单片机基础知识1章-单片机基础知识
第一章 单片机基础知识
第一章单片机入门知识概述1.1 单片机的发展历程单片机的应用在后PC时代得到了前所未有的发展，但对处理器的综合性能要求也越来越高。
综观单片机的发展，以应用需求为目标，市场越来越细化，充分突出以“单片”解决问题，而不像多年前以MCS51/96等处理器为中心，外扩各种接口构成各种应用系统。
单片机系统作为嵌入式系统的一部分，主要集中在中、低端应用领域（嵌入式高端应用主要由DSP、ARM、MIPS等高性能处理器构成），在这些应用中，目前也出现了一些新的需求，主要体现在以下几个方面：（1）以电池供电的应用越来越多，而且由于产品体积的限制，很多是用钮扣电池供电，要求系统功耗尽可能低，如手持式仪表、水表、玩具等。
（2）随着应用的复杂，对处理器的功能和性能要求不断提高。
既要外设丰富、功能灵活，又要有一定的运算能力，能做一些实时算法，而不仅仅做一些简单的控制。
（3）产品更新速度快，开发时间短，希望开发工具简单、廉价、功能完善。
特别是仿真工具要有延续性，能适应多种MCU，以免重复投资，增加开发费用。
（4）产品性能稳定，可靠性高，既能加密保护，又能方便升级。
1. 单片机技术的发展特点自单片机出现至今，单片机技术已走过了近20年的发展路程。
纵观20年来单片机发展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器(MPU)技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。
（1）单片机寿命长这里所说的长寿命，一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作十年、二十年，另一方面是指与微处理器相比的长寿命。
随着半导体技术的飞速发展，MPU更新换代的速度越来越快，以386、486、586为代表的MPU，很短的时间内就被淘汰出局，而传统的单片机如68HC05、8051等年龄已有20岁以上，产量仍是上升的。
这一方面是由于其对相应应用领域的适应性，另一方面是由于以该类CPU为核心，集成以更多I/O功能模块的新单片机系列层出不穷。
单片机基础(第3版)
1.2.6 实验及实验环境
目标： 1，理解课程讲述的原理、思路 2，应用 3，学习单片机开发、调试的方法、工具 方式 示教 实验课
开发资源
编译器（集成开发环境），Keil 烧写器（仿真器） C语言/汇编语言 原理图 用户手册，用户经验 供货商、论坛
单片机开发的两个思路：
[X+Y]补 = [X]补 + [Y]补 [X-Y]补 = [X]补 - [Y]补 = [X]补 + [-Y]补
1.1.5 计算机中使用的编码
1. 二一十进制编码 在二一十进制编码中最常用的是BCD码。 BCD码共有10个编码，即二进制数0000～1001，分别对应十进制0～9。 2. ASCⅡ码 ASCⅡ码是“美国信息交换标准代码”的简称。是一个16行×8列的矩阵。常用十进制数或十
六进制数来表示ASCⅡ码。如：字符A的ASCⅡ码用十进制数表示为65，用十六进制 数表示为41H。
1.2 单片机概述
1.2.1
什么是单片机
1.2.2
单片机的基本构成
1.2.3
单片机是怎样工作的
1.2.4
单片机的历史及使用情况
1.2.5
课程安排
1.2.6 实验及实验环境
1.2.1 什么是单片机
1.2.2 单片机的基本构成 微 型 计 算 机 系 统
用，主流系列,软、硬件设计资料丰富齐全。
单片机的应用领域
在下述的各个领域广泛的应用： 1. 工业自动化 2. 智能仪器仪表 3．消费类电子产品 4. 通讯 5．武器装备 6．终端及外部设备控制 7．汽车电子
应用领域对单片机的性能要求 使用温度： 民品：0°— +70°C 工业品：-40 — +85°C 汽车：-40— +105°C 军品： -55 — +125°C
单片机基础知识
6.3 单片机的发展
MCS-51系列单片机中，有两个子系列：51子系列、52子系列。 51子系列：
8051、8751和8031三个型号，后来经过改进产生 了80C51、87C51和80C31三个型号； 52子系列：
8052、8752和8032三个型号，改进后的型号是 80C52、87C52和80C32。
C2 22μF
8031 8051 8751
R1
（a）上电复位电路
（b）按键电平复位电路
80C51复位电路
（c）按键 脉冲复位电路
二、单片机的结构和原理
1 单片机的硬件结构
时钟源
T0 T1
时钟电路 SFR和RAM 存储器
定时/计数器
CPU
系统总线
并行I/O口
串行I/O口
中断系统
P0 P1 P2 P3
O接口P0～P3。 2. 它们都是双向端口，每个端口各有8条I/O线。 3. P0-P3口四个锁存器同RAM统一编址，可作为SFR来寻址。
2 单片机引脚及其功能
MCS-51系列如8051.8751和 8031均采用40引脚双列直插封装 （Dual In-line Package,DIP） 方式。因受到引脚数目的限制， 有不少引脚具有第二功能。
MCS-51单片机引脚如图所示
2 单片机引脚及其功能 MCS-51单片机 40引
脚，可分为端口线、电源 线和控制线三类。
1.端口线（4×8=32条）
P0.0~P0.7、P1.0~P1.7、P2.0~P2.7、 P3.0~P3.7
