《單片機原理及應用》PPT課件

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1、Foundation and Application of One Chip Microcomputer單片機原理及應用,錢 銳 機電控制工程系 200909,教材及參考書,,教材：機電設備的單片機控制技術 參考書：1.單片微機原理 丁元杰等 上海科技文獻出版社 1991 2. 單片微型機原理、應用與實驗 張友得等 復旦大學出版社 1995 3.單片機應用系統(tǒng)設計系統(tǒng)配置與接口設計 技術 何立民 北京航空航天大學出版社 1990 周立功,教學內(nèi)容安排,,第一章 緒論 1.1 單片機概述 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼 1

2、.3 計算機基礎 第二章 MCS-51組成 2.1 MCS-51概況 2.2 系統(tǒng)組成結構 2.3 存儲器組織 第三章 指令系統(tǒng)及匯編程序設計 3.1 指令概念 3.2 尋址方式 3.3 指令系統(tǒng) 3.4 匯編程序設計,教學內(nèi)容安排,,第四章 定時器/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng) 4.1 定時器/計數(shù)器 4.2 串行口 4.3 中斷系統(tǒng) 第五章 MCS-51單片機擴展技術 5.1 程序存儲器擴展設計 5.2 數(shù)據(jù)存儲器和外部I/0端口擴展設計 5.3 8位A/D、D/A接口電路介紹 第六章 輸鍵入與顯示電路 6.1 單片機常用顯示電路 6.2 單鍵與行列式鍵盤 實驗實訓,第一章 緒論 重點：

3、 1、概念 2、進位計數(shù)制及其轉(zhuǎn)換 3、帶符號數(shù)的表示方法 （真值、原碼、反碼、補碼） 難點： 補碼與真值概念,第一章 緒論,1.1 單片機概述 單片機定義（單片微型計算機）： Single Chip Microcomputer Single Chip Microcontroller The small digital processor made in a single chip. 在一片芯片上集成CPU、存儲器、I / O接口等組成一臺完整的微型計算機。 CPU 中央處理器 存儲器 RAM 、 ROM、EPROM I / O接

4、口 A / D等功能部件,第一章 緒論 1.1 單片機概述,單片機作用： 針對工業(yè)控制和數(shù)據(jù)處理，也稱為“微控制器”、“微處理器”，Micro-controller, Micro-processor 單片機分類： 4位、8位、16位、32位 單片數(shù)字處理裝置： single chip digital processing device,第一章 緒論 1.1 單片機概述,The family of single chip digital processors digital signal processor : DSP field programmable gate arra

5、y : FPGA processor of computer: ex. CPU single chip microcontroller,第一章 緒論 1.1 單片機概述,,,,,,,第一章 緒論 1.1 單片機概述 1.1.1 單片機發(fā)展情況,1.1.1 單片機發(fā)展情況 1. 計算機： 1946年第一代電子管（賓夕法尼亞大學）ENIA 晶體管（5060年）TRANSACS-1000 集成電路計算機（1964年IBM360） 大規(guī)模集成電路（1971年IBM370、470V/6型M-0) 2. 微型計算機： 1971年INTEL 4004， 1972年INTEL 8008第一代；,,,,,,,第

6、一章 緒論 1.1 單片機概述 1.1.1 單片機發(fā)展情況,8位 INTEL 8080/8085，ZILOG Z80，APPLE 6502 16位 Intel 8086，80186，286，Pentium 具有CPU ( Central Processing Unit) 3.單片機： 1974年，F(xiàn)air Child研制的F8，準單片機,共分四個階段： 1）單片機初級階段 7476年 采用雙片形式，F(xiàn)8（8位CPU64RAM2個并行I/O口）3851（1K ROM定時器/計數(shù)器2個并行I/O） 組成一臺完整的計算機。,,,,,,,第一章 緒論 1.1 單片機概述 1.1.1 單片機發(fā)展情況

7、,2）低性能單片機階段 7678年 MCS-48系列INTEL 8048 （8位CPU、2 I/O口、8位定時器/計數(shù)器、64 RAM/ 1K ROM、簡單中斷、尋址小于4K無串行口） 3）高性能單片機階段 78年 MCS-51系列，Motorola 6801，Zilog Z8 增加功能： 串行I/O、多級中斷、16定時/計數(shù)器、片內(nèi)RAM/ROM增大，尋址64K。 Intel，Philips， Motorola,,,,,,,第一章 緒論 1.1 單片機概述 1.1.1 單片機發(fā)展情況,4）16位單片機 82年 MCS-96系列，8096、8098、80196等

