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1、单片机基础课程,单片机是什么？,单片机是单片微型计算机（Micro Computer Unit）的简称，包括硬件和软件。硬件：主机+外围设备；软件：指令程序，如炒菜程序。,单片机常被嵌入到控制应用领域的产品中，也被称为嵌入式微控制器。单片机内部集成有计算机的基本功能部件：CPU、存储器、输入/输出接口等，是最小计算机。,汽车上有单片机应用系统？,单片机基础课程,课程概况:,单片机基础课程是车辆工程专业的主要专业课程之一，尤其是汽车电子技术方向。先修课程为计算机基础知识、电工电子技术、程序语言设计等专业基础课程。本课程总学时为48学时，其中实验8学时，学分为3学分。,课程内容:,课程主要包括单片
2、机的原理、应用及实验，以传统8位 89C51系列与16位 Freescale S12X为主线，介绍单片机的原理、片内资源的使用方法、指令系统、程序设计及单片机应用系统的设计方法等。课程以目前流行的C51为主要编程语言，兼顾汇编语言。课程是实践性很强的课程，主要培养学生的动手能力、设计应用系统的能力。配备有专门课程设计环节。,学习方法:,1、课前预习：依托课本，查阅网络资源，做好预习工作；2、课堂听课：跟随老师的步骤，积极思考，学习上课内容；3、实践环节：独立/小组协作，主动完成实践任务；4、课后复习：课后及时完成布置的作业，善于温故知新；5、探索与讨论：自主分析、解决老师提出的或者更深层次的问
3、题，并积极参与同学间的讨论。,考核方法:,课程最终考核成绩包括理论考试成绩、实践环节成绩和平时成绩三个部分。理论考试采用闭卷考核方法，试卷采用随机抽取的方法，成绩占总成绩的60%；实践环节成绩包括两个部分，一是实验课的课堂考核成绩（占10%），一是实验课出席情况和实验报告的完成情况（占10%），占总成绩的20%；平时成绩包括上课的出席情况、上课回答问题情况和平时作业的完成情况，占总成绩的20%。,参考文献:,1、张友德主编.单片微型机原理、应用与实验.复旦大学出版社;（第五版）2、任勇主编.单片机原理及应用使用Freescale S12X 构建嵌入式系统.清华大学出版社；3、徐爱钧主编.单片机
4、高级语言C51程序设计.电子工业出版社;4、各种器件的中英文数据手册等。（可以网上下载）,51单片机世界：单片机C语言：单片机学习网：。,网络资源:,第一章 绪论,1.1 电子计算机的发展概况1.2 单片机的特点及应用领域1.3 单片机的发展过程及产品近况1.4 单片机应用系统开发简介1.5 单片机学习的预备知识,1.1 电子计算机的发展概况,大约公元前500年，出现算珠。在中国13世纪出现了我们所熟悉的算盘。,1.电子计算机的问世及其经典结构,1610年，Napier发明的骨片算尺，使得较大数字的乘法变得十分简单。,1642年，年仅19岁的法国科学家帕斯卡引用算盘的原理，发明了第一部机械式计
5、算器。,1820年，法国人制造的机械式计算器。,1833年，剑桥大学数学教授开发的分析机。这台分析机包括了现代计算机的理念：中央处理单元、软件指令、存储单元、打印输出。但是受到当时技术条件的制约，没有生产出来。,1906年，电子管被发明，具有划时代的意义。,1939年，ABC（Atanasoff-Berry Computer）机-第一台电子计算机发明。美国物理学家John Atanasoff(约翰阿坦那索夫)，被公认为计算机之父。,1946年2月14日，标志现代计算机诞生的 ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Computer)公诸于世。ENIA
6、C 是由科学家莫奇利和艾克特借鉴并发展了约翰阿坦那索夫的思想制成的。,ENIAC 是电子管计算机，使用了18800只电子管、1500个继电器，重达30吨，长30.48米，宽1米，时钟频率仅有100 KHz，但能在1秒钟的时间内完成5000次加法运算或56次乘法运算。,与现代的计算机相比，ENIAC有许多不足，但它的问世开创了计算机科学技术的新纪元，对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响。,世纪之争-谁是真正的计算机之父？,约翰阿坦那索夫及其ABC机在很长时间内默默无闻，不为世人所知。20世纪70年代，两家公司为 ENIAC 专利打起官，约翰阿坦那索夫被卷入其中，此时才开始扬名于世。在经过长达六
