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文檔簡介

單片機原理及應(yīng)用單片機原理及應(yīng)用介紹單片機基礎(chǔ)知識、發(fā)展歷史、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展趨勢。詳細介紹目前流行的51單片機的代表性機型:美國ATMEL公司的AT89C5x/AT89S5x系列單片機。初步了解嵌入式處理器:單片機,數(shù)字信號處理器(DSP)、嵌入式微處理器數(shù)的表示方法不同計數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換第1章單片機概述介紹單片機基礎(chǔ)知識、發(fā)展歷史、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展趨勢。第1章1.1什么是單片機一片半導(dǎo)體硅片集成:中央處理單元(CPU)、存儲器(RAM、ROM)、并行I/O、串行I/O、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)時鐘電路及系統(tǒng)總線的微型計算機。國際上通常把單片機稱為嵌入式控制器或微控制器1.1什么是單片機國際上通常把單片機稱為嵌入式控制器或微1.2單片機的分類

按二進制位數(shù)分類1、4位單片機

4位單片機主要用于控制諸如洗衣機、微波爐等家用電器及高檔電子玩具。2、8位單片機

8位單片機是目前單片機中的主流機型。由于8位單片機的功能強、價格低廉、品種齊全,因而被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。3、16位單片機4、32位單片機1.2單片機的分類

按用途分類

1、通用型單片機:將資源全部提供給用戶使用,如片內(nèi)寄存器、存儲器、中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器、I/O接口等。

2、專用型單片機:針對各種特殊應(yīng)用場合而專門設(shè)計的單片機。按用途分類1.3單片機的發(fā)展歷史第一階段(1974年~1976年):單片機初級階段。因工藝限制,單片機采用雙片的形式而且功能比較簡單。第二階段(1976年~1978年):低性能單片機階段。1976年Intel的MCS-48單片機(8位)極大地促進了單片機的變革和發(fā)展。第三階段(1978年~1983年):高性能單片機階段。1980年,Intel公司推出MCS-51系列,

Mortorola推出6801單片機,使單片機的性能及應(yīng)用躍上新的臺階。第四階段(1983年~現(xiàn)在):8位單片機鞏固發(fā)展及16位單片機、32位單片機推出階段。16位典型產(chǎn)品Intel公司的MCS-96系列單片機。1.3單片機的發(fā)展歷史1.4單片機的特點

單片機是集成電路技術(shù)與微型計算機技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物。體積小、價格低、應(yīng)用方便、穩(wěn)定可靠,因此,給工業(yè)自動化等領(lǐng)域帶來了一場重大革命和技術(shù)進步。(1)功能齊全,應(yīng)用可靠,抗干擾能力強。(2)簡單方便,易于普及。(3)發(fā)展迅速,前景廣闊。(4)嵌入容易,用途廣泛,體積小、性能價格比高,應(yīng)用靈活性強等特點在嵌入式微控制系統(tǒng)中具有十分重要的地位。1.4單片機的特點單片機是集成電路技術(shù)與微型計算機技術(shù)1.5單片機的應(yīng)用

從工業(yè)自動化、自動控制、智能儀器儀表、消費類電子產(chǎn)品等方面,直到國防尖端技術(shù)領(lǐng)域,單片機都發(fā)揮著十分重要的作用。1.工業(yè)檢測與控制:各種測控系統(tǒng)等。2.儀器儀表:智能儀器儀表等。3.消費類電子產(chǎn)品:全自動家用電器等。4.通訊:調(diào)制解調(diào)器控制等。5.武器裝備:導(dǎo)彈控制等。6.各種終端及計算機外部設(shè)備:硬盤驅(qū)動器控制等。7.汽車電子設(shè)備:點火系統(tǒng)控制。8.分布式多機系統(tǒng)1.5單片機的應(yīng)用從工業(yè)自動化、自動控制、智能儀器儀表1.6單片機的發(fā)展趨勢單片機的發(fā)展趨勢將是多功能、高性能、高速度、低電壓、低功耗、低價格、外圍電路內(nèi)裝化以及片內(nèi)程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器容量不斷增大的方向發(fā)展。1.CPU的改進(1)增加CPU數(shù)據(jù)總線寬度。(2)采用雙CPU結(jié)構(gòu),以提高數(shù)據(jù)處理能力。2.存儲器的發(fā)展(1)片內(nèi)程序存儲器普遍采用閃速(Flash)存儲器。(2)加大存儲容量。1.6單片機的發(fā)展趨勢3.片內(nèi)I/O的改進(1)增加并行口驅(qū)動能力,以減少外部驅(qū)動芯片。(2)設(shè)置特殊的串行I/O功能,為構(gòu)成分布式、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)提供方便條件。4.低功耗化CMOS化,功耗小,配置有等待狀態(tài)、睡眠狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)等工作方式。消耗電流僅在μA或nA量級,適于電池供電的便攜式、手持式的儀器儀表以及其它消費類電子產(chǎn)品。5.外圍電路內(nèi)裝化眾多外圍電路全部裝入片內(nèi),即系統(tǒng)的單片化是目前發(fā)展趨勢之一。3.片內(nèi)I/O的改進1.6.1MCS-51系列單片機MCS是Intel公司單片機的系列符號,如MCS-48、MCS-51、MCS-96系列單片機。MCS-51系列單片機主要包括基本型:8031/8051/8751(低功耗型80C31/80C51/87C51)。增強型:8032/8052/8752。1.6MCS-51系列與AT89C5x系列單片機1.6.1MCS-51系列單片機1.6MCS-51系第1章單片機原理及應(yīng)用課件(1)基本型典型產(chǎn)品:8031/8051/8751。8031內(nèi)部包括1個8位CPU、128BRAM,21個特殊功能寄存器(SFR)、4個8位并行I/O口、1個全雙工串行口,2個16位定時器/計數(shù)器,5個中斷源,但片內(nèi)無程序存儲器,需外擴程序存儲器芯片。8051是在8031的基礎(chǔ)上,片內(nèi)又集成有4KBROM作為程序存儲器。所以8051是一個程序不超過4KB的小系統(tǒng)。ROM內(nèi)的程序是公司制作芯片時,代為用戶燒制的。8751與8051相比,片內(nèi)集成的4KBEPROM取代了8051的4KBROM來作為程序存儲器。(1)基本型(2)增強型