2.电源线（2条） VCC为+5V电源线，VSS接地
3.控制线（6条）
单片机应用基础
一 、单片机概述与结构
第1章单片机简介
玻璃壳
簧片
簧片
触点
N S
惰性气体
N S
ON
OFF
OFF
ON
5.2 干簧管测试原理
N S
N S
匀速旋转
干簧管测试仪单片机系统的面板
单片机
＋5V
5.3 干簧管测试仪电路原理图与印制板图
电路原理图（PROTEL绘制）
2.1 单片机的应用特点
● 单片机主要为工业测控而设计，又称微控制器（Microcontroller)，具有高集成度、高可靠性、高性价比的特点。 ● 主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用电器等。 特别适合于嵌入式微型机应用系统。
2.3 单片机的发展趋势
★ 程序存储器和数据存储器分开的原因？
① 指令和数据分开存放，分开调取，不会相互混淆； ② 程序存储器和数据存储器使用不同工艺。程序存储器烧录后，运行时内容不改变，要求掉电保持，一般用ROM实现，集成度高，造价低；数据存储器运行时才赋值，一般用RAM实现，造价相对较高； ③ 程序存储器和数据存储器的宽度可以不一致，在CPU字长较短时，可实现单字节指令，提高单片机的可靠性； ④ 程序存储器和数据存储器可使用不同的总线，实现真正的流水作业； ⑤ 单片机面向测控领域，通常情况下，需要较大容量的程序存储器和较少的数据存储器，提高性价比。
印制板图（PROTEL软件绘制）
5.4 编写单片机软件并调试
常用51单片机开发工具软件 Keil uVision
印制板图1 (采用PROTEL软件绘制)
印制板图2 (采用PROTEL软件绘制)
编写单片机软件并调试
常用51单片机开发工具软件 Keil uVision
第1章 51单片机的基础知识
第1章 51单片机的基础知识51单片机是一种广泛应用的嵌入式微控制器，具有强大的功能和灵活性。
在学习和使用51单片机之前，了解其基础知识是至关重要的。
本章将介绍51单片机的基础知识，包括硬件结构、寄存器、指令集和编程语言。
1.1 51单片机的硬件结构51单片机的硬件结构是指其内部的组成部分和外部连接。
51单片机包含中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出(I/O)口、定时器/计数器、串行通信口等功能模块。
这些功能模块共同协作，完成各种任务。
1.1.1 中央处理器(CPU)51单片机的中央处理器是核心部件，负责执行指令、控制程序运行和处理数据。
51单片机采用哈佛结构，将程序存储器和数据存储器分开。
它包含一个8位的累加器(A)和一个指令寄存器(IR)，用于指令的执行。
1.1.2 存储器51单片机的存储器包括程序存储器和数据存储器。
程序存储器用于存储程序指令，可以是内部存储器或外部存储器。
数据存储器用于存储程序运行中产生的数据，包括RAM和ROM。
1.1.3 输入/输出(I/O)口51单片机具有一定数量的I/O口，用于与外部设备进行数据交互。
输入口用于接收外部信号，输出口用于发送数据或控制外部设备。
它们可以是并行口或串行口，根据需要进行配置。
1.1.4 定时器/计数器定时器/计数器是51单片机的重要组成部分，用于产生定时延迟和计数脉冲。
定时器可以设置为定时模式或计数模式，定时器中断可用于实现时间控制和精确计时。
1.1.5 串行通信口串行通信口是51单片机与外部设备进行串行通信的接口，常用的有UART和SPI。
它们通过串行传输数据，实现与外部设备的数据交换和通信。
1.2 51单片机的寄存器51单片机具有一组特殊功能寄存器，用于配置和控制其各项功能。
这些寄存器负责存储和传输数据，执行各种功能操作。
常见的寄存器包括通用寄存器、状态寄存器、特殊功能寄存器等。
1.2.1 通用寄存器通用寄存器是用于存储临时数据的寄存器，包括8个存储器编号，分别为R0 - R7。
单片机基础知识
XTAL1和XTAL2。
有两种时钟产生方式：内部方式和外部 方式。
内部时钟方式
内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，通 过在XTAL1和XTAL2端外接石英晶体作为定时元件。 C1和C2典型值 通常选择30pF左右。 晶体的振荡频率 在1.2MHz～12MHz之 间。 某些高速单片机 芯片的时钟频率已 达10空间：
片内程序存储器； 片外程序存储器；
片内数据存储器；
片外数据存储器。
程序存储器（ROM）：用来存放程序和 始终要保留的数据。 数据存储器（RAM）：用来存放程序运 行中所需要的常数和变量。当然，全局 数据也可以放在RAM中。
程序存储器（ROM）
FFFFH
片外ROM
单片机（又称微控制器）是在一块硅 片上集成了各种部件的微型计算机。 这些部件包括中央处理器CPU、数据 存储器RAM、程序存储器ROM、定 时器/计数器T/C和多种I/O接口电路。
1.2 8051的内部结构
1.2.1 中央处理器
8051的中央处理器CPU由运算器和控制 逻辑构成，其中包括若干特殊功能寄 存器（SFR）。
8051片内ROM为掩膜型, 在制造芯片时已将应 用程序固化进去，使它具有了某种专用功能； 内部程序不能改写, 不便于实验和开发。如 在实验调试中使用8051, 需在片外扩展可改 写的EPROM。