7、年的诉讼和135次开庭审理，1973年10月19日，法庭宣判，莫奇利参考了阿坦那索夫的思想，其与埃克特的第一台电子数字计算机的发明专利无效。因此，约翰阿坦那索夫才是真正的“现代计算机之父”。,事情的原委是1940年12月，约翰阿坦那索夫参加在费城举行的美国科学促进协会年会时遇到了莫奇利，两人都对计算机感兴趣，谈得很投机；次年6月莫奇利去拜访了约翰阿坦那索夫，参观了ABC机(当时已接近完成)，看了设计图纸和资料。,匈牙利籍数学家冯诺依曼在 ENIAC 方案的设计上做出了重要的贡献。1946年6月，他又提出了“程序存储”和“二进制运算”的思想，进一步构建了计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和
8、输出设备组成这一计算机的经典结构。（EDVAC-ELECTRONIC DISCRETE VARIABLE AUTOMATIC COMPUTER）,1947年，晶体管发明，继电子管之后又一重大发明。,1948年 磁芯存储器被开发出来；1950年 软磁盘由东京帝国大学的中松义郎博士发明；1957年 IBM开发成功第一台点阵打印机；1958年 发明集成电路；1963年 DEC公司推出第一台小型计算机PDP-8。,1965年 第一台超级计算机 CD6600 开发成功；1968年 Robert Noyce 和几个朋友创办了INTEL公司；1970年 第一块RAM芯片由INTEL推出，容量1K。,1971
9、年，特德霍夫在INTEL公司开发成功第一块微处理器4004。,1974年，MITS 发布第一台商用个人计算机。,1999年，Pentium III 处理器被开发出来；2000年，Pentium IV 处理器被开发出来；“英特尔 酷睿2 四核处理器”标识的产品等。,电子计算机的发展，相继经历了五个阶段：电子管计算机；晶体管计算机；集成电路计算机；大规模集成电路计算机；超大规模集成电路计算机。,计算机的结构仍然没有突破冯诺依曼提出的计算机的经典结构框架。,2.微型计算机的组成及其应用形态,1971年1月，INTEL公司的特德霍夫在与日本商业通讯公司合作研制台式计算器时，将原始方案的十几个芯片压缩成
10、三个集成电路芯片。其中的两个芯片分别用于存储程序和数据，另一芯片集成了运算器和控制器及一些寄存器，称为微处理器（即Intel 4004）。,4004微处理器,微处理器、存储器加上I/O接口电路组成微型计算机。各部分通过地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）相连。,从应用形态上，微机可以分成三种：,多板机单板机单片机,多板机（系统机）将CPU、I/O接口电路和总线接口等组装在一块主机板上（即微机主板）。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软/硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机）。,单板机 将CPU芯片、存储器芯片、I
11、/O接口芯片和简单的I/O设备（小键盘、LED显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在ROM中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。,单板机,单板机的I/O设备简单，软件资源少，使用不方便。早期主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统，现在已很少使用。,单片机 在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。三种应用形态的比较：,单板机,单片机,系统机（多板机）,系统机（桌面应用）属于通用计算机，主要应用于数据处理、办公自动化及辅助设计。,单片机（嵌入式应用）属于专用计算机，主要应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、智
12、能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统。,单片机体积小、价格低、可靠性高，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。,1.2 单片机的特点及应用领域,近期推出的单片机产品，内部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式（如在系统编程ISP）等方面都有了进一步的增强。,控制性能和可靠性高 实时控制功能特别强，CPU可以对I/O端口直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。另外，由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响，所以单片机
