本章重点

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第 1 章单片机概述

本章重点•什么是单片机的？单片机的简称•单片机的分类•单片机的应用范围及开发过程•数制及编码

课时安排： 1个课时

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第 1 章单片机概述 1.1 什么是单片机1.2 数制与编码1.3 存储器分类介绍1.4 单片机的历史及发展趋势1.5 单片机特点及系统组成1.6 80C51 系列概述1.7 单片机的应用开发思考题

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1.1 什么是单片机单片机就是单片微型计算机 (Single-Chip Microcomputer) 。为了强调其控制属性，在国际上，多把单片机称为微控制器MCU （ MicroController Unit ）。

输入设备运算器输出设备

控制器存储器

微型计算机系统的硬件部分通常由五部分组成 :

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第 1 章单片机概述这种计算机系统通常由多块印刷电路板制成：

多板机主板

显卡声卡

存储器接口网卡

输入输出接口

内存条内存条 CPU

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CPUCPU 芯片CPU 芯片内存条内存条存储器接口

存储器芯片存储器芯片输入输出接口输入输出接口

芯片输入输出接口

芯片

定时计数器芯片

定时计数器芯片

A/D 、 D/A芯片

A/D 、 D/A芯片

单板机

印

刷

电

路

板

6


单

硅

晶

片

CPU存储器

控制电路定时器时钟电路

I / O 口

单片机

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单片机就是在一块半导体硅片上集成了微处理器 (CPU) ，存储器（ RAM ， ROM ， EPROM ）和各种输入输出接口（定时器 / 计数器，并行 I/O

口，串行口， A/D 转换器等），这样一块集成电路芯片具有一台计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。

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单片机和微处理器

微处理器 MPU （ Micro Processor Unit ）是计算机的核心部件，计算机系统的主要用途是科学计算、数据处理、图象分析、数据库管理、人工智能、数字模拟和仿真等。为了满足人们对海量数值运算的需求， 8 位、 16 位的 MPU 已被淘汰， 32 位机也以每两三年换代一次的速度发展。

单片机 MCU 主要用于控制目的。要求构成的检测控制系统有实时、快速的外部响应，能迅速采集到大量数据，做出逻辑判断与推理后实现对被控制对象的参数调整与控制。单片的发展方向现在仍是以 8 位为主， 32 为辅。

微计算机技术的发展，形成了两大分支：微处理器和单片机。

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单片机和嵌入式系统

什么是嵌入式系统？嵌入式系统——是面向测控对象，嵌入到应用系统中的计算机系统的统称。嵌入式系统通常有工控计算机、通用 CPU 模块、嵌入式微处理器、嵌入式微控制器。前两者是基于通用 CPU 的计算机系统，后两者是芯片形态的计算机系统。嵌入式微控制器则是嵌入式系统概念广泛使用后，给传统单片机定位的称呼。

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为什么说单片机是典型的嵌入式系统？单片机从体系结构到指令系统都是按照嵌入式应用特点专门设计的。它体积小、控制能力强、抗干扰能力强、指令丰富，并且包含位处理指令，等等这些特性都使得单片机能最好地满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行，以及非凡的控制品质要求。因此，单片机是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。

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1.2 数制与编码

1.2.1 英文字符的表示方法—— ASCII 码

1.2.2 BCD 码 ( 二进制编码的十进制数 )

1.2.3 计算机中带符号数的表示方法

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1.2.1 英文字符的表示方法—— ASCII 码

由于计算机只能处理二进制数，因此除了数值本身需要用二进制数形式表示外，字符，包括数码( 如 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 ， 7 ， 8 ， 9) 、字母 ( 如 A ， B ， C ， D ，…， X ， Y ， Z 及 a ，b ， c ， d ，…， x ， y ， z) 、特殊符号 ( 如% ， ! ， + ， - ， = 等 ) 也必须用二进制数表示，即在计算机中需将数码、字母、特殊符号等代码化，以便于计算机识别、存储和处理。