8031片内没有ROM, 使用时需外接ROM。 8751具有片内EPROM, 固化的应用程序可以方 便地改写。
外部时钟方式
常用于多片 MCS-51单片 机同时工作。
（2）8051的基本时序周期
振荡周期：指振荡源的周期，若为内部产 生方式，则为石英晶体的振荡周期。
时钟周期：（称S周期）为振荡周期的两倍， 时钟周期＝振荡周期P1＋振荡周期P2。
单片机及控制-第一章单片机基础知识
关于逻辑高低电平： 1) 5V CMOS 、 HC 、 AHC 、 AC 中 ， 输 入 大 于 3. 5V 算 高 电 平 ， 输 入 小 于 1.5 V 算 低 电 平 ； 2) 5 V TTL 、 AB T 、 AHCT 、 HC T 、 ACT 中 ， 输 入 大 于 2 V 算 高 电 平 ， 输 入 小 于 0. 8V 算 低 电 平 ； 3) 3. 3V LV TTL 、 LV T 、 L VC 、 AL VC 、 LV 、 AL V T 中 ，输 入 大 于 2V 算高电平 | | 输 入 小 于 0. 8V 算 低 电 平 ；
【单片机的应用领域】 目前单片机渗透到我们生活的各个领域， 几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。 导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程 的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像 机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。 更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应 用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
AT89S52 具有以下标准功能：8K 字节 Flash，256 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定 时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行 口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选 择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一 个中断或硬件复位为止。
1.1 单片机概述
第1章 单片机基础知识概述
随着单片机从早期的4位发展到8位、16位直至32位，单片 机的功能在不断增强，嵌入式应用能力也在不断提高。
然而，由于复杂系统的功能大都可以通过简单嵌入式系统 组合实现，而8位单片机以其价格低廉性能适中的特点， 已可满足简单嵌入式系统的要求。这表明，嵌入式应用领 域中大量需要的仍是8位单片机，在当前及以后的相当一 段时间内8位单片机仍将占据单片机应用的主导地位。
第1章 单片机基础知识概述
第二阶段：MCU（Micro Controller Unit）即微控制器阶段 ，其主要的技术发展方向是，不断推进在嵌入式系统中集 成各种外围电路与接口电路的能力，以满足智能化控制的 需求。在此阶段中，Philips公司以其在嵌入式应用方面的 强大实力，推出了基于MCS-51内核的微控制器系列产品 ，使单片机进入MCU阶段。
第1章 单片机基础知识概述
③ 低功耗。目前，市场上有一半以上的单片机产品已 CHMOS化，这类单片机具有功耗小的优点，许多单片机 已可以在2.2V电压下运行，有的能在1.2V或0.9V低电压 下工作，功耗为μW级。
④ 高性价比。随着单片机的应用越来越广泛，各单片 机厂家会进一步改进单片机的性能，从而增强产品的竞 争力。同时，价格也是各厂家竞争的一个重要方面。所 以，更高性价比的单片机会逐渐进入市场。
第1章 单片机基础知识概述
④ 汽车电子与航空航天电子系统。通常这些系统中的集中 显示系统、动力监测控制系统、自动驾驭系统、通信系统 及运行监视器（黑匣子）等，都是将单片机嵌入其中实现 系统功能。
第1章 单片机基础知识概述
⑤ 家用电器。单片机应用到消费类产品之中，能大大提高 它们的性价比，提高产品在市场上的竞争力。目前家用电 器几乎都是单片机控制的产品，例如，空调、冰箱、洗衣 机、微波炉、彩电、音响、家庭报警器及电子玩具等。
单片机知识点
第一章、绪论单片机定义：把CPU、寄存器、RAM/ROM 、I/O 接口等电路集成在一块集成电路芯片上，构成一个完整的微型计算机。
单片机特点：体积小、功耗低、性价比高；数据大都在片内传送，抗干扰能力强，可靠性高；结构灵活，应用广泛。
单片机发展趋势：数据位长1-->4-->8-->16-->32 位;CPU 处理能力和速度不断提高;增大片内RAM 和ROM 容量;增加片内I/O 口和功能模块种类和数量;扩大对外部RAM/IO 口和程序存储器寻址能力;缩小体积，降低功耗。
单片机应用：控制应用：应用范围广泛，从实时性角度可分为离线应用和在线应用。
软硬件结合：软硬件统筹考虑，不仅要会编程，还要有硬件的理论和实践知识。
应用现场环境恶劣：电磁干扰、电源波动、冲击震动、高低温等环境因素的影响。