8、增加性能：16位CPU，RAM/ROM增大，中斷能力增強 A/D、HSIO等 性能、速度 1.1.2 單片機特點 集成度高、可靠性高 一片芯片：CPU、存儲器、I/O接口等 片內(nèi)RAM采用存儲器結構,,,,,,,第一章 緒論 1.1 單片機概述 1.1.3 單片機的應用,指令（控制功能強） 單字節(jié)、單周期，指令豐富 片內(nèi)有完善的I/O部件 易產(chǎn)品化 1.1.3 單片機的應用 各行各業(yè)的技術改造和產(chǎn)品的更新?lián)Q代 1.智能儀表 速度、精度的提高，自動記錄儀、溫度、壓力等,,,,,,,第一章 緒論 1.1 單片機概述 1.1.3 單片機的應用,2.機電一體化 微機控制的機床，機器人 3

9、.實時控制 伺服系統(tǒng)、調(diào)節(jié)器、測量與數(shù)據(jù)處理再反饋 4.分布式控制系統(tǒng)（DCS) 信號采集、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通訊等 5.家電產(chǎn)品 應用類型可分為：控制型、數(shù)據(jù)處理、混合型系統(tǒng)。,1.1.4 單片機發(fā)展趨勢 83年4位機，85年4、8位機，86年16位機打開市場 1.大容量、高性能 CPU功能增強：速度、精度、I/O處理能力提高、指令豐富 內(nèi)部資源的增多：波形輸出、LED輸出、PWM輸出、A/D輸入 尋址范圍增大：幾兆,,第一章 緒論 1.1 單片機概述 1.1.4 單片機的發(fā)展趨勢,2. 超小型、低功耗、廉價 工作電壓低（26V）、工作電流幾個毫安、引腳少等。 1.1.5 典型的單片機

10、產(chǎn)品 INTEL：MCS-48、MCS-51、MCS-96 8051；80C51，20C51 PHILIPS： 51 MOTOROLA：M68HC05/M68HC11、M68HC16,,第一章 緒論 1.1 單片機概述 1.1.4 單片機的發(fā)展趨勢,1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼 Computer基本功能：計數(shù)和數(shù)的處理 計算機中的數(shù)：電子元件的穩(wěn)定狀態(tài) 0，1 1.2.1進位計數(shù)制 1. 十進制 特點：1）“0，1，9 ” 十個數(shù)組成； 2） 逢“10”進 “1” 任意一個十進制數(shù),第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,任意一個十進制數(shù)A,,第一章 緒論 1.2 計算機中

11、的數(shù)和常用編碼,其中：10為基數(shù)（底）； n 個整數(shù)，m 個小數(shù)； 小數(shù)點左移1位，數(shù)據(jù)擴大10倍。權,2. J進制 特點：1）“0，1，J-1 ” J個數(shù)組成； 2） 逢“J”進 “1”,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,其中：J為基數(shù)（底）； n 個整數(shù)，m 個小數(shù)； 小數(shù)點左移1位，數(shù)據(jù)擴大J倍。權,3. 二進制（J=2） 特點：1）“0，1” 2個數(shù)組成； 2） 逢“2”進 “1”,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,二進制數(shù) 十進制數(shù),,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,4. 十六進制（J=16） 特點：1）“0，1，...9,A

12、,B,C,D,E,F” 16個 數(shù)組成； 2） 逢“16”進 “1”,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,5. 八進制（J=8）,1.2.2 進位計數(shù)制轉(zhuǎn)換 1. 二進制、八進制、十六進制轉(zhuǎn)換為十進制 按定義（公式）展開,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,2.十進制轉(zhuǎn)換為二進制 1）整數(shù) 用2不斷去除要轉(zhuǎn)換的十進制數(shù)，直之商為0。每次得到的余數(shù)（0，1）為所求的二進制數(shù)，最初得到的是最低位。,例：215 = ？B,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,轉(zhuǎn)換原理分析,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,,等式兩邊同除2： A/2 =整數(shù)