INTEL公司在基本型基礎(chǔ)上,推出增強型-52子系列,典型產(chǎn)品:8032/8052/8752。內(nèi)部RAM增到256B,8052、片內(nèi)程序存儲器擴展到8KB,16位定時器/計數(shù)器增至3個,6個中斷源,串行口通信速率提高5倍。

表1-1列出了基本型和增強型的MCS-51系列單片機片內(nèi)的基本硬件資源。

(2)增強型

INTEL公司在基本型基礎(chǔ)上,推出增強第1章單片機原理及應(yīng)用課件1.6.2AT89C5x(AT89S5x)系列單片機ATMEL公司1994年以E2PROM技術(shù)與Intel公司的80C51內(nèi)核的使用權(quán)進行交換。ATMEL公司的技術(shù)優(yōu)勢是閃速(Flash)存儲器技術(shù),將Flash技術(shù)與80C51內(nèi)核相結(jié)合,形成了片內(nèi)帶有Flash存儲器的AT89C5x/AT89S5x系列單片機。

1.6.2AT89C5x(AT89S5x)系列單片機AT89C5x/AT89S5x系列與MCS-51系列在原有功能、引腳以及指令系統(tǒng)方面完全兼容。某些品種又增加了一些新的功能,如看門狗定時器WDT、ISP(在系統(tǒng)編程也稱在線編程)及SPI串行接口技術(shù)等。片內(nèi)Flash存儲器允許在線(+5V)電擦除、電寫入或使用編程器對其重復(fù)編程。AT89C5x/AT89S5x單片機還支持由軟件選擇的兩種節(jié)電工作方式,非常適于低功耗的場合。與MCS-51系列的87C51單片機相比,AT89C51/AT89S51單片機片內(nèi)的4KBFlash存儲器取代了87C51片內(nèi)的4KBEPROM。AT89S51片內(nèi)的Flash存儲器可在線編程或使用編程器重復(fù)編程。AT89C5x/AT89S5x系列與MCS-51系列在原有功AT89S5x的“S”檔系列機型是ATMEL公司繼AT89C5x系列之后推出的新機型,代表性產(chǎn)品為AT89S51和AT89S52?;拘偷腁T89C51與AT89S51以及增強型的AT89C52與AT89S52的硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)完全相同。與AT89C5x系列相比,AT89S5x系列的時鐘頻率以及運算速度有了較大的提高,例如,AT89S51工作頻率的上限為24MHz,而AT89S51則為33MHz。AT89S51片內(nèi)集成有雙數(shù)據(jù)指針DPTR,看門狗定時器、具有低功耗空閑工作方式和掉電工作方式。AT89S5x的“S”檔系列機型是ATMEL公司繼AT89C第1章單片機原理及應(yīng)用課件目前某些非51單片機也得到了較為廣泛的應(yīng)用,目前應(yīng)用較廣泛是AVR系列與PIC系列單片機,它們博采眾長,具獨特技術(shù),受到廣大設(shè)計工程師的關(guān)注。AVR系列單片機:1997年ATMEL公司挪威設(shè)計中心的A先生與V先生共同研發(fā)出的精簡指令集(RISC—ReducedInstructionSetComputer)的高速8位單片機,簡稱AVR。PIC系列單片機:美國Microchip公司的產(chǎn)品目前某些非51單片機也得到了較為廣泛的應(yīng)用,目前應(yīng)用較廣泛是1.9各類嵌入式處理器簡介具有各種不同體系結(jié)構(gòu)的處理器,構(gòu)成了嵌入式處理器家族,是嵌入式系統(tǒng)的核心。按體系結(jié)構(gòu)主要分為如下幾類:嵌入式微控制器(單片機)嵌入式數(shù)字信號處理器(簡稱DSP)嵌入式微處理器片上系統(tǒng)(SOC)。1.9各類嵌入式處理器簡介具有各種不同體系結(jié)構(gòu)的處理器,1.9.1嵌入式微控制器(單片機)將用于測控目的的計算機小系統(tǒng)集成到一塊芯片中。一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心,片內(nèi)集成