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目前计算机系统中普遍采用美国标准信息交换代码 (Amer

ican Standard Code for Information Interchange II ，简称 AS

CII 码 ) 。该标准用 7 位二进制数表示一个字符，最多可以表示 128 个字符。

128 个字符对于某些特殊应用来说可能不够，因此就采用8

位的 ASCII ，即扩展 ASCII 码（共 256 个代码）。其中前 12

8

（高位为 0 ）个编码用于表示基本的 ASCII 码，基本 ASCII

码主要用于表示数字、英文字母、标点符号、控制字符等；后128 （高位为 1 ）个编码用于表示扩展的 ASCII 码，扩展 AS

CII

用于表示一些特殊的符号，如希腊字母等。

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1.2.2 BCD 码 ( 二进制编码的十进制数 )

二进制数以其物理易实现和运算简单的优点在

计算机中得到了广泛应用，但人们日常习惯最熟悉的还是十进制。为了既满足人们的习惯，又能让计算机接受，便引入了 BCD 码。它用二进制数码按照不同规律编码来表示十进制数，这样的十进制数的二进制编码，既具有二进制的形式，又具有十进制的特点，便于传递处理。

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十进制数 8421 BCD 码十进制数 8421 BCD 码

0 0000 5 0101

1 0001 6 0110

2 0010 7 0111

3 0011 8 1000

4 0100 9 1001

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注：在 BCD 码中，不使用 1010 （ 0AH ）～ 11

11 （ 0FH ）。

例如 :

（ 1 ） 78.43 ＝ (0111 1000 . 0100 0011)BCD

（ 2 ） (0110 1001 . 0001 0101)BCD ＝ 69.15

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1.2.3 计算机中带符号数的表示方法 ——原码、反码、补码

在计算机中，对于带符号数来说，一般用最高位表示数的正、负。对于正数，最高位规定为“ 0” ，对于负数，最高位为“ 1” 。

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

00010111

符号数值部分

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计算机中用三种方式来表示带符号数，分别是：原码、反码、补码。

（ 1 ）原码用最高位表示数的正负（正数的符号位用 0表示，负数的符号位用 1表示），其余各位表示该数的绝对值，这种表示方法称为原码。

例如：＋ 115 和 -115 在计算机中 (设机器字长为 8 位 ) ，其原码可分别表示为［ +115］原＝ 01110011B；［ -115］原＝ 11110011B

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（ 2 ）反码反码可由原码得到，如果是正数，则其反码和原码相同，如果是负数，则其反码除符号为 1 外，其它各位取反（即 1 转换为 0 ， 0 转换为 1 ），这种表示方法称为反码。

（ 3 ）补码补码可由反码得到，如果是正数，则其补码和反码相同，如果是负数，则其补码为反码加 1 ，这种表示方法称为补码。

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【例 1】假设 X1＝ +83 ， X2＝ -76 ，当用 8 位二进制数表示

一个数时，求 X1 、 X2 的原码、反码及补码。解 : ［ X1］原＝［ X1］反＝［ X1］补＝ 01010011B

［ X2］原＝ 11001100B

［ X2］反＝ 10110011B

［ X2］补＝［ X］反＋ 1＝ 10110100B

综上所述可归纳为 :

正数的原码、反码、补码就是该数本身；负数的原码其符号位为 1 ，数值位不变；负数的反码其符号位为 1 ，数值位逐位求反；负数的补码其符号位为 1 ，数值位逐位求反并在末位加 1 。

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1.3 存储器分类介绍存储器的分类方法很多，例如：

• 从材料和电路类型，分为磁芯存储器、半导体存储器、电藕荷存储器等。

• 从其与微处理器的关系，分为内存和外存。通常把直接同 CPU 进行信息交换的存储器称为内存；而把通过内存间接与 CPU 进行信息交换的存储器称为外存，如磁盘、光盘等。

