单片机原理及其接口技术

单片机原理及其接口技术教教 材：材：单片机原理及其接口技术单片机原理及其接口技术 参考书：参考书：单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术 张毅刚主编张毅刚主编 人民邮电出版社人民邮电出版社 MCS51单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术马家辰等编马家辰等编 哈工大哈工大出版社出版社 ATMEL89系列单片机应用技术系列单片机应用技术余永权编著余永权编著 北航出版社北航出版社 单片机原理与单片机原理与C51编程编程 宋彩利等编宋彩利等编 西安交大出版社西安交大出版社单片机基础知识与技能实训单片机基础知识与技能实训刘起义编刘起义编 人民邮电出版社人民邮电出版社 MCS-51系列单片机系统及应用实践教程系列单片机系统及应用实践教程 毛毛 敏主编敏主编 高等教育出版社高等教育出版社单片机原理及其接口技术预备知识预备知识数字电路：数字电路：与、或、非门与、或、非门三极管开关电路（非门）三极管开关电路（非门）工作原理：截止，饱和对应状态工作原理：截止，饱和对应状态:电压高、低；电压高、低；1,0 三态门：三态门：L，H，高阻态；，高阻态；译码器：译码器：24、38译码器，译码器，LS138 寄存器：寄存器：D触发器，具有记忆作用，触发器，具有记忆作用，8位位 位（位（bit），字节（），字节（byte），字（），字（word），字长；），字长；计算机功能分类计算机功能分类:单片机（单片机（MCU,816位），嵌入式位），嵌入式(ARM 32位位)，DSP;核心：核心：CPU，主要指标：运算速度：主频，字长，主要指标：运算速度：主频，字长，单片机原理及其接口技术第第1章章 微型计算机基础微型计算机基础1.1 微型计算机概述 电子计算机是科技发展的产物 第一台电子数字计算机于1946年问世，称ENIAC由数千个电子管和继电器组成，占地170mm2,速度为5000次/秒 加法运算 计算机的飞速发展归功于半导体集成技术的发展:第一代（19461958）电子管数字计算机 第二代（19581964）晶体管数字计算机 第三代（19641971）集成电路计算机 第四代（1971 ）大规模、超大规模集成电 路巨型机，大中型计算机，微型计算机，单片机原理及其接口技术 微型机是由LSI、VLSI等组成的,具有功能强，结构紧凑、系统可靠性高的特征，它由中央处理器（CPU）、存储器、通用或专用I/O接口电路等组成。

它可分为多板微机、单板微机和单片微机单片机原理及其接口技术 组成微型计算机的各主要功能部件：中央处理器、存储器、I/O接口电路及定时/计数器等，制作在一块集成电路芯片中从而构成完整的微型计算机，称作单晶片微型计算机单片微机发展迅速，根据其性能、用途及工 作特点可大致分成单片机（Single chip microcomputer)或称微控制器（微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）、和ARM（嵌入式系统）等几大类单片机原理及其接口技术一、计算机组成和系统一、计算机组成和系统1.组成（五大组成部分）组成（五大组成部分）冯冯诺依曼型计算机诺依曼型计算机 运运 算算 器器 输出设备输出设备 控控 制制 器器 输入设备输入设备 存存 储储 器器C P UROM：程序存储：程序存储RAM：数据存储：数据存储概念：硬件、软件；计算机和计算机系统概念：硬件、软件；计算机和计算机系统单片机原理及其接口技术程序存储程序存储比较哈佛结构（DSP，MCU）：存放程序的存储区（ROM）和存放数据的存储区空间分开（RAM）优点：速度快，效率高工作原理：顺序执行顺序执行特点：程序和数据合用一个存储器空间，如PC机。

单片机原理及其接口技术CPUROMRAMI/O接口接口外设外设Address BusData BusControl Bus2.微型计算机基本结构示意图微型计算机基本结构示意图电气连接、信息交换：通过三大总线！电气连接、信息交换：通过三大总线！ROM：主要储存程序，：主要储存程序，RAM：存储数据：存储数据单片机原理及其接口技术3.系统图1-1 微处理器、微计算机和微计算机系统的关系单片机原理及其接口技术功能：微型化，巨型化，网络化，智能化速度：取决于：主频（时钟频率，振荡频率）字长（16位，32位，64位）精简指令结构：RISC，单周期指令工艺：线间距减小：0.13微米，功耗降低构造：通用：CPU，专用：MCU，DSP体积小，抗干扰能力强，省电，成本低二、计算机的发展二、计算机的发展单片机原理及其接口技术1.2.1 数制数制 日常生活中广泛使用的数为十进制数，这是一种逢十进一的计数方法常用的数制还有二进制、十六进制等基数小于10的计数制，可用十进制相应的数码作为它的数字符号，一个数一般由多个数码组成数码在数中的位置不同，其值也不同1.2 计算机中的数制和转换计算机中的数制和转换单片机原理及其接口技术一、一、二进制数（用二进制数（用B表示）表示）以2为基数的数制称为二进位计数制，它只包括0和1两个数码，很容易用电子元件的两种不同的状态来表示，例如，用高电平表示1，用低电平表示0。

