第1章 单片机基础知识
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2. 3.
第五版 2006年10月
参考网址
www.mcustudy.com www.zlgmcu.com 周立功单片机 4. www.chnsoft.net 单片机学习网站
1、《单片机原理与应用及C51程序设计》 1. www.mcu51.com
课程目标
� 建立起单片机的整体概念； � 理解单片机硬件系统各部分的构成及工作原理； � 掌握单片机指令系统、汇编语言程序设计方法， 掌握单片机硬件的设计及调试方法； � 培养单片机应用系统的设计、程序编写与调试能 力。
单片机技术的应用遍布国民经济与人民生活的各个领域
2010-9-2
22
�单片机的应用领域
1、用单片机构成智能化产品： � 在智能仪器仪表中的应用； � 在家用产品中的应用； � 在医疗仪器中的应用； � 在计算机外部设备中的应用。 2、单片机在工业测控领域中的应用： � 过程控制： 数控铣床、步进控制、生产流水线等； � 数据采集； � 信号处理； � 旧设备的改造。
2010-9-2 14
� 1976� 1980-
：初级8位单片机 Intel MCS-48系列 ：高档8位单片机 Intel MCS-51系列： —51子系列：8031/8051/8751 —52子系列：8032/8052/8752 低功耗型80C31 高性能型80C252
�
1983-
廉价型89C2051/1051 ：16位单片机 Intel MCS-96 系列： 8098/8096、80C198/80C196 32位单片机 80960
高级语言：
高级语言源程序C-51、C、PL/M51等。 简单——控制程序不太长。 复杂——多种多样的控制对象，少有现成程序借鉴。
简单系统——不含管理和开发功能。 复杂系统——实时系统，需要监控系统 （甚至实时多任务操作系统）。
编译型高级语言可生成机器代码； 解释型高级语言必须在解释程序支持下直接解释执行。 因此，只有编译型高级语言才能作为微机开发语言。
二、单片机应用
• 工业自动化方面： 力、热、速度、加速度、位移。 • 仪器仪表： 降低成本、简化系统结构、提高可靠性。 • 家用电器： 小家电中要求小型价廉、程序容量不大。 • 信息和通信产品： PDA 则要求大容量存储、大屏幕LCD显 示、极低功耗等。 • 军事装备方面： 可靠性、极低功耗。
2010-9-2 20
2010-9-2
12
单片机与PC机之异同（3）
应用特点： 个人计算机（微机）：
体积大，功耗大，价格高，用途较固定，属通 用计算机。易于学习掌握和使用，但用于控制时必 须制作或购买专用的接口卡，并编制专门的应用软 件。
单片机：
体积小，功耗小，价格低，用途灵活，无处不 在，属专用计算机。是一种特殊器件，需经过专门 学习方能掌握应用，应用中要设计专业的硬件和软 件。
第1章 单片机基础知识
1.1 计算机、微机和单片机 1.2 单片机的发展及应用 1.3 计算机中数的表示与编码
1.1 计算机、微机和单片机
以控制器和运算器为核心、以存储程序原理为基础
控制器
指令 驱动
输入设备
运算器
输出设备
指令流
存储器
控制命令 数据流
计算机硬件结构
2010-9-2 6
运算器、控制器合在一起称中央处理单元(CPU)， 整个cpu集成在一个电路芯片上时称微处理器 （Microprocessor）。 微机逻辑结构
2010-9-2
9
微型计算机基本形成了两大分支
1 、 PC 机： PC 机系统全力实现海量高 速数据处理，兼顾控制功能。 2、单片机：单片机系统全力满足测控对象 的测控功能，兼顾数据处理能力。
2010-9-2
10
单片机与PC机之异同（1）
组成：
CPU(进行运算、控制) I/O口(串口、并口等) RAM(数据存储器) ROM(程序存储器)
2010-9-2 23
三、单片机的程序设计语言和软件
有三类 机器语言（Machine Language) 汇编语言 (Assemble) 高级语言 (High Level Language)
