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单片机概述
第1章单片机概述
本章基本要求：
通过本章的学习要熟悉计算机中的数制和编码，了解80C51系单片机的概念、特点、发展及应用领域，理解典型单片机系列的基本情况。
1.1信息在计算机中的表示
1.1.1计算机数据类型
我们知道在计算机中，所有的数据都是以二进制表示，但是有的数据是用8位二进制表示，有的用16位二进制表示，有的用32位二进制表示等等。
这就跟数据类型有关，在计算机中，数据类型有字节、字、双字等。
针对不同类型数据，二进制表示位数也不同，下面是几种常用数据类型格式。
1.1.2数制及其之间转换
一．数制
数制是指计数规则。
在日常生活中人们最熟悉的是十进制，除此之外，还有二进制、十六进制等。
为了区分不同的进位进制，一般在数字后面加上数制字符，如：
2代表二进制、10代表十进制、16代表十六进制；也可以用字母来表示数制，B代表二进制、D代表十进制、H代表十六进制。
1．二进制数的表示法
二进制计数法的特点是：
⑴以2为底，逢2进位。
⑵需要2个数字符号0，1。
2．十进制数的表示法
十进制计数法的特点是：
⑴以10为底，逢10进位。
⑵需要l0个数宁符号0，1，2，…,9。
3．十六进制数的表示法
十六进制计数法的特点是：
⑴以16为底，逢16进位。
⑵需要16个数字符号0，1，2，…，9，A，B，C，D，E，F。
表1.1列出了一些自然数在二进制、十进制及十六进制3种不同数制中的对照关系。
表1.1部分自然数的3种进制表示
十进制
二进制
十六进制
十进制
二进制
十六进制
0
0
0
12
1100
C
1
1
1
13
1101
D
2
10
2
14
1110
E
3
11
3
15
1111
F
4
100
4
16
10000
10
5
101
5
17
10001
11
6
110
6
18
10010
12
7
111
7
19
10011
13
8
1000
8
20
10100
14
9
1001
9
32
100000
20
10
1010
A
100
1100100
64
11
1011
B
1000
1111101000
3E8
二．数制之间的转换
下面介绍两种最常用的进制转换。
1．十进制转换成二进制
十进制→二进制：
整数部分除2取余；小数部分乘2取整。
例1.1（58）D和（0.8125）D转换成二进制。
2.二进制与十六进制之间的转换
二进制→十六进制：
以小数点为基准向左或向右，每4位为一组（若不足4位则补0）用1个十六进制数字表示。
十六进制→二进制：
把每个十六进制数字用4位二进制数表示。
例1.2将（111010.1101）2转换成十六进制。
1.1.3数在计算机内的表示
计算机中的数通常有两种：
无符号数和有符号数。
无符号数由于不带符号，表示时比较简单，直接用它对应的二进制形式表示，例如：
假设机器字长为8位，即一个数据用8位（二进制）来表示，123表示成01111011B。
有符号数带有正负号，通常在计算机中表示有符号数时，在数的前面一位作为符号位。
正数表示为0，负数表示为1，其余的位用以表示数的大小。
这种连同一个符号位在一起作为一个数，称为机器数，它的数值称为机器数的真值。
假设机器字长为8位，有符号数格式如下：
机器数在计算机中有三种表示法：
原码、反码和补码。
一.原码
原码表示时，最高位为符号位，正数用0表示，负数用1表示，其余的位用于表示数的绝对值。
假设机器字长为8位，一个数原码格式如下：
对于一个N位的二进制，它的原码表示范围为-（2n-1-1）~+（2n-1-1），例如：
如果用8位二进制表示原码，则数的范围为-127~+127。
例1.3求+67、-25的原码（机器字长8位）
因为∣+67∣=67=1000011B
∣-25∣=25=11001B
所以[+67]原=01000011B
[-25]原=10011001B
二.反码
反码表示时，最高位为符号位，正数用0表示，负数用1表示，正数的反码与原码相同，而负数的反码可在原码的基础之上，符号位不变，其余位取反得到。
对于一个n位的二进制，它的反码表示范围为-（2n-1-1）~+（2n-1-1），对于0，假设机器字长为8位，-0的反码为11111111B，+0的反码为00000000B。
例1.4求+67、-25的反码（机器字长8位）。
因为[+67]原=01000011B
[-25]原=10011001B
所以[+67]反=01000011B
[-25]反=11100110B
三.补码
补码表示时，最高位为符号位，正数用0表示，负数用1表示，正数的补码与原码相同，而负数的补码可在原码的基础之上，符号位不变，其余位取反，末位加1得到。
对于一个负数X，X的补码也可用2n-∣X∣得到，其中n为计算机字长。
例1.5求+67、-25的补码（机器字长8位）。
因为[+67]原=01000011B
[-25]原=10011001B
所以[+67]补=01000011B
[-25]补=11100111B
四.补码的加减运算
补码的加法运算规则：
[X+Y]补=[X]补+[Y]补