ROM/EPROM、RAM、總線及總線控制邏輯、定時/計數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash存儲器等各種必要的功能部件和外設(shè)。單片機最大特點是單片化,價廉,功耗和成本下降、可靠性提高。是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。1.9.1嵌入式微控制器(單片機)1.9.2嵌入式DSP處理器(DSP)DSP(DigitalSignalProcessor),擅長于高速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理運算(如數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等)。由于硬件結(jié)構(gòu)和指令的特殊設(shè)計,使其能夠高速完成各種數(shù)字信號處理算法。應(yīng)用于各種帶有智能邏輯的消費類產(chǎn)品,生物信息識別終端,實時語音壓解系統(tǒng)、數(shù)字圖像處理等。與單片機相比,DSP的高速運算能力和多總線,處理的算法的復(fù)雜度和大的數(shù)據(jù)處理流量是單片機不可企及的。1.9.2嵌入式DSP處理器(DSP)1.9.3嵌入式微處理器嵌入式微處理器(EmbeddedMicroProcessorUnit,

EMPU)的基礎(chǔ)是通用計算機中的CPU。與單片機相比,單片機本身(或稍加擴展)就是一個小的計算機系統(tǒng),可獨立運行,具有完整的功能。而嵌入式微處理器僅僅相當于單片機中的CPU。嵌入式微處理器雖然在功能上和標準微處理器基本是一樣的,但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強。代表性產(chǎn)品為ARM系列,ARM是AdvancedRISCMachines的縮寫,其中RISC是精簡指令集計算機的縮寫。1.9.3嵌入式微處理器1.9.4嵌入式片上系統(tǒng)SOC(SystemOnChip)隨著超大規(guī)模集成電路設(shè)計技術(shù)發(fā)展,一個硅片上實現(xiàn)一個復(fù)雜的系統(tǒng),即SystemOnChip(SOC),即片上系統(tǒng)。核心思想是把整個電子系統(tǒng)全部集成在一個芯片中。除無法集成的器件外,整個系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去,系統(tǒng)電路板簡潔,對減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。SOC使系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)發(fā)生革命性變化,標志著一個全新時代到來。1.9.4嵌入式片上系統(tǒng)SOC(SystemOnCh不同計數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換1.十進制數(shù)一個十進制數(shù),它的數(shù)值是由數(shù)碼0,1,2,…,8,9來表示的。數(shù)碼所處的位置不同,代表數(shù)的大小也不同。十進制數(shù)的權(quán)是以10為底的冪。例如:53478=5×104+3×103+4×102+7×101+8×100對應(yīng)于:不同計數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換1.十進制數(shù)一個十進制數(shù),它的數(shù)值是由數(shù)2.二進制數(shù)二進制是按“逢二進一”的原則進行計數(shù)的。二進制數(shù)的基為“2”,即其使用的數(shù)碼為0、1,共兩個。二進制數(shù)的權(quán)是以2為底的冪。例如:10110100=1×27+0×26+1×25+1×24+0×23+1×22+0×21+0×20對應(yīng)于:(10110100)2=1×27+0×26+1×25+1×24+0×23+1×22+0×21+0×20=1802.二進制數(shù)二進制是按“逢二進一”的原則進行計數(shù)的。二進制3.十六進制數(shù)十六進制數(shù)的基為16,即基數(shù)碼共有l(wèi)6個:0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F(xiàn)。其中A,B,C,D,E,F(xiàn)分別代表值為十進制數(shù)中的10,11,12,13,14,15。十六進制的權(quán)為以16為底的冪。例如:4F8E=4×163+F×162+8×161+E×160=20366對應(yīng)于:3.十六進制數(shù)十六進制數(shù)的基為16,即基數(shù)碼共有l(wèi)6個:常用計數(shù)制表示數(shù)的方法比較

十進制二進制十六進制0001112102311341004510156110671117810008910019101010A111011B121100C131101D141110E151111F161000010常用計數(shù)制表示數(shù)的方法比較十進制二進制十六進制0