机器语言： 单片机应用系统只使用机器语言（指令的二进制代码， 又称指令代码）。机器语言指令组成的程序称目标程序。 MCS-51两个寄存器相加的机器语言指令：00101000 汇编语言： 与机器语言指令一一对应的英文单词缩写，称为指令助 记符。汇编语言编写的程序称为汇编语言程序。 MCS-51两个寄存器相加汇编语言指令：ADD A，R0
2010-9-2
15
低档型：8021、8022 MCS—48 基本型：8048、8748、8038 （从1976年起） 改进型：8049、8749、8039和8050、 8750、8040 基本型：8051、8751、8031 改进型：8052、8752、8032 MCS—51 （从1980年起） 低功耗型：80C51、87C51、80C31 强性能型：83C252、87C252、80C252 早期产品： 8X9X（8096） MCS—96 改进型： 8X9XBH、8X9XJF （从1983年起） 新产品： 8098（准） 强功能型：80C196、80C198（准）
PC机： 上述部件以芯片形式安装在主板上。 单片机：上述部件被集成到单芯片中。 PC 包括：键盘、显示器、鼠标、硬 /软/ 通用 通用PC PC包括：键盘、显示器、鼠标、硬 包括：键盘、显示器、鼠标、硬/ 光驱、音箱、打印机、扫描仪…等外设。 单片机则只是一片集成电路。（……100 、 100、 、40 、32 、28 、20 、16 、8条引脚） 。 48 48、 40、 32、 28、 20、 16、 条引脚）。
∑
Si × K i
其中： Si -- S的第i位数码，可以是K个符号中任何一个； n,m – 整数和小数的位数； K -- 基数； Ki -- K进制数的权
地址总线 AB
C P U
存 储 器
I/O 接 口
输 入 设 备
I/O 接 口
输 出 设 备
I/O 接 口
数据总线 DB 控制总线 CB
AB: Address Bus，DB: Data Bus，CB: Control Bus
2010-9-2 7
单片微型计算机
单片微机是Single Chip Microcomputer的直译，它忠实 地反映了早期单片微机的形态和本质。 单片微型计算机简称单片机（ Single Chip Microcomputer）， 将计算机的基本部件微型化，使之集成在一块芯片上。又称微 控制器（Microcomputer Unit）。
片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、 定时器/计数器、中断控制、系统时钟及总线等。 随后，按照面向对象、突出控制功能，在片内集成了许 多外围电路及外设接口，突破了传统意义的计算机结构，发 展成microcontroller的体系结构，目前国外已普遍称之为 微控制器MCU（Micro Controller Unit）。 鉴于它完全作嵌入式应用，故又称为嵌入式微控制器 Embedded Microcontroller）。
单片机原理与应用
性 质：专业基础课 考核方式：考试 学 时：48 学 分：3
教材：《单片微型机—原理、应用与实验》
编著：张友德等 复旦大学出版社 参考书：
谢维成，清华大学出版社 2、《单片微型计算机与接口技术》 李群芳等，电子工业出版社 3、《单片机的C语言应用程序设计》 马忠梅等，北京航空航天大学出版社
2010-9-2 13
1.2 单片机发展及应用
一、单片机发展
微型计算机的核心部分：微处理器的发展已经历了五代。 第一代（1971—1973）：4位→8位（初级） 第二代（1973—1975）：8位（初级） 第三代（1975—1978）：初级8位单片机 Intel Intel MCS—48系列单片机 MCS—51系列单片机→16位、32位 第四代（1978—80年代中期）：高档8位单片机 第五代（80年代中期至今）：→64位
2010-9-2 11
单片机与PC机之异同（2）
功能：
机： 数据运算、采集、处理、存储、传输； PC PC机： 单片机：控制（或受控于）外设。 通用计算机擅长于数据运算、采集、处理、 存储和传输； / 单片机的专长则是测控，往往嵌入某个仪器 单片机的专长则是测控，往往嵌入某个仪器/ /系统中，使其具有智能化的效果。 设备 设备/
不同计算机语言的应用：
