第一單元 單片機(jī)基礎(chǔ)知識

綜合教學(xué)目標(biāo)

了解單片機(jī)的相關(guān)常識，掌握AT89S52單片機(jī)的構(gòu)造與原理。

主要內(nèi)容

計算機(jī)的基礎(chǔ)知識，單片機(jī)的發(fā)展歷史、類型以及應(yīng)用，以及AT89S52單片機(jī)的CPU、存儲器、引腳功能及標(biāo)識。

崗位技能綜合職業(yè)素質(zhì)要求：學(xué)會識別AT89S52單片機(jī)的標(biāo)識。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)生活中的設(shè)備、儀器、電器等的智能化水平越來越高，如微電腦洗衣機(jī)、智能冰箱、遙控電視、公交車刷卡器、公交車報站器等，這些設(shè)備都內(nèi)嵌了極小型化的計算機(jī)——單片機(jī)。

單片機(jī)是單片微型計算機(jī)的簡稱，它將構(gòu)成計算機(jī)的基本部件集成到一塊芯片上，組成一個小巧卻完善的計算機(jī)系統(tǒng)。因此學(xué)習(xí)單片機(jī)除了要掌握它的硬件電路原理，還要學(xué)習(xí)計算機(jī)程序設(shè)計。

本教材講解的AT89S52單片機(jī)是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗、高性能CMOS8位單片機(jī)，它采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳，其照片如圖1-1所示。

1.1 初步了解單片機(jī)

一、計算機(jī)的常用術(shù)語

1.位（bit）

位是計算機(jī)數(shù)據(jù)存儲的最基本、最小的數(shù)據(jù)單位。計算機(jī)采用二進(jìn)制，因此位就是1個二進(jìn)制位，若干二進(jìn)制位的組合就可以表示各種數(shù)據(jù)、字符等。

2.字（word）和字長

字是計算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的基本單位。通常它與計算機(jī)內(nèi)部寄存器、算術(shù)邏輯單元、數(shù)據(jù)總線的長度一致。一個字所包含的二進(jìn)制位數(shù)稱為字長。

3.字節(jié)（byte）

相鄰的8位二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成1個字節(jié)，可以用字節(jié)作為計算機(jī)字長的單位。8位計算機(jī)的字長等于1個字節(jié)，16位計算機(jī)的字長等于2個字節(jié)，32位計算機(jī)的字長等于4個字節(jié)。習(xí)慣上把1個字節(jié)定為8位，把1個字定為16位，把1個雙字定為32位。

字節(jié)也是計算機(jī)數(shù)據(jù)存儲的單位。1KB=1024B（B表示字節(jié)byte），1MB=1024KB，1GB=1024MB。

4.指令

指令是規(guī)定計算機(jī)進(jìn)行某種操作的命令，由一串二進(jìn)制數(shù)碼組成，是計算機(jī)自動控制的依據(jù)。

5.程序

程序是指令的有序組合，是為實現(xiàn)特定目標(biāo)或解決特定問題而用計算機(jī)語言編寫的命令序列。

6.機(jī)器語言

用二進(jìn)制（或十六進(jìn)制）數(shù)表示的指令和數(shù)據(jù)總和稱為機(jī)器語言，是計算機(jī)能直接識別和執(zhí)行的。

7.匯編語言

用助記符號表達(dá)的指令稱為匯編語言，是機(jī)器語言的符號表示。

8.高級語言

高級語言是采用接近人類自然語言的習(xí)慣表達(dá)的程序設(shè)計語言，例如BASIC、C語言。現(xiàn)在一般使用C51語言設(shè)計51單片機(jī)程序。

二、計算機(jī)的數(shù)制

計算機(jī)由觸發(fā)器、計數(shù)器、加法器、邏輯門等基本的數(shù)字電路構(gòu)成。數(shù)字電路具有兩種不同的穩(wěn)定狀態(tài)且能相互轉(zhuǎn)換，用“0”和“1”表示最為方便，因此計算機(jī)處理一切信息（包括數(shù)據(jù)、指令、字符、顏色、語音、圖像等）均用二進(jìn)制數(shù)表示。但是二進(jìn)制數(shù)書寫起來太長，且不便于閱讀和記憶，所以一般都將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)來呈現(xiàn)。另外，人們最常用的是十進(jìn)制數(shù)，因此我們將對這三種數(shù)制及其之間的轉(zhuǎn)換進(jìn)行介紹。

