单片机原理及其接口技术

单片机原理及接口技术课程安排40学时。上课共10周。课程设计一周。课程重点教材内容比较多，讲授1～9章内容，重点在MCS-51单片机原理、指令系统、单片机系统接口技术的学习。每次课前回列出重要知识点。主题可分为6大部分微型计算机基础。51单片机结构及工作原理。51单片机指令系统及汇编程序设计。半导体存储器及其与51单片机的连接。51单片机中断技术基本I/O接口技术（并口、串口、A/D、D/A）预备知识：模电、数电、C/C++程序设计、微型计算机原理与接口技术第1章微型计算机基础定点数与浮点数计算机中的数制和编码二进制、十六进制、八进制BCD编码、ASCII编码原码、反码、补码的表示及运算规则单片计算机的基本结构、原理及分类计算机的数制与数的转换数制是指数的制式，即利用符号计数的方法。微型计算机中常用的数值有十进制、二进制、八进制、十六进制等。微型计算机中的所有信息都是采用二进制数进行表示，二进制数及编码是所有计算机的基本语言。进位计数制十进制。0～9，如45D。二进制。0，1，如01010011B。十六进制。0～9，A，B，C，D，E，F，如3BH。八进制。0～7，如76O。进位数制之间的转换十进制转为二进制。二进制转为十进制。二进制转为十六进制。十六进制转为二进制。十进制转为十六进制。计算机中数的表示方法定点数表示法。二进制数的小数点位置不变。定点整数定点小数浮点数表示法。小数点位置随阶码的大小浮动。二进制数的运算算术运算加、减、乘、除逻辑运算逻辑乘（与）、逻辑加、逻辑非、逻辑异或二进制数的表示方法在计算机中，有3种数据类型：无符号二进制数。带符号二进制数。无符号十进制数（BCD码）。二进制中符号位的表示。”0”为正，”1”为负+69=01000101-69=11000101机器数与真值，如上例中+69=01000101(机器数)=+1000101(真值)-69=11000101(机器数)=-1000101(真值)带符号数表示法。原码反码补码原码表示法正数的符号用”0”表示，负数的符号用”1”表示。X＝＋1001111，则[X]原＝01001111X＝－1001111，则[X]原＝11001111[＋0]：X＝＋0000000，则[X]原＝00000000[－0]：X＝－0000000，则[X]原＝10000000反码表示法正数的表示同原码，负数的反码：符号位为”1”，其余各位按位求反。X＝＋0011111，则[X]反＝00011111X＝－0011111，则[X]反＝11100000[＋0]：X＝＋0000000，则[X]反＝00000000[－0]：X＝－0000000，则[X]反＝11111111补码表示法为什么需要补码？补码中的“模”－时钟的例子。[X]补＝模＋[X]。补码的计算：正数的补码等于原码。负数的补码等于反码+1。X＝＋1001111，则[X]补＝01001111X＝－1001111，则[X]补＝10110001[＋0]：X＝＋0000000，则[X]原＝00000000[－0]：X＝－0000000，则[X]补＝00000000补码数的符号扩展补码数的右移规则补码的加减运算补码加法。[X+Y]补=[X]补+[Y]补补码减法。[X-Y]补=[X]补+[-Y]补计算机中凡是带符号数都用补码表示，所有运算都采用补码加法完成，运算结果也是补码。应用举例。例1.18例1.19溢出及判断溢出产生的原因。每个数的补码有一个表示范围（字长位n的二进制数，补码的表示范围为-2n-1~2n-1-1），运算结果超出该范围引起的计算出错称为溢出。溢出的判断－变形码Cs：表示最高位（符号位）的进位情况。Cy：表示数值部分最高位的进位情况。溢出＝Cs异或Cy应用举例例1.22例1.23二进制编码为什么需要编码？