單片機原理及應(yīng)用教學(xué)教案

第一講一、授課內(nèi)容：1、什么是單片機 2、單片機的發(fā)展 二、授課類型：講授三、授課時數(shù)：2學(xué)時四、教學(xué)目標(biāo)：了解單片機的發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用模式，掌握單片機的特點五、教學(xué)重、難點：重點/難點：單片機的特點六、教學(xué)設(shè)想：借助產(chǎn)品、作品演示,一方面可以使課堂生動,另一方面可以騰出大量時間加強對重難點知識的講解,增強學(xué)生對知識的理解,同時提高他們對本學(xué)科的興趣.七、教學(xué)過程：（板書）一、什么是單片機隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機技術(shù)也得到迅速發(fā)展，并且由于芯片的集成度的提高而使計算機微型化，出現(xiàn)了單片微型計算機（Single Chip Computer），簡稱單片機，也可稱為微控制器MCU（Micro controller Unit）。單片機，即集成在一塊芯片上的計算機，集成了中央處理器CPU（Central Processing Unit）、隨機存儲器RAM（Random Access Memory）、只讀存儲器（Read Only Memory）、定時器/計數(shù)器以及I/O接口電路等主要計算機部件。二、 單片微型計算機發(fā)展概況單片機出現(xiàn)的歷史并不長, 但發(fā)展十分迅猛。 它的產(chǎn)生與發(fā)展和微處理器的產(chǎn)生與發(fā)展大體同步, 自1971年美國Intel公司首先推出4位微處理器（4004）以來, 它的發(fā)展到目前為止大致可分為5個階段:第1階段（19711976）: 單片機發(fā)展的初級階段。 1971年11月Intel公司首先設(shè)計出集成度為2 000只晶體管/片的4位微處理器Intel 4004, 并配有RAM、 ROM和移位寄存器, 構(gòu)成了第一臺MCS4微處理器, 而后又推出了8位微處理器Intel 8008, 以及其它各公司相繼推出的8位微處理器。第2階段（19761980）: 低性能單片機階段。 以1976年Intel公司推出的MCS48系列為代表, 采用將8位CPU、 8位并行I/O接口、 8位定時/計數(shù)器、 RAM和ROM等集成于一塊半導(dǎo)體芯片上的單片結(jié)構(gòu), 雖然其尋址范圍有限（不大于4 KB）, 也沒有串行I/O, RAM、 ROM容量小, 中斷系統(tǒng)也較簡單, 但功能可滿足一般工業(yè)控制和智能化儀器、 儀表等的需要。 第3階段（19801983）: 高性能單片機階段。 這一階段推出的高性能8位單片機普遍帶有串行口, 有多級中斷處理系統(tǒng), 多個16位定時器/計數(shù)器。 片內(nèi)RAM、 ROM的容量加大,且尋址范圍可達64 KB, 個別片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換接口。第4階段（198380年代末）: 16位單片機階段。 1983年Intel公司又推出了高性能的16位單片機MCS96系列, 由于其采用了最新的制造工藝, 使芯片集成度高達12萬只晶體管/片。 第5階段（90年代）: 單片機在集成度、 功能、 速度、 可靠性、 應(yīng)用領(lǐng)域等全方位向更高水平發(fā)展。 單片機的應(yīng)用特性：（1）集成度高 MCS-51系列單片機代表產(chǎn)品為8051，8051內(nèi)部包含4KB的ROM、128B的RAM、四個8位并行口、一個全雙工串行口、兩個16位定時器/計數(shù)器以及一個處理功能強大的中央處理器。（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單 MCS-51系列單片機芯片內(nèi)部采用模塊化結(jié)構(gòu)，增加或更換一個模塊就能獲得指令系統(tǒng)和引腳兼容的新產(chǎn)品。另一方面，MCS-51系列單片機具有64KB的外部程序存儲器尋址能力和64KB的外部RAM和I/O口尋址能力。Intel公司標(biāo)準的I/O接口電路和存儲器電路都可以直接連到MCS-51系列單片機上以擴展系統(tǒng)功能，應(yīng)用非常靈活。（3）可靠性高 單片機產(chǎn)品和其他產(chǎn)品一樣，出廠指標(biāo)有軍用品、工業(yè)品和商用品之分。其中軍用品要求絕對可靠，在任何惡劣的環(huán)境下都能可靠工作，主要用于武器系統(tǒng)、航空器等方面。單片機屬于工業(yè)品，能在常溫下工作，不需要在溫度恒定的機房內(nèi)工作。由于單片機總線大多在芯片內(nèi)部不易受干擾，而且單片機應(yīng)用系統(tǒng)體積小，易于屏蔽，所以單片機的可靠性較高。（4）處理功能強，速度快 MCS-51系列單片機指令系統(tǒng)中具有加、減、乘、除指令，各種邏輯運算和轉(zhuǎn)移指令，還具有位操作功能。CPU時鐘頻率高達12MHz，單字節(jié)乘法和除法僅需要4s，而且具有特殊的多機通信功能，可作為多機系統(tǒng)中的子系統(tǒng)。單片機的制造工藝：制造單片機的工藝只有兩種：HMOS工藝和CHMOS工藝。 早期的MCS-51系列芯片都采用HMOS工藝，即高密度、短溝道MOS工藝。8051、8751、8031、8951等產(chǎn)品均屬于HMOS工藝制造的產(chǎn)品。 CHMOS工藝是CMOS和HMOS的結(jié)合，除保持了HMOS工藝的高密度、高速度之外，還具有CMOS工藝低功耗的特點。例如HMOS工藝制造的8051芯片的功耗為630mW，而用CHMOS工藝制造的80C51芯片的功耗為120mW，這么低的功耗用一粒鈕扣電池就可以工作。單片機型號中包含有“C”的產(chǎn)品就是指它的制造工藝是CHMOS工藝。例如80C51，就是指用CHMOS工藝制造的8051。三、 單片機的特點（1）體積小、重量輕、功耗低、功能強、性價比高。（2）數(shù)據(jù)大都在單片機內(nèi)部傳送，運行速度快，抗干擾能力強，可靠性高。（3）結(jié)構(gòu)靈活，易于組成各種微機應(yīng)用系統(tǒng)。（4）應(yīng)用廣泛，既可用于工業(yè)自動控制等場合，又可用于測量儀器、醫(yī)療儀器及家用電器等領(lǐng)域。 （5）內(nèi)含有Flash存儲器 由于片內(nèi)含有Flash存儲器，因此在系統(tǒng)開發(fā)過程中可以十分容易地進行程序的修改。