单片机_第1章 单片机基础知识概述

目录

重点

1.1 单片机概述

1.1.1 单片机及其发展概况

1.1.2 单片机的特点和应用

1.1.3 单片机的发展趋势

1.1.4 MCS-51单片机的学习

1.2 单片机学习的预备知识

概述

1.2.1 数制转换

1.2.2 有符号数的表示方法

1.2.3 位、字节和字

1.2.4 BCD码

1.2.5 ASCII码

1.2.6 基本逻辑门电路

1.3 Proteus应用简介

1.3.1 ISIS模块应用举例

1.3.2 ARES模块应用举例

本章小结

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重点

        单片机的定义

        单片机的预备知识

1.1 单片机概述

1.1.1 单片机及其发展概况

1．什么是单片机

单片微机是早期Single Chip Microcomputer的直译，它忠实地反映了早期单片微机的形态和本质。

单片机属于微型计算机的一种，是把微型计算机中的中央处理器（CPU）、存储器、输入接口、输出接口、定时计数器及中断系统等基本功能部件集成在一块集成电路芯片上形成的微型计算机。因而被称为单片微型计算机，简称为单片机。 

单片机是在一块半导体硅片上集成了计算机基本功能部件的微型计算机。随着大规模集成电路技术的发展，可以将中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、输入/输出（I/O）接口电路、定时器计数器和中断系统等主要计算机部件，集成在一块电路芯片上。

图1 51单片机内部结构图

图2 专用型单片机

图3 通用型单片机

2．单片机的发展

（1）单片机诞生于1971年，按照单片机的结构，大体经历了SCM、MCU和SoC三大阶段。

第一阶段：SCM（Single Chip Microcomputer）即单片微型计算机阶段，其主要的技术发展方向是，寻求最佳单片形态的嵌入式系统体系结构。这一阶段最有代表性的产品是Intel公司的8位MCS-51系列单片机。

第二阶段：MCU（Micro Controller Unit）即微控制器阶段，其主要的技术发展方向是，不断推进在嵌入式系统中集成各种外围电路与接口电路的能力，以满足智能化控制的需求。在此阶段中，Philips公司以其在嵌入式应用方面的强大实力，推出了基于MCS-51内核的微控制器系列产品，使单片机进入MCU阶段。

第三阶段：SoC（System on Chip）即片上系统（或系统级芯片）阶段，其主要的技术发展方向是，寻求应用系统在芯片上的最大化解决方案。作为产品，SoC是一个有专用目标的集成电路，包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。作为技术，SoC是用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。

随着单片机从早期的4位发展到8位、16位直至32位，单片机的功能在不断增强，嵌入式应用能力也在不断提高。

然而，由于复杂系统的功能大都可以通过简单嵌入式系统组合实现，而8位单片机以其价格低廉性能适中的特点，已可满足简单嵌入式系统的要求。这表明，嵌入式应用领域中大量需要的仍是8位单片机，在当前及以后的相当一段时间内8位单片机仍将占据单片机应用的主导地位。

（2）按照单片机的发展时间段，大体经历了4个阶段

第一阶段（1974~1976）：
     单片机初级阶段。单片机采用双片形式，即需另加其它外围电路才能构成完整的微型计算机。eg:仙童公司的F8+3851

第二阶段（1976~1978）：
      低性能的单片机阶段。单片机由一片芯片构成，性能低。eg: MCS-48(Intel)；8048，8035(I/O少，存贮器容量小)；

 图4 MCS-48

第三阶段（1978~1982）：
      高性能单片机阶段。CPU、并行口、串行口、定时器、RAM、ROM、A/D、多级中断处理，RAM、ROM容量大，I/O种类数量多，寻址范围大。eg: MCS-51—8031、Motorona—6801、Zilog—Z8

 图5 ZILOG公司的Z8

第四阶段（1982~）
      8位单片机巩固发展及16位,32位单片机推出。eg: MCS-51—8031 ， MCS-96—8096（8098）

1.1.2 单片机的特点和应用

1．单片机的特点

① 集成度高，体积小，抗干扰能力强，可靠性高。

② 开发性能好，开发周期短，控制功能强。

③ 低功耗、低电压，具有掉电保护功能，广泛应用于各类智能仪器仪表中。

④ 通用性和灵活性好。系统扩展和配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。

⑤ 具有良好的性价比。

2．单片机的应用领域

① 工业自动化控制。

② 智能仪器仪表。

③ 通信设备。

④ 汽车电子与航空航天电子系统。

⑤ 家用电器。

1.1.3 单片机的发展趋势

单片机总的发展趋势是多功能、高速度、低功耗、高性价比、强I/O功能及结构兼容。

① 高集成度。单片机会将各种功能的I/O口和一些典型的外围电路集成在芯片内，使其功能更加强大。

② 高性能。单片机从单CPU向多CPU方向发展，因而具有了并行处理的能力。为了提高速度和执行效率，在单片机中开始使用RISC、流水线和DSP等设计技术，因而具有极高的运算速度。

③ 低功耗。目前，许多单片机已可以在2.2V电压下运行，有的能在1.2V或0.9V低电压下工作，功耗为μW级。

④ 高性价比。

1.1.4 MCS-51单片机的学习

单片机问世至今已有30余年，在各个领域都发挥了极其重要的作用。单片机与应用系统相结合极大地提高了应用系统的功能和性能。

由于MCS-51单片机技术成熟，主流微控制器产品大都与51机保持兼容，即具有51内核的8位单片机仍然是目前的主流机型。

近年来出现的单片机仿真设计软件—Proteus克服这种限制。Proteus不仅可以作为单片机应用的重要开发工具，也可以充当一种非常高效的辅助教学手段。用户只需在PC上即可获得接近全真环境下的单片机技能培训，为学习者提供极大的便利。