源程序通过编译得到机器能执行的目标程序。 源程序 编译 程序 目标程序
汇编语言程序可以高效率利用计算机资源，目标程序占用 内存少，执行速度快，适合于自动测控系统反应快速、结构紧 凑的要求。实际应用中，常与 C语言配合使用。 高级语言程序容易掌握，通用性好，但编译程序系统开销 大，目标程序占用内存多，且执行时间比较长，多用于科学计 算、工业设计、企业管理。
2010-9-2
29
一、任意K进制数的表示
一般地，对任意一个 K进制数S都可表示为
(S ) k = S n −1 × K n −1 + S n − 2 × K n − 2 + ⋅ ⋅ ⋅ + S 0 × K 0 + S −1 × K −1 + ⋅ ⋅ ⋅ + S − m × K − m
n −1
=
i=−m
2010-9-2 16
MCS-51单片机系列
MCS-51系列基本产品型号： 8051、8031、8751称为 51子系列。 不同型号 MCS-51 单片机 CPU 处理能力和指令系 统完全兼容，只是存储器和 I/O接口的配置有所不同。
硬件配置基本配置：
1. 2. 3. 4. 5. 6. 8位CPU 片内ROM/EPROM、RAM 片内并行 I/O接口 片内16位定时器/计数器 片内中断处理系统 片内全双工串行I/O口
考核方式
� 平时（作业、考勤和课外） 30% � 期末考试 70%
本课程学习的几点建议：
先行基础课程：电路、模拟电路、数字电路 这方面知识掌握得不够好的请自己补上 本课程是一门实践性、应用性很强的技术课 ,重在培养实践动手、应用能力 仅仅听懂还远远不够 仅仅听懂还远远不够, /软件同样重要、不可偏废 硬件 硬件/ 硬件是基础，软件是灵魂，相互配合，组成系统 预习、听课、复习思考、作业、实践环环都重要 用科学的方法学习，提高学习效率
8Байду номын сангаасC51单片机系列
INTEL公司先后推出了三个系列的单片机： MCS—48系列 MCS—51系列 MCS—96系列典型产品： 8096 8098 （准） 80C196 80C198 （准） C51增加了一些外部接口功能单元， 新一代80 80C 如A/D，PCA，WDT等。 PHILIPS ：80C51 ATMEL(Flash ROM)：AT89C51 CHMOS：低功耗，高速度和高密度 (HMOS) 待机和掉电保护
� MCS—51系列单片机的3种基本产品
8051：片内含有掩膜ROM型程序存储器； 只能由生产厂家代为用户固化； 批量大、永久保存、不修改时用。 8751：片内含EPROM型程序存储器； 用户可固化，可用紫外线光照射擦除； 但价格高。 8031：片内无程序存储器，可在片外扩展； 方便灵活，价格便宜。
单片机通常是指芯片本身，集成的是一些基本组成部分。是典型 的嵌入式系统的主要构成单元，只能作为嵌入式应用，即嵌入 到对象环境、结构、体系中作为其中的一个智能化控制单元。 如：洗衣机、电视机、VCD、DVD等家用电器，打印机、复印 机、通信设备、智能仪表、现场总线控制单元等。 单片机系统是在单片机芯片的基础上扩展其它电路或芯片构成的 具有一定应用功能的计算机系统。如数字频率计等。 单片机应用系统中包括了满足对象（如洗衣机）要求的全部硬件 电路和应用软件。构成各种嵌入式应用的电路系统，统称为单 片机应用系统。 单片微机应用系统结构通常分三个层次，即单片机、单片机系统、 单片机应用系统。
1.3 计算机中数的表示、编码
1.3.1 计算机中数的表示与运算 1.3.2 计算机中的编码
2010-9-2
28
1.3.1 计算机中数的表示与运算
了解：各种计数制的特点及表示方法； 掌握：各种计数制之间的相互转换。
•
常用计数制 十进制——符合人们的习惯 二进制——便于物理实现 十六进制——便于识别、书写
第五版 2006年10月
参考网址
www.mcustudy.com www.zlgmcu.com 周立功单片机 4. www.chnsoft.net 单片机学习网站
1、《单片机原理与应用及C51程序设计》 1. www.mcu51.com
课程目标
� 建立起单片机的整体概念； � 理解单片机硬件系统各部分的构成及工作原理； � 掌握单片机指令系统、汇编语言程序设计方法， 掌握单片机硬件的设计及调试方法； � 培养单片机应用系统的设计、程序编写与调试能 力。