• 对于单片机所使用的半导体存储器，在功能上按如下方式分类：

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1 、只读存储器 ROM （ Read Only Memory ） ROM 在设计之初是只能读出不能写入，特点是掉电后信息不会丢失。因此一般用来存放固定程序、数据表、字库等。

（ 1 ）掩膜 ROM

也称固定 ROM ，是由厂家编好程序写入 ROM供用户使用，用户不能更改它。

存储器

ROM

RAM

可现场改写的非易失存储器

掩膜 ROMPROMEPROME PROM2

静态 RAM

动态 RAM

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（ 3 ）可改写的只读存储器 EPROM （ Erasable Programmable RO

M ）

它的内容可由通过紫外线擦除，擦除后又可重新写入。

（ 2 ）可编程序的只读存储器 PROM （ Programmable ROM ）

它的内容可由用户一次写入，就只能读出，不能再改写。

(4) 可电改写的只读存储器 E PROM （ Electrically Erasable PRO

M ）

它的内容可用电的方法写入和擦除，既有与 RAM 一样读写操作简便，又有数据不会因掉电丢失的优点，因此使用极为广泛。

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2 、随机存储器 RAM （ Random Access Memory ）

RAM又叫读写存储器，不仅能读取数据，还能随时写入新的数据，覆盖原来的数据。但是掉电后 RAM 中的信息全部丢失，因此常用于存放经常改变的程序或中间结果等信息。

（ 1 ）静态 SRAM （ Static RAM ）

其特点是为只要有电源加于存储器，数据就能长期保留。

（ 2 ）动态 DRAM （ Dynamic RAM ）

写入的信息只能保持若干ms 的时间，因此，每隔一定时间必须重新写入一次，以保持原来的信息不变。

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3 、可现场改写的非易失存储器

特点是：从原理上，它们属于 ROM 型存储器；从功能上，它们又可以随时改写信息，相当于 RAM 。所以， RO

M 、 RAM 的定义和划分已逐渐失去意义。典型代表是“ F

LASH” 。 FLASH

这种存储器是在 EPROM 和 E PROM 的制造基础上产生的一种非易失存储器。集成度高，制造成本低，具有 SRA

M读写的灵活性和较快的访问速度，又具有 ROM 在掉电后信息不丢失的特点，所以发展很快。

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1.4 单片机的历史及发展趋势

第一阶段（ 1974－ 1976 年）：单片机初级阶段。因工艺限制，此时的单片机是一位的。

第二阶段（ 1976－ 1978 年）：低性能单片机阶段。以Intel公司制造的 MCS-48 单片机为代表，集成了 8 位 CPU 、并行 I/O 口、 8 位定时器 / 计数器、 RAM 、 ROM 。为单片机的发展奠定了坚实的基础。

单片机的发展历史分为四个阶段：

一、单片机的历史

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第三阶段（ 1978－ 1982 ）：高性能单片机阶段。典型代表有 Intel公司制造的 MCS-51 系列单片机、 Motorola公司的 6801 和 Zilog公司的 Z8 等。带有串口，多级中断系统，定时器 / 计数器、片内 RAM 、 ROM容量加大，寻址范围可达 64KB 。

第四阶段（ 1982－现在）： 8 位单片机巩固发展及 16

位单片机、 32 位单片机推出阶段。此阶段的主要特征是一方面发展 16 位单片机、 32 位单片机及专用型单片机；另一方面不断完善高档 8 位单片机，以满足不同的用户需求。 1

6 位单片机的典型产品如 Intel公司生产的 MCS-96 系列单片机。

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单片机的发展趋势将是向大容量、高性能、外围电路内装化等方面发展，满足不同用户的需求。