同時，在系統(tǒng)工作過程中，能有效地保存數(shù)據(jù)信息，即使外界電源損壞也不影響信息的保存。（6）和AT80C51插座兼容 AT89系列單片機的引腳和MCS-51系列單片機的引腳是一樣的。只要用相同引腳的AT89系列單片機就可以取代MCS-51系列單片機。（7）靜態(tài)時鐘方式 AT89系列單片機采用靜態(tài)時鐘方式，節(jié)省電能，這對于降低便攜式產(chǎn)品的功耗十分有用。第二講一、授課內(nèi)容： 1 、MCS-51和80C51系列簡介 2、單片機的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用模式二、授課類型：講授三、授課時數(shù)：2學(xué)時四、教學(xué)目標(biāo)：了解單片機的發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用模式，掌握單片機的特點五、教學(xué)重、難點：重點/難點：單片機的特點六、教學(xué)設(shè)想：借助產(chǎn)品、作品演示,一方面可以使課堂生動,另一方面可以騰出大量時間加強對重難點知識的講解,增強學(xué)生對知識的理解,同時提高他們對本學(xué)科的興趣.七、教學(xué)過程：（板書）一、單片機系列簡介目前世界上單片機生產(chǎn)廠商很多, 如: Intel、 Motorola、 Philips、 Siemens、 NEC、 ADM、 Zilog等公司, 其主流產(chǎn)品有幾十個系列, 幾百個品種。 盡管其各具特色, 名稱各異, 但作為集CPU、 RAM、 ROM（或EPROM）、 I/O接口、 定時器/計數(shù)器、 中斷系統(tǒng)為一體的單片機, 其原理大同小異。 現(xiàn)以Intel公司的系列產(chǎn)品為例, 說明各系列之間的區(qū)別。 Intel公司從其生產(chǎn)單片機開始, 發(fā)展到現(xiàn)在, 大體上可分為3大系列: MCS48系列、 MCS51系列、 MCS96系列。 MCS51單片機系列：MCS51系列單片機雖已有10多種產(chǎn)品, 但可分為兩大系列: MCS51子系列與MCS52子系列。 MCS51子系列中主要有8031、 8051、 8751 三種類型。而MCS52子系列也有3種類型8032、 8052、 8752。 在某些性能上略有差異。 由此可見, 在本子系列內(nèi)各類芯片的主要區(qū)別在于片內(nèi)有無ROM或EPROM; MCS51與MCS52子系列間所不同的是片內(nèi)程序存儲器ROM從4 KB增至8 KB; 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器由128個字節(jié)增至256個字節(jié);定時器/計數(shù)器增加了一個; 中斷源增加了12個。 另外, 對于制造工藝為CHMOS的單片機, 由于采用CMOS技術(shù)制造, 因此具有低功耗的特點, 如8051功耗約為630 mW, 而80C51的功耗只有120 mW。 MCS-51是一個單片機系列產(chǎn)品，具有多種芯片型號。具體說，按其內(nèi)部資源配置的不同，MCS-51可分為兩個子系列和四種類型.MCS子系列片內(nèi)ROM形式片內(nèi)ROM容量片內(nèi)RAM容量定時器/計數(shù)器中斷源無ROMEPROME2PROMMCS-51子系列80318051875189514KB128B2165MCS-52子系列80328052875289528KB256B3166MCS-51子系列包含4個產(chǎn)品，這4個產(chǎn)品具有不同的應(yīng)用特性。8051：單片機8051內(nèi)部包含了4KB的ROM、128B的RAM、21個特殊功能寄存器、4個8位并行口、一個全雙工串行口、兩個16位定時器/計數(shù)器以及一個處理功能很強的中央處理器，是一臺完整的微型計算機8751：是以4KB的EPROM代替4KB ROM的8051。8951：是以4KB的E2PROM（或Flash ROM）代替4KB ROM的8051。8031：是內(nèi)部無ROM的8051。單片機8031不構(gòu)成完整計算機，必須外接EPROM作為程序存儲器。 52子系列也包含4個產(chǎn)品，分別是51子系列的增強型。由于資源數(shù)量的增加，芯片的功能有所增強。片內(nèi)ROM容量從4KB增加到8KB；RAM容量從128B增加到256B；定時器數(shù)目從2個增加到3個；中斷源從5個增加到6個等。80C51單片機系列是在MCS-51系列的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。 最早推出80C51系列芯片的是Intel公司，并且作為MCS-51系列的一部分，按原MCS-51系列芯片的規(guī)則命名，例如80C51、80C31、87C51等（至于89C51，我們把它歸入89系列單片機，將在下一節(jié)介紹）。 后來越來越多的公司生產(chǎn)80C51芯片，而且型號的命名已面目全非，功能上也做了不同程度的改進，如增加了A/D轉(zhuǎn)換、高速I/O口等。有些還在總線結(jié)構(gòu)上做了重大改進，出現(xiàn)了廉價的非總線型單片機芯片。但是萬變不離其宗： CHMOS工藝芯片80C51/80C31/87C51/89C51的基本特征是低功耗、允許的電源電壓波動范圍較大（為5V20%），并有三種功耗控制方式（增加了待機和掉電保護兩種方式）。 習(xí)慣上，我們?nèi)匀话?0C51系列作為MCS-51的子系列。二、單片機的應(yīng)用 由于單片機具有體積小、 重量輕、 價格便宜、功耗低, 控制功能強及運算速度快等特點, 因而在國民經(jīng)濟建設(shè)、 軍事及家用電器等各個領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。 （1）家用電器領(lǐng)域 目前國內(nèi)各種家用電器已普遍采用單片機控制取代傳統(tǒng)的控制電路，而做成單片機控制系統(tǒng)。例如洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、微波爐、電飯煲、電視機、錄像機及其它視頻音像設(shè)備的控制器。（2）辦公自動化領(lǐng)域現(xiàn)代辦公室中所使用的大量通信、信息產(chǎn)品多數(shù)都采用了單片機，如通用計算機系統(tǒng)中的鍵盤譯碼、磁盤驅(qū)動、打印機、繪圖儀、復(fù)印機、電話、傳真機、考勤機等。（3）智能儀表。 