单片机原理及应用基础知识_单片机的组成及工作原理「建议收藏」

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前言

自己的一些总结，欢迎阅读指正！

第一章：单片机的基础知识

a.计算机的基本结构思想是什么，计算机系统怎么组成，对于学习单片机有什么作用？

b.怎么理解微型计算机，个人计算机，单板机和单片机?

c.二进制 八进制 十六进制的相互转换是怎么转换的？

d.原码 反码 补码分别是什么，怎么计算？

e.什么是BCD码，什么是ASCII码？

f.什么是单片机？特点是什么？

g.怎么理解单片机和嵌入式系统的关系？

h.单片机的应用灵活性体现在哪些方面？

i.单片机的发展趋势？

计算机的基本结构是什么，计算机系统怎么组成，对于学习单片机有什么作用？

计算机的基本结构思想：两个基本原则和五大部件，两个基本原则包括二进制（信息存储）和程序存储（自动执行），五大部件：控制器 运算器 存储器 输入设备 输出设备。

对于学习单片机的作用：有助于理解数据 程序 与计算机硬件的关系

计算机系统组成：硬件系统（五大部件）和软件系统（系统软件和应用软件）

怎么理解微型计算机，单片机，单板机？

微型计算机：以微处理器为核心加上大规模的集成电路构成的微型计算机 （功能部件不在一个芯片上，比如:存在专门的内存条 cpu 硬盘 键盘 鼠标等）

单片机：又称单片微控制器，是具有一定规模的微型计算机 。（将计算机的各基本部件集成在一块芯片上，超大规模集成，一个片上接近完整的计算机系统）。

单板机：又称“开发板”，这里指用于实验或简易的系统开发。它是将单片机的各个部分组装在一块电路板上。

个人理解：单片机是微型计算机的一种，以控制为主。 而微型计算机是以信息处理为主 ，单板机就是用来学习单片机的一块电路板。

二进制，八进制，十六进制的相互转换是怎么转换的？

1. 进制转换：二进制 八进制 十六进制

1. 位权法：把各个非十进制数按权展开，然后求和。
2. 除基取余法：除基取余，先余为低位，后余为高位。
3. 乘基取整法：乘基取整，先整为高位，后整为低位。

例题：

位权法：二进制八进制十六进制转十进制

八进制 十六进制同理  将2换成8或16即可。

除基取余法：注意余数从下到上写

乘基取整法:注意余数从上到下写

原码，反码，补码分别是什么怎么计算？

组成：1符号位（标志位）+7数值位

原码：正数符号位用‘0’，负数符号位用‘1’。数值位，一个正数按绝对值大小转化成的二进制数，一个负数按绝对值大小转换成的二进制数，称为 原码 

反码：符号位不变，数值位按位取反（负数），正数的反码不变，称为 反码

 补码：符号位不变，由反码的最后一位加1（负数），正数的补码不变， 称为 补码

注:在计算机中，任何有符号数都是以补码的形式存储的！！！

在计算的时候注意题干给的是 有符号数 还是无符号数！

小结：

1. 八位二进制数能表示的十进制数范围为-128到127；
2. 如果数小于-128或者大于127，则会溢出，溢出只能用两个字节，16位二进制数表示了。
3. 0的补码为00000000（+0），-128的补码为：10000000（-0）
4. 计算机中有符号数用补码表示；
5. 原码首位为标志位，1为负数，0为正数
6. 反码：原码的标志位不变，其他取反
7. 补码=反码+1
8. 正整数的原码 反码 补码都相同。