二、单片机的发展趋势

1 、 CPU 的改进采用双 CPU 结构，增加数据总线宽度，串行总线结构。

3 、片内 I/O 的改进增加并行口的驱动能力，增加 I/O 口的逻辑控制功能，设置一些特殊的串行接口，为构成网络化系统提供条件。

2 、存储器的发展加大存储容量，片内 EPROM 采用 E PROM或闪存 (Flash) ，程序保密化。

2

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4 、外围电路内装化随着集成度的不断提高，有可能把众多的外围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的 ROM 、 RAM 、定时器 / 计数器、中断系统外，还可能集成 A/D 转换器、 D/A转换器、 DMA 控制器、中断控制器、频率合成器、字符发生器、声音发生器、 CRT 控制器等。

5 、低功耗化 8 位单片机中有二分之一的产品已 CMOS 化， CMOS芯片的单片机具有功耗小的优点。例如采用 CHMOS 工艺的 MCS-51 系列单片机 80C31/80C51/87C51 在正常运行时，工作电路为 16mA ， Wait 方式工作时，工作电路为 3.7mA ，Stop 方式时，工作电路仅为 50nA 。

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1.5 单片机特点及系统组成

（ 1 ）体积小，重量轻；

（ 2 ）可靠性高，运行速度快，抗干扰能力强；

（ 3 ）控制功能强，使用灵活，性价比高；

（ 4 ）易扩展，易于开发；

（ 5 ）受集成度限制，片内存储器容量较小，一般内 ROM 在 8KB 以下，内 RAM 在 256B 以内。

一、单片机特点：

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CPU

AB

DB

CB

存储器接口部件

键盘显示器数码管打印机

定时计数器

二、单片机系统的组成：

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单片机系统

硬件部分

软件部分

单片机芯

片

外围器件

CPU

内存中断控制逻辑

通用接口

运算器

寄存器组

控制器

并行 I / O口串行 UART

定时 / 计数器

ADC0809 、 DAC0832

8253

8251

8255A 、 8155

2764 、 6264指令系统

应用程序

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1.6 80C51 系列概述

一、 MCS-51 系列（ 1）MCS-51是 Intel公司生产的一个单片机系列名称。属于这一系列的单片机有多种，如：

﹡8051/8751/8031； ﹡8052/8752/8032； ﹡80C51/87C51/80C31 ﹡80C52/87C52/80C32等。

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（ 2 ）该系列生产工艺有两种：

CHMOS 是 CMOS 和 HMOS 的结合，既保持了 HMOS 高速度和高密度的特点，还具有 CMOS 的低功耗的特点。在产品型号中凡带有字母“ C” 的即为 CHMOS 芯片， CHMOS 芯片的电平既与 TTL 电平兼容，又与CMOS 电平兼容。

一是 HMOS 工艺（高密度短沟道MOS 工艺）。二是 CHMOS 工艺（互补金属氧化物的 HMOS 工艺）。

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（ 3 ）在功能上，该系列单片机有基本型和增强型两大类：

• 增强型：8052/8752/8032

80C52/87C52/80C32

• 基本型：8051/8751/8031

80C51/87C51/80C31

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（ 4 ）在片内程序存储器的配置上，该系列单片机有三种形式，即掩膜 ROM 、 EPR

OM 和 ROMLess(无片内程序存储器 ) 。如：

﹡80C51 有 4K 字节的掩膜 ROM ；﹡87C51 有 4K 字节的 EPROM ；﹡80C31 在芯片内无程序存储器。

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二、 80C51 系列

﹡ Intel的： 80C31、 80C51、 87C51， 80C32、 80C52、 87C52等； ﹡ ATMEL的： 89C51、 89C52、 89C2051等； ﹡ Philips、华邦、 Dallas、 Siemens(Infineon)