用單片機改造原有的測量、 控制儀表, 促進儀表向數(shù)字化、 智能化、 多功能化、 綜合化、 柔性化方向發(fā)展。 （4）機電一體化產(chǎn)品。 單片機與傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品相結(jié)合, 使傳統(tǒng)機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化, 控制智能化。（5）商業(yè)營銷領(lǐng)域 由于在商業(yè)營銷系統(tǒng)已廣泛使用的電子稱、收款機、條形碼閱讀器、倉儲安全監(jiān)測系統(tǒng)、商場保安系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、冷凍保鮮系統(tǒng)等中，目前已紛紛采用單片機構(gòu)成專用系統(tǒng)，主要由于這種系統(tǒng)有明顯的抗病菌侵害、抗電磁干擾等高可靠性能的保證。（6）汽車電子與航空航天電子系統(tǒng) 通常在這些電子系統(tǒng)中的集中顯示系統(tǒng)、動力監(jiān)測控制系統(tǒng)、自動駕馭系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及運行監(jiān)視器（黑匣子）等都要構(gòu)成冗余的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。習(xí) 題1. 什么叫單片機？除了“單片機”之外，單片機還可以稱為什么？2. 單片機主要使用匯編語言，而編寫匯編語言程序要求設(shè)計人員除了熟練掌握指令系統(tǒng)外，還必須精通什么？3. 8051、8751、8031單片機的主要區(qū)別是什么？4. 與8051比較，80C51的最大特點是什么？5. AT89系列單片機的最大優(yōu)點是什么？6. 單片機發(fā)展方向是什么？第三講一、授課內(nèi)容： 進位計數(shù)制及相互轉(zhuǎn)換二、授課類型：講授三、授課時數(shù)：2學(xué)時四、教學(xué)目標(biāo)：掌握各數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換五、教學(xué)重、難點：重點/難點：掌握各數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換六、教學(xué)設(shè)想：借助產(chǎn)品、作品演示,一方面可以使課堂生動,另一方面可以騰出大量時間加強對重難點知識的講解,增強學(xué)生對知識的理解,同時提高他們對本學(xué)科的興趣.七、教學(xué)過程：（板書）一、進位計數(shù)制按進位的原則進行計數(shù)的方法稱之為進位計數(shù)制，簡稱進位制。人們?nèi)粘Ｉ钪辛?xí)慣上使用十進制，而二進制使于實現(xiàn)、存儲、傳輸，所以計算機中采用二進制。但二進制不易書寫和閱讀，因此又引入了八進制和十六進制。1十進制（后綴或下標(biāo)D表示）十進制計數(shù)原則：逢十進一十進制的基數(shù)為：10十進制的數(shù)碼為：0123456789十進制數(shù)第K位的權(quán)為：10k（第K位的權(quán)為基數(shù)的K次方，第K位的數(shù)碼與第K位權(quán)的乘積表示第K位數(shù)的值）。例如：8846.78=8103+8102+4101+6106+7101+8102該數(shù)中共出現(xiàn)三次數(shù)碼8，但各自的權(quán)不一樣，故其代表的值也不一樣。2二進制（后綴或下標(biāo)B表示）二進制計數(shù)原則：逢二進一二進制的基數(shù)為：2二進制的數(shù)碼為：0 1二進制數(shù)第K位的權(quán)為：2K例如：11010101.01B=127+126+025+124+023+122+021+120+021+122=213.25 N位二進制數(shù)可以表示2N個數(shù)。例如3位二進制數(shù)可以表示8個數(shù)，如附表1所示：附表1二 進 制 數(shù)000001010011100101110111相應(yīng)的十進制數(shù)012345673八進制（后綴或下標(biāo)O表示）八進制計計數(shù)原則：逢八進一八進制的基數(shù)為：8八進制的數(shù)碼為：01234567八進制數(shù)第K位的權(quán)為：8K例如：127O=182+281+780=87D4十六進制（后綴或下標(biāo)H表示）十六進制計數(shù)原則：逢十六進一十六進制的基數(shù)為：16十六進制的數(shù)碼為：0123456789A B C D E F十六進制第K位的權(quán)為： 16k例如：64.4H=6161+4160+4161=100.25D十六進制數(shù)、二進制和十進制數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如附表2所示：附表2二 進 制 數(shù)00000001001000110100010101100111十 進 制 數(shù)01234567十六進制數(shù)01234567二 進 制 數(shù)10001001101010111100110111101111十 進 制 數(shù)89101112131415十六進制數(shù)89ABCDEF二、不同進位制之間的轉(zhuǎn)換。1二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十制數(shù)。 轉(zhuǎn)換原則：按權(quán)展開求和。例如： 10001101.11B=127+026+025+024+123+122+021+120+121+1 22 =141.75D八進制十六進制轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)也同樣遵循該原則，不再單獨介紹了。2十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)的原則：整數(shù)部分：除基取余，逆序排列小數(shù)部分：乘基取整，順序排列例 將十進數(shù)186和0.8125轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)。高位低位低位高位 因此 ： 186D = 10111010B 0.8125D = 0.11011B注意：當(dāng)十進制小數(shù)不能用有限位二進制小數(shù)精確表示時，根據(jù)精度要求，采用“0舍1入”法，取有限位二進制小數(shù)近似表示。