所以，计算机中通常采用二进制数二进制数的计数特征：逢二进一，运算简单在加、减、乘、除四则运算中，乘法实质上是做移位加法，除法则是移位减法单片机原理及其接口技术二、二、十六进制数（用十六进制数（用H表示）表示）为了书写和阅读方便，经常采用十六进为了书写和阅读方便，经常采用十六进制数作为二进制的缩写形式制数作为二进制的缩写形式十进制数、二进制数、十六进制数的对照表如表1-1所示在计数时，逢十六进一，这样书写长度短，且可方便将十六进制数转换为二进制数或将二进制数转换为十六进制数单片机原理及其接口技术表1-1 十进制数、二进制数、十六进制数对照表 单片机原理及其接口技术1.2.2 不同进制数之间的转换不同进制数之间的转换1二进制转换为十进制基本方法：将二进制数按权展开式，利用十进制数的运算法则求和，即可得到等值的十进制数2十进制到二进制的转换 十进制整数转换为二进制整数十进制整数转换为二进制整数 十进制小数转换为二进制小数 带小数的十进制数转换为二进制数单片机原理及其接口技术 将二进制数转换为十六进制数，从低位开始，每四位一组每四位一组，然后将其转换为对应的十六进制数如最后一组不足四位，需在左边补0。

用同样方法可将二进制小数转换十六进制小数只是分组应从小数点右边开始分成四位一组十六进制数转换为二进制数，将每位十六进制数直接转换成相应的二进制数3二进制、十六进制之间的相互转换单片机原理及其接口技术1.2.3 数制书写约定数制书写约定 在书写计算机程序时，一般不用基数作为下标来区分各种进制，而是用相应的英文字母作后缀来表示各种进制的数如：B（Binary）表示二进制数D（Decimal）表示十进制数，一般D可省略可省略，即无后缀的数字为十进制数H（Hexadecimal）表示十六进制数单片机原理及其接口技术1.3.计算机码制计算机码制位（位（bitbit）与字节（）与字节（bytebyte）：）：1byte1byte8bits8bits1.3.1 原码、反码和补码l l 原码：在符号位符号位中用0表示正、用1表示负的二进制数，称为原码例如，x1=1110111B，x1原=01110111B x2=1110111B，x2原=11110111B数0可是0或0因此，0在原码中形式：0原=0000 0000B，0原=1000 0000B单片机原理及其接口技术l 反码：正数的反码=原码；负数的反码负数的反码=原码的符号位不变符号位不变而数值按位取反数值按位取反。

所谓按位取反，即将各位的1变成0，0变成1例如，x1=13，x1反=13原=00001101B又如，x2=13，x2原=13原=10001101B，x2反=13反=11110010B0反=0000 0000B，0反=1111 1111B 即符号位不变，其余求反即符号位不变，其余求反单片机原理及其接口技术 负数的补码负数的补码=反码反码1例如，x1=110 1101B，x1补=x1原=0110 1101B又如，x2=110 1101B，x2反=1001 0010B，x2补=10010011B在补码表示中，“0”是唯一的，即 0补=0000 0000Be.g.八位数补码 1111 1111 表示的十进制数是：1 八位数补码 1000 0001 表示的十进制数是：八位数补码 1000 0000 表示的十进制数是：补码：正数的补码补码：正数的补码=原码，原码，单片机原理及其接口技术 l l 定点表示法定点表示法：表示小数点的位置是固定不变的分为纯整数和纯小数两类数符尾数纯整数表示方法纯整数表示方法 纯小数表示方法纯小数表示方法数符尾数其格式如下所示：其格式如下所示：1.3.2数的小数点表示方法数的小数点表示方法单片机原理及其接口技术浮点表示法中小数点的位置是不固定的。

任意二进制数N一般可表示为：N=2PS一个浮点数分为阶码和尾数两部分，二者各有表示正负的阶符和数符，常用存储格式：阶符阶码数符尾数l l 浮点表示法浮点表示法单片机原理及其接口技术（1）四字节浮点数格式（如图1-2所示），它由一个字节指数（EXP）、三个字节尾数构成，共用四个存储单元2）三字节浮点数格式（如图1-3所示）在微计算机中常用的浮点数表示有：单片机原理及其接口技术图1-2 四字节浮点数格式 D7 D6 D0第一字节第二字节第三字节第四字节阶符Pf阶码 数符S f尾数高字节尾数中字节尾数低字节 单片机原理及其接口技术图1-3 三字节浮点数格式 第一字节第二字节第三字节 数符Sf阶符Pf阶码尾数高字节尾数低字节D7 D6 D5D0 单片机原理及其接口技术1.4 计算机常用编码计算机常用编码 二进制编码：用二进制数表示一种状态或符二进制编码：用二进制数表示一种状态或符号号常见的编码有常见的编码有BCD码、码、ASCII码等码等1二 十进制编码是一种用二进制编码的十进制数用二进制编码的十进制数，称BCD码BCD码用标准的8421的纯二进制码的十六个状态中的十个（如表1-2所示）用BCD码表示十进制数，只要将每位十进制数用适当的四位二进制码代替即可。