13、的可靠性非常高。,1.单片机的特点,体积小、价格低、易于产品化 单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择；同时还可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系；在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少。从而使应用系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。,2.单片机的应用领域,目前，单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的影子。从大的方面说，有导弹的导航装置、飞机上各种仪表的控制、各种类型的机器人、智能仪表、医疗器械、计算机的网络通讯与数据传输、工业自动化过程的实时控制和数据处
14、理、轿车的安全保障系统等；从小的方面说，广泛使用的各种智能IC卡，洗衣机/冰箱的自动控制，甚至一些电动玩具、电子宠物、音乐卡片等等，这些都离不开单片机。,智能仪器仪表 单片机用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度，使仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。如各种智能电气测量仪表、智能传感器等。,机电一体化产品 机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机
15、、复印机等。,实时工业控制 单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产线等。,家用电器 家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调、电冰箱、洗衣机、电饭煲、电视遥控器等。另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机等均有单片机的广泛应用。如汽车各个电子控制系统、飞机黑匣子等。,1.3 单片机的发展过程及产品近况,1.单片机的发展过程,单片机
16、技术发展过程可分为三个主要阶段：单芯片微机形成阶段 1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机。8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。,特点是：存储器容量较小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强，只能应用于简单场合。,性能完善提高阶段 1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机：8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器，寻址范围64K。,特点是：CPU功能提高，存储器容量扩大，I/O口数量增加，面向控制的特点进一步突出。现在，MCS-51已成为公认
17、的单片机经典机种。,微控制器化阶段,特点是：片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。,1982年，Intel推出MCS-96系列单片机。芯片内集成：16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。,ATMEL公司融入Flash存储器技术的AT89C5152系列；Philips公司的80C51、80C552系列；华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列；ADI公司的ADC8xx
18、高精度ADC系列；LG公司的GMS90/97低压高速系列；Maxim公司的DS89C420高速系列等。,51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成，近年来推出的与8051兼容的产品主要有：,2.单片机产品近况,51系列单片机与Intel的MCS-51系列单片机有何关系？,背景知识：20世纪80年代中期后，Intel公司以专利转让的形式将8051的内核卖给了AMTEL、PHILIPS等公司，后者生产与8051兼容，使用8051指令系统的51系列产品。,非8051结构单片机新品不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间，非8051系列产品主要有：,Intel的MCS-96系列16位单片机；Microc
