单片机原理与应用第1章
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机器语言 汇编语言 高级语言
应用软件
把汇编语言源程 序翻译成机器语 言目标程序的语 言处理程序 自汇编程序 交叉汇编程序
本课的主要内容及要求
微型计算机
MPU 存储器 I/O 系统 微处理器 （内存） 接口 总线
器件的 外特性 掌握规律
连线 编程
综合应用
具体机型：MCS-51单片微型计算机
要求：独立思考，重视实践，认真做实验
授课内容
❖单片机基础知识 ❖MCS-51单片机的系统结构 ❖MCS-51单片机的指令系统 ❖汇编语言程序设计 ❖输入/输出和中断 ❖MCS-51内部的I/O口、定时器及其应
用
教学形式
整个教学过程由授课、实验、和自学三个 环节组成。 本课程的成绩由两部分构成： ▪平时成绩（包括出勤、作业和实验）占本 课程总学分的20～30%； ▪期末考试占本课程总学分的70～80%。
15 异步 4×8 位
有
有
2×16 有
8 个宏通道
1.3 单片机的应用领域
◆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。
◆实时工业控制
Thmson 682000
4KB 256K
15 异/同步
无
借用通用 计数器
3×16 无 无
16 位单片 机性 能表
Intel MCS-96
8KB 232B
8 异步 8×10 位 有
NS BPC16040
4KB 256B
8 异步 无 有
有
有
2×16 HSIO
无
8×16 有 无
NEC 783XX
8KB 256B
• 微机运算基础 • 微机组成、基本工作原理、微机系统初步 • 了解CPU体系结构 • 了解存储器系统结构、作用 • 了解I/O接口基本功能、结构、端口的编址方式
和I/O同步控制方式 • 掌握中断概念、CPU响应中断的条件和处理过程 • 掌握指令系统和汇编语言程序设计（隐含的）
微机接口（重点）
•了解并行接口与串行接口的共性与区别 掌握串行通讯的基本概念
教材
教材：《单片机原理及应用技术》 清华大学出版社
ISBN：978-7-302-21450-2 参考书：《MCS-51单片机原理及应用 》
天津大学出版社
有关概念
1、微处理器 (MPU)
算术逻辑单元
其核心CPU—运算器和控制器
寄存器组
集成在一 个半导体
是微型计算机的核心部件
控制部件 芯片上
2、微型计算机
1. 高性能化
改进CPU性能，加强了位处理、中 断和定时控制、流水线结构等
2. 存储大容量化 内部RAM可达2MB，ROM可
达除6R4OKMB /RAM、中断、定时/计数外，
3. 外围电路内装化 还集成了DMAC、中断控制器、发
声器、频率合成器等
4. 片内I/O口的改进 增加了并行口的驱动能力，减少
2、单片机的分类
◆ 按CPU处理字的长度分 就CPU处理字的长度而言，有4位、8位、32位单 片机 ◆ 按使用范围分 可分为通用单片机和专用单片机两大类
3. 主要产品系列
表 1-1
常用 8 位单片机性能表
公司
系列
片内 ROM
片内 RAM
寻址 范围
并行口
串行 口
定时器/ 中 计数器 断
MCS-48
1）课程内容紧密与工程实际相联系，实用性较强。 2）是一门既有软件又有硬件的课程, 硬件部分着重 说明单片机的基本结构和工作原理，软件部分强调 与硬件的结合。软件与硬件必须同时兼顾。 3） 是一门在理论指导下，偏重于实际应用的课程， 要求在学好理论的前题下，又具有一定的动手操作 能力，才能学好本课程。
微机组成结构的两大类型
冯.诺依曼型
哈佛型
DB CB AB
CPU
I/O接口
系统总线
存储器
I/O 接口
C 系统总线
P
U 程序
数据
存储器 存储器
例：PC机
例：MCS-51单片机
3、微型计算机系统
硬件系统 软件系统
微型计算机
微处理器：运算器、控制器
硬件系统
内存储器
ROM：ROM、PROM、EPROM、E2PROM、Flash ROM
IK/4K 64/256B
4KB 3×8 位
/
1×8
2
MCS-51 4K/8K 128/256B 64KB 4×8 位 URAT 2×16 5/6
Intel
8XC51FX 8/32K
256B
64K 4×8 位 URAT 3×16
7
8XC51GB
8K
256B
Leabharlann Baidu
64K
6×8 位
2URA T
3×16 15
6801
◆体积小、价格低、易于产品化
单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对于 批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机 品种间进行匹配选择；同时还可以专门进行芯片 设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系； 在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚 已减少到8个或更少。
从而使应用系统的印制板减小、接插件减少、 安装简单方便。
河北工业大学
主讲教师 于丽梅
本课的地位