单片机原理及其接口技术表12 BCD编码 单片机原理及其接口技术 微机普遍采用的是ASCII码（如表1-3所示）ASCII码是一种八位代码，最高位一般用于奇偶校验，其余七位二进制码对128个字符进行编码见书P4382字母和符号的编码单片机原理及其接口技术表13 ASCII(美国标准信息交换码)表 单片机原理及其接口技术作业：作业：P46，1.5:1，2；1.7:1，2;P47,1.15:3，4;1.21:1，2单片机原理及其接口技术 1 单片机的发展历史单片机的发展历史 初级阶段（19741976）FAIRCHILD 两片集成芯片（集成工艺限制）低性能阶段（19761978）INTER MCS-48 高性能阶段（19781982）MCS51 更高性能阶段（1983 )多种机型并行发展1.6 单片微型计算机概述单片微型计算机概述单片机原理及其接口技术存储器、并行接口、串行接口存储器、并行接口、串行接口计数器计数器/定时器、中断控制接口定时器、中断控制接口A/D、D/A接口、接口、2.单片机的构成单片机的构成CPU+功能部件功能部件 单片机原理及其接口技术3.单片机的特点单片机的特点（1）体积小体积小、重量轻、功耗低、功能强、性价性价比高比高。

2）数据大都在单片机内部传送，运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高可靠性高3）结构灵活，易于组成各种微机应用系统4）应用广泛应用广泛，既可用于工业自动控制等场合，又可用于测量仪器、医疗仪器及家用电器等领域单片机原理及其接口技术4.单片机的应用单片机的应用应用特点 体积小：基本功能部件满足要求 可靠性高：BUS大多在内部；易采取电磁屏蔽 功能强：实时响应速度；I/O直接操作 使用方便：硬件设计简单；提供开发工具资料 性能价格比高：电路板小；接插件少 易产品化：研制周期短 量大面广，成本低廉单片机原理及其接口技术 机电一体化：电脑缝纫机 智能仪表：测温仪、温控仪 实时控制：汽车 家电：冰箱、洗衣机、电视 网络通信：通信协议集成其中 计算机外设：键盘、打印机 工农业、国防单片机的出现使得单片机的出现使得电路设计简单化电路设计简单化应用对象：单片机原理及其接口技术应用模式 应用系统结构单片机原理及其接口技术5.典型单片机产品典型单片机产品 器件厂家 美国：Intel、Motorola、Microchip、Atmel、SST、STC 等 荷兰:Philips 德国：Siemens 日本：Nec 等 台湾:Winbond等 MCS系列存储器的类型分类：无无ROM型:8031 ROM型:8051 EPROM:8751 EEPROM 型:89C51单片机原理及其接口技术6.单片机的发展趋势单片机的发展趋势 性能不断提高 CPU功能增强：速度、精度 内部资源增多：A/D、D/A、EEPROM 多功能引脚：寻址范围大 高新技术下移，重点发展8位机性能 单片机的多品种：微型化：89C2051，MC68HC705等：20PIN，2KEPROM 低功耗，低电压：CHMOS工艺、空闲等待和掉电停机方式、电 压 2.45.5V。

应用系统：ISP，IAP单片机原理及其接口技术 嵌入式系统嵌入式系统 概念概念 通用计算机系统：通用计算机系统：嵌入式系统：面向工控领域，嵌入到应用系统中嵌入式系统：面向工控领域，嵌入到应用系统中 特点：面向控制对象特点：面向控制对象 与工控应用系统结合成一个整体与工控应用系统结合成一个整体 运行可靠运行可靠 突出控制功能（突出控制功能（I/O控制）控制）种类种类:工控机（类似工控机（类似PC机）机）通用通用CPU模块模块 嵌入式微处理器（如嵌入式微处理器（如ARM7）微控制器（微控制器（MCU），），数字信号处理器（数字信号处理器（DSP）单片机原理及其接口技术 MCU发展方向发展方向RISC结构（精简指令）结构（精简指令）单周期指令，流水线指令结构单周期指令，流水线指令结构FlashROM，OTPRROM为主流为主流 （OTP：One Time Program）ISP(In System Program),IAP(In Application Program)高速：时钟可达高速：时钟可达100M（Cygnal C8051F120等）等）低功耗：低电压（低功耗：低电压（2.73.6V甚至更低），甚至更低），CMOS结构结构大内存大内存:（内部内部ROM 128K，RAM 8K）多功能：多功能：12位多路位多路AD/DA，支持，支持USB，Ethernet，JTAG接口，接口，I2C总线，多总线，多I/O口（口（64）等等）等等 MCS51的基本功能已形成一个内核，该项技术已的基本功能已形成一个内核，该项技术已为多家厂家掌握，开发出多种指令兼容的增强型功能芯为多家厂家掌握，开发出多种指令兼容的增强型功能芯片，性能不断提高，用户广泛，生命力很强。

