单片微机原理 第一章 单片微机与机电一体化

单片微机原理及应用主讲教师:吴雪机电教研室联系方式：wuxue@th.btbu.edu.cnTel:13683257975建议教材:单片微型计算机与机电接口技术（上篇）房小翠主编国防工业出版社出版单片机实用系统设计技术房小翠王金凤编著国防工业出版社出版单片微型计算机原理、应用及接口技术张迎新编著国防工业出版社出版参考书：第一章  单片微机与机电一体化SingleChipMicrocomputerandMechetronics1.1微处理器、微机和单片机的概念微处理器CPU:运算器与控制器集成在同一片半导体芯片上。本身不是计算机。CentralProcessingUnitMicroprocessor1971年1月，INTEL公司的特德·霍夫在与日本商业通讯公司合作研制台式计算器时，将原始 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的十几个芯片压缩成三个集成电路芯片。其中的两个芯片分别用于存储程序和数据，另一芯片集成了运算器和控制器及一些寄存器，称为微处理器（即Intel4004）匈牙利籍数学家冯·诺依曼在方案的设计上做出了重要的贡献。1946年6月，他又提出了“程序存储”和“二进制运算”的思想，进一步构建了计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成这一计算机的经典结构。微机：(microcomputer):是具有完整运算及控制功能的计算机，除了包括微处理器（CPU）外，还包括存储器、接口适配器（即输入/输出接口电路）以及输入/输出（I/O接口）。微型计算机结构图微处理器存储器设备I/O数据总线地址总线控制总线微处理器、存储器加上I/O接口电路组成微型计算机。各部分通过地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）相连。微计算机系统概念图微处理器、微计算机和微计算机系统的关系微型计算机的应用形态从应用形态上，微型计算机可以分成三种：（1）多板机（系统机）将CPU、存储器、I/O接口电路和总线接口等组装在一块主机板（即微机主板）上，再通过系统总线和其它多块外设适配板卡连接键盘、显示器、打印机、软/硬盘驱动器及光驱等设备。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软/硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机）。工业PC机也属于多板机。（2）单板机将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备（小键盘、LED显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在ROM中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。单板机图片单板机的I/O设备简单，软件资源少，使用不方便。早期主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统，现在已很少使用。（3）单片机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，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：单板机单片机系统机（多板机）系统机（桌面应用）属于通用计算机，主要应用于数据处理、办公自动化及辅助设计。单片机（嵌入式应用）属于专用计算机，主要应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统。单片机体积小、价格低、可靠性高，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。单片机(Micro-controller)：(single-chipmicrocomputer)在一个集成芯片中，集成有微处理器CPU、存储器RAM和ROM、基本的I／O接口以及定时／计数部件，即在一个芯片上实现一台微型计算机的基本功能。1.2单片微机的特点与发展概况⑤单片机的系统扩展、系统配置较典型、规范，易于构成各种规模的应用系统一、特点①体积小，成本低，效益好。②具有较高的性能价格比。③系统不易受到干扰，可靠性高，使用方便。④控制功能强初级阶段→普及阶段→发展阶段1CPU的改进2存储器的发展(大容量、高性能)3片内I/O接口（外围电路内装化、A/D、D/A与芯片做在一起）4半导体工艺技术的进步（位数扩展、光科技术、高集成度）二、发展概况第一阶段（76-78）第二阶段78年以后第三阶段82年以后5单片机开发方式的发展SST公司推出的SST89C54和SST89C58芯片分别有20KB和30KB的SuperFLASH存储器，利用这种存储器可以进行高速读/写的特点，能够实现在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）功能。首先在PC机上完成应用程序的编辑、汇编（或编译）、模拟运行，然后实现目标程序的串行下载。1.3  机电一体化的特点1.3.1机电一体化系统组成机械部分、执行装置、传感器、控制装置1.3.2机电一体化技术的发展①半导体大规模集成电路技术的迅速发展。②计算机及其控制技术的不断发展,使控制小型化、灵活化、智能化。③传感器技术的发展，使信号采集更加方便。1.3.3机电一体化设备的特点①体积小，重量轻。②速度快，精度高。③ 可靠性提高。④柔性好。1.4   单片微机在机电一体化中的应用1、机电一体化设备的控制核心2、数据采集系统的现场采集单元3、分布控制系统的前端控制器4、智能化仪表的机芯5、消费类电子产品控制6、终端及外部设备控制1.5常用单片机系列简介单片机系列（上百个品种、几百种系列）世界十大CPU厂商的单片机在中国均有销售，其中主要有Intel、Motorola、ATMEL、NEC、三菱、日立、TI、Philips、松下、东芝、三星、等公司厂商。