十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進制，十六進制數(shù)同樣遵循該原則。3二進制轉(zhuǎn)換為十六進制由于十六進制的基數(shù)是2的冪，所以二進制與十六進制之間的轉(zhuǎn)換是十分方便的，二進制轉(zhuǎn)換為十六進制的原則：整數(shù)部分從低位到高位四位一組不足補零，直接用十六進制數(shù)來表示；小數(shù)部分從高位到低位四位一組不足補零，直接用十六進制數(shù)表示。例附2 將二進制數(shù)10011110.00111轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)。1001 1110 . 0011 10009E3 8所以10011110.00111B9E.38H。4十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)的原則：十六進制數(shù)中的每一位用4位二進制數(shù)來表示。例如：將十六進制數(shù)A87.B8轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)。A87. B81010 1000 0111 1011 1000所以A87.B8H=101010000111.10111000B。八進制的基數(shù)同樣是2的冪，因此二進制與十六進制之間的轉(zhuǎn)換也遵循以上的原則，只是將原則中的四位改成三位。例如：將二進制數(shù)11010110.110101B轉(zhuǎn)換成八進制數(shù)。將八進制數(shù)746.42O轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)。011010110.110101746 . 4 2326 65 111 100 110 100 01所以，11010110.110101B=326.65O， 746.42O=111100110.100010B三、八進制數(shù)和十六進制數(shù)運算1二進制數(shù)的運算加法法則乘法法則000 0 X 0=0011 0 X 1=0101 1 X 0=0110（進位1） 1 X 1=1注意：二進制數(shù)加法運算中110（進位1）和邏輯運算中111的不同含義。2十六進制數(shù)的運算十六進制數(shù)的運算遵循“逢十六進一”的原則。 十六進制加法：十六進制數(shù)相加，當(dāng)某一位上的數(shù)碼之和S小于16時與十進制數(shù)同樣處理，如果數(shù)碼之各S16時，則應(yīng)該用S減16及進位1來取代S。例如： 0 8 A 3 H + 4 B 8 9 H 5 4 2 CH 十六進制減法十六進制減法也與十進制數(shù)類似，夠減時直接相減，不夠減時服從向高位借1為16的原則。例如： 0 5 C 3 H 3 D 2 5 H C 8 9 E H十六進制數(shù)的乘除運算同樣根據(jù)逢十六進一的原則處理，這里不再繁述。第四講 一、授課內(nèi)容：計算機中數(shù)和字符的表示二、授課類型：講授三、授課時數(shù)：2學(xué)時四、教學(xué)目標(biāo)：熟悉計算機中數(shù)和字符的表示五、教學(xué)重、難點：重點/難點：計算機中數(shù)和字符的表示 六、教學(xué)設(shè)想：借助產(chǎn)品、作品演示,一方面可以使課堂生動,另一方面可以騰出大量時間加強對重難點知識的講解,增強學(xué)生對知識的理解,同時提高他們對本學(xué)科的興趣.七、教學(xué)過程：（板書）一、計算機中有符號數(shù)的表示。計算機中的數(shù)是用二進制來表示的，有符號數(shù)中的符號也是用二進制數(shù)值來表示，0表示“”號，1表示“”號，這種符號數(shù)值化之后表示的數(shù)稱之為機器數(shù)，它表示的數(shù)值稱之為機器數(shù)的真值。為將減法變?yōu)榧臃?，以方便運算簡化CPU的硬件結(jié)構(gòu)，機器數(shù)有三種表示方法：即原碼、反碼和補碼。1原碼最高位為符號位，符號位后表示該數(shù)的絕對值。例如：+112原=01110000B112原=11110000B其中最高位為符號位，后面的7位是數(shù)值（字長為8位，若字長為16位，則后面15位為數(shù)值）。原碼表示時112和112的數(shù)值位相同，符號位不同。說明： 0的原碼有兩種表示法： +0 原=00000000B 0原=10000000B N位原碼的表示范圍為：12N1 2N11。例如8位原碼表示的范圍為：127+1272反碼最高位為符號位，正數(shù)的反碼與原碼相同，負數(shù)的反碼為其正數(shù)原碼按位求反。+112 反=01110000B 112反=10001111B說明： 0的反碼有兩種表示法：+0 反=00000000B0反=11111111B N位反碼表示的范圍為： 12n12n11；例如8位反碼表示的范圍為 127+127。 符號位為1時，其后不是該數(shù)的絕對值。例如反碼11100101B的真值為27，而不是101。3補碼最高位為符號位，正數(shù)的補碼與原碼相同；負數(shù)的補碼為其正數(shù)原碼按位求反再加1。例如：+112補 =01110000B 112補 =10010000B 說明： 0的補碼只有一種表示法：+0=0=00000000B； n位補碼所能表示的范圍為2n12n11；例如8位補碼表示的范圍為128+127。 八位機器數(shù)中：128補=10000000B，128原，128反不存在。 符號位為1時，其后不是該數(shù)的絕對值。例如：補碼11110010B的真值為14，而不是114。有符號數(shù)采用補碼表示時，就可以將減法運算轉(zhuǎn)換為加法運算。因此計算機中有符號數(shù)均以補碼表示。例如：X8416（84）（16）X補=+84補+16補（+84）補 =01010100B（16）補=11110000B 0 1 0 1 0 1 0 0B + 1 1 1 1 0 0 0 0B 0 1 0 0 0 1 0 0B 1 所以 X補=01000100B，即X=68。在字長為8位的機器中，第7位的進位自動丟失，但這不會影響運算結(jié)果。機器中這一位并不是真正丟失，而是保存在程序狀態(tài)字PSW中的進位標(biāo)志Cy中。又如：X4888（48）（88）X補=+48補+88補+48補 =00110000B88補=10101000B0 0 1 1 0 0 0 0B+ 1 0 1 0 1 0 0 0B1 1 0 1 1 0 0 0B 所以 X補=11011000B，即X=40。