常用编码类型。BCD编码（二－十编码）。ASCII编码。校验码编码。BCD编码表采用二进制对十进制数进行编码，又称8421BCD编码。BCD编码二进制数的运算修正加法修正。减法修正。字符代码－ASCII编码以7位二进制数表示128种不同的字符（包括字母、数字及控制符号等）。标准ASCII码最高为为0，最高为为1的为扩展ASCII码，常用于双字节编码领域，如汉字编码（GB2312，BIG5，GBK等）。见附录A校验码编码奇偶校验码。奇校验偶校验海明码。单片机的基本结构中央处理器中央处理器，是单片机的核心，集成了运算器。控制器。专用寄存器组。存储器用于存放程序及数据的部件。单片机中使用半导体存储器。存储器单元使用存储器地址标识。CPU需要读写存储器单元的内容时，需要首先提供存储器的地址。总线和总线控制逻辑系统总线。连接多个功能部件，并具有完成信息相互传送功能的一组公共传输线，包括数据总线（DB）。传送数据信号。地址总线（AB）。传送地址信号。控制总线（CB）。传送控制及状态信号。总线控制逻辑。实现总线传输控制的部件。I/O接口和特殊功能部件串行与并行I/O特殊功能部件定时器/计数器、A/D、D/A、DMA通道、系统时钟等单片机执行程序的过程单片机的分类4位机。8位机。8031/80C31/8051/80C51/8751/87C51等16位机。32位机。区别在于字长、制造方式（功耗）、RAM/ROM大小、I/O接口等单片机在DDC中的应用单片机在DCS中的应用第2章MCS-51单片机结构与时序MCS-51单片机内部结构。重点：专用寄存器组名称及功能、存储器结构及地址分配、位地址、I/O端口、定时器与计数器、中断系统MCS-51单片机引脚及其功能。重点：端口线、控制线MCS-51单片机工作方式。重点：有几种工作方式、各有何用途MCS-51单片机时序。重点：时钟周期、机器周期、指令周期、典型操作时序MCS-51系列单片机CPU结构专用寄存器组MCS-51系列单片机中的专用寄存器组包括：程序寄存器PC（16位）累加器A（8位）通用寄存器B（8位）程序状态寄存器PSW（8位）堆栈指针SP（8位）数据指针DPTR（16位）程序状态寄存器PSW堆栈指针SP数组指针DPTR存储器结构MCS-51内部的存储器分为ROM与RAM两类ROM存储器结构RAM存储器结构特殊功能寄存器ROM存储器结构RAM存储器结构特殊功能寄存器SFR指有特殊功能的寄存器集合。SFR的实际个数与单片机具体型号有关。8031/8051有21个，8032/8052有26个，允许位寻址的有11个，如下所示。I/O端口并行I/O端口－8位P1、P2、P3、P4串行I/O端口并行I/O端口串行I/O口定时器/计数器中断系统MCS-51单片机的封装双列直插式封装－HMOS器件方形封装－CHMOS器件端口线控制线电源线Vcc：+5VVss：GND几种晶振连接电路8031连接片外存储器MCS-51单片机的工作方式复位方式程序执行方式单步执行连续执行节电方式掉电方式空闲方式编程与校验方式复位方式程序执行方式单步执行逐条执行用户指令，用于调试用户程序利用单片机的外部中断功能实现连续执行所有单片机都需要的一种工作方式，被执行程序可放置在片内或片外ROM中单片机复位后PC＝0000H，因此需要在0000H放置一条跳转指令将PC指向程序开始的位置节电工作方式节电方式是一种降低功耗的工作方式，只有CMOS器件才有本方式，受电源控制寄存器PCON控制。节电方式分为：掉电方式空闲方式电源控制寄存器PCON空闲方式掉电方式掉电/空闲方式的实际应用编程与校验方式8751编程方式8751校验方式编程/校验时序EPROM保密编程MCS-51三种周期时序时序示例读外部ROM指令时序读外部RAM指令时序第3章MCS-51单片机指令系统寻址方式。