[X-Y]补=[X]补+[-Y]补
对于[-Y]补，也可以由[Y]补求出。
即把[Y]补的符号与数值位一起取反，末位加1，结果就等于[-Y]补。
例1.6假设计算机字长为8位，完成下列补码运算。
1.25+32
[25]补=00011001B[32]补=00100000B
[25]补=00011001
+[32]补=00100000
00111001
所以[25+32]补=[25]补+[32]补=00111001B=[57]补
2.25+（-32）
[25]补=0011001B[-32]补=11100000B
[25]补=00011001
+[-32]补=11100000
11111001
所以[25+（-32）]补=[25]补+[-32]补=11111001B=[-7]补
五．十进制数的表示
十进制是人们在生活中最习惯的数制，人们通过键盘向计算机输入数据时，常用十进制输入，显示器向人们显示的数据也多为十进制形式。
但计算机能直接识别与处理的是二进制，所以就必须对十进制进行编码。
十进制编码又称为BCD码。
常用的8421BCD码如表1.2所示。
表1.2常用的BCD码
十进制数
BCD码
十进制数
BCD码
0
0000B
5
0101B
1
0001B
6
0110B
2
0010B
7
0111B
3
0011B
8
1000B
4
0100B
9
1001B
其中BCD码又分压缩BCD码和非压缩BCD码。
压缩BCD码又称为8421BCD码，它是用四位二进制编码来表示一位十进制符号。
非压缩BCD码是用八位二进制数来表示一位十进制符号，其中低四位二进制编码与压缩BCD码相同，高四位任取。
例如：
十进制数124的压缩BCD码为000100100100。
十进制数4.56的压缩BCD码为0100.01010110。
十进制数124的非压缩BCD码为000000010000001000000100。
1.1.4字符在计算机内的表示
在计算机中除了数值之外，还有一类非常重要的数据，那就是字符，如英文的大小写字母（A，B，C，…，a，b，c，…），数字符号（0，1，2，…，9）以及其他常用符号（如：
？
、＝、%、+等）。
在计算机中，这些符号都是用二进制编码的形式表示。
现在的计算机中字符数据的编码通常采用的是美国信息交换标准代码ASCII码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）。
基本ASCII码标准定义了128个字符，用七位二进制来编码。
ASCII码常用于计算机与外部设备的数据传输。
如通过键盘的字符输入，通过打印机或显示器的字符输出。
常用字符的ASCII码如表1.3所示。
表1.3常用字符的ASCII码
字符
ASCII码
字符
ASCII码
字符
ASCII码
字符
ASCII码
0
30H
A
41H
a
61H
SP（空格）
20H
1
31H
B
42H
b
62H
CR（回车）
0DH
2
32H
C
43H
c
63H
LF（换行）
0AH
┆
┆
┆
┆
┆
┆
BEL（响铃）
07H
9
39H
Z
49H
z
7AH
BS（退格）
08H
1.2单片机基础
1.2.1单片机及其应用系统
一．单片机
单片机是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU（CentralProcessingUnit）、随机存取存储器RAM（RandomAccessMemory）、只读存储器ROM（Read-onlyMemory）、基本输入/输出（Input/Output）接口电路、定时器/计数器等部件都制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机，从而实现微型计算机的基本功能。
单片机内部结构示意图如图1.1所示。
图1.1单片机内部结构示意图
单片机实质上是一个集成电路芯片。
在实际应用中，通常将单片机芯片外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象等硬件和软件，构成一个单片机应用系统。
二．单片机应用系统
单片机应用系统是以单片机为核心，配以输入/输出、显示、控制等外围电路和软件，能实现一种或多种功能的实用系统。
单片机应用系统由硬件和软件两部分组成，硬件是应用系统的基础，软件则在硬件的基础上对其资源进行调配和使用，从而完成应用系统所要求的控制任务，二者缺一不可。
单片机应用系统的组成如图1.2所示。
图1.2单片机应用系统组成图
单片机应用系统开发人员必须从硬件和软件两个角度来深入了解和掌握单片机技术，并将二者有机结合起来，才能够实现或完成具有特定功能的单片机应用系统或整机产品。
1.2.2单片机分类
目前单片机品种很多，至少有50多个系列，300多个品种。
可按以下进行分类：
一.按字长分
1.4位单片机──控制功能较弱，CPU一次只能处理4位二进制。
典型产品有：
NEC公司的UPD75XX系列、NS公司的COP400系列、夏普公司的SMXX系列等等。
2.8位单片机──控制功能较强，品种最为齐全。
典型产品有：