单片机技术的应用遍布国民经济与人民生活的各个领域
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�单片机的应用领域
1、用单片机构成智能化产品： � 在智能仪器仪表中的应用； � 在家用产品中的应用； � 在医疗仪器中的应用； � 在计算机外部设备中的应用。 2、单片机在工业测控领域中的应用： � 过程控制： 数控铣床、步进控制、生产流水线等； � 数据采集； � 信号处理； � 旧设备的改造。
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� 1976� 1980-
：初级8位单片机 Intel MCS-48系列 ：高档8位单片机 Intel MCS-51系列： —51子系列：8031/8051/8751 —52子系列：8032/8052/8752 低功耗型80C31 高性能型80C252
�
1983-
廉价型89C2051/1051 ：16位单片机 Intel MCS-96 系列： 8098/8096、80C198/80C196 32位单片机 80960
高级语言：
高级语言源程序C-51、C、PL/M51等。 简单——控制程序不太长。 复杂——多种多样的控制对象，少有现成程序借鉴。
简单系统——不含管理和开发功能。 复杂系统——实时系统，需要监控系统 （甚至实时多任务操作系统）。
编译型高级语言可生成机器代码； 解释型高级语言必须在解释程序支持下直接解释执行。 因此，只有编译型高级语言才能作为微机开发语言。
二、单片机应用
• 工业自动化方面： 力、热、速度、加速度、位移。 • 仪器仪表： 降低成本、简化系统结构、提高可靠性。 • 家用电器： 小家电中要求小型价廉、程序容量不大。 • 信息和通信产品： PDA 则要求大容量存储、大屏幕LCD显 示、极低功耗等。 • 军事装备方面： 可靠性、极低功耗。
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单片机与PC机之异同（3）
应用特点： 个人计算机（微机）：
体积大，功耗大，价格高，用途较固定，属通 用计算机。易于学习掌握和使用，但用于控制时必 须制作或购买专用的接口卡，并编制专门的应用软 件。
单片机：
体积小，功耗小，价格低，用途灵活，无处不 在，属专用计算机。是一种特殊器件，需经过专门 学习方能掌握应用，应用中要设计专业的硬件和软 件。
第1章 单片机基础知识
1.1 计算机、微机和单片机 1.2 单片机的发展及应用 1.3 计算机中数的表示与编码
1.1 计算机、微机和单片机
以控制器和运算器为核心、以存储程序原理为基础
控制器
指令 驱动
输入设备
运算器
输出设备
指令流
存储器
控制命令 数据流
计算机硬件结构
2010-9-2 6
运算器、控制器合在一起称中央处理单元(CPU)， 整个cpu集成在一个电路芯片上时称微处理器 （Microprocessor）。 微机逻辑结构
2010-9-2
9
微型计算机基本形成了两大分支
1 、 PC 机： PC 机系统全力实现海量高 速数据处理，兼顾控制功能。 2、单片机：单片机系统全力满足测控对象 的测控功能，兼顾数据处理能力。
2010-9-2
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单片机与PC机之异同（1）
组成：
CPU(进行运算、控制) I/O口(串口、并口等) RAM(数据存储器) ROM(程序存储器)
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三、单片机的程序设计语言和软件
有三类 机器语言（Machine Language) 汇编语言 (Assemble) 高级语言 (High Level Language)
机器语言： 单片机应用系统只使用机器语言（指令的二进制代码， 又称指令代码）。机器语言指令组成的程序称目标程序。 MCS-51两个寄存器相加的机器语言指令：00101000 汇编语言： 与机器语言指令一一对应的英文单词缩写，称为指令助 记符。汇编语言编写的程序称为汇编语言程序。 MCS-51两个寄存器相加汇编语言指令：ADD A，R0