為進一步說明補碼如何將減法運算轉(zhuǎn)換為加法運算，我們舉一日常的例子：對于鐘表，它所能表示的最大數(shù)為12點，我們把它稱之為模，即一個系統(tǒng)的量程或所能表示的最大的數(shù)。若當(dāng)前標(biāo)準時間為6點，現(xiàn)有一只表為9點，可以有兩種調(diào)時方法： 936（倒撥） 996（順撥）即有9993612693因此對某一確定的模，某數(shù)減去小于模的一數(shù)，總可以用加上該數(shù)的負數(shù)與其模之各（即補碼）來代替。故引入補碼后，減法就可以轉(zhuǎn)換為加法。補碼表示的數(shù)還具有以下特性： XY補X補Y補 XY補X補Y補附表3為n8和n16時n位補碼表示的數(shù)的范圍。附表3 n位二進制補碼數(shù)的表示范圍十進制數(shù)二進制數(shù)十六進制數(shù)十進制數(shù)十六進制數(shù)N=8n=16+127+126.+2+10-1-2.-126-127-1280111111101111110.0000001000000001000000001111111111111110.1000001010000001100000007F7E.020100FFEE.828180+32767+32766.+2+10-1-2.-32766-32767-327687FFF7FFE.000200010000FFFFFFFE.800280018000二、無符號整數(shù)在某些情況下，處理的全是正數(shù)時，就不必須再保留符號位。我們把最高有效位也作為數(shù)值處理，這樣的數(shù)稱之為無符號整數(shù)。8位無符號數(shù)表示的范圍為：0255。計算機中最常用的無符號整數(shù)是表示存儲單元地址的數(shù)。三、字符表示字母、數(shù)字、符號等各種字符（例如鍵盤輸出的信息或打印輸出的信都是按字符方式輸出輸出）按特定的規(guī)則，用二進制編碼在計算中表示。字符的編碼方式很多，最普遍采用的是美國標(biāo)準信息交換碼ASC碼。ASC碼是7位二進制編碼。計算機中用一個字節(jié)表示一個ASC碼字符，最高位默認為0，可用作校驗位。 第五講 一、授課內(nèi)容：MCS51系列單片機 二、授課類型：講授三、授課時數(shù)：2學(xué)時四、教學(xué)目標(biāo)：掌握MCS51系列單片機的結(jié)構(gòu)引腳功能六、教學(xué)重、難點：重點/難點：80C51單片機的引腳功能。七、教學(xué)設(shè)想：借助產(chǎn)品、作品演示,一方面可以使課堂生動,另一方面可以騰出大量時間加強對重難點知識的講解,增強學(xué)生對知識的理解,同時提高他們對本學(xué)科的興趣.八、教學(xué)過程：（板書）一、MCS-51單片機的基本組成（如下圖所示）（1）一個8位微處理器CPU。（2）數(shù)據(jù)存儲器RAM和特殊功能寄存器SFR。（3）內(nèi)部程序存儲器ROM。（4）兩個定時/計數(shù)器，用以對外部事件進行計數(shù)，也可用作定時器。（5）四個8位可編程的I/O（輸入/輸出）并行端口，每個端口既可做輸入，也可做輸出。（6）一個串行端口，用于數(shù)據(jù)的串行通信。（7）中斷控制系統(tǒng)。（8）內(nèi)部時鐘電路。二、80C51單片機的引腳功能結(jié)構(gòu)框圖（如下圖所示）1主電源引腳VCC和VSS2外接晶振引腳XTAL1和XTAL23控制或其他電源復(fù)用引腳RST/ VPD、ALE/、和/VPP4輸入/輸出引腳P0、P1、P2、P3（共32根）三、引腳功能（1） 主電源引腳Vcc和Vss VCC: 接+5 V電源正端; VSS: 接+5 V電源地端。 （2） 外接晶體引腳XTAL1和XTAL2 XTAL1: 接外部石英晶體的一端。 在單片機內(nèi)部, 它是一個反相放大器的輸入端, 這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。 當(dāng)采用外部時鐘時, 對于HMOS單片機, 該引腳接地; 對于CHMOS單片機, 該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。 XTAL2: 接外部晶體的另一端。 在單片機內(nèi)部, 接至片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸出端。 當(dāng)采用外部時鐘時, 對于HMOS單片機, 該引腳作為外部振蕩信號的輸入端; 對于CHMOS芯片, 該引腳懸空不接。圖一 內(nèi)部振蕩方式 圖二 外部振蕩方式 圖一 圖二（3）輸入/輸出（I/O）引腳P0口、 P1口、 P2口及P3口 （a） P0口（39腳32腳）: P0.0P0.7統(tǒng)稱為P0口。 （b） P1口（1腳8腳）: P1.0P1.7統(tǒng)稱為P1口, 可作為準雙向I/O接口使用。 （c） P2口（21腳28腳）: P2.0P2.7統(tǒng)稱為P2口, 一般可作為準雙向I/O接口。 （d） P3口（10腳17腳）: P3.0P3.7統(tǒng)稱為P3口 第六講 一、授課內(nèi)容：MCS51系列單片機 二、授課類型：講授三、授課時數(shù)：2學(xué)時四、教學(xué)目標(biāo)：掌握MCS51系列單片機的結(jié)構(gòu)引腳功能六、教學(xué)重、難點：重點/難點：80C51單片機的引腳功能。七、教學(xué)設(shè)想：借助產(chǎn)品、作品演示,一方面可以使課堂生動,另一方面可以騰出大量時間加強對重難點知識的講解,增強學(xué)生對知識的理解,同時提高他們對本學(xué)科的興趣.八、教學(xué)過程：（板書）下面將這40條引腳按功能分為四部分敘述其功能。1. 主電源引腳Vcc和Vss Vcc（40腳）：接+5V電壓 Vss（20腳）：接地2. 外接晶體引腳XTAL1和XTAL2 XTAL1（19腳）：接外部晶體的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外部振蕩器時，對HMOS單片機，此引腳應(yīng)接地；對CHMOS單片機，此引腳作為驅(qū)動端。 XTAL2（18腳）：接外部晶體管的另一個引腳。在單片機內(nèi)部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。