不同進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換1.十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)的方法除二取余法:就是用2去除該十進制數(shù),得商和余數(shù),此余數(shù)為二進制代碼的最小有效位(LSB)或最低位的值;再用2除該商數(shù),又可得商數(shù)和余數(shù),則此余數(shù)為LSB左鄰的二進制代碼(次低位)。依此類推,從低位到高位逐次進行,直到商是0為止,就可得到該十進制數(shù)的二進制代碼。

不同進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換1.十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)的方法除二即:(67)10=(1000011)2例如:將(67)10轉(zhuǎn)換成二進制數(shù),過程如下:即:(67)10=(1000011)2例如:將(67)10轉(zhuǎn)2.十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)的方法乘二取整法:將已知十進制的小數(shù)乘以2之后,可能有進位,使整數(shù)位為1(當該小數(shù)大于0.5時),也可能沒有進位,其整數(shù)位仍為零。該整數(shù)位的值為二進制小數(shù)的最高位。再將乘積的小數(shù)部分乘以2,所得整數(shù)位的值為二進制小數(shù)的次高位。依此類推,直到滿足精度要求或乘2后的小數(shù)部分為0為止。

2.十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)的方法乘二取整法:將已知十進制的例如:將(0.625)10轉(zhuǎn)換成二進制數(shù),其過程如下:即:(0.625)10=(0.101)2例如:將(0.625)10轉(zhuǎn)換成二進制數(shù),其過程如下:即:(3.二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)的方法將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)時,只要將二進制數(shù)各位的權(quán)乘以各位的數(shù)碼(0或1)再相加即可。例如:將(1101.1001)2制轉(zhuǎn)換成十進制數(shù):(1101.1001)2=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+0×2-2+0×2-3+1×2-4=8+4+0+1+0.5+0+0+0.0625=(13.5625)103.二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)的方法將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)4.二進制與十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換方法二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)例如:把(101101101.1100101)2轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)。即:(101101101.1100101)2=(16D.CA)164.二進制與十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換方法二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進2)十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)將十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)時,只要將每1位十六進制數(shù)用4位相應(yīng)的二進制數(shù)表示即可完成轉(zhuǎn)換。例如:將(ECA16)16轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)。即:(ECA16)16=(11101100101000010110)22)十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)即:(ECA16)16=(111

二進制數(shù)的算術(shù)運算規(guī)則

1.二進制加法基本規(guī)則0+0=00+1=1+0=11+1=0 向鄰近高位有進位1+1+1=1 向鄰近高位有進位2.二進制減法基本規(guī)則0-0=01-1=01-0=10-1=1 向鄰近高位有借位二進制數(shù)的算術(shù)運算規(guī)則1.二進制加法基本規(guī)則0+03.二進制乘法基本規(guī)則0×0=00×1=1×0=01×1=14.二進制除法基本規(guī)則1/1=10/1=03.二進制乘法基本規(guī)則0×0=04.二進制除法基本規(guī)1.邏輯與運算基本規(guī)則0∧0=01∧0=0∧1=01∧1=12.邏輯或運算基本規(guī)則0∨0=01∨0=0∨1=11∨1=1

邏輯運算1.邏輯與運算基本規(guī)則0∧0=02.邏輯或運算基本規(guī)3.邏輯非運算基本規(guī)則/0=1/1=04.邏輯異或運算基本規(guī)則0⊕0=1⊕1=01⊕0=0⊕1=13.邏輯非運算基本規(guī)則/0=14.邏輯異或運算基本規(guī)1.真值與機器數(shù)單片機用來表示數(shù)的形式稱為機器數(shù),也稱為機器碼。而把對應(yīng)于該機器數(shù)的算術(shù)值稱為真值。設(shè):N1=+1010101N2=-1010101這兩個數(shù)在機器中表示為:N1:01010101N2:11010101數(shù)的表示方法1.真值與機器數(shù)單片機用來表示數(shù)的形式稱為機器數(shù),也稱為在計算機中還有一種數(shù)的表示方法,即機器中的全部有效位均用來表示數(shù)的大小,此時無符號位,這種表示方法稱為無符號數(shù)的表示方法。在計算機中還有一種數(shù)的表示方法,即機器中的全部有效位均用來表1.原碼表示法原碼表示法是最簡單的一種機器數(shù)表示法,只要把真值的符號部分用0或1表示即可。例如:真值為+34與-34的原碼形式為:[+34]原=00100010[-34]原=101000100的原碼有兩種形式:[+0]原=00000000[-0]原=10000000數(shù)的表示方法8位二進制數(shù)原碼的表示范圍為:11111111~01111111,

對應(yīng)于:-127~+127。1.原碼表示法原碼表示法是最簡單的一種機器數(shù)表示法,只要2.反碼表示法反碼是二進制數(shù)的另一種表示形式,正數(shù)的反碼與原碼相同;負數(shù)的反碼是將其原碼除符號位外按位求反。即原來為1變?yōu)?,原來為0變?yōu)?。例如:[+34]反=[+34]原=00100010[-34]原=10100010,[-34]反=110111010的反碼也有兩種形式:[+0]反=00000000[-0]反=111111118位二進制數(shù)反碼的表示范圍為:10000000~01111111

