第一章单片机计算机技术基础

1.1什么是单片机1.2单片机的特点1.3单片机的发展与应用1.4计算机中的数和编码1.1什么是单片机单片微型计算机简称单片机。由于它的结构及功能均按工业控制要求设计，所以又称单片微控制器（singlechipMicrocontroller）。它是将组成微型计算机机所必须的部件（中央处理器CPU、程序存贮器（ROM)、数据存贮器（RAM)、输入/输出（I/O)接口、定时/计数器、串行口、系统总线等）集成在一个超大规模集成电路芯片上。只要外加少许电子零件便可以构成一套简易的计算机控制系统，故又称单片微型计算机（singlechipMicrocomputer）单片机与个人PC机相比较优点：使用单片机做设计，降低硬件成本；体积小，适合设计小型而且较简单的控制系统。缺点：由于单片机芯片设计及制造技术方面的原因，在有限的芯片上无法设计出太多的内存空间，因此单片机上的ROM及RAM的容量都比较小。1.2单片机的特点（1）体积小、重量轻、功耗低、功能强、性价比高。可嵌入各种设备中组成以之为核心的嵌入式系统。（2）数据大都在单片机内部传送，运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高。（3）结构灵活，易于组成各种微机应用系统。（4）应用广泛，既可用于工业自动控制等场合，又可用于测量仪器、医疗仪器及家用电器等领域。单片机的种类按功能分类1.基本型2.增强型3.低功耗型4.高级语言型5.可编程计数阵列（PCA）型6.A/D型7.DMA型8.多并行口型按ROM的配置状态分类1.片内ROM状态2.片内EPROM状态3.片内无ROM状态4.一次性可编程ROM（OTP）5.片内FLASH存储器配置按品牌（厂家）分类1.Intel—MCS-5，MCS-96系列2.Motorola—68HCXX系列3.Atmel—AT89C系列（80C31内核）4.Philips—P87、P89系列（8051内核）5.Microchip6.Zilog7.Texas8.Siemens主流产品——Intel单片机主流字长——8位机基础语言——汇编语言核心技术稳定教学机型/典型代表：MCS-51系列（含MCS-52）1.3单片机的发展与应用第一代（1974-1976）：1974年美国仙童公司生产第一个4位单片机F8问世。发展了4位机，多用于家用电器、计算器、玩具。一、单片机的历史第三代（1980-1983）：为高级8位机阶段，发展了高性能8位机，代表产品：MCS-51系列。普遍带串口，有多级中断处理系统，多个16位定时器/计数器，片内ROM、RAM容量加大。寻址范围可达64KB。有的带A/D转换器。用于智能终端、局部网络接口。第二代（1976-1980）为初级8位机阶段，发展了各种中、低档8位机。代表产品：Intel8048。片内含有多个8位并行I/O接口、一个8位定时器/计数器，寻址范围不大于4KB，无串口。可满足一般工业控制和智能化仪表需要。第四代：1983年以后，16位单片机阶段。发展了MCS-96系列16位机，功能强大，价格迅速下降。片内含有A/D、可用于电机控制；网络通讯能力增强。单片机经历了一位、4位、8位、16位及32位的发展阶段，世界上一些著名的半导体器件厂家都开发了单片机如Intel、Motorola、Zilog、Philips等。单片机的品种日益增加，在众多的通用型单片机里，以Intel公司的MCS系列单片机最为著名。MCS-51单片机是目前世界上应用最为广泛的单片机系列。从最早的8031、8051、8751到后来的89C51、89C2051，兼容MCS-51结构和指令.但具有各种新特性的单片机层出不穷，几乎所以单片机厂家的产品中都可以找到兼容MCS-51的成员，熟悉了MCS-51系列的编程和应用就意味着拥有了一个庞大的单片机家族，可以适合绝大多数单片机应用场合二、单片机的发展状况1、CPU的改进采用双CPU结构，以提高处理能力。例：Rockwell公司的R6500/21和R65c29增加数据总线宽度例：NEC公司的uPD-7800将ALU作成16位运算部件，内部采用16位数据总线。采用流水线结构，具有很高的运算速度串行总线结构I2C和DDB三条数据总线代替现行的8位数据总线，从而大量减少单片机引线，降低成本。例：非力普公司的MAB8420、SCC83C512、存储器的发展主要解决容量、ROM的易写、不丢以及软件保密等。单片机应用领域3、片内I/O的状况一般单片机都有较多并行口，以满足外围设备、芯片扩展电路的需求，中高档机还配有串口，以满足多机通讯功能要求。（1）传感器接口；(2)各种工业对象的电气接口；（3）驱动的功率接口；（4）人机对化接口；（5）通讯网络接口。高速I/O能力、中断处理能力、A/D、D/A的速度和精度、位操作能力、功率驱动能力、程序运行监控能力、信号实时处理能力等。4、片内集成更多的外围功能器件。A/D、D/A、DMA控制器、频率合成器、声音发生器、译码驱动器、CRT控制器等。5、半导体工艺技术的发展集成度提高（0.6um工艺）低功耗化（CMOS）总之将向高性能、高可靠性、网络化、低电压、低功耗、低噪音、低成本的方向发展。单片机的出现是计算机技术发展史上的一个重要里程碑，单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。单片机的微小体积和极低的成本，使其可广泛地嵌入到如仪器仪表、工业控制单元、汽车电子系统、办公自动化设备、家用电器、机器人、个人信息终端及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。单片机应用领域1.单片机在智能仪器仪表中的应用；2.