13、+分數(shù)（0，1）/2 =B0 + 分數(shù),設有一個任意十進制整數(shù)A，轉(zhuǎn)化為二進制數(shù),2）小數(shù) 用2去乘要轉(zhuǎn)換的十進制小數(shù)，得到的整數(shù)部分即為所求的進制小數(shù)，先得到的為高位。,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,轉(zhuǎn)換原理（小數(shù)） 結論：十進制轉(zhuǎn)二進制，整數(shù)與小數(shù)分別轉(zhuǎn)換,3. 十進制轉(zhuǎn)換為八進制、十六進制 整數(shù)部分：用8、16整除； 小數(shù)部分：用8、16乘； 注意余數(shù)：0-7；0-15。,4. 二進制、八進制、十六進制相互轉(zhuǎn)換 了解與十進制數(shù)的關系，見下表,二進制數(shù)B 十進制D 十六進制H,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和

14、常用編碼,二進制數(shù)B 十進制D 十六進制H,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,1.2.3 、二進制數(shù)的運算,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,. 無符號數(shù)算術運算 ）加法,1. 算術運算規(guī)則 加法：000，011，111進位1； 減法：000，101，011借位1； 乘法：000，010，111,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,）減法,注意：4，負數(shù)的表達方法？ 1100B， 0CH， 12,3）乘法,乘法計算,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,部分積方法,,4）除法,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,部分商

15、左移相減,3. 邏緝運算規(guī)則,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,與AND、或OR、非NOT、異或XOR,1) 與AND,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,2) 或OR,3) 非NOT,4) 異或XOR,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,,1.2.4 帶符號數(shù)的表示方法,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,1. 機器數(shù)與真值 二進制數(shù)的最高位：符號位?！?”正，“1”負； 以8位二進制數(shù)為例： 01011011 = 5BH = 91 ； 11011011 = DBH = 91 ；,機器數(shù)： 一個數(shù)字在機器(計算機)中的表示形式； 二進制（0

16、，1），符號位數(shù)字化。 01011011 ；5BH,真值：機器數(shù)本身代表的值稱為真值。91,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,機器數(shù)：包括無符號數(shù)、有符號數(shù)； 有符號數(shù)：常見表示方法是原碼、反碼、補碼,1）原碼 （d7d0） 最高位是符號位d7： 正數(shù)0； 負數(shù)1 特點： （） 8位二進制數(shù)表示的范圍：127127； （）00000000，10000000，0、0不相等； （）加、減運算困難。 求解真值、原碼： + 65，34；32H，0A3H,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,2）反碼 正數(shù)的反碼 = 正數(shù)的原碼 負數(shù)的反碼 = 正數(shù)的原碼按位取反；,例：（

17、+0）反 = 0000，0000B； （-0）反 = 1111，1111B （+127）反 = 0111，1111B； （-127）反 = 1000，0000B 特點：（1）范圍 +127-127； （2）+0、-0不相等 （3）求真值時，若d7=1，則按位取反。 + 65，34；32H，0A3H,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,3）補碼 正數(shù)的補碼 = 正數(shù)的原碼 負數(shù)的補碼 = 正數(shù)的原碼按位取反，再加1。,例：（-127）補 = 1000，0001； （-1）補 = 1111，1111 + 65，34 ？ 32H，0A

18、3H？,特點： （1）范圍：128127； （2）0 = 0 =0000，0000； （3）求真值時，若d7 = 1，則按位取反，再加1。,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,8位二進制數(shù)的補碼表示： 00H，01H，...，7FH； +0，+1，...，+127； 80H，81H，...，0FFH；-128，-127，...，-1,2. 補碼的進一步解釋： 補碼的作用：將減法運算轉(zhuǎn)換為加法運算。,模與補碼的概念： a）鐘表 10點撥到6點： 104 = 6，逆時針 108 = 126，順時針；,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,模：系統(tǒng)所能表示的最大量程