19、hip的PIC系列RISC单片机；Freescale 16位 S12X单片机；TI的MSP430F系列16位低功耗单片机等。,3.单片机产品发展趋势,CPU 发展：8位、16位、32位、64位，更高的工作频率；片内存储器发展：128KB、256KB、Flash ROM，实现ISP（In-system programming）在线编程技术和在应用中编程技术IAP（In Application programming）；加强I/O口功能：直接驱动LED、LCD等；半导体工艺技术发展：集成度更高、低功耗、工作电压范围加宽、外形封装、低噪声和高可靠性技术等。软件编程语言：用高级语言代替汇编语言也渐成趋
20、势，典型的单片机都推出了自己的C编译器，Keil C51 性能已很高。,1.4 单片机应用系统开发简介,正确无误的硬件设计和良好的软件功能设计是一个实用的单片机应用系统的设计目标。完成这一目标的过程称为单片机应用系统的开发。,单片机作为一片集成了微型计算机基本部件的集成电路芯片，与通用微机相比，它自身没有开发功能，必须借助其他装置（计算机系统）来完成开发任务。,单片机应用系统开发：硬件：自己设计制作/使用现成开发板软件：自己编写/参考已有程序单片机开发工具：硬件：编程器（也称烧写器），串口/USB口下载软件：集成开发环境（KEIL），程序下载软件,软件开发流程：1：用C51/汇编语言编写源程序
21、（编译器软件）；2：源程序编译成目标程序HEX（编译器软件）；3：将目标程序下载到单片机中（下载软件）；4：运行目标程序；5：如果不正常，排除错误。（人工、仿真器、串口调试等）,1.5 单片机学习的预备知识,1.电学分类：可以携带能量-电工学：研究电能的产生、传送及利用；可以携带信息-电子学：研究电信号的转换、传送及处理。,2.电信号分类：模拟量-连续信号：温度、位移、电压等；数字量-离散信号：产品的数量、鸡蛋的个数等。*单片机属于典型的数字电路。,3.常用电子元件：,NPN 型,PNP型,数制（即计数制，亦称记数制）是计数的规则。,十进制是人们日常生活中最熟悉的进位计数制。,二进制是在计算机
22、系统中采用的进位计数制。,单字节表示范围：0255,4.计算机数制：,双字节表示范围：065535,十六进制是人们在计算机指令代码和数据的书写中经常使用的数制。,用0，1，9和A，B，F（或a，b，f）这16个符号来描述。,部分自然数的3种进制表示,5.电平：电平即电压的高低。单片机内二进制数：“1”-+5V 高电平“0”-0V 低电平,6.数和码的区别：数：表示数量多少，例如：28位同学；码：表示其代表的含义，例如：学号28号。计算机中有：ASCII码、BCD码、指令码等。,无符号数的表示方法有符号数的表示方法,（1）机器数及其真值,带符号的正数+100 0101B（+45H），可以表示成
23、0100 0101B；（45H）带符号的负数-101 0101B（-55H），可以表示成 1101 0101B。（D5H）,数在计算机内的表示形式称为机器数。而这个数本身称为该机器数的真值。如，上述的“45H”和“D5H”为2个机器数，它们的真值分别为“+45H”和“-55H”。,对于带符号二进制数，直接用最高位表示数的符号，数值用其绝对值表示的形式称为原码。正数的反码与其原码相同；负数的反码符号位为1，数值位为其原码数值位逐位取反。如：,带符号正数+100 0101B，原码为 0100 0101B，反码为0100 0101B；（45H）带符号负数-101 0101B，原码为 1101 010
24、1B，反码为1010 1010B。（AAH）,二进制数采用原码和反码表示时，符号位不能同数值一起参加运算。,（2）原码和反码,在计算机中，对带符号数的运算均采用补码。正数的补码与其原码相同；负数的补码为其反码末位加1。如：,带符号正数+100 0101B，反码为 0100 0101B，补码为0100 0101B；（45H）带符号负数-101 0101B，反码为1010 1010B，补码为1010 1011B。（ABH）,（3）补码,补码的优点是可以将减法运算转换为加法运算，同时数值连同符号位可以一起参加运算。如：45H-55H=-10H，用补码运算时可以表示为：45H补+-55H补=-10H补
25、,结果1111 0000B为补码；求补得到原码为：1001 0000B；真值为-001 0000B（即-10H）。,几个典型的带符号数据的8位编码表,采用补码时，“0”只有一种表示方式，单字节表示的范围是：+127-128。,单片机内符号的表示方法,计算机中数及数以外的其它信息（如字母或符号）要用二进制代码来表示。这些二进制代码称为二进制编码。,（1）字符的二进制编码-ASCII码（American Standard Code for Information Interchange）,常用字符的ASCII码,（2）用二进制码表示十进制数的代码称为BCD码。,8421BCD码表,用1个字节表示2位十进制数的代码，称为压缩的BCD码。,二进制码在1010B1111B范围时，属于非法码。,7.逻辑运算：与、或、非、异或,思考题：1.补码为何可以带符号运算？2.单片机各个组成部件的功用？,