等公司的许多产品。

80C51是MCS-51系列中 CHMOS工艺的一个典型品种；其它厂商以 8051为基核

开发出的 CMOS工艺单片机产品统称为 80C51系列。当前常用的 80C51系列单片机主要产品有：

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三、80C51典型产品资源配置

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1.7 单片机的应用开发

单片机的主要应用在检测、控制领域。具有小巧灵活、成本低、可靠性好、适应温度范围宽、易扩展等特点。以下是单片机应用领域的举例：

一、单片机的应用

1 、工业自动化在自动化技术中，无论是过程控制技术、数据采集还是测控技术，都离不开单片机。机电一体化技术（例如机器人技术）将发挥愈来愈重要的作用。

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2 、智能仪器仪表在智能仪器仪表中，单片机应用十分普及。单片机的使用有助于提高仪器仪表的精度，减小体积而易于携带。

3 、消费类电子产品主要反映在家电领域，目前家电产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度。例如，洗衣机、电冰箱、空调、电视机、微波炉、手机、 MP3 、 IC 卡、汽车电子设备等。

4 、通信方面在调制解调器、程控交换技术，以及各种通信设备（如 MODEM 、路由器、交换机等），单片机都得到了广泛的应用。

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5 、武器装备在现代化的武器装备中，如飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、智能武器、航天飞机导航系统等领域都有单片机深入其中。

6 、终端及外部设备控制计算机网络中断设备，银行中断及计算机外部设备，如打印机、硬盘驱动器、绘图机、传真机、复印机等设备中，都使用了单片机。

7 、多机分布式系统可用多片单片机构成分布式测控系统，它使单片机的应用进入了一个新的水平。

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单片机系统的开放过程主要包括以下几个步骤：二、单片机的开发

1 、总体设计

包括确定技术指标、机型选择、器件选择、硬件和软件的功能划分等几个步骤。

2 、硬件设计

根据总体设计要求，再所选择机型的基础上，确定系统扩展所要用的存储器、 I/O 电路、 A/D 电路以及有关外围电路等，然后设计出系统的电路原理图。

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3 、软件设计

在单片机应用系统的研制过程中，软件设计一般是工作量最大、最重要的任务。软件编写和调试所花的时间也是整个设计过程中最长的。

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第 1 章单片机概述方案论证

总体设计

硬件系统调试应用程序设计

电路原理图设计

PCB设计硬件测试

主程序

模块程序

子程序

应用程序仿真调试

系统脱机运行

单片机应用系统开发流程图

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1. 已知原码如下，写出其反码和补码（最高位是符号位）

（ 1 ） [X] ＝ 01011001 ，（ 2 ） [X] ＝ 00

111110

（ 3 ） [X] ＝ 11011011 ，（ 4 ） [X]

＝ 11111100

原

原

原

原

2. 当微机把下列数看成无符号数时，它们相应的十进制为多少？若把它们看出是补码，最高位为符号位，它们相应的十进制数又是多少？（ 1 ） 10001110 （ 2 ） 10110000

（ 3 ） 00010001 （ 4 ） 01110101

思考题

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2 、答 : 当把 (1)～ (4) 的数看成无符号数时，它们相应的十进制数如下： (1)10001110＝ 142 (2)10110000

＝ 176

(3)00010001＝ 17 (4)01110101＝ 117

当把它们看成是补码，最高位为符号位时，它们相应的十进制数如下 : (1)10001110＝ -114 (2)10110000＝ -80

(3)00010001＝ 17 (4)01110101＝ 117

1 、答：（ 1 ） [X] ＝ 01011001 ，（ 1 ） [X] ＝ 0101100

1

（ 2 ） [X] ＝ 00111110 ，（ 2 ） [X] ＝00111110

（ 3 ） [X] ＝ 10100100 ，（ 3 ） [X] ＝10100101

（ 4 ） [X] ＝ 10000011 ，（ 4 ） [X] ＝10000100

反

反

反

反补

补

补

补

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3 、单片机（ MCU ）和微处理器（ MPU ）有何不同？为什么说单片机是典型的嵌入式系统？

4 、你认为在哪个领域中单片机的应用将得到较大发展？简述该领域的现状和技术发展趋势。

本 章 重 点

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