對應(yīng)于:-127~+1272.反碼表示法反碼是二進制數(shù)的另一種表示形式,正數(shù)的反碼3.補碼表示法正數(shù)的補碼表示方法與原碼相同,負數(shù)的補碼表示方法為它的反碼加1。例如:[-21]原=10010101[-21]反=11101010[-21]補=111010110的補碼只有一種表示方法,即[+0]補=[-0]補=00000000。8位二進制數(shù)的補碼所能表示的范圍為10000001~01111111,對應(yīng)于-128~+127。3.補碼表示法正數(shù)的補碼表示方法與原碼相同,負數(shù)的補碼表1位十進制數(shù)可以用4位二進制編碼表示,所謂的“二進制編碼的十進制數(shù)(BCD:BinaryCodedDecimal)”十進制8421BCD碼二進制0000000001000100012001000103001100114010001005010101016011001107011101118100010009100110011000010000101011000100011011120001001011001300010011110114000101001110150001010111111位十進制數(shù)可以用4位二進制編碼表示,所謂的“二進制編碼的十ASCII碼ASCII碼是美國標準信息交換碼(AmericanStandardCodeforInformationInterchange),字母和各種字符必須按照特定的規(guī)則用二進制編碼才能在計算機中表示。ASCII碼是一種8位代碼,最高位一般用于奇偶校驗,用其余的7位代碼來對128個字符編碼,其中32個是控制字符,96個是圖形字符。ASCII碼ASCII碼是美國標準信息交換碼(America單片機原理及應(yīng)用單片機原理及應(yīng)用介紹單片機基礎(chǔ)知識、發(fā)展歷史、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展趨勢。詳細介紹目前流行的51單片機的代表性機型:美國ATMEL公司的AT89C5x/AT89S5x系列單片機。初步了解嵌入式處理器:單片機,數(shù)字信號處理器(DSP)、嵌入式微處理器數(shù)的表示方法不同計數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換第1章單片機概述介紹單片機基礎(chǔ)知識、發(fā)展歷史、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展趨勢。第1章1.1什么是單片機一片半導(dǎo)體硅片集成:中央處理單元(CPU)、存儲器(RAM、ROM)、并行I/O、串行I/O、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)時鐘電路及系統(tǒng)總線的微型計算機。國際上通常把單片機稱為嵌入式控制器或微控制器1.1什么是單片機國際上通常把單片機稱為嵌入式控制器或微1.2單片機的分類

按二進制位數(shù)分類1、4位單片機

4位單片機主要用于控制諸如洗衣機、微波爐等家用電器及高檔電子玩具。2、8位單片機

8位單片機是目前單片機中的主流機型。由于8位單片機的功能強、價格低廉、品種齊全,因而被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。3、16位單片機4、32位單片機1.2單片機的分類

按用途分類

1、通用型單片機:將資源全部提供給用戶使用,如片內(nèi)寄存器、存儲器、中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器、I/O接口等。

2、專用型單片機:針對各種特殊應(yīng)用場合而專門設(shè)計的單片機。按用途分類1.3單片機的發(fā)展歷史第一階段(1974年~1976年):單片機初級階段。因工藝限制,單片機采用雙片的形式而且功能比較簡單。第二階段(1976年~1978年):低性能單片機階段。1976年Intel的MCS-48單片機(8位)極大地促進了單片機的變革和發(fā)展。第三階段(1978年~1983年):高性能單片機階段。1980年,Intel公司推出MCS-51系列,

Mortorola推出6801單片機,使單片機的性能及應(yīng)用躍上新的臺階。第四階段(1983年~現(xiàn)在):8位單片機鞏固發(fā)展及16位單片機、32位單片機推出階段。16位典型產(chǎn)品Intel公司的MCS-96系列單片機。1.3單片機的發(fā)展歷史1.4單片機的特點

單片機是集成電路技術(shù)與微型計算機技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物。體積小、價格低、應(yīng)用方便、穩(wěn)定可靠,因此,給工業(yè)自動化等領(lǐng)域帶來了一場重大革命和技術(shù)進步。(1)功能齊全,應(yīng)用可靠,抗干擾能力強。(2)簡單方便,易于普及。(3)發(fā)展迅速,前景廣闊。(4)嵌入容易,用途廣泛,體積小、性能價格比高,應(yīng)用靈活性強等特點在嵌入式微控制系統(tǒng)中具有十分重要的地位。1.4單片機的特點單片機是集成電路技術(shù)與微型計算機技術(shù)1.5單片機的應(yīng)用

