单片机是指在一块芯片上集成了中央处理器CPU

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1、1.2 单片机的构成及特点单片机是指在一块芯片上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或 EEPROM、定时/计数器、中断控制器及串行口，并行I/O接口等部件，构成一个完整的微 型计算机系统。1、单片机的特点 从结构上看，单片机不但与通用微型计算机一样，是一个有效的数据处理机，而且是一个功 能强大的过程控制机。从某种意义上讲，一块单片机就具有一台微型计算机的功能，只要加 上所需的输入/输出设备，就可以构成一个完整的系统，从而满足各应用领域的需要。单片 机结构中包含有通用计算机的功能部分，而且具有较强的数据处理功能。(1) 通用计算机的CPU主要面向数据处理，其发展主要围绕数

2、据处理功能、计算速度和 精度的进一步提高。CPU的主频达到数百兆赫兹(MHz)，字长普遍达到32位。单 片机主要面向控制，因为控制中的数据类型和数据处理相对简单，所以单片机的数 据处理功能比通用计算机相对弱一些，计算速度和精度也要相对低一些。(2) 通用计算机中存储器组织结构主要是针对增大存储容量和加快 CPU 对数据的存取 速度。单片机中存储器的组织结构比较简单，存储器芯片直接挂接在单片机总线上， CPU 对存储器的读/写直接用物理地址来寻址存储单元，存储器的寻址空间一般为 64KB。(3) 通用计算机中的I/O接口主要考虑标准外设(如CRT、标准键盘、鼠标、打印机、 硬盘、光盘等)。用户通

3、过标准总线连接外设，达到即插即用。而单片机应用系统的 外设都是非标准的，且千差万别，种类繁多。单片机的 I/O 接口实际上是向用户提 供的与外设连接的物理界面。单片机的特点(1) 单片机的存储器ROM和RAM是严格区分的。ROM称为程序存储器，只存放程序、固 定常数及数据表格。RAM则为数据存储器，用作工作区及存放用户数据。这样的结构主要 是考虑到单片机用于控制系统中，有较大的程序存储器空间，把开发成功的程序固化在ROM 中，而把少量的随机数据存放在RAM中。这样，小容量的数据存储器能以高速RAM形式 集成在单片机内，以加速单片机的执行速度。但单片机内的RAM是作为数据存储器用，而 不是当作高

4、速缓冲存储器(Cache)使用。(2) 采用面向控制的指令系统。为满足控制的需要，单片机有更强的逻辑控制能力，特别是 具有很强的位处理能力。(3) 单片机的I/O引脚通常是多功能的。由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际引 脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法。引脚处于何种功能，可由指令来 设置或由机器状态来区分。(4) 单片机的外部扩展能力强。在内部的各种功能部分不能满足应用需求时，均可在外部进 行扩展(如扩展 ROM、 RAM， I/O 接口，定时器/计数器，中断系统等)，与许多通用的微机 接口芯片兼容，给应用系统设计带来极大的方便和灵活性MCS-51系列单片机的结构特点

5、就CPU的结构来说，通用微机的CPU内部有一定数量的通用或专用寄存器，而MCS-51 系列单片机则在数据RAM区开辟了一个工作寄存器区。该区共有4组，每组8个寄存器， 共计可提供32个工作寄存器，相当于通用微机CPU中的通用寄存器。除此之外，MCS-51 系列单片机还有颇具特色的21个特殊功能寄存器SFR。要理解MCS-51系列单片机的工作， 就必须对特殊功能寄存器SFR的工作有清楚的了解。SFR使仅具有40条引脚的单片机系统 的功能有很大的扩展。由于这些SFR的作用，每个通道在程序控制下，都可有第二功能， 从而使得有限的引脚能衍生出更多的功能。而且，利用SFR可完成对定时器、串行口、中 断逻

6、辑的控制，这就使得单片机可以把定时/计数器、串行口、中断逻辑等集成在一个芯片 上。MCS-51 系列单片机在存储器结构上与通用微机也有不同之处，通用微机中程序存储器和 数据存储器是一个地址空间，而单片机把程序存储器和数据存储器分成两个独立的地址空 间，采用不同的寻址方式，使用两个不同的地址指针， PC 指向程序存储器， DPTR 指向数 据存储器。采用这种结构主要是考虑到工业控制的特点。一般工业控制系统中，需要较大的 程序存储器空间和较小的随机存储器空间，不同于通用微机需要较大的数据存储器空间。MCS-51 系列单片机在输入输出接口方面的特点是，通道口引线在程序的控制下都可有 第二功能，可由用

7、户系统设计者灵活选择。比如数据线和地址线低8位可分时合用通道0 ， 而地址线高8位与其它信号线也可合用通道2。由于存储器和接口都在片内，就给应用提供 了方便，往往只在其引脚处增加驱动器即可简化接口设计工作，提高单片机与外设数据交换 的处理速度。同时，功能变换和选择由相应的指令来控制实现，而不是靠硬件上的跳线短接 等方法实现。MCS-51系列单片机I/O引脚一线多功能的特点方便了用户，但在组成应用系 统时，也应根据其特点分时使用。MCS-51 系列单片机的另一个显著特点是内部有一个全双工串行口，即可同时发送和接 收；有两个物理上独立的接收、发送缓冲器。发送缓冲器只能写入不能读出，接收缓冲器只 能