1.數(shù)制介紹

（1）十進(jìn)制（Decimal）

數(shù)碼：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9

① 十進(jìn)制有0～9十個不同的數(shù)碼。

② 十進(jìn)制數(shù)逢十進(jìn)一，即當(dāng)?shù)臀粷M十則向相鄰高位進(jìn)一。

（2）二進(jìn)制（Binary）

數(shù)碼：0，1

① 二進(jìn)制有0，1兩個不同的數(shù)碼。

② 二進(jìn)制數(shù)逢二進(jìn)一。

（3）十六進(jìn)制（Hexadecimal）

數(shù)碼：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F(xiàn)

① 十六進(jìn)制有0～F十六個不同的數(shù)碼。

② 十六進(jìn)制數(shù)逢十六進(jìn)一。

為方便起見，現(xiàn)將部分十進(jìn)制、二進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)的對照表列于表1-1中。

2.數(shù)制的書寫

為區(qū)別不同數(shù)制，要求在書寫時要注意規(guī)范，數(shù)制書寫一般有以下方法。

（1）可以給數(shù)加括號，并在括號右下角標(biāo)注數(shù)制代號，例如：

十進(jìn)制數(shù)，（32）10，（1000）10

二進(jìn)制數(shù)，（1001）2，（0100）2

十六進(jìn)制數(shù)，（123）16，（A1EF）16

（2）匯編語言中，可以在數(shù)后面用英文字母標(biāo)記。

十進(jìn)制數(shù)以字母D結(jié)尾，例如：32D，1000D。

二進(jìn)制數(shù)以字母B結(jié)尾，例如：1001B，0100B。

十六進(jìn)制數(shù)以字母H結(jié)尾，例如：123H，A1EFH。

（3）C51語言中，可以在數(shù)前面標(biāo)記。

十六進(jìn)制數(shù)以0x開頭，例如：0x64，0xfffe等。

3.不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換

（1）二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)相互轉(zhuǎn)換

① 二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，將二進(jìn)制數(shù)按權(quán)展開后相加，例如：

② 十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，采用“除2取余法”。即用2連續(xù)去除十進(jìn)制數(shù)，直到商為0為止，然后把各次余數(shù)按最后得到的為最高位、最早得到的為最低位（從下至上），依次排列起來，所得到的數(shù)便是所求的二進(jìn)制數(shù)。

例：試求出十進(jìn)制數(shù)125的二進(jìn)制數(shù)。

把125連續(xù)除以2，直到商為0，相應(yīng)豎式如下：

按照逆序?qū)⒏饔鄶?shù)記下，得到轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)為：1111101B。

（2）十六進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)相互轉(zhuǎn)換

① 十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，采用將十六進(jìn)制數(shù)按權(quán)展開后相加的方法，例如：

② 十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)，采用“除16取余法”，即用16連續(xù)去除要轉(zhuǎn)換的十進(jìn)制數(shù)，直到商為0為止，然后把各次余數(shù)按得到順序的逆序依次排列起來，所得的數(shù)便是所求的十六進(jìn)制數(shù)。

（3）二進(jìn)制數(shù)與十六進(jìn)制數(shù)相互轉(zhuǎn)換

① 二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)，采用“4位合1位”的方法，即從二進(jìn)制數(shù)最低位開始，每4位一組，不足4位以0補(bǔ)足，然后分別把每組用十六進(jìn)制數(shù)表示，并按序相連。

例：把二進(jìn)制數(shù)1101111100110B轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)，則有

所以，1101111100110B=1BE6H

② 十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，采用“1位分4位”的方法，即把十六進(jìn)制數(shù)的每一位分別用4位二進(jìn)制數(shù)表示，然后將其按序連成一體。

例：把十六進(jìn)制數(shù)2AE5H轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，則有

所以，2AE5H=0010101011100101B

三、單片機(jī)的概念

單片機(jī)，全稱為單片微型計算機(jī)，就是在一塊芯片上集成了微處理器（CPU）、程序存儲器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、定時/計數(shù)器以及多種I/O接口電路的具有一定規(guī)模的微型計算機(jī)，因最早被應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域，所以又被稱為微控制器。