當(dāng)采用外部振蕩器時，對于HMOS單片機，此引腳應(yīng)接外部振蕩器的信號，即把外部振蕩器的信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端；對于CHMOS單片機，此引腳應(yīng)懸浮。3. 控制或其他電源復(fù)用引腳RST/VPD、ALE/PROG、PSEN、EA/VPPRST/VPD（9腳）：振蕩器運行時，在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平使單片機復(fù)位。建議在此引腳與Vss之間連接一個約8.2k的下拉電阻，與Vcc引腳之間連接一個約10F的電容，以保證可靠的復(fù)位（詳見復(fù)位電路內(nèi)容）。Vcc掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保持內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。 ALE/ PROG（30腳）：當(dāng)訪問外部存儲器時，ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍然以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號，此頻率為振蕩器的1/6。因此，它可以用作對外輸出的時鐘，或用于定時。對于EPROM型的單片機（如8751），在EPROM編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。 PSEN（29腳）：此引腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）期間，每個機器周期它二次有效。但在此期間，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這二次有效信號將不出現(xiàn)。它同樣可以驅(qū)動（吸收或輸出電流）8個LS型的TTL輸入電路。 EA/VPP（31腳）：當(dāng)這引腳保持高電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器，但在PC（程序計數(shù)器）值超過0FFFH（對8051/8751）或1FFFH（對8052）時將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。當(dāng)這引腳保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器。 對于8031來說，無內(nèi)部程序存儲器，端口必須保持低電平，即接地，才能只選擇外部程序存儲器。對于EPROM型的單片機（如8751），在EPROM編程期間，此引腳也用于施加21V的編程電源（VPP）。4. 輸入/輸出（I/O）引腳P0、P1、P2、P3（共32根） P0口（39腳32腳）：是雙向8位三態(tài)I/O口，在外接存儲器時，與地址總線的低8位及數(shù)據(jù)總線復(fù)用，能以吸收電流的方式驅(qū)動8個LS型的TTL輸入負載。 P1口（1腳8腳）：是準雙向8位I/O口。由于這種接口輸出沒有高阻狀態(tài)，輸入也不能鎖存，故不是真正的雙向I/O口。P1口可以驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個LS型的TTL負載。對于8052、8032，P1.0引腳的第二功能為T2定時器/計數(shù)器的外部輸入，P1.1引腳的第二功能為T2的外部控制端。對EPROM編程和程序驗證期間，它接收低8位地址。P2口（21腳28腳）：是準雙向8位I/O口。在訪問外部程序存儲器時，它可以作為擴展電路高8位地址總線送出高8位地址。在對EPROM編程和程序驗證期間，它接收高8位地址。P2口可以驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個LS型的TTL輸入負載。P3口（10腳17腳）：是準雙向8位I/O口，在MCS-51中，這8個引腳還用于專門功能，是復(fù)用雙功能口。P3口可以驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個LS型的TTL輸入負載。作為第一功能使用時，為普通I/O口，功能和操作方法與P1口相同。作為第二功能使用時，各引腳的定義見表2.2。值得強調(diào)的是，P3口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。表6.1 P3口線的第二功能定義口線引腳功能P3.010RxD(串行輸入口)P3.111TxD(串行輸出口)P3.212INT0(外部中斷0)P3.313INT1(外部中斷1)P3.414T0(定時器0外部輸入)P3.515T1(定時器1外部輸入)P3.616WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖)P3.717RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖)第七講 一、授課內(nèi)容：MCS51系列單片機 二、授課類型：講授三、授課時數(shù)：2學(xué)時四、教學(xué)目標(biāo)：掌握MCS51系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)六、教學(xué)重、難點：重點/難點：80C51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。七、教學(xué)設(shè)想：借助產(chǎn)品、作品演示,一方面可以使課堂生動,另一方面可以騰出大量時間加強對重難點知識的講解,增強學(xué)生對知識的理解,同時提高他們對本學(xué)科的興趣.八、教學(xué)過程：（板書）一、MCS-51單片機的基本結(jié)構(gòu)（如下圖所示）二、 MCS-51單片機硬件結(jié)構(gòu)特點1內(nèi)部程序存儲器（ROM）和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）容量（如下圖所示）2輸入/輸出（I/O）端口3外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間4中斷與堆棧5定時/計數(shù)器與寄存器區(qū)6指令系統(tǒng)三、MCS-51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)1運算器運算器由8位算術(shù)邏輯運算單元ALU（Arithmetic Logic Unit）、8位累加器ACC（Accumulator）、8位寄存器B、程序狀態(tài)字寄存器PSW（Program Status Word）、8位暫存寄存器TMP1和TMP2等組成。 