学习本课对基础知识的要求 本课教学目标 本课程的特点 授课内容 教学形式 本课使用教材
本课的地位
计算机应用基础 计微计计计算机算 算算机原机机机硬软硬理件件技件、技技术技微术术基术基基机础础础基接础口—、 微机应用
计算机文化基础
微机原理（重点）
NS
8070
2K/2.5 64B/128
K
B
64/128 K
5×8 位
UART
/
/
Philips
8XC552
8K
256B
64K
6×8 位 UART
3×16 位
15
表 1-2
公司 型号 片内 ROM 片内 RAM 中断源 串行口
A/D PWM 输出 Watchdog
定时器 计数器 高速 I/O DMA
Z8
2K/4K
124B
64K 4×4 位 UART 2×8 位 6
1×8 位
Fairchil d
F8
/
64K
4K
2×8 位
/
/
/
NEC
UPD78XX 4K/6K 128/256B
64K
6×8 位 UART
1×12 位
3
TI
TMS7000
2K/12 K
128B
64K
4×8 位
UART
1/2×13 位
2/6
另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、 航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾 驶系统、航天测控系统、黑匣子等 。
小结
单片机是在一片集成电路芯片上集成 CPU、存储器、定时器/计数器及多种 形式的I/O接口而构成的微型计算机。
本章介绍单片机的发展概述、特点、 分类及应用领域，为后面章节的学习 打下基础。
•掌握可编程并行接口芯片的工作方式、初始化编程 •掌握定时器、计数器的原理、功能、应用与编程 •了解键盘、显示器等人机交互设备的作用、原理及接 口方法 • 理解并掌握A/D,D/A转换原理、主要性能参数，了解 典型DAC、ADC集成芯片,与MPU的接口方法、应用及 编程 •了解异步串行通讯协议、应用与编程
2K/4K 128/256B
64K
3×8 位 1×5 位
UART
3×16 位
2
Motorola
6805
1K/4K
64B/112 B
68HC11A
8K
256B
2K/8K 64K
2×8 位 1×4 位
22-38 位
/
1SCI 1SPI
1×8 位 1/4
16 位 3-
IC5-
20
OC，RTI
Zilog
8×1 位
单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。 电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采 集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类 系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据 被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现 期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。 典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产 线等 。
◆单片机
(Single Chip Microcomputer , SCM)
(Micro Controller Unit , MCU) 在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、 I/O接口电路等，从而构成了单芯片微型计算机， 即单片机。
三种应用形态的比较 ：
系统机（多板机）
单板机
单片机
1.1 单片机的发展概述
1.1.1 单片机的发展过程
单片机的发展，主要经历了四个阶段： 第一阶段（1974—1978年）：初级单片机阶段。 第二阶段（1978—1982年）：高性能8位机阶段。 第三阶段（1982—1990）：16位单片机推出阶段。 第四阶段（1990到现在）：单片机全面发展阶段。
1.1.2 单片机的发展趋势
基知本识 ❖掌握计算机软硬件的基问本题技术的与能分力析方法
❖具备利用计算机硬件及实技践术解能决力本和专业创领新域能力
基本 中问题的基本能力 综合运用能力 技能 ❖能使力学和生计教在算学师机过应讲该用解课系程统后的独具开立备发较能获强力取的知实际识动的手能力
传授知识与能力培养统一，理论与实践统一。
本课程的特点
MPU 为核心
多板微型计算机 单板微型计算机 单片微型计算机
半导体存储器（ROM/RAM)
I/O(Input/Output)接口和中断系统
系统总线（CB DB AB)
组装在一 块或数块 印刷电路 板上
微型计算机的两大分支
核心 器件
微处理器 MPU
MicroProcessor Unit
微控制器 MCU MicroController Unit embed
微机应用
•了解微机在测控系统中的应用 •了解计算机测控系统的实时处理概念和一般结构 •了解测控系统的分析和设计方法 •单片机应用系统的一般分析和设计方法（重点）
学习本课对基础知识的要求