片，性能不断提高，用户广泛，生命力很强单片机原理及其接口技术 MCU种类种类 MCU的供应形态（程序存放）的供应形态（程序存放）MASKROM(工厂一次性写入程序工厂一次性写入程序)EPROM（基本不用）（基本不用）ROMless（基本不用）（基本不用）OTPROM（用户一次性写入，如（用户一次性写入，如Philips，可靠），可靠）FlashROM（改写方便，适合开发或小批量生产）（改写方便，适合开发或小批量生产）按应用领域分：工控类，家电类，通讯类等按应用领域分：工控类，家电类，通讯类等 按通用性分：通用型，专用型按通用性分：通用型，专用型 按总线结构分：总线型（三大总线），非总线型按总线结构分：总线型（三大总线），非总线型单片机原理及其接口技术一种先进的单片机：一种先进的单片机：Cygnal公司公司C8051F系列系列SoC单片机单片机单片机原理及其接口技术Analog Peripherals-12-Bit ADCProgrammable throughput up to 200 ksps-Two 12-Bit Current Mode DACs-Two ComparatorsSupply Voltage 2.0 to 5.25 VHigh Speed 8051 C Core50 MHz system clockMemory-2304 bytes internal data RAM(256+2048)-32/16 kB Flash;In-system programmable in 512 byte sectors-64 bytes battery-backed RAM 单片机原理及其接口技术Digital Peripherals-24 port I/O;push-pull or open-drain,up to 5.25V tolerance-Hardware SMBus(I2C Compatible),SPI,and UART serial ports available concurrently-Four general purpose 16-bit counter/timers-Programmable 16-bit counter/timer array with six capture/compare modules,WDT-Internal oscillators:24.5 MHz 2%accuracy supports UART operation;clock multiplier up to 50 MHz32-PIN LQFP or 28-PIN 5x5 QFNTemperature Range:40 to+85 C单片机原理及其接口技术MCU发展小结发展小结北京航空航天大学何立民 嵌入式应用中，由于应用对象及环境的特点，嵌入式应用中，由于应用对象及环境的特点，8位机位机一直占据低端应用的主流地位。

一直占据低端应用的主流地位在单片机家族中，在单片机家族中，MCS-51是一个独特的系列是一个独特的系列Intel公司创建了公司创建了8位机的经典系列结构，并实施技术开发位机的经典系列结构，并实施技术开发政策，使这个系列历经沧桑而不老政策，使这个系列历经沧桑而不老PHILIPS等著名大电器商以自己在电子应用技术方等著名大电器商以自己在电子应用技术方面的优势，与面的优势，与Intel公司技术互补，发展了公司技术互补，发展了MCS-51，并迅速将单片微型计算机带入了微控制器（并迅速将单片微型计算机带入了微控制器（MCU）时代，创造了许多优异的单片机产品，形成了独特的、时代，创造了许多优异的单片机产品，形成了独特的、包含许多公司兼容产品的包含许多公司兼容产品的80C51系列单片机原理及其接口技术 Cygnal公司推出公司推出C8051F系列，把系列，把80C51系列推上系列推上了一个崭新高度，将单片机从了一个崭新高度，将单片机从MCU带入了带入了SoC时时代C8051F中的一些新技术定会在中的一些新技术定会在8位机中进一步位机中进一步普及与推广普及与推广MCS-51从单片微型计算机（从单片微型计算机（SCMC）到微控制器）到微控制器（MCU）再到片上系统（）再到片上系统（SoC）内核，显示了嵌）内核，显示了嵌入式系统硬件体系典型的变化过程。

在嵌入式系入式系统硬件体系典型的变化过程在嵌入式系统统SoC的最终体系中，的最终体系中，MCS-51以以8051处理器内核处理器内核的形式延续下去这对于国内外从事的形式延续下去这对于国内外从事80C51教学和教学和科研的广大人士来说，无论是过去、现在和未来科研的广大人士来说，无论是过去、现在和未来都能感受它带来的好处都能感受它带来的好处。