從工業(yè)自動化、自動控制、智能儀器儀表、消費類電子產(chǎn)品等方面,直到國防尖端技術(shù)領(lǐng)域,單片機都發(fā)揮著十分重要的作用。1.工業(yè)檢測與控制:各種測控系統(tǒng)等。2.儀器儀表:智能儀器儀表等。3.消費類電子產(chǎn)品:全自動家用電器等。4.通訊:調(diào)制解調(diào)器控制等。5.武器裝備:導(dǎo)彈控制等。6.各種終端及計算機外部設(shè)備:硬盤驅(qū)動器控制等。7.汽車電子設(shè)備:點火系統(tǒng)控制。8.分布式多機系統(tǒng)1.5單片機的應(yīng)用從工業(yè)自動化、自動控制、智能儀器儀表1.6單片機的發(fā)展趨勢單片機的發(fā)展趨勢將是多功能、高性能、高速度、低電壓、低功耗、低價格、外圍電路內(nèi)裝化以及片內(nèi)程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器容量不斷增大的方向發(fā)展。1.CPU的改進(1)增加CPU數(shù)據(jù)總線寬度。(2)采用雙CPU結(jié)構(gòu),以提高數(shù)據(jù)處理能力。2.存儲器的發(fā)展(1)片內(nèi)程序存儲器普遍采用閃速(Flash)存儲器。(2)加大存儲容量。1.6單片機的發(fā)展趨勢3.片內(nèi)I/O的改進(1)增加并行口驅(qū)動能力,以減少外部驅(qū)動芯片。(2)設(shè)置特殊的串行I/O功能,為構(gòu)成分布式、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)提供方便條件。4.低功耗化CMOS化,功耗小,配置有等待狀態(tài)、睡眠狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)等工作方式。消耗電流僅在μA或nA量級,適于電池供電的便攜式、手持式的儀器儀表以及其它消費類電子產(chǎn)品。5.外圍電路內(nèi)裝化眾多外圍電路全部裝入片內(nèi),即系統(tǒng)的單片化是目前發(fā)展趨勢之一。3.片內(nèi)I/O的改進1.6.1MCS-51系列單片機MCS是Intel公司單片機的系列符號,如MCS-48、MCS-51、MCS-96系列單片機。MCS-51系列單片機主要包括基本型:8031/8051/8751(低功耗型80C31/80C51/87C51)。增強型:8032/8052/8752。1.6MCS-51系列與AT89C5x系列單片機1.6.1MCS-51系列單片機1.6MCS-51系第1章單片機原理及應(yīng)用課件(1)基本型典型產(chǎn)品:8031/8051/8751。8031內(nèi)部包括1個8位CPU、128BRAM,21個特殊功能寄存器(SFR)、4個8位并行I/O口、1個全雙工串行口,2個16位定時器/計數(shù)器,5個中斷源,但片內(nèi)無程序存儲器,需外擴程序存儲器芯片。8051是在8031的基礎(chǔ)上,片內(nèi)又集成有4KBROM作為程序存儲器。所以8051是一個程序不超過4KB的小系統(tǒng)。ROM內(nèi)的程序是公司制作芯片時,代為用戶燒制的。8751與8051相比,片內(nèi)集成的4KBEPROM取代了8051的4KBROM來作為程序存儲器。(1)基本型(2)增強型

INTEL公司在基本型基礎(chǔ)上,推出增強型-52子系列,典型產(chǎn)品:8032/8052/8752。內(nèi)部RAM增到256B,8052、片內(nèi)程序存儲器擴展到8KB,16位定時器/計數(shù)器增至3個,6個中斷源,串行口通信速率提高5倍。

表1-1列出了基本型和增強型的MCS-51系列單片機片內(nèi)的基本硬件資源。

(2)增強型

INTEL公司在基本型基礎(chǔ)上,推出增強第1章單片機原理及應(yīng)用課件1.6.2AT89C5x(AT89S5x)系列單片機ATMEL公司1994年以E2PROM技術(shù)與Intel公司的80C51內(nèi)核的使用權(quán)進行交換。ATMEL公司的技術(shù)優(yōu)勢是閃速(Flash)存儲器技術(shù),將Flash技術(shù)與80C51內(nèi)核相結(jié)合,形成了片內(nèi)帶有Flash存儲器的AT89C5x/AT89S5x系列單片機。