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低档型：8021、8022 MCS—48 基本型：8048、8748、8038 （从1976年起） 改进型：8049、8749、8039和8050、 8750、8040 基本型：8051、8751、8031 改进型：8052、8752、8032 MCS—51 （从1980年起） 低功耗型：80C51、87C51、80C31 强性能型：83C252、87C252、80C252 早期产品： 8X9X（8096） MCS—96 改进型： 8X9XBH、8X9XJF （从1983年起） 新产品： 8098（准） 强功能型：80C196、80C198（准）
PC机： 上述部件以芯片形式安装在主板上。 单片机：上述部件被集成到单芯片中。 PC 包括：键盘、显示器、鼠标、硬 /软/ 通用 通用PC PC包括：键盘、显示器、鼠标、硬 包括：键盘、显示器、鼠标、硬/ 光驱、音箱、打印机、扫描仪…等外设。 单片机则只是一片集成电路。（……100 、 100、 、40 、32 、28 、20 、16 、8条引脚） 。 48 48、 40、 32、 28、 20、 16、 条引脚）。
∑
Si × K i
其中： Si -- S的第i位数码，可以是K个符号中任何一个； n,m – 整数和小数的位数； K -- 基数； Ki -- K进制数的权
地址总线 AB
C P U
存 储 器
I/O 接 口
输 入 设 备
I/O 接 口
输 出 设 备
I/O 接 口
数据总线 DB 控制总线 CB
AB: Address Bus，DB: Data Bus，CB: Control Bus
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单片微型计算机
单片微机是Single Chip Microcomputer的直译，它忠实 地反映了早期单片微机的形态和本质。 单片微型计算机简称单片机（ Single Chip Microcomputer）， 将计算机的基本部件微型化，使之集成在一块芯片上。又称微 控制器（Microcomputer Unit）。
片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、 定时器/计数器、中断控制、系统时钟及总线等。 随后，按照面向对象、突出控制功能，在片内集成了许 多外围电路及外设接口，突破了传统意义的计算机结构，发 展成microcontroller的体系结构，目前国外已普遍称之为 微控制器MCU（Micro Controller Unit）。 鉴于它完全作嵌入式应用，故又称为嵌入式微控制器 Embedded Microcontroller）。
单片机原理与应用
性 质：专业基础课 考核方式：考试 学 时：48 学 分：3
教材：《单片微型机—原理、应用与实验》
编著：张友德等 复旦大学出版社 参考书：
谢维成，清华大学出版社 2、《单片微型计算机与接口技术》 李群芳等，电子工业出版社 3、《单片机的C语言应用程序设计》 马忠梅等，北京航空航天大学出版社
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1.2 单片机发展及应用
一、单片机发展
微型计算机的核心部分：微处理器的发展已经历了五代。 第一代（1971—1973）：4位→8位（初级） 第二代（1973—1975）：8位（初级） 第三代（1975—1978）：初级8位单片机 Intel Intel MCS—48系列单片机 MCS—51系列单片机→16位、32位 第四代（1978—80年代中期）：高档8位单片机 第五代（80年代中期至今）：→64位
2010-9-2 11
单片机与PC机之异同（2）
功能：
机： 数据运算、采集、处理、存储、传输； PC PC机： 单片机：控制（或受控于）外设。 通用计算机擅长于数据运算、采集、处理、 存储和传输； / 单片机的专长则是测控，往往嵌入某个仪器 单片机的专长则是测控，往往嵌入某个仪器/ /系统中，使其具有智能化的效果。 设备 设备/