8、读出不能写入。在程序的控制下，串行口能工作于四种方式，用户可根据需要，设定为移 位寄存器方式以扩展I/O 口和外接同步输入输出设备，或用作异步通信口，以实现双机或多 机通信，极为方便地组成分布式控制系统。最后还值得一提的是， MCS-51 系列单片机内部有一个功能相对独立的位处理机 （即布尔处理机），因而其具有较强的位处理功能。1.3单片机的应用 因为单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点 所以在国民建设、军事及家用电器等领域均得到广泛的应用。按照单片机的特点，可分为单 机应用和多机应用。（1）单片机应用 在一个应用系统中，只使用一个单片机，这是目前应用最多的

9、方式，主用应用领域有: 测控系统 用单片机可构成各种工业控制系统、自适用系统、数字采集系统等。例如，温室人工气候控制、生产线自动控制、车辆检测控制系统等。 智能仪表 用单片机改造原有的测量、控制仪表，能促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展。如温度、压力、流量、浓度等的测量、显示灯等的测量、显示及仪表控制。 通过采用单片机软件编程技术，解决测量仪表中长期存在的误差修正、线性化处理等难题。 机电一体化产品单片机与传统的机械产品结合，使传统机械产品结构简单化，实现智能控制。这类产品有 简易数控机床、电脑绣花机、医疗器械等。 智能接口在计算机控制系统（特别是较大型的工业控制系统）中，

10、普遍采用单片机进行接口的控制 与管理。因为单片机与主机是并行工作的，所以大大提高了系统的运行速度，而且还能对数 据进行预处理，如数字滤波、线性化处理、误差修正等。 智能民用产品 在家用电器、玩具、游戏机、音像设备、收银机、办公设备、厨房设备等产品中引入单片 机，不仅使产品的功能大大增强，而且获得良好的使用效果。(2) 多机应用 单片机的多机应用系统可分为多功能集散系统、并行多机控制系统及局部网络系统。 多功能集散系统 多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能的要求而设置的多机系统。例如，一个加 工中心的计算机系统除完成机床加工运行控制外，还要完成对刀系统、坐标系统、刀库管理、 状态监视、伺

11、服驱动等机构的控制。 并行多机控制系统 并行多机控制系统主要解决工程应用系统中的快速问题，以便构成大型实时应用工程系统。 典型的有快速并行数据采集处理系统、实时图像处理系统等。 局部网络系统 单片机网络系统的出现，使单片机应用进入了一个较高的水平。目前该网络系统主要是分布 式测控系统，单片机主要用于系统中通信控制及构成各种测控子系统。单片机的应用(1) 体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，它能方便地组成各种智能化的控制设备和仪 器，做到机电一体化。(2) 面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格 比。(3) 抗干扰能力强，适用温度范围宽，在各种恶劣的环境下

12、都能可靠地工作，这是其它类型 计算机无法比拟的。(4) 可以方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。 单片机的应用范围十分广泛，主要的应用领域有：(1) 工业控制。单片机可以构成各种工业控制系统、数据采集系统等。如数控机床、自动生 产线控制、电机控制、温度控制等。(2) 仪器仪表。如智能仪器、医疗器械、数字示波器等。(3) 计算机外部设备与智能接口。如图形终端机、传真机、复印机、打印机、绘图仪、磁盘 /磁带机、智能终端机等。(4) 商用产品。如自动售货机、电子收款机、电子秤等。(5) 家用电器。如微波炉、电视机、空调、洗衣机、录像机、音响设备等。数制之间的相互转换【例

13、1-1】 将数(10.101)2，(46. 12)8，(2D.A4)16 转换为十进制数(10.101) 2= 1x21 + 0 X 20+1 X 2-1+0 X 2-2+1 X 2 -=2.625(46.12) 8=4x81 +6 X80+1X 8-1 +2 X 8-2=38.156258(2D.A4)16= 2x161+13X160+10X16-1+4X16-2=45.64062【例1-2】 将(0.645)10转换为二进制数(用小数点后5位表示)。整数(X 645整数0.645整数0, 645X2X8X1611, 2905 *5* 160A10* 3200. 296 166 32X 2X

14、 8X1600. 581L 2855.120.586 280.12X 2X 8X161L 1622-241L920.16240, 92X 2X 8X1600. 321192E *14. 72.X 20. 3272X 8X160 *06477.36B11*52故： (0.645)10=(0.10100)2=(0.51217)8=(0.A51EB)16例1-3】 将(101011.01101)2 转换为八进制。101 011 011010Illi53 32即(101011.01101)2=(53 .32)8例1-4】 将(123.45)8转换为二进制数。12345lllll001010011100

15、101即(123.45)8=(1010011.100101)例1-5】 将(110101.011)2 转换为十六进制数00110101 0110lll35 6即(110101.011)2=(35.6)16【例1-6】 将(4A5B.6C) 16转换为二进制数。4 A5 B 6C0100 1010 0101 1011 0110 1100即(4A5B.6C) 16= (100101001011011.011011) 2例 1-7】求 1001B+1011B。被加数 1001加数+1011进位和1001010100即1001B+1011B=10100B例 1-8】 求 1100B-111B被减数11

16、00减数一 111借位0110差0101即1100B-lllB=101B【例 1-9】 求 1011BX11O1B。被乘数 1011乘数X1101101100001011+ 1011积 100011H即1011BX 1101B-= 10001111B例 1-10】 求 10100101B/1111B10111111 )101001011111101100001011011111111进制数0即1O1OO1O1B/U11B = 1O11Bn168余数284* o t最低位2420221021018 1168余数2Y18 1聲016 168_ 余数2L18也5161082T00 20A01最高位(168)iq =(10101000人(168治=(250 人(168)10 (A8)i$