1、第一章 緒 論 人類科技發展至今，計算機技術已經取得了驚人的迅猛發展，電子計算機已滲透到國防尖端、工業、農業、企業管理，交通運輸等日常生活各個領域。從個人利用計算機進行辦公、娛樂，到企業單位利用計算機進行管理，制造業利用計算機進行產品開發、設計、制造、生產控制等等，計算機已無所不在，無所不用，其作用和成就的日益卓著，已成為現代工業水平的標志之一。計算機的發展方向 而計算機的發展主要有兩個方向，一個是通用計算機系統，一個是控制領域的微型計算機系統。 通用計算機主要用于運算、管理、輔助設計及制造等，是我們日常生活中最常見的計算機系統。而控制領域的微型計算機是一種嵌入式系統，是將微型計算機嵌入到應用

2、系統中的一種技術應用。在我們全人類進入計算機時代的新世紀，許多人都在從事著與計算機相關的職業，而只有從事嵌入式系統應用的人才真正地進入到計算機系統的內部軟、硬件體系中，才能真正領會計算機的智能化本質并掌握智能化設計的知識和技術。第一節 單片機概述 單片機應用的歷史并不長，但是單片機的應用卻從根本上改變了傳統的控制系統設計思想和設計方法。在使用單片機之前的控制系統是由模擬電路或數字電路實現的大部分控制功能，而現在已能利用單片機通過軟件編程方法實現模擬或數字電路的控制功能。這種以軟件取代硬件并能提高系統性能的控制系統“軟化”技術，稱之為微控制技術。因而單片機的應用是對傳統控制技術的一場革命。1.1

3、.1單片機 單片機對剛剛接觸嵌入式領域的人而言還不是十分熟悉，但是個人計算機是大家在日常中經常見到和使用的，二者都是計算機，它們之間又有什么聯系和區別呢？微型計算機單片機而單片機是將微型計算機的主要組成部分集成在一個芯片上的微型計算機。具體地說就是把中央處理器（CPU）、隨機存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、I/O接口、中斷系統和定時器/計數器等接口集成在一塊芯片上，構成的微型計算機。SCMC（Single Chip Micro-Computer ），簡稱單片機。單片機在應用時通常處于被控系統核心地位并融入其中，即以嵌入的方式進行使用。為了強調其“嵌入”的特點，也常常將單片機稱為嵌入式微

4、控制器EMCU（Embedded Micro-Controller Unit）。1.1.2單片機系統單片機只是一個芯片，既無顯示器也無鍵盤，而在許多控制系統中或者需要鍵盤輸入控制參數，或者需要顯示器顯示系統工作狀態，那該怎么辦呢？單片機系統則是在單片機芯片的基礎上擴展其他電路或芯片構成的具有一定應用功能的計算機系統。例如一種溫度測控系統。1.1.3單片機應用系統和單片機開發系統單片機開發系統應具備的功能：（1）方便地輸入和修改用戶的應用程序；（2）對用戶系統硬件電路進行檢查和診斷；（3）將用戶源程序編譯成目標代碼并固化到相應的ROM中去，并能在線仿真；（4）以單步、斷點、連續等方式運行用戶程序

5、，能正確反映用戶程序執行的中間狀態，即能實現動態實時調試。常用的MCS-51硬件開發系統：（1）Keil C51單片機仿真器。 （2）廣州周立功單片機發展有限公司的TKS系列仿真器。 （3）Flyto Pemulator單片機開發系統。 （4）Medwin集成開發環境。 （5）E6000系列仿真器。1.1.4 單片機的程序設計語言和軟件機器語言是用二進制代碼表示的單片機指令，用機器語言構成的程序稱之為目標程序。匯編語言是用符號表示的指令，匯編語言是對機器語言的改進，是單片機最常用的程序設計語言。為了使程序設計具有通用性，單片機也開始嘗試使用高級語言，其中編譯型語言有Pl、M5l、C-5l、C、

6、MBASIC-51等，解釋型的有MBASIC和MBASIC-52等。第二節 單片機發展及應用1.2.1單片機發展階段第一階段（19711974年）：MCS-4微型計算機；8位微處理器Intel8008第二階段（19741978年）：單片機探索階段第三階段：（19781983年）：高性能單片機完善階段，第四階段：（198390年代初）：8位單片機發展及第三代16位單片機推出階段。第五階段：（90年代至今）：高檔16位單片機和第四代32位的單片機出現階段。1.2.2單片機的應用1、智能化家用電器2、工業控制3、智能儀器儀表4、辦公自動化5、網絡和智能化通信產品6、汽車電子產品7、模塊化應用8、軍事