预先应学习： 1、计算机文化基础 2、计算机软件技术基础 3、数字电路
本课教学目标
培❖掌养握计计算学算机机生专软业“硬学悟件生”基：础独知立识 分教析学问目题标和解决
RAM：SRAM、DRAM、iRAM、NVRAM
I/O接口：并行、串行、中断接口、DMA接口
系统总线：数据、地址、控制总线（DB、AB、CB）
外围设备
输入/输出设备
A/D 、D/A转换器
开关量输入/输出
终端
软件系统
系统软件
操作系统 编译系统 监控程序 汇编程序 程序设计语言
外部驱动芯片
5. 低功耗化、宽电压 采用CHMOS工艺，高密度高
速度，低功耗
1.2 单片机的特点及分类
1、单片机的特点
◆控制性能和可靠性高
实时控制功能特别强，其CPU可以对I/O端口 直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无 法比拟的。另外，由于CPU、存储器及I/O接口 集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数 据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境 条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。
◆机电一体化产品
机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、 自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化 特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产 品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如 机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医 疗设备、打印机、传真机、复印机等。
◆家用电器
家用电器是单片机的又一重要应用领域，前 景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭 煲、高档洗浴设备、高档玩具等。
Single-Chip Microcomputer
Micro-Controller
MCS-51 单片机的基本组成 一、中央处理器CPU 二、时钟电路 三、内部存储器 四、定时器/计数器(T/C) 五、并行I/O口 六、串行口 七、中断控制系统
1.1 单片机的发展概述 1.2 单片机的特点及分类 1.3 单片机的应用领域 小结
应用软件
把汇编语言源程 序翻译成机器语 言目标程序的语 言处理程序 自汇编程序 交叉汇编程序
本课的主要内容及要求
微型计算机
MPU 存储器 I/O 系统 微处理器 （内存） 接口 总线
器件的 外特性 掌握规律
连线 编程
综合应用
具体机型：MCS-51单片微型计算机
要求：独立思考，重视实践，认真做实验
授课内容
❖单片机基础知识 ❖MCS-51单片机的系统结构 ❖MCS-51单片机的指令系统 ❖汇编语言程序设计 ❖输入/输出和中断 ❖MCS-51内部的I/O口、定时器及其应
用
教学形式
整个教学过程由授课、实验、和自学三个 环节组成。 本课程的成绩由两部分构成： ▪平时成绩（包括出勤、作业和实验）占本 课程总学分的20～30%； ▪期末考试占本课程总学分的70～80%。
15 异步 4×8 位
有
有
2×16 有
8 个宏通道
1.3 单片机的应用领域
◆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。
◆实时工业控制
Thmson 682000
4KB 256K
15 异/同步
无
借用通用 计数器
3×16 无 无
16 位单片 机性 能表
Intel MCS-96
8KB 232B
8 异步 8×10 位 有
NS BPC16040
4KB 256B
8 异步 无 有
有
有
2×16 HSIO
无
8×16 有 无
NEC 783XX
8KB 256B
• 微机运算基础 • 微机组成、基本工作原理、微机系统初步 • 了解CPU体系结构 • 了解存储器系统结构、作用 • 了解I/O接口基本功能、结构、端口的编址方式
和I/O同步控制方式 • 掌握中断概念、CPU响应中断的条件和处理过程 • 掌握指令系统和汇编语言程序设计（隐含的）
微机接口（重点）
•了解并行接口与串行接口的共性与区别 掌握串行通讯的基本概念
教材
教材：《单片机原理及应用技术》 清华大学出版社
ISBN：978-7-302-21450-2 参考书：《MCS-51单片机原理及应用 》
天津大学出版社
有关概念
1、微处理器 (MPU)
算术逻辑单元
其核心CPU—运算器和控制器
寄存器组
集成在一 个半导体
是微型计算机的核心部件
控制部件 芯片上
2、微型计算机
1. 高性能化
改进CPU性能，加强了位处理、中 断和定时控制、流水线结构等
2. 存储大容量化 内部RAM可达2MB，ROM可
达除6R4OKMB /RAM、中断、定时/计数外，
