在计算机中，一些要处理的信息（如字母、标点符号、在计算机中，一些要处理的信息（如字母、标点符号、数字符号、文字符号等）也必须用二进制数表示，即在计数字符号、文字符号等）也必须用二进制数表示，即在计算机中需将这些信息代码化，以便于计算机识别、存储及算机中需将这些信息代码化，以便于计算机识别、存储及处理。处理。华南理工大学 计算机学院 俞鹤伟ASCIIASCII编码表编码表 b7b6b5 b4b3b2b1 0000010100111001011101110000NULDLESP0P、p0001SOHDC1！1AQaq0010STXDC2“2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM)9IYiy1010LFSUB*：JZjz1011VTESC+；Kk1100FFFS,Nn1111SIUS/?OoDEL