Intel公司的MCS-48系列和MCS-51系列、Microchip公司的PIC16CXX系列和PIC17CXX系列以及PIC1400系列、Motorola公司的M68HC05系列和M68HC11系列、Zilog公司的Z8系列等等。
3.16位单片机──是在1983年以后发展起来的。
运算速度快，有的单片机的寻址能力达1MB，片内含有A/D和D/A转换电路，支持高级语言。
典型产品有：
Intel公司的MCS-96/98系列、Motorola公司的M68HC16系列、NS公司的783XX系列等等。
4.32位单片机──字长为32位，是单片机的顶级产品，具有极高的运算速度。
典型产品有：
Intel公司的MCS-80960系列、Motorola公司的M68300系列、Hitachi公司的SuperH（简称SH）系列等等。
二．按控制要求分
1．通用型──通用型单片机是一种基本芯片，它内部资源比较丰富，性能全面且适用性强，能覆盖多种应用需求。
用户根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心再配以其它外围电路的测控系统。
2．专用型──专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机，例如：
电度表和IC卡读写器上的单片机等。
专用型单片机针对性强且数量巨大，对系统结构的最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了全面的考虑，所以专用单片机具有十分明显的综合优势。
三．按制造工艺分
1．HMOS工艺──高密度短沟道MOS工艺，具有高速度、高密度的特点。
2．CHMOS（或HCMOS）工艺──互补的金属氧化物的HMOS工艺，是CMOS与HMOS的结合，具有高密度、高速度、低功耗的特点。
1.2.3单片机应用特点
一.控制功能强
单片机是为满足工业控制需要而设计的，尤其是实时控制功能特别强，其CPU可以对I/O端口直接进行操作，位操作能力更是其他计算机无法比拟的。
二．体积小、使用方便、容易产品化、具有较高的性能价格比
一块单片机芯片就是一台完整的微型计算机。
在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8个甚至更少，从而使应用系统的印制板减少、安装简单方便。
单片机能得到广泛应用的一个重要原因就是单片机具有良好的性能价格比。
三．可靠性高
由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，各部件间连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响比较小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。
1.2.4单片机的发展及趋势
一．单片机发展过程
单片机技术发展十分迅速，产品种类琳琅满目。
纵观整个单片机技术发展过程，可以分为四个阶段：
第一阶段（1976~1978年）：
低性能单片机的探索阶段。
以Intel公司的MCS-48为代表，采用了单片结构，即在一块芯片内含有8位CPU、定时/计数器、并行I/O口、RAM和ROM等。
主要用于工业领域。
第二阶段（1978~1982年）：
高性能单片机阶段。
这一类单片机带有串行I/O口，8位数据线、16位地址线可以寻址的范围达到64K字节、控制总线、较丰富的指令系统等。
这类单片机的应用范围较广，并在不断的改进和发展。
第三阶段（1982~1990年）：
16位单片机阶段。
16位单片机除CPU为16位外，片内RAM和ROM容量进一步增大，实时处理能力更强，体现了微控制器的特征。
例如Intel公司的MCS-96主振频率为12MHz，片内RAM为232字节，ROM为8K字节，中断处理能力为8级，片内带有10位A/D转换器和高速输入/输出部件等。
第四阶段（1990年~）：
微控制器的全面发展阶段。
各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速、强运算能力、寻址范围大以及小型廉价方面发展。
二．单片机的发展趋势
1．CPU的改进
（1）采用双CPU结构，提高处理能力。
（2）增加数据总线宽度，内部采用16位数据总线。
（3）串行总线结构，菲利浦公司的总线（Inter－Icbus）。
用两根信号线代替现行的8位数据总线。
2．存储器的发展
（1）加大存储容量。
（2）片内EPROM采用EEPROM或闪烁（Flash）存储器。
（3）程序保密化。
3．片内I/O的改进
（1）增加并行口的驱动能力，能直接输出大电流和高电压。
（2）增加I/O口的逻辑控制功能。
（3）设置了一些特殊的串行接口功能，构成分布式、网络化系统。
4．外围电路内装化
器件集成度的不断提高，把众多的外围功能部件集成在片内──系统的单片化。
5．低功耗化──采用CHMOS工艺。
总之，单片机今后将向高性能、高速、低压、低功耗、低价格、存储容量增大、外围电路内装化方向发展。
1.2.5单片机应用
由于单片机具有良好的控制性能和灵活的嵌入形式，现在单片机在许多领域都获得了极为广泛的应用。