要考虑芯片等级选择、接地技术、屏蔽技术、隔离技术、滤波技术、抑制反电势干扰技术等。
应用空间大：工业自动化、仪器仪表、家用电器、信息和通信产品、军事装备、物联网等领域。
第三章：MCS-51单片机结构与原理3.1 MCS-51 单片机的物理结构及逻辑结构51 单片机的引脚定义：P0、P1、P2、P3（输入输出口）；RST（复位）/ VPD（后备电源引入端）；EA （读内/ 外ROM 控制）/Vpp（编程电压）；ALE（地址低8 位锁存）/ PROG（编程脉冲）；PSEN （外部ROM 读选通信号）；XTAL1、XTAL2 （外接晶振端）Vcc （+5v 电源）；Vss （地）逻辑结构--51 单片机的系统结构图（教材P26）51 单片机基本组成：一个8 位微处理器CPU；数据存储器RAM 和特殊功能寄存器SFR；内部程序存储器ROM；两个定时/计数器，用以对外部事件进行计数，也可用作定时器；四个8 位可编程的I/O（输入/ 输出）并行端口；一个串行端口，用于数据的串行通信；中断控制系统；内部时钟电路。
单片机基础知识
▼F0 (PSW.5)可由用户定义的标志位。
PSW.7 PSW.6 PSW.5
CY AC F0 RS1 RS0 OV
PSW.0
P
▼RS1(PSW.4)、RS0(PSW.3)工作寄存器组选择位。
RS1，RS0 = 0 0 则选择了工作寄存器组 0 区
R0～R7分别代表00H ～07H单元。 RS1，RS0 = 0 1 则选择了工作寄存器组 1 区 R0～R7分别代表08H ～0FH单元。
5、MSP430系列
TI（德州仪器）公司推出的新型高性能单片机。 16位精简指令结构可确保运行速度、带FLASH 的微控制器可将功耗降低5倍、具有多种省电模 式、型号相当丰富。
五、 单片机的应用和应用系统结构
1、单片机的应用
◆智能仪器仪表
单片机用于各种仪器仪表， 一方面提高了仪器仪表的使用 功能和精度，使仪器仪表智能 化，同时还简化了仪器仪表的 硬件结构，从而可以方便地完 成仪器仪表产品的升级换代。 如各种智能电气测量仪表、智 能传感器等。
总
线
并行端口
串行端口
中断系统
P0 P1 P2 P3
TXD RXD
INT0 INT1
1、中央处理器CPU
CPU（Central Processing Unit）是计算机的核心部件,
它由运算器和控制器组成, 完成计算机的运算和控制功能。
运算器又称算术逻辑部件（ALU, Aithmctieal Logic
4、AVR系列
美国ATMEL公司推出的全新配置精简指令集 （RISC）的单片机系列。高速度、高保密性、低 功耗。
片内程序存储器采用Flash 大多数指令仅用1个晶振周期 采用C语言编程 CMOS工艺生产
第1讲单片机基础知识
微型计算机硬件结构 ——常见的微机外形
台式微机
立式微机
便携式微机
微型计算机系统
微型计算机系统
CPU
输 入 设 备
输 入 接 口 电 路
运算器 控制器
存储器 硬件系统
输 出 接 口 电 路
硬件系统 —— 构成微机 的实体和装置
输 出 设 备 软
+
件 系 统
软件系统——微机系统所 使用的各种程序的总称
第1章 单片机基础知识
计算机的分类
1.1 概述 什么是单 片机？
单片微型控制器。 Chip Microcontroller
单片机是把微型计算机的各个功能部件（中 央处理器 CPU 、随机存取存储器 RAM 、只读存 储器ROM、I/O接口、定时器/计数器以及串行通 信接口等）集成在一块芯片上，构成一个完整的 计算机 。
微型计算机系统
CPU
输 入 设 备
输 入 接 口 设 备
运算器 控制器
输 出 接 口 设 备
输 出 设 备
软
+
件 系 统
存储器
硬件系统
单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机， 简称单片机 —— 单片机实质上就是一个芯片
单片机应用系统的组成
单片机应用系统的组成如图1.6所示。单片机应用系统是 以单片机为核心，再加上接口电路及外设等硬件电路和软件， 就构成了单片机应用系统。因此，单片机应用系统的设计人 员必须从硬件和软件角度来研究单片机，这样才能研究 和开发出单片机应用系统和产品。
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表1-1 80C51系列单片机分类表
芯片型号 分类 总 线 型 基 本 型 80C31 80C51 87C51 存储器类型及字节数/B 片内其他功能单元数量
单片机基础知识概述
第1章 单片机基础知识概述内容概述：本章主要介绍单片机的定义、发展历史，单片机分类方法、应用领域及发展趋势，单片机中数的表示和运算方法，基本逻辑门电路，以及与单片机系统仿真工具Proteus相关的内容。
教学目标：●了解单片机的概念及特点；●掌握单片机中数的表示和运算方法及基本逻辑门电路；●初步了解Proteus软件的功能。
1.1 单片机概述1.1.1 单片机及其发展概况1．什么是单片机单片机是在一块半导体硅片上集成了计算机基本功能部件的微型计算机。
随着大规模集成电路技术的发展，可以将中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、定时/计数器及输入/输出（I/O）接口电路等主要计算机部件，集成在一块电路芯片上。