四、單片機(jī)的發(fā)展歷史

單片機(jī)誕生于20世紀(jì)70年代末，經(jīng)歷了SCM、MCU、SOC三大發(fā)展階段。

（1）SCM即單片微型計算機(jī)（SingleChipMicrocomputer）階段，主要尋求單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。因受集成度和工藝的限制，常采用雙片形式的單片機(jī)。例如：仙童公司的F8須外接一塊3851電路才能構(gòu)成一個完整的計算機(jī)。

（2）MCU即微控制器（MicroControllerUnit）階段，主要致力于不斷擴(kuò)展?jié)M足嵌入式應(yīng)用的對象系統(tǒng)要求而采用的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領(lǐng)域都與對象系統(tǒng)相關(guān)，因此，發(fā)展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)廠家。在發(fā)展MCU方面，最著名的當(dāng)數(shù)Philips公司。Philips公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢，將80C51從單片微型計算機(jī)迅速發(fā)展到微控制器。

（3）SOC即專用化片上系統(tǒng)（SystemOnChip）階段，是指將微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲器（或片外存儲控制接口）集成在單一芯片上，它通常是客戶定制的，或是面向特定用途的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決。因此，標(biāo)準(zhǔn)化專用單片機(jī)的發(fā)展自然形成了SOC化趨勢。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計、EDA工具的發(fā)展，基于SOC的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計會有較大的發(fā)展。

五、單片機(jī)的分類

單片機(jī)按用途可分為兩類：專用型單片機(jī)和通用型單片機(jī)。

專用型單片機(jī)用途專一，內(nèi)部程序在出廠時已經(jīng)固化，不能被再次修改，例如電子表里的單片機(jī)，其生產(chǎn)成本很低。

通用型單片機(jī)的用途廣泛，程序可以不斷修改，用戶可以根據(jù)需要給此類單片機(jī)植入不同的程序，配合不同接口的輸入和輸出來完成所需功能。小到家用電器、儀器儀表，大到機(jī)器設(shè)備和整套生產(chǎn)線都可用通用型單片機(jī)來實現(xiàn)自動化控制。通用型單片機(jī)按位數(shù)分為4位機(jī)、8位機(jī)、16位機(jī)和32位機(jī)等。

單片機(jī)還可按生產(chǎn)廠家分類，我國目前最常用的單片機(jī)有如下幾家：

● Intel——MCS51系列、MCS96系列；

● Atmel——AT89系列、MCS51內(nèi)核；

● Microchip——PIC系列；

● Motorola——68HCXX系列；

● Zilog——Z86系列；

● Philips——87、80系列，MCS51內(nèi)核；

● Siemens——SAB80系列，MCS51內(nèi)核；

● NEC——78系列。

六、單片機(jī)的應(yīng)用范圍

在信息化高速發(fā)展的時代，單片機(jī)以其體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)等優(yōu)勢迅速滲透到我們生活的各個領(lǐng)域。單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分為如下幾個范疇。

1.在智能儀器儀表上的應(yīng)用

結(jié)合不同類型的傳感器，單片機(jī)可實現(xiàn)諸如電壓、濕度、流量、溫度、壓力等物理量的測量。采用單片機(jī)控制使儀器儀表更加數(shù)字化、智能化、微型化，且功能更加強(qiáng)大。例如精密的測量設(shè)備，功率計、溫濕度計、各種分析儀。

2.在工業(yè)控制中的應(yīng)用

用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制，各種報警系統(tǒng)，與計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)。

3.在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用

醫(yī)療行業(yè)的智能化系統(tǒng)都用到了單片機(jī)。例如醫(yī)用呼吸機(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等。

4.在汽車設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用

單片機(jī)的使用使得汽車智能電子控制系統(tǒng)越來越發(fā)達(dá)，汽車也變得越來越聰明。駕駛汽車時，行車電腦能夠自動處理大量的信息，比如當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時，助力轉(zhuǎn)向會助你一臂之力；當(dāng)急剎車時，ABS會自動啟動，防止側(cè)滑。

5.在計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用

現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件。現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，例如手機(jī)、電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、集群移動通信、無線電對講機(jī)等。

6.在家用電器中的應(yīng)用

現(xiàn)在，很多家用電器中都采用了單片機(jī)控制，例如電飯煲、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電，音視頻器材、電子秤量設(shè)備等，五花八門，無處不在。

此外，單片機(jī)在工商、金融、科研、教育、國防、航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。