下面就几个典型方面进行介绍：
一.智能仪器仪表
现代仪器仪表采用单片机，不仅提高了仪器仪表使用功能和精度，使仪器仪表智能化，而且简化了其结构，减小体积、降低成本。
二.工业控制
单片机还可以用于工业控制对各种物理量的采集及控制。
例如：
电流、温度、电压、流量等物理参数的采集和控制都可以利用单片机实现，从而提高生产效率和产品质量。
三.家用电器
现在家用电器都向智能化发展，单片机是家用电器智能化的大脑和心脏。
例如：
洗衣机、空调、电冰箱、电视机等。
四.信息和通信产品
信息和通信产品的自动化和智能化也离不开单片机的参与。
典型产品如：
打印机、传真机、考勤机、电话机等。
另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。
如汽车的自动导航系统、航天测控系统、黑匣子等。
1.3MCS-51与80C51系列单片机
1.3.1MCS-51系列单片机
MCS-51单片机系列有多种芯片，我们可以按内部资源配置不同，MCS-51可分为两个子系列。
如表1.4所示。
表1.4MCS-51系列单片机分类表
子系列
片内ROM形式
片内
ROM
容量
片内
RAM
容量
寻址
范围
I/O特性
中断源
无
ROM
EPROM
计数器
并行口
串行口
51子系列
8031
8051
8751
4KB
128B
64KB
2×16
4×8
1
5
52子
系列
8032
8052
8752
8KB
256B
128KB
3×16
4×8
1
6
从表可以看到，MCS-51系列单片机分为51和52两个子系列，并以芯片型号的最末位数字“1”和“2”作为标志。
其中，51子系列是基本型，而52子系列则属增强型。
52子系列功能增强的具体方面，从表所列内容中可以看出：
●片内ROM从4KB增加到8KB。
●片内RAM从128B增加到256B。
●定时/计数器从2个增加到3个。
●中断源从5个增加到6个。
1.3.280C51系列单片机
80C51系列单片机是在MCS-51系列单片机的基础上发展起来的，早期的80C51只是MCS-51系列众多芯片中的一类，但是随着后来的发展，80C51已经形成独立的系列，并且成为当前8位单片机的典型代表。
一.80C51系列芯片
MCS-51的原生产厂商是Intel公司，最早推出80C51芯片的也是Intel公司，并且作为MCS-51的一部分，按原MCS-51芯片的规则命名。
例如：
80C31、80C51、87C51和89C51，这样我们就能很容易识别80C51的系列芯片。
但是后来有愈来愈多的厂商生产80C51的系列芯片，例如：
PHILIPS、ATMEL、LG、华邦等公司。
这些芯片都是以80C51为核心并且与MCS-51兼容，但它们又各具特点。
然而由于生产厂家多，芯片的类型也很多，使芯片的命名无法再遵循统一的规律，造成辨认困难。
例如：
PHILIPS公司生产的80C51系列芯片名称分别为：
80CXXX（ROMLess型）、83CXXX（MaskROM型）、87CXXX（Otp-ROM型）和89CXXX（FlashROM型）；而华邦公司则命名为W77C51和W78C51系列等等。
新一代80C51的兼容芯片，还在芯片中增加了一些外部接口功能单元，有些还在总线结构上也作了重大改进，出现了廉价的非总线型单片机芯片等等。
所以这些使新一代兼容芯片已远非原来意义上的80C51了。
目前这些80C51的兼容芯片已普遍在我国使用，其中尤以PHILIPS公司的同名芯片80C51及其派生产品最受欢迎。
二.80C51与8051比较
既然80C51系列是在MCS—51系列8051芯片的基础上发展起来的，因此兼容、改进和增强将是我们对80C51和8051进行比较的主要内容。
1．兼容8051是对80C51芯片的最基本要求，以确保8位单片机MCS-51系列的继续使用、发展。
兼容应包括指令、引脚信号、总线等多个方面。
指令兼容能保证两者之间不存在障碍以维持软件的可移植性，而引脚信号和封装以及总线的兼容则确保两者在系统扩展和接口方面的一致性，有利于系统的开发和应用。
2．80C51的最大改进是在芯片的半导体工艺上。
早期的MCS-51系列芯片采用HMOS工艺，即高密度短沟道MOS工艺，而80C51芯片则采用CHMOS工艺，即互补金属氧化物的HMOS工艺。
CHMOS是CMOS和HMOS的结合，除保持了HMOS高速度和高密度的特点之外，还具有CMOS低功耗的特点。
3．80C51在功能增强方面也做了许多工作。
（1）为进一步降低功耗，80C51系列芯片增加了待机和掉电保护两种工作方式，以保证单片机在掉电情况下，能以最低的消耗电流维持，确保信息不丢失。
（2）在80C51系列芯片中，内部程序存储器除了ROM和EPROM型之外，还有EEPROM型。
并且随着微电子技术的发展集成技术的提高，80C51系列的芯片内程序存储器的容量也越来越大，目前已有64KB的芯片。
（3）许多80C51系列芯片的存储器还具有程序存储器保密机制功能，以防止应用程序泄密或被复制。
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