虽然只是一个芯片，但从组成和功能上，单片机都已具有了微机系统的基本含义。
单片机自从问世以来，性能都在不断提高和完善，它不仅能够满足很多应用场合的需要，而且具有集成度高、功能强、速度快、体积小、使用方便、性能可靠、价格低廉等特点。
因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信、智能接口、商业营销等领域得到广泛应用，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。
2．单片机的发展单片机诞生于1971年，大体经历了SCM、MCU和SoC三大阶段。
SCM（Single Chip Microcomputer）即单片微型计算机阶段，其主要的技术发展方向是：寻求最佳单片形态的嵌入式系统体系结构。
在开创嵌入式系统的发展道路上，Intel公司功不可没，奠定了SCM与通用微机完全不同的发展道路。
这一阶段最有代表性的产品是Intel公司的8位MCS-51系列单片机。
MCU（Micro Controller Unit）即微控制器阶段，其主要的技术发展方向是：不断推进在嵌入式系统中集成各种外围电路与接口电路的能力，以满足智能化控制的需求。
在此阶段中，Philips 公司以其在嵌入式应用方面的强大实力，推出了基于MCS-51内核的微控制器系列产品，使单片机进入MCU阶段。
第1章_单片机概述
1.3.1 Intel公司MCS-51系列单片机 1.3.2 Atmel公司MCS-51系列兼容单片机 1.3.3 Philips公司MCS-51系列兼容单片机
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第1章 单片机概述
1.3.4 Dallas公司MCS-51系列兼容单片机 1. 高速单片机 2. 安全单片机 1.3.5 Winbond公司MCS-51系列兼容单片机 台湾省Winbond(华邦)公司是亚洲半导体公司的杰出代 表，在国际上也享有较高的声誉。其生产的MCS-51系列 兼容单片机独具特色。其MCS-51系列兼容单片机分为： 标准系列，宽电压系列，Turbo-51系列，工业温度范围 系列，监控专用单片机。
1.2.2 单片机的发展趋势
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第1章 单片机概述
1.2.1 单片机的发展概况 (1) (2) (3) 大容量化 高性能化 小容量/低价格化
(4)
外围电路内装化
1.2.2 单片机的发展趋势
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第1章 单片机概述
1.3
常用MCS-51单片机及兼容机简介
目前，在国内市场上，Intel公司生产的MCS-51系列单片机已经比 较少见，取而代之的是其他公司生产的MCS-51系列兼容单片机。这 些公司主要有美国的Dallas、AMD、Atmel、ADI公司，荷兰的 Philips公司，德国的Siemens公司，日本的NEC公司，韩国的LG公 司以及我国台湾省的华邦(Winbond)公司等。
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第1章 单片机概述
1.2
单片机的历史与发展
自1971年微处理器研制成功后不久，就出现了单片机发展非 常繁荣的局面。单片机根据其基本操作处理的位数可以分为： 1位单片机、4位单片机、8位单片机、16位单片机和32位单片 机。单片机经过30多年的发展，如今已经形成一个规格齐全、 品种繁多的大家族，单片机的潜力越来越被人们所重视。特 别是当前采用CMOS工艺制成的各种单片机，由于低功耗、使 用的温度范围大、抗干扰能力强，能满足一些特殊应用场合 的要求，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促进了单 片机性能的发展。1.2.1 单片机的发展概况
第1章单片机概述
台式微机
立式微机
便携式微机
微型计算机硬件结构 ——冯.诺依曼结构
输入 设备
输出 设备
I/O设备
主存储器 主机
运算器 控制器 CPU
计算机系统通常由多块印刷电路板制成：
内存条
CPU
主板
多板机
单片机
单片机是将计算机主机 (CPU、内存和I/O接 口 等集成在一小块硅片上的微型机，所以称作 单片微型计算机。
5.低电压、低功耗
? 工作电压：一般在 3～6V范围内工作，有的已能在 1.2V 或0.9V电压下工作。几乎所有的单片机都具有省电运行 方式。
区分几个概念
? CPU: Central Processing Unit ? MCU: Microcontroller Unit ? DSP: Digital Signal Processing ? DSPs: Digital Signal Processors
单片机的分类（按用途）
（1）通用型单片机 （2）专用型单片机
2. 存储器的发展
? 加大存储器容量。 片内 RAM 256B ，片内外扩 RAM (ERAM)2KB，ROM容量从4K、16K、32K到64K。
? 片内 EPROM采用 E2PROM或Flash存储器。 编程和擦 除完全是电气实现。编程和擦除速度快，可以使用通用 的编程器脱机编程，也可在线编程（ ISP：In-System Program）。