指令系统。基本概念指令。指使计算机完成某种操作的命令。指令系统。指令的集合称为指令系统。计算机的机器指令包括操作码和操作数两部分。操作码。表示计算机执行什么样的操作。操作数。表示计算机参加运算操作要处理的数据信息。指令的格式指令的三种表现形式指令的字节数指令的分类指令中的符号说明指令对标志位的影响寻址方式MCS-51有7种寻址方式：直接寻址。立即寻址。寄存器寻址。寄存器间址。变址寻址。相对寻址。位寻址。直接寻址立即寻址寄存器寻址寄存器间址变址寻址相对寻址位寻址数据传送类指令内部数据传送指令立即型数据传送指令直接型传送指令寄存器寻址的传送指令寄存器间址传送指令内部数据传送指令小结外部ROM/RAM的传送指令指令共7条，分为3类16位数的传送指令（1条）对外部ROM的读数指令（2条）对外部RAM的读写指令（4条）16位数的传送指令对外部ROM的读数指令对外部ROM的读数指令举例对外部RAM的读写指令对外部RAM的读写指令举例堆栈操作指令堆栈操作共两条指令压栈指令弹出指令压栈指令弹出指令堆栈指令举例数据交换指令数据交换指令共4条数据交换指令（3条）半字节交换指令（1条）数据交换指令半字节交换指令数据交换例1数据交换例2算术与逻辑运算和移位指令这类指令共49条，包括算术指令（24条）逻辑指令（20条）移位指令（5条）算术运算指令算术运算指令可处理加、减、乘、除算术运算，包括：加法指令（13条）；减法指令（8条）；BCD调整指令（1条）；乘除指令（2条）；不带Cy的加法指令不带Cy加法指令示例1不带Cy加法指令示例2带Cy加法指令加1指令加法指令例子带Cy减法指令带Cy减法指令示例减1指令减法指令例子BCD调整指令BCD加法调整BCD减法调整乘除指令逻辑运算指令逻辑乘指令（6条）。逻辑加指令（6条）。逻辑异获指令（6条）。累加器清零和求反指令（2条）逻辑乘指令逻辑乘指令示例逻辑加指令逻辑加指令示例逻辑异或指令逻辑异或指令示例累加器清零和取反指令移位及半字交换指令移位指令例1移位指令例2控制转移及位操作指令控制转移指令（17条）无条件转移指令（4条）条件转移指令（8条）子程序调用与返回指令（4条）空操作指令（1条）位操作指令（17条）无条件转移指令条件转移指令累加器A判零转移指令（2条）比较转移指令（4条）减1条件转移指令（2条）累加器A判零转移指令累加器A判零转移指令示例比较条件转移指令比较条件转移指令示例减1条件转移指令减1条件转移指令示例子程序调用与返回指令包括：调用指令（2条）返回指令（2条）子程序的作用缩短用户程序长度节省程序设计时间什么是子程序完整程序功能，如多字节加法子程序、三角函数子程序等通用性，可多次调用通过调用/返回指令完成对子程序的调用/返回调用指令的作用堆栈-断点地址（PC中）转入子程序的第一条指令执行返回指令的作用PC-断点地址（堆栈中）子程序嵌套短调用指令（2KB范围内）长调用指令（64KB范围）返回指令子程序调用与返回指令例子空操作指令位操作指令位传送指令位置位/清零指令位运算指令以Cy中内容为条件的转移指令以位地址内容为条件的转移指令第3章习题课3-103-123-153-173-183-233-273-283-103-123-153-173-183-233-273-28第4章汇编语言程序设计汇编语言程序格式。汇编语言程序设计。程序设计语言汇编程序汇编语句的格式汇编语言的构成ORG/END伪指令EQU/DATA伪指令DB/DW/DS伪指令BIT伪指令汇编语言程序的设计步骤汇编语言程序的汇编汇编语言源程序必须转换为机器语言才能够被MCS-51CPU执行，将汇编语言源程序转换为机器语言的过程称为“汇编”。可以采用以下两种手段进行汇编人工汇编－查手册机器汇编－汇编