7、領域第三節 單片機分類1.3.1 單片機按位分類4位單片機:OKI公司的MSM64164C、MSM64481、NEC公司的75006系列、EPSON公司的SMC62系列等。 8位單片機 :目前主要分為MCS-51系列及其兼容機型和非MCS-51系列單片機。 16位單片機 :TI的MSP430系列、凌陽SPCE061A系列、Motorola的68HC16系列、Intel的MCS-96/196系列等。32位單片機:飛利浦的LPC2000系列、三星的S3C/S3F/S3P系列等。1.3.2 主要單片機性能分類Intel公司的MCS-51系列Atmel公司的AT89系列PIC系列單片機Motorola

8、單片機Intel公司的MCS-51系列片內資源基本型型號增強型型號80318031AH80C3180518051AH80C5187518751BH87C5180328032AH80C3280528052AH80C5287528752BH87C52ROM/4K8B/8K8B/EPROM/4K8B/8K8BRAM1288 B1288 B1288 B2568 B2568 B2568 B并行接口4個8位4個8位4個8位4個8位4個8位4個8位串行接口UART111111中斷源555666定時器/計數器2個16位2個16位2個16位316位316位316位掉電和待機模式/工作頻率12MHZ12MHZ12

9、MHZ12MHZ12MHZ12MHZAtmel公司的AT89系列片內資源單片機型號AT89C51AT89S51AT89C52AT89S52AT87F51AT89LS51Flash ROM4K8B4K8B8K8B8K8位/4K8BOTP/8K8B/RAM1288B1288B2568B2568B1288B1288B工作頻率24MHZ33MHZ24MHZ33MHZ24MHZ16MHZ并行接口4個8位4個8位4個8位4個8位4個8位4個8位串行接口UART111111中斷源556665定時器/計數器2個16位2個16位3個16位3個16位2個16位2個16位掉電和待機模式有有有有有有看門狗電路/有/有

10、/有PIC系列單片機PIC系列單片機與MCS-51系列單片機相比各有特點:（1）總線結構：MCS-51的總線結構是馮-諾依曼型，計算機在同一個存儲空間取指令和數據，兩者不能同時進行；而PIC的總線結構是哈佛結構，指令和數據空間是完全分開的，一個用于指令，一個用于數據，由于可以對程序和數據同時進行訪問。(2)指令結構：MCS-51的取指和執行采用單指令流水線結構。(3)寄存器結構：PIC的所有寄存器，包括I/O口，定時器和程序計數器等都采用RAM結構形式，而且都只需要一個指令周期就可以完成訪問和操作。第四節 數的進制及編碼由于計算機只能識別“1”和“0”的數字量信息，所以在計算機處理中，所有數據

11、和信息的存儲以及指令的編碼都是以二進制的形式存在的，下面介紹一下計算機中常用的數制和編碼以及數據在計算機中的表示方法。1.4.1數制表示數碼中每一位的構成及進位的規則稱為進位計數制，簡稱數制。一種數制中允許使用的數碼符號的個數稱為該數制的基數，記作R。而某個數位上數碼為1時所表征的數值，稱為該數位的權值，簡稱“權”。各個數位的權值均可表示成 的形式，其中i是各數位的序號。利用基數和“權”的概念，可以把一個R進制數D用下列形式表示：1、十進制數十進制的按權展開式如下：十進制數的計數規律是：低位向其相鄰高位“逢十進一，借一為十”。也就是說，每位數累計不能超過10，計滿10就應向高位進1；而從高位借

12、來的1，就相當于低位的數10。十進制各位的權值為10i，i是各數位的序號。一般情況，N位十進制，可表示10N個不同的數值，從0開始并包括0，其最大數為10N -1。2、二進制數所謂二進制，就是基數R為2的進位計數制，它只有0和1兩個數碼符號。二進制數一般用下標2或B表示，如11012，1101B等。二進制的按權展開式如下：二進制加法：0 + 0 = 00 + 1 = 11 + 0 = 11 + 1 = 10 （“逢二進一”）二進制減法二進制的減法運算有如下規則：0 0 = 01 0 = 11 1 = 00 1 = 1 （“借一為二”）二進制乘法二進制的乘法運算有如下規則：0 0 = 00 1