第1章 单片机概述
1.1 什么是单片机 1.2 单片机的历史及发展概况 1.3 8 位单片机的主要生产厂家和机型 1.4 单片机的发展趋势 1.5 单片机的应用 1.6 MCS-51 系列单片机 1.7 单片机的开发与开发工具
《单片机原理及应用》课件第1章 单片机基础知识
AB—地址总线; CB—控制总线; DB—数据总线
1.1.1 单片机的基本概念
单片机在应用时通常处于被控系统的核心地位并融 入其中，即以嵌入的方式使用。为了强调其“嵌入” 的特点，也常常将单片机称为嵌入式微控制器 （Embedded Micro-Controller Unit，EMCU）。
单片形成阶段
1976年，Intel推出MCS-48列单片机 ： 8位CPU、1KB ROM、64B RAM、27根I/O线和1个8位 定时器/计数器。 特点：存储器容量较小，寻址范围小(不大于4KB)， 无串行接口，指令系统功能不强。
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1.2.1 单片机的发展历史
性能完善提高阶段
1980年，Intel推出MCS-51系列单片机： 8位CPU、4KB ROM、128B RAM、4个8位并行口、1个 全双工串行口、2个16位定时器/计数器。寻址范围 64KB，并有控制功能较强的布尔处理器。
“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。
12
1.2.1 单片机的发展历史
微控制器化完善阶段
近期推出的单片机产品，内部集成有高速I/O口、 ADC、PWM、WDT等部件，并在低电压、低功耗、串行 扩展总线、控制网络总线和开发方式（在系统可编 程，ISP）等方面都有了进一步的增强。
特点：单片机的综合品质（如成本、性能、体系结构 、开发环境、供应状态）有了长足的进步。
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1.3.1 MCS-51系列单片机-80C51系列单片机
Atmel公司，AT89系列，Flash存储器技术 Philips公司，80C552系列，含ADC 华邦公司，W78C51系列，高速低价 ADI公司，ADµC8xx系列，高精度ADC LG公司，GMS90/97系列，低压高速 Maxim公司，DS89C420系列，高速（50MIPS） Cygnal公司，C8051F系列，高速SOC
《单片机基础》李广弟_课后题及解答 史上最全最准
3. 通常单片机有两种复位操作，即（上电复位）和（手动复位）。复位后，PC 值为（0000H），SP 值为（07H），通用寄存器的当前寄存器组为（第 0）组，
（D）在中断响应时，断点地址自动进栈
6. 在单片机芯片内设置通用寄存器的好处不应该包括（A）
（A）提高程序运行的可靠性
（B）提高程序运行速度
（C）为程序设计提供方便
（D）减小程序长度
7. 下列叙述中正确的是（D）
（A）SP 内装的是堆栈栈顶单元的内容
（B）在中断服务程序中没有 PUSH 和 POP 指令，说明此次中断操作与堆栈
器数 10011101 的真值是（+141 或-115），机器数 10001101 的真值是（+206 或-50）。
说明：机器数是指计算机中使用的二进制数，机器数的值称为真值。机器数可表示无符号 数也可表示带符号数，其中计算机中的带符号数一般为补码形式。1000 1101 若为无符号数， 则其真值为+141；若为带符号数，由于最高位（符号位）为 1，所以为负数（补码形式）， 则其真值为-115。
3. 8 位无符号二进制数能表示的最大十进制数是（255）。带符号二进制数 11001101 转换成十进制数是（-51）。
4. 可以将各种不同类型数据转换为计算机能处理的形式并输送到计算机中去 的设备统称为（输入设备）。
5. 已知字符 D 的 ASCII 码是十六进制数 44，则字符 T 的 ASCII 码是十进制数（84）。 6. 若某存储器容量为 640KB，则表示该存储器共有（655360）个存储单元。 7. 在计算机中，二进制数的单位从小到大依次为（位）、（字节）和（字），对
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微机原理与接口技术第一章单片机基础知识第一节单片机概况关于课程名称：《微机原理及应用》或《微机原理及接口技术》,《单片机基础》讲述有关计算机的概念。
计算机有:微型计算机小型机大型机按尺寸大小来分，现在界线已模糊。
或按功能强弱来分（尺寸小不等于是差的计算机）在工业控制或其他应用领域:适用的就是最好的当一个设备上应用了计算机就可以称做智能设备。
计算机---功能决定了智能化程序。
主要由产品的要求决定。
计算机包括软件和硬件，硬件构成：五部分=CPU（运算器，控制器），存储器，输入，输出计算机硬件控制器CPU存储器输入输出运算器只要在硬件结构上包含上述5项，即可称为计算机。
计算机的功能魅力: 例1例 2 开关与门计算机软件：应用型软件，系统软件（对于通用计算机，这一点区分较清楚）从结构上讲：应用软件单片机系统侧重是一种有特定功能的计算机操作系统底层BIOS-basic I/O system硬件本课程将侧重于：对于一个测/控目标，如何建立一个基于单片机的计算机系统。