主要有两大公司：Intel:MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96/98系列Motorola:68系列单片机产品近况（1）80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成，近年来推出的与80C51兼容的主要产品有：﹡ATMEL公司融入Flash存储器技术的AT89系列；﹡Philips公司的80C51、80C552系列；﹡华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列；﹡ADI公司的ADμC8xx高精度ADC系列；﹡LG公司的GMS90/97低压高速系列；﹡Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列；﹡Cygnal公司的C8051F系列高速SOC单片机。（2）非80C51结构单片机新品不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间，近年来推出的非80C51系列的主要产品有：﹡Intel的MCS-96系列16位单片机；﹡Microchip的PIC系列RISC单片机；﹡TI的MSP430F系列16位低功耗单片机。1.6本课程的主要内容、特点及要求一、主要内容：①结构②原理③指令系统④程序设计方法⑤接口技术（本学期不讲）二、特点软硬件相结合培养两种能力：①硬件系统设计能力②程序设计能力三、要求教——学——练相结合1.7存储器（Memory）存储器:是计算机的主要组成部分。即可用来存储数据，也可用来存放计算机的运算程序。存储单元：存储器由寄存器组成，每个存储单元相当于一个缓冲寄存器。存储器分类：按功能分：掩膜ROMPROM只读存储器(ROM)EPROME2PROM静态RAM随机存储器（RAM）动态RAM1.8计算机中的数和编码1.8.1计数制1.8.2二进制数（用B表示）1.8.3十六进制数（用H表示）1.8.4不同进制数之间的转换1.8.5数制书写约定1.8.6计算机中数的表示1.8.7计算机常用编码1.8.1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。1.8.2二进制数（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。1.8.3十六进制数（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。表十进制数、二进制数、十六进制数对照表1.8.4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l       十进制整数转换为二进制整数l       十进制小数转换为二进制小数l       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。数和数制数的进位制表示1、进位计数制的一般表达式：ND=dn-1×an-1+dn-2×an-2+…+d0×a0+d-1×a-1+…一个a1进制的数转换成a2进制数的方法：先展开，然后按a2进制的运算法则求和计算。2、十六进制数转换成十进制数1011.1010B=1×23+1×21+1×20+1×2-1+1×2-3=11.625DFC.8H=13×162+15×161+12×160+8×16-1=3580.5数和数制3、二进制与十六进制数之间的转换24=16，四位二进制数对应一位十六进制数。3AF.2H=001110101111.0010=1110101111.001B3AF21111101.11B=01111101.1100=7D.CH7DC数和数制4、十进制数转换成二、十六进制数（1)整数转换法“除基取余”：十进制整数不断除以转换进制基数，直至商为0。每除一次取一个余数，从低位排向高位。数和数制（2)小数转换法“乘基取整”：用转换进制的基数乘以小数部分，直至小数为0或达到转换精度要求的位数。每乘一次取一次整数，从最高位排到最低位。例3.0.625转换成二进制数0.625×21.2501(b-1)×20.500(b-2)×21.01(b-3)0.625=0.101B数和数制例4.0.625转换成十六进制数0.625×16=10.00.625=0.AH例5.208.625转换成十六进制数208.625=D0.AH1.8.5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。1.8.6计算机中数的表示1．原码、反码和补码l 原码：在符号位中用0表示正、用1表示负的二进制数，称为原码。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=10000000Bl  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。l  补码：正数的补码=原码；负数的补码=反码＋1。例如，x1=＋1101101B，[x1]补=[＋13]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=00000000B1.8.7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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的8421的纯二进制码的十六个状态中的十个（如表1-2所示）。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-ASCII(美国标准信息交换码)表