1.2 单片机学习的预备知识

概述

1、数制定义——2、10、16进制数的概念

2、数制转换——2、10、16进制数的换算

3、有符号数——2进制负数的表示方法

4、位-字节-字——2进制基本概念

5、ASCII码——字符的2进制表示方法

6、BCD码——10进制数的2进制表示方法

7、基本逻辑门电路 ——与、或、非、与非

1.2.1 数制转换

1.数制

单片机常用的数制有十进制、二进制、十六进制

（1）十进制数，N(D)

符号集：0～9；

规则：逢十进一；十进制数的后缀为D但可省略；十进制数可用加权展开式表示，例如：

其中，10为基数，0～9为各位数加权，其一般表达式为：

（2）二进制数，N(B)

符号集：0、1；

规则：逢二进一；二进制数的后缀为B且不可省略；二进制数可用加权展开式表示，例如：

其中，2为基数，0和1为各位加权数，其一般表达式为：

（3）十六进制数，N(H)

符号集：0～9、A～F；

规则：逢十六进一；十六进制数的后缀为H且不可省略；十六进制数可用加权展开式表示。例如：

其中，16为基数，0～15为各位加权数，其一般表达式为：

2、数制之间的转换

(1) 二进制转换成十进制

转换规则：按二进制表达式展开，按十进制运算求和。

（2）十六进制转换成十进制

转换规则：按十六进制表达式展开，按十进制运算求和。

(3) 二进制与十六进制数之间的转换

转换规则：从低位起由右到左，每4位二进制数对应1位十六进制数。

例如：

记忆：

(4)十进制整数转换成二、十六进制整数

转换规则：“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。

1.2.2 有符号数的表示方法

有符号数：最高位为符号位， “0”表示“+” ，“1”表示“-” ，其余为数值位。

无符号数：最高位不作为符号位，全部为数值位。

有符号数有3种编码形式：原码、反码和补码

基本规律：

        正数的原码、反码和补码都是相同的，而负数的原码、反码和补码各有不同。

运算规则：

        当有符号数用补码表示时，可以把减法运算转换为加法运算。 CPU中便无需设置硬件减法器，从而可简化其硬件结构。

1.2.3 位、字节和字

位 (bit)：二进制数中的一位，其值不是“1”，就是“0”。

字节 (byte)：一个8位的二进制数为一个字节，可用大写B表示，例如256字节→256B。

千字节用 “KB”表示，1KB=1024B。例如，64KB = 1024B×64 = 65536B。

字 (word)：51单片机的字由1个字节组成，8位字长。

半字节：4位二进制。例如：1000 1110 1100 1011B = 8E CDH

1.2.4 BCD码

Binary Coded Decimal——用二进制代码表示的十进制数，称为“二进码十进数”或“二/十进制代码”。

用4位二进制数表示1位十进制数

BCD码的用途：可使计算机直接进行十进制数运算

1.2.5 ASCII码

字母和字符的二进制数表示——ASCII码(American Standard Code for Information Interchange——美国国家信息交换标准字符码 )。

它采用7位二进制编码表示128个字符，其中包括数码0～9以及英文字母等可打印的字符。

例如：

‘A’ →100 0001B →41H

‘0’～‘9’ → 30H ～ 39H

1.2.6 基本逻辑门电路

数字计算机靠基本逻辑门电路实现二进制数的运算，其中高电平和低电平分别代表1和0。

单片机原理分析中需要用到一些基本逻辑门电路、逻辑关系和逻辑符号

4种最基本的逻辑关系如下：

        与逻辑、或逻辑、非逻辑、与非逻辑

基本逻辑门电路的有关信息

1.3 Proteus应用简介

介绍

        Proteus是电路分析与实物仿真软件（ISIS和ARES）

        英国Labcenter Electronics Ltd. 开发

        提供原理图绘制、单片机系统仿真与PCB设计等功能（部分功能类似于Multisim软件）

        可仿真多种MCU，如51、AVR，PIC，MSP等

        可仿真许多电子元件，如阻容元件、开关、晶体管、集成电路、液晶显示器等

        可提供多种调试虚拟仪器，如示波器、信号源等

1.3.1 ISIS模块应用举例

ISIS——智能原理图输入系统(Intelligent Schematic Input System)

作用

        数字与模拟电路原理图绘制

        数字与模拟电路仿真运行

        单片机汇编程序编译调试

应用举例的步骤

        （1）启动ISIS

        （2）绘制电路原理图

        （3）输入单片机汇编程序

        （4）进行源代码调试

        （5）仿真运行

1.3.2 ARES模块应用举例（以后不过多介绍）

ARES——高级布线与编辑软件(Advanced Routing and Editing Software)

作用

        PCB布局布线

        设计输出

应用举例的步骤

        （1）启动ARES

 

        （2）元器件布局

        （3）元器件布线

        （4）铺铜

        （5）三维效果图

        （6）Gerber输出

生成PCB（丝印层、打孔层、元件层……）光绘文件文件

本章小结

1．单片机是在一块半导体硅片上集成了计算机基本功能部件的微型计算机。虽然只是一个芯片，但从组成和功能上，单片机都已具有了微机系统的基本含义。

2．单片机诞生后大体经历了SCM、MCU和SoC三大阶段，其发展趋势是高集成度、高性能、高性价比、低功耗。具有51内核的8位单片机仍然是目前主流机型。

3．不同数制及其转换和基本逻辑门电路是学习单片机的重要基础知识。

4．Proteus由ISIS和ARES两个软件平台组成，是单片机原理图设计与仿真、高级布线和编辑的重要软件工具。