因此须了解：单片机硬件结构单片机功能单片机的特性语言开发方法参考书和杂志:1.张迎新等.《单片机初级教程--单片机基础》北京航空航天大学出版社2.何立民著《单片机应用系统设计》北京航空航天大学出版社3.李朝青著.《单片机原理及接口技术》(简明修定版).北京航空航天大学出版社,19994.单片机与嵌入式系统应用5.石文华.单片机原理及应用（面向21世纪高等教育规划教材）,中国电力出版社.2005.2一、单片机1.什么叫单片机?将CPU、存储器、定时器/计数器、存储器、多种I/O接口等电路集成在一块芯片上所构成的计算机称为单片机。
Single Chip Microcomputer(SCM) Micro Controller Unit(MCU)5+振荡器 定时程序存储器 4KROM/EPROM 8051/8751数据存储器 RAM 128 字节2*16 位 定时/计数器CPU 8031/8051 875164KB 总线 扩展控制器可编程 I/O可编程串行口 全双工 UART 中断同步移位器图 1-1 单片机结构框图单片机的生产与发展是基于工业控制、计算机外部设备控制以及智能化仪器仪表的需要的一 种高性能、高集成化、高可靠性且廉价的专用控制器。
MCU-----(microcomputer unit) MPU-----(microprocess unit) CPU + ROM/RAM + I/OTIMER/COUNTER 单片机二、单片机的发展概况第一代：以INTEL公司1976年推出的MCS-48系列为代表：1KROM，64BRAM，8位定时器1978年推出的加强型8049：2KROM，128B RAM第二代：MCS-51为代表：片内4KROM（8051），两个16位定时器，128BRAM，在功能上比上代大大加强。
（如增加了减法、乘除法指令，扩充了位处理能力、I/O能力、通讯能力以及中断能力等，在外部程序存储空间、数据存储空间上扩大到4K）。
第三代：MCS-96为代表：16位单片机。
增加了高速数据通道、16位监视定时器，具有自复位的抗干扰能力，更适用高速、高性能的控制系统。
发展:数据位长11632位CPU处理能力和速度不断提高。
增大片内RAM和ROM容量。
增加片内I/O口和功能模块种类和数量。
扩大对外部RAM/IO口和程序存储器寻址能力。
缩小体积，降低功耗。
MCS48系列已被MCS51完全取代，而MCS51并没有因MCS96系列出现而停止发展，相反，近年来不断推出新品种:如8052、8752、8032在原片8051、8751、8031的基础上作扩充，加大片内存储器（256BYTE RAM）并增加了一个定时器和中断。
再如带8位A/D的8XC51GA，带高速输出、脉冲调宽输出、监视定时器的8XC252等。
华邦（WINBOND）的W77E58,内存储器有32K，保密功能，CPU的速度提高到24MHZ*3（内部指令3倍速）。
ATMEL的89C2051小型化20脚兼容产品：华邦（WINBOND）的W78E51等。
ATMEL的89C51等，以FLASH作为内部程序存储器，可以电擦除后重新编程。
PHILIPS推出的P87LPC762/764指令与51系列兼容，20个引脚，OPT程序存储器2K/4K，Vdd=2～6V，内含WDT有电源监测，保证CPU可靠复位全双工串行通讯口和 I C 通讯接口改进：提高 CPU 的速度，存储器，保密功能，低功耗，WDT 等等。
串行 I C 总线。
内含 2 个精确比较器，可构成 2 路 A/D 2 个 16 位定时器2所有口线 20mA 驱动能力有空闲/掉电省电模式（掉电电流 1uA ）目前国内市场上有不少类型 8 位 16 位单片机，如 MOTOROLA 的 68 系列和 ZILOG 的 Z8 系列， 目前应用最广的是 8 位 MCS51 系列单片机。
用于工业现场以测﹑控为主要目的的单片机和用于通用计算机系统以大量数据处理为主要目的的通用微处理机不同。
其对数据处理速 度已退居控制功能之后。
8 位单片机仍会稳定一个相当长的时期。
2三、单片机应用智能产品(包括日用电器)：单片机与传统机械产品相结合，使传统机械产品结构简化，控制智能化，构成新一代机电一体化产品。
如：单片机控制缝纫机，实现了多功能自动操作、自动调速、控制缝纫花样等。
再如电脑洗衣机。
智能产品不仅局限于家电、办公设备，目前已发展到机床、纺织机械、工业设备等。
智能仪表：使仪表数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化。
如老式的记录仪表采用纸、笔的机械记录方式，日常维护工作量大、运行费用高、可靠性差。
引入单片机后，采用液晶显示，无纸无笔记录，性能上大大提高，并增加了不少新功能，如报警、累积、追忆、多通道显示、PID控制等，集数据采集、处理、控制功能于一体。
测控系统/数控系统：由单片机构成各种工业控制系统、数据采集系统等。
如生产线的自动控制等。
数控系统使控制机与伺服控制分开，可减轻控制机的负担智能接口：计算机外围设备管理。
如键盘管理、打印机、绘图机的控制、硬盘驱动控制等。
多机应用系统：每个子功能由一个独立计算机管理，由一个主计算机负责协调，构成一个多功能的多机系统。
再如网络系统、集散控制系统等。