13、= 01 0 = 01 1 = 1 二進制數的除法是乘法的逆運算，這與十進制數的除法是乘法的逆運算一樣。3、八進制數八進制數的基數R是8，它有0、1、2、3、4、5、6、7共八個有效數碼。八進制數一般用下標8或O表示，如6178，521O等。對照公式（1-1），八進制的按權展開式如下：八進制01234567二進制0000010100111001011101114、十六進制數十六進制的計數規則是：低位向相鄰高位“逢十六進一，借一為十六”。十六進制數一般用下標16或H表示，如B216，AC16等。對照公式（1-1），十六進制的按權展開式如下：十六進制0123456789ABCDEF十進制01234

14、567891011121314151.4.2進制轉換八進制和二進制之間的相互轉換非常簡單。八進制能表示的最大十進制數值是7，二進制計數系統需要3位數來表示7（由于231 = 7）。因此，每個八進制位需要3位二進制數來表示八進制01234567二進制0000010100111001011101111、二進制數與八進制數的相互轉換2、二進制數與十六進制數的相互轉換十六進制和二進制之間的相互轉換非常簡單。十六進制能表示的最大十進制數值是15（十六進制是F），二進制計數系統需要四位數來表示15（由于241 =15）。因此，每個十六進制位需要4位二進制數來表示十六進制01234567二進制0000000

15、1001000110100010101100111十六進制89ABCDEF二進制10001001101010111100110111101111十進制數與任意進制數的相互轉換把非十進制數轉換成十進制數采用按權展開相加法。具體步驟是，首先把非十進制數寫成按權展開的多項式，然后按十進制數的計數規則求其和。1、非十進制數轉換為十進制數2、十進制數轉換為其它進制數 采用基數連除法，即除基取余法。把十進制整數N轉換成R進制數的步驟如下：（a）將N除以R，記下所得的商和余數；（b）將上一步所得的商再除以R，記下所得的商和余數；（c）重復做第2步，直至商為0；（d）將各個余數轉換成R進制的數碼，并按照和運算

16、過程相反的順序把各個余數排列起來（把第一個余數作為LSB，最后一個余數作為MSB），即為R進制的數。 整數轉換 純小數轉換（a）將M乘以R，取整數部分；（b）將上一步乘積中的小數部分再乘以R，再取整數部分；（c）不斷重復（b），直至小數部分為0或者滿足預定精度要求為止；（d）將各步求得的整數部分轉換成R進制的數碼，并按照和運算過程相同的順序排列起來，即為所求的R進制數。1.4.3二進制數的編碼8421BCD碼2421BCD碼1、加權二進制碼2、不加權的二進制碼余3碼:余3碼是一種特殊的BCD碼，它是由8421BCD碼加3后形成的，所以叫做余3碼格雷碼是另一種不加權的二進制碼，它不屬于BCD類型

17、的編碼。格雷碼又叫循環碼，具有多種編碼形式，但有一個共同的特點，就是任意兩個相鄰的格雷代碼之間，僅有一位不同，其余各位均相同。3.字母數字碼計算機處理的數據不僅有數碼，還有字母、標點符號、運算符號及其它特殊符號。這些符號都必須使用二進制代碼來表示，計算機才能直接處理。通常，可同時用于表示字母和數字的編碼稱為字母數字碼。4、補碼在計算機中，數總是存放在由存儲元件構成的各種寄存器中，而二進制數碼0和1也總是由存貯元件的兩種相反狀態來表示，所以對于正號“+”或負號“”也只能用這兩種相反的狀態來區別，而負數在計算機中總是以補碼形式表現的。數的符號在機器中的一種簡單表示法為，正數符號位用“0”表示，負數符號位用“1”表示。這樣，數的符號標示也就“數碼化”了。也就是說，帶符號數的數值部分和符號部分統一由數碼形式（僅用0和1兩種數字符號）來表示。練習題1.簡述單片機與普通PC機的區別。2.對比找出MCS-51系列單片機和PIC系列單片機各自的特點。3.簡述機器語言、匯編語言、高級語言之間的關系。4.簡述單片機的特點，并舉例說明單片機應用系統。5.在MCS