单片机在工业测控中的应用；3.单片机在计算机网络和通讯技术中的应用；4.单片机在日常生活及家电中的应用；5.单片机在办公自动化方面。遥控机器人在进行灭火演习点焊一个液晶显示的数字式电脑温度计出租车计价器及电子称微计算机系统概念图1-1微处理器、微计算机和微计算机系统的关系1.4计算机中的数和编码1.4.1计数制1.4.2二进制数（用B表示）1.4.3十六进制数（用H表示）1.4.4不同进制数之间的转换1.4.5数制书写约定1.4.6计算机中数的表示1.4.7计算机常用编码1.4.1计数制日常生活中广泛使用的数为十进制数，这是一种逢十进一的计数方法。用的数制还有二进制、八进制和十六进制等。基数小于10的计数制，可用十进制相应的数码作为它的数字符号，一个数一般由多个数码组成。数码在数中的位置不同，其值也不同。1.4.2二进制数（用B表示）以2为基数的数制称为二进位计数制，它只包括0和1两个数码，很容易用电子元件的两种不同的状态来表示，例如，用高电平表示1，用低电平表示0。所以，计算机中通常采用二进制数。二进制数的计数特征：逢二进一，运算简单。在加、减、乘、除四则运算中，乘法实质上是做移位加法，除法则是移位减法。1.4.3十六进制数（用H表示）为了书写和阅读方便，经常采用十六进制数作为二进制的缩写形式。十进制数、二进制数、十六进制数的对照表如表1-1所示。在计数时，逢十六进一，这样书写长度短，且可方便将十六进制数转换为二进制数或将二进制数转换为十六进制数。表1-1十进制数、二进制数、十六进制数对照表1.4.4不同进制数之间的转换1．二进制转换为十进制基本方法：将二进制数按权展开式，利用十进制数的运算法则求和，即可得到等值的十进制数。2．十进制到二进制的转换十进制整数转换为二进制整数十进制小数转换为二进制小数带小数的十进制数转换为二进制数3．二进制、十六进制之间的相互转换将二进制数转换为十六进制数，从低位开始，每四位一组，然后将其转换为对应的十六进制数。如最后一组不足四位，需在左边补0。用同样方法可将二进制小数转换十六进制小数。只是分组应从小数点右边开始分成四位一组。十六进制数转换为二进制数，将每位十六进制数直接转换成相应的二进制数。二进制与十进制、十六进制的转换有专用的计算器。采用电脑，这时你可以点击开始然后点击程序再点附件这时我们会看到有一个计算器的程序，我们点击一下计算器，这时一个计算器的操作界面就出来了。如果你看到的是一个跟我们普通计算器一样的界面，这时你还需要进行一个小小的设定，点击计算器界面上的查看，这时会下拉一个菜单，即标准型，科学型，我们选择科学型，这时一个可进行二、十、十六进制运算的计算器就出来了。1.4.5数制书写约定在书写计算机程序时，一般不用基数作为下标来区分各种进制，而是用相应的英文字母作后缀来表示各种进制的数。例如：B（Binary）——表示二进制数。D（Decimal）——表示十进制数，一般D可省略，即无后缀的数字为十进制数。H（Hexadecimal）——表示十六进制数。1.4.6计算机中数的表示1．原码、反码和补码原码在符号位中用0表示正、用1表示负的二进制数。例如，x1=＋1110111B，[x1]原=01110111Bx2=－1110111B，[x2]原=11110111B数0可是＋0或－0。因此，0在原码中形式：[＋0]原=00000000B，[－0]原=10000000B反码正数的反码=原码；负数的反码=原码的符号位不变而数值按位取反。所谓按位取反，即将各位的1变成0，0变成1。例如，x1=＋13，[x1]反=[＋13]原=00001101B。又如，x2=－13，[x2]原=[－13]原=10001101B，[x2]反=[－13]反=11110010B。补码正数的补码=原码；负数的补码=反码＋1。例如，x1=＋1101101B，[x1]补=[x1]原=01101101B。又如，x2=－1101101B，[x2]反=10010010B，[x2]补=10010011B。在补码表示中，“0”是唯一的。即[±0]补=00000000B2．数的小数点表示方法定点表示法：表示小数点的位置是固定不变的。分为纯整数和纯小数两类。其格式如下所示：纯整数表示方法纯小数表示方法数符尾数·数符尾数·浮点表示法浮点表示法中小数点的位置是不固定的。任意二进制数N一般可表示为：N=2P×S一个浮点数分为阶码和尾数两部分，二者各有表示正负的阶符和数符，常用存储格式：阶符阶码数符尾数在微计算机中常用的浮点数表示有：（1）四字节浮点数格式（如图1-2所示），它由一个字节指数（EXP）、三个字节尾数构成，共用四个存储单元。（2）三字节浮点数格式（如图1-3所示）。图1-2四字节浮点数格式D7D6……D0第一字节第二字节第三字节第四字节阶符Pf阶码数符Sf尾数高字节尾数中字节尾数低字节第一字节第二字节第三字节数符Sf阶符Pf阶码尾数高字节尾数低字节D7D6D5……D0图1-3三字节浮点数格式1.4.7计算机常用编码常见的编码有BCD码、ASCII码等。1．二—十进制编码是一种用二进制编码的十进制数，称BCD码。BCD码用标准的8421的纯二进制码的十六个状态中的十个（如表1-2所示）。BCD码用BCD码表示十进制数，只要将每位十进制数用适当的四位二进制码代替即可。表1-2BCD编码2．字母和符号的编码微机普遍采用的是ASCII码（如表1-3所示）。ASCII码是一种八位代码，最高位一般用于奇偶校验，其余七位二进制码对128个字符进行编码。表示汉字用扩展ASCII码，1个汉字用2个扩展ASCII码表1-3ASCII(美国标准信息交换码)表1.中国单片机公共实验室2.单片机世界广州站3.乐清单片机联盟4.科宇单片机工作室5.~dz200051单片机世界