19、，稱之為模。 鐘表采用十二進制.,X + （-X）補 = 模， （-4）補= = 12 10 - 4 = 10 +（-4）補 = 10 +（12-4） =12 + 6， 其中12可自然丟失,b）十進制數(shù)（以二位十進制數(shù)舉例） 模,70 - 40 = 70 + （-40）補 =70 +60 =100 + 30 =30,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,c）二進制數(shù)（以8位二進制數(shù)舉例） 模 256=,64 - 50 = 14； 40H - 32H = 0EH （-32H）補=（00110010）按位取反加1 = 11001101 + 1

20、 =11001110 = 206 40H + （-32H）補 = 100H + 0EH 注：求二進制數(shù)補碼，不需做減法。,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,3. 有符號數(shù)的加、減運算（以補碼形式表示） 1) 補碼 + 補碼 = 補碼 結果不產(chǎn)生溢出時為正確。 （超出-128+127） 正數(shù)+正數(shù)、負數(shù)+負數(shù)，可能產(chǎn)生溢出。 2) 補碼 - 補碼 = 補碼 （類似） 3) 補碼不能乘除,4. 數(shù)的進位與溢出 最高位有進位或借位進位，CY 超出了數(shù)的表示范圍溢出，OV 判斷方法：有沒有破壞符號位。,1.2.5 二進制編碼,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,

21、計算機中表示的數(shù)、字母、符號等都以二進制數(shù)表示。常用編碼有以下幾種：,1. BCD碼（BINARY CODED DECIMAL） 用二進制數(shù)編碼（表示）的十進制數(shù)，權為8421碼。 一位十進制數(shù)用四位二進制數(shù)表示。 特點：1）09，由四位二進制數(shù)表示； 2）逢“十”進一； 3) DAA調(diào)整，即加法運算 數(shù)（結果）大于9，再加6。 壓縮BCD碼； 非壓縮BCD碼。,2. ASCII碼（美國標準信息交換碼） American Standard Code for Information Interchange 七位二進制編碼表示128種字符 52 大小寫英文字母； 10 十進制數(shù)；

22、 7 標點符號； 9 運算符號； 50 其他符號。,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,30H-39H； 0-9 41H-46H； A-F,,第一章 緒論 1.2 計算機中的數(shù)和常用編碼,4. 可靠性代碼 奇偶校驗碼； 格雷GRAY碼； 海明HAMMING碼,3. 2421碼、余3代碼 特點：以9為模，取反即為補碼。 例：2421碼（4）01001011（5） 余3碼 （1）01001011（8）,1.3 計算機基礎,,第一章 緒論 1.3 計算機基礎,1. 計算機基本組成 1) 算盤 算盤：運算工具；運算器 紙和筆：記錄、輸入/輸出數(shù)據(jù)；存儲器、I/O 人的操作

23、控制：控制器。,2）計算機組成 運算器：算盤； 控制器：人的大腦； 存儲器：紙； 輸入設備；輸出設備。筆,,第一章 緒論 1.3 計算機基礎,CPU： (Central Processing Unit) 中央處理單元、微處理器 運算器控制器，完成運算、控制作用； 微型計算機,輸入設備,存儲器,輸出設備,運算器,控制器,,,,,,,,,,,,,,第一章 緒論 1.3 計算機基礎,3） 微型計算機簡化結構,存儲器,CPU,I/O接口,I/O設備,,,,,,數(shù)據(jù)總線,地址總線,控制總線,,第一章 緒論 1.3 計算機基礎,A-BUS：地址總線 直接指定存儲器地址和外部I/O接口

24、地址，單向； 8位： 256（00-FFH） 16位：65535（0000-FFFFH）,D-BUS：數(shù)據(jù)總線 實現(xiàn)CPU、存儲器、I/O口之間的數(shù)據(jù)、 指令交換，雙向。 讀、寫、浮空狀態(tài)。8、16位。,C-BUS：控制總線 每根線有確定的意義，單向。,,第一章 緒論 1.3 計算機基礎,2. CPU結構,內(nèi)部單總線結構、分時操作； 外部采用三總線A、B、C-BUS。,CPU,控制器,運算器,ALU,寄存器部件：A、F、DB等,ID,PC,PLA,IR,,,,,第一章 緒論 1.3 計算機基礎,1）ALU 算術邏緝部件（Arithmetic Logic Unit） 進