2控制器主要由程序計數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、堆棧指針SP、數(shù)據(jù)指針DPTR、時鐘發(fā)生器及定時控制邏輯等組成。四、MCS-51單片機的存儲器配置（一）內(nèi)部RAM低128單元8051低128個單元是真正的內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM區(qū)，是一個多功能復(fù)用性數(shù)據(jù)存儲器，其按用途可分為三個區(qū)域。如圖22所示：1 工作寄存器區(qū)（00H1FH） 也稱為通用寄存器，該區(qū)域共有4組寄存器，每組由8個寄存單元組成，每個單元8 位，各組均以R0R7作寄存器編號，共32個單元，單元的00H1FH。在任一時刻，CPU只能使用其中一組通用寄存器，稱為當(dāng)前通用寄存器組，具體可由程序狀態(tài)寄存器PSW中RS1，RS0位的狀態(tài)組合來確定。通用寄存器為CPU提供了就近存取數(shù)據(jù)的便利，提高了工作速度，也為編程提供了方便。2 位尋址區(qū)（20H2FH）內(nèi)部RAM的20H2FH，共16個單元，計168=128位，位地址為00H7FH。位尋址區(qū)既可作為一般的RAM區(qū)進行字節(jié)操作，也可對單元的每一位進行位操作，因此稱為位尋址區(qū)，是存儲空間的一部分。表71列出了位尋址區(qū)的位地址：表71 位尋址區(qū)的位地址單元地址MSB位地址LSB 2FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H 2EH77H76H75H74H73H72H71H70H 2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H 2CH67H66H65H64H63H62H61H60H 2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H 2AH57H56H55H54H53H52H51H50H 29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H 28H47H46H45H44H43H42H41H40H 27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H 26H37H36H35H34H33H32H31H30H 25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H 24H27H26H25H24H23H22H21H20H 23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H 22H17H16H15H14H13H12H11H10H 21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H 20H07H06H05H04H03H02H01H00H其中：MSB最高有效位。LSB最低有效位。3 用戶RAM區(qū)（30H7FH）所剩80個單元即為用戶RAM區(qū)，單元地址為30H7FH，在一般應(yīng)用中把堆棧設(shè)置在該區(qū)域中。對內(nèi)部RAM低128單元的使用作幾點說明：（1）8051的內(nèi)部RAM 00H7FH單元可采用直接尋址或間接尋址方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。（2）內(nèi)部RAM 20H2FH單元的位地址空間可實現(xiàn)位操作。當(dāng)前工作寄存器組可通過軟件對PSW中的RS1，RS0位的狀態(tài)設(shè)置來選擇。（3）8051的堆棧是自由堆棧，單片機復(fù)位后，堆棧底為07H，在程序運行中可任意設(shè)置堆棧。堆棧設(shè)置通過對SP的操作實現(xiàn)，例如用 指令MOV SP ，#30H將堆棧設(shè)置在內(nèi)部RAM 30H以上單元。（二）內(nèi)部RAM高128單元內(nèi)部RAM高128單元是供給專用寄存器使用的，因此稱之為專用寄存器區(qū)（也稱為特殊功能寄存器區(qū)（SFR）區(qū)），單元地址為80H0FFH。8051共有22個專用寄存器，其中程序計數(shù)器PC在物理上是獨立的，沒有地址，故不可尋址。它不屬于內(nèi)部RAM的SFR區(qū)。其余的21個專用寄存器都屬于內(nèi)部RAM的SFR區(qū)，是可尋址的，它們的單元地址離散地分布于80H0FFH。表72為21個專用寄存器一覽表。表72 8051專用寄存器一覽表寄存器符號地 址寄存器名稱ACCE0H累加器BF0HB寄存器PSWD0H程序狀態(tài)字SP81H堆棧指示器DPL82H數(shù)據(jù)指針低八位DPH83H數(shù)據(jù)指針高八位IEA8H中斷允許控制寄存器IPB8H中斷優(yōu)先控制寄存器P080HI/O口0P190HI/O口1P2A0HI/O口2P3B0HI/O口3PCON87H電源控制及波特率選擇寄存器SCON98H串行口控制寄存器SBUF99H串行口數(shù)據(jù)緩沖寄存器TCON88H定時器控制寄存器TMOD89H定時器方式選擇寄存器TL08AH定時器0低8位TL18BH定時器1低8位TH08CH定時器0高8位TH18DH定時器1高8位注：帶“” 專用寄存器表示可以位操作。（三）8051內(nèi)部程序存儲器（ROM） 大多數(shù)51系列單片機內(nèi)部都配置一定數(shù)量的程序存儲器ROM，如8051芯片內(nèi)有4KB掩膜ROM存貯單元，AT89C51芯片內(nèi)部配置了4KB FlashROM，它們的地址范圍均為0000H0FFFH。內(nèi)部程序存儲器有一些特殊單元，使用時要注意。其中一組特殊單元是0000H0002H。系統(tǒng)復(fù)位后，（PC）=0000H，單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。如果不是從0000H開始，就要在這三個單元中存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，以便轉(zhuǎn)去執(zhí)行指定的應(yīng)用程序。