3. 外围电路内装化 还集成了DMAC、中断控制器、发
声器、频率合成器等
4. 片内I/O口的改进 增加了并行口的驱动能力，减少
2、单片机的分类
◆ 按CPU处理字的长度分 就CPU处理字的长度而言，有4位、8位、32位单 片机 ◆ 按使用范围分 可分为通用单片机和专用单片机两大类
3. 主要产品系列
表 1-1
常用 8 位单片机性能表
公司
系列
片内 ROM
片内 RAM
寻址 范围
并行口
串行 口
定时器/ 中 计数器 断
MCS-48
1）课程内容紧密与工程实际相联系，实用性较强。 2）是一门既有软件又有硬件的课程, 硬件部分着重 说明单片机的基本结构和工作原理，软件部分强调 与硬件的结合。软件与硬件必须同时兼顾。 3） 是一门在理论指导下，偏重于实际应用的课程， 要求在学好理论的前题下，又具有一定的动手操作 能力，才能学好本课程。
微机组成结构的两大类型
冯.诺依曼型
哈佛型
DB CB AB
CPU
I/O接口
系统总线
存储器
I/O 接口
C 系统总线
P
U 程序
数据
存储器 存储器
例：PC机
例：MCS-51单片机
3、微型计算机系统
硬件系统 软件系统
微型计算机
微处理器：运算器、控制器
硬件系统
内存储器
ROM：ROM、PROM、EPROM、E2PROM、Flash ROM
IK/4K 64/256B
4KB 3×8 位
/
1×8
2
MCS-51 4K/8K 128/256B 64KB 4×8 位 URAT 2×16 5/6
Intel
8XC51FX 8/32K
256B
64K 4×8 位 URAT 3×16
7
8XC51GB
8K
256B
Leabharlann Baidu
64K
6×8 位
2URA T
3×16 15
6801
◆体积小、价格低、易于产品化
单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对于 批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机 品种间进行匹配选择；同时还可以专门进行芯片 设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系； 在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚 已减少到8个或更少。
从而使应用系统的印制板减小、接插件减少、 安装简单方便。
河北工业大学
主讲教师 于丽梅
本课的地位
学习本课对基础知识的要求 本课教学目标 本课程的特点 授课内容 教学形式 本课使用教材
本课的地位
计算机应用基础 计微计计计算机算 算算机原机机机硬软硬理件件技件、技技术技微术术基术基基机础础础基接础口—、 微机应用
计算机文化基础
微机原理（重点）
NS
8070
2K/2.5 64B/128
K
B
64/128 K
5×8 位
UART
/
/
Philips
8XC552
8K
256B
64K
6×8 位 UART
3×16 位
15
表 1-2
公司 型号 片内 ROM 片内 RAM 中断源 串行口
A/D PWM 输出 Watchdog
定时器 计数器 高速 I/O DMA
Z8
2K/4K
124B
64K 4×4 位 UART 2×8 位 6
1×8 位
Fairchil d
F8
/
64K
4K
2×8 位
/
/
/
NEC
UPD78XX 4K/6K 128/256B
64K
6×8 位 UART
1×12 位
3
TI
TMS7000
2K/12 K
128B
64K
4×8 位
UART
1/2×13 位
2/6
另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、 航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾 驶系统、航天测控系统、黑匣子等 。
小结
单片机是在一片集成电路芯片上集成 CPU、存储器、定时器/计数器及多种 形式的I/O接口而构成的微型计算机。
本章介绍单片机的发展概述、特点、 分类及应用领域，为后面章节的学习 打下基础。
•掌握可编程并行接口芯片的工作方式、初始化编程 •掌握定时器、计数器的原理、功能、应用与编程 •了解键盘、显示器等人机交互设备的作用、原理及接 口方法 • 理解并掌握A/D,D/A转换原理、主要性能参数，了解 典型DAC、ADC集成芯片,与MPU的接口方法、应用及 编程 •了解异步串行通讯协议、应用与编程
2K/4K 128/256B
64K
3×8 位 1×5 位
UART
3×16 位
2
Motorola
6805
1K/4K
64B/112 B
68HC11A
8K
256B
2K/8K 64K
2×8 位 1×4 位
22-38 位
/
1SCI 1SPI
1×8 位 1/4
16 位 3-
IC5-
20
OC，RTI
Zilog
8×1 位