25、行算術、邏緝運算，CPU中最主要的部件。,2）A（ACC）累加器Accumulator ALU無寄存功能。 凡運算時，操作數(shù)之一是A的數(shù)。 許多指令是關于A的 。,3）PC 程序計數(shù)器 （Program Counter） 存放要讀取的指令所在地址的一個專用寄存器。 二種功能：具有計數(shù)（加1） 接受信息。,,第一章 緒論 1.3 計算機基礎,5）AB和DB（Address Buffer、Data Buffer） 地址緩沖器、數(shù)據(jù)緩沖器 協(xié)調(diào)CPU與存儲器、I/O設備之間的速度、位數(shù)等差異.,4）狀態(tài)標志寄存器FLAG 保存計算機執(zhí)行一條指令后所處的狀態(tài)信息。 不同的計

26、算機，標志有所不同。 常用的標志： CY、AC、S、P、Z、OV,,第一章 緒論 1.3 計算機基礎,7）指令寄存器IR（Instruction Register） 存放正要被執(zhí)行的指令。 指令IR（操作碼）ID產(chǎn)生相應操作控制命令。,6）寄存器陣列RA（Register Array） 通用寄存器、堆棧指針、變址指針、中斷頁地址指針等,8）指令譯碼器ID（Instruction Decoder） 操作碼翻譯碼產(chǎn)生控制命令,,第一章 緒論 1.3 計算機基礎,9）可編程邏緝陣列PLA （Programmable Logic Array） 接受ID、FALG及外設送來的信號； 發(fā)出

27、各種內(nèi)部、外部控制信號； 內(nèi)部：運算、數(shù)據(jù)傳送； 外部：R/W，ALE.,3. 存儲器（Memory）,內(nèi)存儲器：半導體存儲器 ROM、EPROM、EEPROM、RAM 外存儲器：磁帶、磁盤等,,第一章 緒論 1.3 計算機基礎,隨機讀取存儲器：靜態(tài)、動態(tài),1) RAM的概念 （Random Access Memory) a. 示意圖,RAM,,,,,,AB,R/W,CS,DB,DB,,第一章 緒論 1.3 計算機基礎,b.結構圖 8位字長的存儲器結構圖（地址線8位）,控制電路,,,,AB,R/W,DB,地址譯碼器,00H單元,01H單元,RAM FFH單元,,,,,,,第一章 緒論 1

28、.3 計算機基礎,注意：地址線8位的存儲器 存儲器由256個單元組成，編號00、01、FF區(qū)分不同的單元； 每個單元可存放8位二進制數(shù)； 單元的地址（編號）不同于單元中存放的數(shù)（內(nèi)容）,2） RAM的讀、寫操作 讀操作 （04H）=84H 04H由ABAR，譯碼找到04號單元； CPU發(fā)出“讀”信號； （04H）=84H送至DB，數(shù)據(jù)緩沖器。,,第一章 緒論 1.3 計算機基礎,（04H）=84H,控制電路,,,,AB,R/W,DB,地址譯碼器,00H單元,01H單元,84H FFH單元,,,,,,04,,04,84H,,第一章 緒論 1.3 計算機基礎,3）只讀存儲器ROM EPROM、E

29、EPROM,4. I/O接口 聯(lián)系CPU與外設交換數(shù)據(jù)信號，起轉(zhuǎn)換、協(xié)調(diào)作用。 速度、數(shù)據(jù)格式、電平不一樣。 一般包括數(shù)據(jù)寄存器、控制寄存器、狀態(tài)寄存器。,,第一章 緒論 1.3 計算機基礎,5. 軟件常用術語,字、字節(jié)、位（WORD、BYTE、BIT） 指令/指令系統(tǒng)（INSTRUCTION SET） 計算機執(zhí)行的各種操作，用命令的形式寫下來；一條指令對應一種基本操作。 全部指令的結合指令系統(tǒng)。 程序 一個有用途的指令結合程序； 源程序 / 目標程序（SOURCE/TATGET） 系統(tǒng)程序 /應用程序/ 用戶程序,,第一章 緒論 1.3 計算機基礎,計算機語言 人與計算機打交道的一種語言； 機器碼、匯編語言（助記符）、高級語言 周期 完成規(guī)定動作所需的時間； 指令周期、機器周期、時鐘周期,