实例:转速测量1.当转速很高时可以采用测量频率法1秒n=7转/秒2.当转速很低时可以采用测量周期法:1个周期中包含的脉冲个数N(设:脉冲周期1us)周期T=N(us)转速3.提高测量精度:A.实例1：高压开关(起着电力系统的控制和保护作用)机械性能（时间，速度）测试：s动触头静触头对断路器动触头希望其运动速度越大越好：1)速度大，可使分闸，合闸时间缩短。
2)合闸时，动静触头击穿后的电弧燃烧时间短，提高产品的关合能力。
动触头运动速度不能无限制的提高，受其机械强度的限制。
动触头运动满足一定规律：S-V曲线，其开断和关合特性最佳。
A.需测量：1)分闸，合闸时间。
2)分闸，合闸的速度曲线：S-VB.分合闸速度V的测量方法：电磁振动法：动触头上联接一块记录板，记录板与动触头一起运动，而记录笔以一定频率振动，见图：随动触头一块运振动频率f(周期T)动的记录板Si该Si段的平均速度Vi=Si/T缺点：在速高时，只能得平均速度，瞬时速度不能得到。
鼓轮记录法：动触头上联接一记录笔，鼓轮为记录板以一定速度转动。
动触头SiVi=Si/TS=S1+S2+…Sn时间t可数有几个周期得到2. 计数器长度（8 位 2 ）1) 光栅测量法：测得每个 Si 中的时间 Ti ，既可得到速度：Vi=S/Ti只要 S 足够小，可得到每 S 内的平均速度。
C. 分合闸时间 t 的测量方法：t动触头t=T1+T2+T3….TnD. 微机的实现： +5v有光时，输入为 0 无光时，输入为 1静触头 微机S只要测量每个周期的时间 TiVi=S/Ti在微机中有计数器，在下降沿时微机开始计数。
测量没个周期的时间 Ti测量方法： 时标时标 计数器门控测量精度： 1. 时标8门控浙江科技学院四、单片机应用系统的开发方法单片机其本身无开发能力，必须借助开发工具来开发应用软件以及对硬件系统进行诊断。
在研制一个完整的单片机产品时，必须完成下列几步工作：*硬件电路设计、组装、调试。
单片机单片机系统*应用软件的编制、调试。
*应用软件的链接调试、固化、脱机运行。
开发工具（ICE:In-Circuit-Emulator）的主要作用：----------------替代CPU的各种功能，一个好的开发工具可以帮助我们更容易找到毛病，缩短开发周期。
*应用系统硬件电路的诊断与检查*程序的输入与修改*程序的运行、调试，具有单步运行、设置断点运行、状态查询等功能*固化EPROM其次还应有：*齐全的开发用的软件工具：汇编输入、自动生成目标文件、反汇编，以及可供用户使用的子程序库。
*占用单片机的硬件资源最少，且有全速跟踪调试、运行能力。
*软件转存、大印功能。
例如：有些ICE带有模拟LCD显示，可以在没有LCD情况下，编制程序。
应用系统仿真头开发工具计算机1. 与门 (F=A·B)BF(原电子部标准)五、硬件设计、软件设计系统设计应考虑：前向通道：与现场采集对象相接，是干扰串入的主要通道，防干扰。
根据对象：有开关量、模拟量、频率量，因此对应有形式多样的信号变换电 路：如放大、I/F 、V/F 、A/D 、整形、调节等。
后向通道：系统输出通道，大多需驱动。
靠近伺服现场，大功率负载易从后向通道进入现场，隔离。
根据对象：有模拟、数字、开关，有电流输出、电压输出、开关量输出等。
人机通道：大多单片机系统都是小规模系统，人机对话通道及设备都是小规模的。
如：微 型打印机、功能键、拨码盘、LED/LCD 显示器等。
相互通道：解决计算机之间相互通讯的接口。
硬﹑软件设计时应考虑的因素：了解实际应用对象、现场环境。
如：抗干扰、要求响应速度等。
测控接口及功能电路配置在很大程度决定系统的技术性能。
如：A/D 精度、速度等。
研制人员不只了解计算机系统的扩展与配置，还需了解数字电路、模拟电路以及新器 件，以获得最佳的模拟、数字计算机系统。
系统中用软件、硬件实现功能的分工。
用软件实现具有成本低、电路简单，但响应速 度慢，占用 CPU 时间。
合理分配。
成本、功耗、体积等。
通讯 六、逻辑部件可参考《标准集成电路手册-TTL 》A B &F (国家标准)74LS08 四与门 14 13 12 11 10 9 8A B F (国际通用符号)A1 2 3 4 5 6 7A B F0 0 0 1 0 0 0 1 0 1112. 或门 (F=A+B)BFBF1A≧1(国家标准)74LS32 四或门A B F (国际通用符号)A+(原电子部标准)3. 非 (F= A )AF (国家标准)74LS04 非门AF (国际通用符号)AF (原电子部标准)A B F 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 11A F 0 1 1*表示无关浙江科技学院4. 异或 (F=A ⊕ B)A B =1F (国家标准)74LS86 四 2 异或门 A BAB⊕F (国际通用符号)F (原电子部标准)例:F= A可以利用非门实现，也可以用异或5. 组合：与非或非异或非6. 触发器（如 74LS74）D S Q CP R QA BA B&D S QCP R QF (国家标准)F (国际通用符号)D CP Q vccD S Q CP RQS R CP D Q Q 0 1 * * 1 0 1 0 * * 0 1 0 0 ** 不定1 1 1 1 0 1 1 01111/0 * 保持不变A B F 0 0 0 1 0 1 0 1 1 11浙江科技学院7.三态门一般逻辑门：处于高，低电平。