不同计算机语言的应用：
源程序通过编译得到机器能执行的目标程序。 源程序 编译 程序 目标程序
汇编语言程序可以高效率利用计算机资源，目标程序占用 内存少，执行速度快，适合于自动测控系统反应快速、结构紧 凑的要求。实际应用中，常与 C语言配合使用。 高级语言程序容易掌握，通用性好，但编译程序系统开销 大，目标程序占用内存多，且执行时间比较长，多用于科学计 算、工业设计、企业管理。
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一、任意K进制数的表示
一般地，对任意一个 K进制数S都可表示为
(S ) k = S n −1 × K n −1 + S n − 2 × K n − 2 + ⋅ ⋅ ⋅ + S 0 × K 0 + S −1 × K −1 + ⋅ ⋅ ⋅ + S − m × K − m
n −1
=
i=−m
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MCS-51单片机系列
MCS-51系列基本产品型号： 8051、8031、8751称为 51子系列。 不同型号 MCS-51 单片机 CPU 处理能力和指令系 统完全兼容，只是存储器和 I/O接口的配置有所不同。
硬件配置基本配置：
1. 2. 3. 4. 5. 6. 8位CPU 片内ROM/EPROM、RAM 片内并行 I/O接口 片内16位定时器/计数器 片内中断处理系统 片内全双工串行I/O口
考核方式
� 平时（作业、考勤和课外） 30% � 期末考试 70%
本课程学习的几点建议：
先行基础课程：电路、模拟电路、数字电路 这方面知识掌握得不够好的请自己补上 本课程是一门实践性、应用性很强的技术课 ,重在培养实践动手、应用能力 仅仅听懂还远远不够 仅仅听懂还远远不够, /软件同样重要、不可偏废 硬件 硬件/ 硬件是基础，软件是灵魂，相互配合，组成系统 预习、听课、复习思考、作业、实践环环都重要 用科学的方法学习，提高学习效率
8Байду номын сангаасC51单片机系列
INTEL公司先后推出了三个系列的单片机： MCS—48系列 MCS—51系列 MCS—96系列典型产品： 8096 8098 （准） 80C196 80C198 （准） C51增加了一些外部接口功能单元， 新一代80 80C 如A/D，PCA，WDT等。 PHILIPS ：80C51 ATMEL(Flash ROM)：AT89C51 CHMOS：低功耗，高速度和高密度 (HMOS) 待机和掉电保护
� MCS—51系列单片机的3种基本产品
8051：片内含有掩膜ROM型程序存储器； 只能由生产厂家代为用户固化； 批量大、永久保存、不修改时用。 8751：片内含EPROM型程序存储器； 用户可固化，可用紫外线光照射擦除； 但价格高。 8031：片内无程序存储器，可在片外扩展； 方便灵活，价格便宜。
单片机通常是指芯片本身，集成的是一些基本组成部分。是典型 的嵌入式系统的主要构成单元，只能作为嵌入式应用，即嵌入 到对象环境、结构、体系中作为其中的一个智能化控制单元。 如：洗衣机、电视机、VCD、DVD等家用电器，打印机、复印 机、通信设备、智能仪表、现场总线控制单元等。 单片机系统是在单片机芯片的基础上扩展其它电路或芯片构成的 具有一定应用功能的计算机系统。如数字频率计等。 单片机应用系统中包括了满足对象（如洗衣机）要求的全部硬件 电路和应用软件。构成各种嵌入式应用的电路系统，统称为单 片机应用系统。 单片微机应用系统结构通常分三个层次，即单片机、单片机系统、 单片机应用系统。
1.3 计算机中数的表示、编码
1.3.1 计算机中数的表示与运算 1.3.2 计算机中的编码
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1.3.1 计算机中数的表示与运算
了解：各种计数制的特点及表示方法； 掌握：各种计数制之间的相互转换。
•
常用计数制 十进制——符合人们的习惯 二进制——便于物理实现 十六进制——便于识别、书写