单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。 电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采 集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类 系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据 被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现 期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。 典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产 线等 。
◆单片机
(Single Chip Microcomputer , SCM)
(Micro Controller Unit , MCU) 在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、 I/O接口电路等，从而构成了单芯片微型计算机， 即单片机。
三种应用形态的比较 ：
系统机（多板机）
单板机
单片机
1.1 单片机的发展概述
1.1.1 单片机的发展过程
单片机的发展，主要经历了四个阶段： 第一阶段（1974—1978年）：初级单片机阶段。 第二阶段（1978—1982年）：高性能8位机阶段。 第三阶段（1982—1990）：16位单片机推出阶段。 第四阶段（1990到现在）：单片机全面发展阶段。
1.1.2 单片机的发展趋势
基知本识 ❖掌握计算机软硬件的基问本题技术的与能分力析方法
❖具备利用计算机硬件及实技践术解能决力本和专业创领新域能力
基本 中问题的基本能力 综合运用能力 技能 ❖能使力学和生计教在算学师机过应讲该用解课系程统后的独具开立备发较能获强力取的知实际识动的手能力
传授知识与能力培养统一，理论与实践统一。
本课程的特点
MPU 为核心
多板微型计算机 单板微型计算机 单片微型计算机
半导体存储器（ROM/RAM)
I/O(Input/Output)接口和中断系统
系统总线（CB DB AB)
组装在一 块或数块 印刷电路 板上
微型计算机的两大分支
核心 器件
微处理器 MPU
MicroProcessor Unit
微控制器 MCU MicroController Unit embed
微机应用
•了解微机在测控系统中的应用 •了解计算机测控系统的实时处理概念和一般结构 •了解测控系统的分析和设计方法 •单片机应用系统的一般分析和设计方法（重点）
学习本课对基础知识的要求
预先应学习： 1、计算机文化基础 2、计算机软件技术基础 3、数字电路
本课教学目标
培❖掌养握计计算学算机机生专软业“硬学悟件生”基：础独知立识 分教析学问目题标和解决
RAM：SRAM、DRAM、iRAM、NVRAM
I/O接口：并行、串行、中断接口、DMA接口
系统总线：数据、地址、控制总线（DB、AB、CB）
外围设备
输入/输出设备
A/D 、D/A转换器
开关量输入/输出
终端
软件系统
系统软件
操作系统 编译系统 监控程序 汇编程序 程序设计语言
外部驱动芯片
5. 低功耗化、宽电压 采用CHMOS工艺，高密度高
速度，低功耗
1.2 单片机的特点及分类
1、单片机的特点
◆控制性能和可靠性高
实时控制功能特别强，其CPU可以对I/O端口 直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无 法比拟的。另外，由于CPU、存储器及I/O接口 集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数 据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境 条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。
◆机电一体化产品
机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、 自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化 特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产 品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如 机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医 疗设备、打印机、传真机、复印机等。
◆家用电器
家用电器是单片机的又一重要应用领域，前 景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭 煲、高档洗浴设备、高档玩具等。
Single-Chip Microcomputer
Micro-Controller
MCS-51 单片机的基本组成 一、中央处理器CPU 二、时钟电路 三、内部存储器 四、定时器/计数器(T/C) 五、并行I/O口 六、串行口 七、中断控制系统
1.1 单片机的发展概述 1.2 单片机的特点及分类 1.3 单片机的应用领域 小结