1.6.2AT89C5x(AT89S5x)系列單片機AT89C5x/AT89S5x系列與MCS-51系列在原有功能、引腳以及指令系統(tǒng)方面完全兼容。某些品種又增加了一些新的功能,如看門狗定時器WDT、ISP(在系統(tǒng)編程也稱在線編程)及SPI串行接口技術(shù)等。片內(nèi)Flash存儲器允許在線(+5V)電擦除、電寫入或使用編程器對其重復(fù)編程。AT89C5x/AT89S5x單片機還支持由軟件選擇的兩種節(jié)電工作方式,非常適于低功耗的場合。與MCS-51系列的87C51單片機相比,AT89C51/AT89S51單片機片內(nèi)的4KBFlash存儲器取代了87C51片內(nèi)的4KBEPROM。AT89S51片內(nèi)的Flash存儲器可在線編程或使用編程器重復(fù)編程。AT89C5x/AT89S5x系列與MCS-51系列在原有功AT89S5x的“S”檔系列機型是ATMEL公司繼AT89C5x系列之后推出的新機型,代表性產(chǎn)品為AT89S51和AT89S52?;拘偷腁T89C51與AT89S51以及增強型的AT89C52與AT89S52的硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)完全相同。與AT89C5x系列相比,AT89S5x系列的時鐘頻率以及運算速度有了較大的提高,例如,AT89S51工作頻率的上限為24MHz,而AT89S51則為33MHz。AT89S51片內(nèi)集成有雙數(shù)據(jù)指針DPTR,看門狗定時器、具有低功耗空閑工作方式和掉電工作方式。AT89S5x的“S”檔系列機型是ATMEL公司繼AT89C第1章單片機原理及應(yīng)用課件目前某些非51單片機也得到了較為廣泛的應(yīng)用,目前應(yīng)用較廣泛是AVR系列與PIC系列單片機,它們博采眾長,具獨特技術(shù),受到廣大設(shè)計工程師的關(guān)注。AVR系列單片機:1997年ATMEL公司挪威設(shè)計中心的A先生與V先生共同研發(fā)出的精簡指令集(RISC—ReducedInstructionSetComputer)的高速8位單片機,簡稱AVR。PIC系列單片機:美國Microchip公司的產(chǎn)品目前某些非51單片機也得到了較為廣泛的應(yīng)用,目前應(yīng)用較廣泛是1.9各類嵌入式處理器簡介具有各種不同體系結(jié)構(gòu)的處理器,構(gòu)成了嵌入式處理器家族,是嵌入式系統(tǒng)的核心。按體系結(jié)構(gòu)主要分為如下幾類:嵌入式微控制器(單片機)嵌入式數(shù)字信號處理器(簡稱DSP)嵌入式微處理器片上系統(tǒng)(SOC)。1.9各類嵌入式處理器簡介具有各種不同體系結(jié)構(gòu)的處理器,1.9.1嵌入式微控制器(單片機)將用于測控目的的計算機小系統(tǒng)集成到一塊芯片中。一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心,片內(nèi)集成

ROM/EPROM、RAM、總線及總線控制邏輯、定時/計數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash存儲器等各種必要的功能部件和外設(shè)。單片機最大特點是單片化,價廉,功耗和成本下降、可靠性提高。是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。1.9.1嵌入式微控制器(單片機)1.9.2嵌入式DSP處理器(DSP)DSP(DigitalSignalProcessor),擅長于高速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理運算(如數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等)。由于硬件結(jié)構(gòu)和指令的特殊設(shè)計,使其能夠高速完成各種數(shù)字信號處理算法。應(yīng)用于各種帶有智能邏輯的消費類產(chǎn)品,生物信息識別終端,實時語音壓解系統(tǒng)、數(shù)字圖像處理等。與單片機相比,DSP的高速運算能力和多總線,處理的算法的復(fù)雜度和大的數(shù)據(jù)處理流量是單片機不可企及的。1.9.2嵌入式DSP處理器(DSP)1.9.3嵌入式微處理器嵌入式微處理器(EmbeddedMicroProcessorUnit,

EMPU)的基礎(chǔ)是通用計算機中的CPU。與單片機相比,單片機本身(或稍加擴展)就是一個小的計算機系統(tǒng),可獨立運行,具有完整的功能。而嵌入式微處理器僅僅相當于單片機中的CPU。嵌入式微處理器雖然在功能上和標準微處理器基本是一樣的,但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強。代表性產(chǎn)品為ARM系列,ARM是AdvancedRISCMachines的縮寫,其中RISC是精簡指令集計算機的縮寫。1.9.3嵌入式微處理器1.9.4嵌入式片上系統(tǒng)SOC(SystemOnChip)隨著超大規(guī)模集成電路設(shè)計技術(shù)發(fā)展,一個硅片上實現(xiàn)一個復(fù)雜的系統(tǒng),即SystemOnChip(SOC),即片上系統(tǒng)。核心思想是把整個電子系統(tǒng)全部集成在一個芯片中。除無法集成的器件外,整個系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去,系統(tǒng)電路板簡潔,對減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。SOC使系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)發(fā)生革命性變化,標志著一個全新時代到來。1.9.4嵌入式片上系統(tǒng)SOC(SystemOnCh不同計數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換1.十進制數(shù)一個十進制數(shù),它的數(shù)值是由數(shù)碼0,1,2,…,8,9來表示的。數(shù)碼所處的位置不同,代表數(shù)的大小也不同。十進制數(shù)的權(quán)是以10為底的冪。例如:53478=5×104+3×103+4×102+7×101+8×100對應(yīng)于:不同計數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換1.十進制數(shù)一個十進制數(shù),它的數(shù)值是由數(shù)2.二進制數(shù)二進制是按“逢二進一”的原則進行計數(shù)的。二進制數(shù)的基為“2”,即其使用的數(shù)碼為0、1,共兩個。二進制數(shù)的權(quán)是以2為底的冪。例如:10110100=1×27+0×26+1×25+1×24+0×23+1×22+0×21+0×20對應(yīng)于:(10110100)2=1×27+0×26+1×25+1×24+0×23+1×22+0×21+0×20=1802.二進制數(shù)二進制是按“逢二進一”的原則進行計數(shù)的。二進制3.十六進制數(shù)十六進制數(shù)的基為16,即基數(shù)碼共有l(wèi)6個:0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F(xiàn)。其中A,B,C,D,E,F(xiàn)分別代表值為十進制數(shù)中的10,11,12,13,14,15。十六進制的權(quán)為以16為底的冪。例如:4F8E=4×163+F×162+8×161+E×160=20366對應(yīng)于:3.十六進制數(shù)十六進制數(shù)的基為16,即基數(shù)碼共有l(wèi)6個:常用計數(shù)制表示數(shù)的方法比較