另外，在程序存儲器中有各個中斷源的入口向量地址，分配如下：0003H000AH：外部中斷0中斷地址區(qū)000BH0012H：定時器/計數(shù)器0中斷地址區(qū)0013H001AH：外部中斷1中斷地址區(qū)001BH0022H：定時器/計數(shù)器1中斷地址區(qū)0023H002AH：串行中斷地址區(qū)中斷地址區(qū)首地址為各個中斷源的入口向量地址，每個中斷地址區(qū)有8個地址單元。在中斷地址區(qū)中應(yīng)存放中斷服務(wù)程序，但8個單元通常難以存下一個完整的中斷服務(wù)程序，因此往往需要在中斷地址區(qū)首地址中存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，轉(zhuǎn)去中斷服務(wù)程序真正的入口地址。從002BH開始的的單元才是用戶可以隨意使用的程序存儲器。對程序存儲器的操作作以下說明：（1）程序指令的自主操作。CPU按照PC指針自動的從程序存儲器中取出指令。（2）用戶使用指令對程序存儲器中的常數(shù)表格進行讀操作，可用MOVC指令實現(xiàn)。 五、單片機復(fù)位電路及復(fù)位狀態(tài)1復(fù)位電路單片機復(fù)位電路包括片內(nèi)、片外兩部分。外部復(fù)位電路就是為內(nèi)部復(fù)位電路提供兩個機器周期以上的高電平而設(shè)計的。MCS-51單片機通常采用上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位兩種方式。如圖4-3所示。22F C1RST R11K+5V22F C1RST+5VR2200RSTR1+5VC222F 803180518751803180518751803180518751（a）上電復(fù)位電路（c）按鍵脈沖復(fù)位電路（b）按鍵電平復(fù)位電路 R11K圖4-32單片機復(fù)位后的狀態(tài)單片機運行出錯或進入死循環(huán)時，可按復(fù)位鍵重新運行。3.時鐘電路（1）振蕩周期 / 時鐘周期：為單片機提供時鐘信號的振蕩源的周期。（3）機器周期：通常將完成一個基本操作所需的時間稱為機器周期。（4）指令周期：是指CPU執(zhí)行一條指令所需要的時間。一個指令周期通常含有14個機器周期。八、作業(yè)：P 47頁 4，6，10，11第八講 一、授課內(nèi)容：MCS51系列單片機 二、授課類型：講授三、授課時數(shù)：2學(xué)時四、教學(xué)目標(biāo)：掌握MCS51系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)六、教學(xué)重、難點：重點/難點：80C51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。七、教學(xué)設(shè)想：借助產(chǎn)品、作品演示,一方面可以使課堂生動,另一方面可以騰出大量時間加強對重難點知識的講解,增強學(xué)生對知識的理解,同時提高他們對本學(xué)科的興趣.八、教學(xué)過程：（板書）一、 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器低128單元 片內(nèi)RAM（內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器）的地址范圍是00HFFH。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器低128單元的地址范圍是00H7FH。分三個區(qū)。（1）工作寄存器區(qū) 00H1FH單元共32B，是4個通用工作寄存器組，每組含8個寄存器（R0R7）。切換CPU的工作寄存器組，只要CPU執(zhí)行一條單周期指令改變程序狀態(tài)字PSW（特殊功能寄存器）的第3、4位，見表8-1。若程序中不需要4組工作寄存器，那么剩下的工作寄存器組所對應(yīng)的單元也可以作一般的數(shù)據(jù)緩沖器使用。表8-1 工作寄存器組的選擇PSW.4（RS1）PSW.3（RS0）當(dāng)前使用的工作寄存器組R0R7000組（00H07H）011組（08H0FH）102組（10H17H）113組（18H1FH）（2）位尋址區(qū) 20H2FH單元共16個字節(jié)。這16個RAM單元具有雙重功能。它們既可以像普通RAM單元一樣按字節(jié)存取，也可以單獨存取，這就是位尋址。20H2FH單元用作位尋址時，共有168=128位，每位分配了一個特定的地址，即00H7FH，這些地址稱為位地址，如圖2.3所示。位地址在位尋址時使用。例如：把24H單元中最高位（位地址為27H）置位成1，則可以使用如下置位指令： SETB 27H ； 27H 1，SETB為置位指令的操作碼 位地址的另一種表示方法是采用字節(jié)地址和位地址結(jié)合的表示方法。位地址05H可以表示成20H.5。（3）用戶數(shù)據(jù)區(qū) 307FH總共有80個RAM單元，存放用戶數(shù)據(jù)或作堆棧操作使用。中斷系統(tǒng)中的堆棧一般都設(shè)在這一區(qū)域內(nèi)，MCS-51對用戶數(shù)據(jù)區(qū)中的每個RAM單元是按字節(jié)存取的。二、 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器高128單元在MCS-51系列單片機中，內(nèi)部RAM的高128單元是供給特殊功能寄存器SFR（Special function register）使用的。所謂特殊功能寄存器是指有特殊用途的寄存器集合，也稱專用寄存器。它們位于片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器之上，離散地分布在80HFFH的地址空間范圍內(nèi)。 特殊功能寄存器的實際個數(shù)和單片機的型號有關(guān)：8051或8031的SFR有21個，8052的SFR有26個。 它們在80HFFH的地址空間范圍內(nèi)，不為SFR占用的RAM單元實際并不存在，訪問它們是沒有意義的。表8-2列出了這些SFR的助記符號、名稱和地址。表8-2 特殊功能寄存器地址映像表符號名稱地址符號名稱地址P0#P0鎖存器80HP1#P1鎖存器90HSP堆棧指針81HSCON#串行口控制寄存器98HDPL數(shù)據(jù)指針低位字節(jié)82HSBUF串行數(shù)據(jù)緩沖器99HDPH數(shù)據(jù)指針高位字節(jié)83HP2#P2鎖存器A0HPCON電源控制及波特率選擇