十進制二進制十六進制0001112102311341004510156110671117810008910019101010A111011B121100C131101D141110E151111F161000010常用計數(shù)制表示數(shù)的方法比較十進制二進制十六進制0

不同進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換1.十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)的方法除二取余法:就是用2去除該十進制數(shù),得商和余數(shù),此余數(shù)為二進制代碼的最小有效位(LSB)或最低位的值;再用2除該商數(shù),又可得商數(shù)和余數(shù),則此余數(shù)為LSB左鄰的二進制代碼(次低位)。依此類推,從低位到高位逐次進行,直到商是0為止,就可得到該十進制數(shù)的二進制代碼。

不同進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換1.十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)的方法除二即:(67)10=(1000011)2例如:將(67)10轉(zhuǎn)換成二進制數(shù),過程如下:即:(67)10=(1000011)2例如:將(67)10轉(zhuǎn)2.十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)的方法乘二取整法:將已知十進制的小數(shù)乘以2之后,可能有進位,使整數(shù)位為1(當該小數(shù)大于0.5時),也可能沒有進位,其整數(shù)位仍為零。該整數(shù)位的值為二進制小數(shù)的最高位。再將乘積的小數(shù)部分乘以2,所得整數(shù)位的值為二進制小數(shù)的次高位。依此類推,直到滿足精度要求或乘2后的小數(shù)部分為0為止。

2.十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)的方法乘二取整法:將已知十進制的例如:將(0.625)10轉(zhuǎn)換成二進制數(shù),其過程如下:即:(0.625)10=(0.101)2例如:將(0.625)10轉(zhuǎn)換成二進制數(shù),其過程如下:即:(3.二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)的方法將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)時,只要將二進制數(shù)各位的權(quán)乘以各位的數(shù)碼(0或1)再相加即可。例如:將(1101.1001)2制轉(zhuǎn)換成十進制數(shù):(1101.1001)2=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+0×2-2+0×2-3+1×2-4=8+4+0+1+0.5+0+0+0.0625=(13.5625)103.二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)的方法將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)4.二進制與十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換方法二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)例如:把(101101101.1100101)2轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)。即:(101101101.1100101)2=(16D.CA)164.二進制與十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換方法二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進2)十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)將十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)時,只要將每1位十六進制數(shù)用4位相應(yīng)的二進制數(shù)表示即可完成轉(zhuǎn)換。例如:將(ECA16)16轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)。即:(ECA16)16=(11101100101000010110)22)十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)即:(ECA16)16=(111

二進制數(shù)的算術(shù)運算規(guī)則

1.二進制加法基本規(guī)則0+0=00+1=1+0=11+1=0 向鄰近高位有進位1+1+1=1 向鄰近高位有進位2.二進制減法基本規(guī)則0-0=01-1=01-0=10-1=1 向鄰近高位有借位二進制數(shù)的算術(shù)運算規(guī)則1.二進制加法基本規(guī)則0+03.二進制乘法基本規(guī)則0×0=00×1=1×0=01×1=14.二進制除法基本規(guī)則1/1=10/1=03.二進制乘法基本規(guī)則0×0=04.二進制除法基本規(guī)1.邏輯與運算基本規(guī)則0∧0=01∧0=0∧1=01∧1=12.邏輯或運算基本規(guī)則0∨0=01∨0=0∨1=11∨1=1

邏輯運算1.邏輯與運算基本規(guī)則0∧0=02.邏輯或運算基本規(guī)3.邏輯非運算基本規(guī)則/0=1/1=04.邏輯異或運算基本規(guī)則0⊕0=1⊕1=01⊕0=0⊕1=13.邏輯非運算基本規(guī)則/0=14.邏輯異或運算基本規(guī)1.

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