 什么是BCD码，ASCII码？

BCD码（表示数字）：二-十进制编码，四位二进制代码表示一位十进制数    组成：四位的二进制代码

注：进行二进制加法运算的时候，若和的低四位大于9（即1001B）或低四位向高四位有进位的时（以此类推，有进位或大于9，就需要+6来修正）需要+6来修正。

ASCII码(表示字符)（国际标准信息交换码）：一个校验码+7个二进制代码 表示一个字符

什么是单片机，特点是什么？

单片机：将计算机的各个基本功能部件集成在一块芯片上构成的专用微型计算机系统（嵌入式系统），用于解决被控对象的智能化问题。

特点：

体积小（便于嵌入被控对象）

扩展性好（便于组成各种应用系统）

可靠性高（信息传输 以及对I/o口访问都在单片机内部进行的，不易受外界干扰）

性价比高（插件少 功能齐全）

怎么理解单片机和嵌入式系统的关系？

简单来说单片机是嵌入式系统：因为很多嵌入式产品中被嵌入的计算机系统就是单片机

但是:嵌入式系统是一个大类，单片机是其中一个重要的子类。嵌式系统像是一个完整的计算机，而单片机更像是一个没有外设的计算机。

嵌入式这个概念实际上很泛化，现在讲嵌入式这个词的人，可能想表达的意思并不相同。咱们上面讲的嵌入式的概念是嵌入式本来的定义，也就是所谓广义上的嵌入式。

而狭义的嵌入式，其实是“嵌入式linux系统”的简称。这种狭义的嵌入式最初指的是运行了linux系统的嵌入式计算机系统。后来也包括运行了和linux同级别的其他嵌入式系统（譬如WinCE、Vxworks、Android等）的计算机。

单片机的应用灵活性体现在哪些方面?

传统的数字电路需要根据系统要求设计电路，用各种独立的集成电路芯片来构成系统，当系统功能有新的需求是需要重新设计电路，组装芯片。

而单片机可以通过软件编程来实现功能的转换，不用改变硬件系统。
 

单片机的发展趋势：

高集成度，高性能，高性价比，低功耗

机器位数增加

外设接口内置化

第二章 51单片机及硬件结构

1.80C51的内部硬件资源及其主要功能能？

2.单片机的时序

80C51的内部硬件资源及其主要功能

1.CPU:CPU是单片机内部的核心部件，是单片机的指挥和控制中心，可分为运算器【逻辑运算部件（ALU），累加器ACC,程序状态寄存器（PSW）】和控制器【程序计数器（PC)，指令寄存器，指令译码器，定时/控制电路】两大部分。

 

ALU:对各种数据进行算数和各种逻辑运算  运算结果——累加器   运算结果的状态信息-PSW

 

ACC：ACC常用于存放使用次数高的操作数或中间结果

 

PSW：用于寄存当前指令执行后的某些状态，反应指令执行结果的一些特征结果

【psw各位定义：cy：进位/错位标志    AC：辅助进位标志    F0(PSW.5)/F1(PSW.1):用户标志位    RS1(PSW.4)和RS0(PSW.3):寄存器组选择控制位    OV(PSW.2):溢出标志位    P（psw.0）：奇偶标志位   p=1奇数    p=0偶数】

 

PC：用来存放CPU要执行的，存放在程序存储器中的，下一条指令存储单元的地址

也是当前指令所在地址的指示器。  完成规定指令的流程：从RAM中取出指令——译码——执行指令。

 

2.ROM:程序存储器 用于存放已编制好的程序及程序中用到的常数   掉电后 数据不丢失

3.RAM:数据存储器  用于存放程序的中间结果.状态标志位等    一旦掉电 数据丢失

【数据存储器含有的内部数据存储器和外部数据存储器】

【内部数据存储器又分为：低128B的RAM区（通用寄存器区，可位寻址区，只能字节寻址的RAM区，堆栈缓冲区）和高128B的RAM区（专用寄存器SFR）】

 

【低128B的RAM区】：地址空间为00H—7FH

【通用寄存器区—工作寄存器区】：00H—1FH

【可位寻址区】：20H—2FH

【用户RAM区】：30H—7FH（堆栈缓冲区 数据缓冲缓冲区）

 

【高128B的RAM区—专用寄存器SFR】：简要介绍部分SFR：累加器ACC 寄存器B 程序状态字PSW 堆栈指针SP 端口p0 端口p1 端口p2 端口p3    后续章节还有TMOD TCON SCON DPH DPL IE 等专用寄存器 。

4.I/O:4个八位并行I/O口  ，p0——p3口    

【p0口：双向8位三态I/O口  三态：高电平，低电平，高阻态。 读入数据/发出地址总线使用

【p1口：八位准双向I/O端口 最简单的口 无高阻态，只能输入或输出

【p2口：八位准双向I/O端口  I/O（输入/输出）与p1口一样，作数据/地址线使用

【p3口：输入/输出与p1一样，但是具有第二功能（p3.0——p3.7）

5.一个串行口：全双工通信接口，即能同时进行发送和接收数据

6.两个16位定时/计数器：用于定时 对外部事件进行计数   

7.中断系统：5个中断源  

【CPU响应中断源的操作步骤】：

1.关中断：发出中断信号

2.保护断点:将断点处的PC值或IP值压入堆栈保留

3.识别中断源：CPU对中断请求进行处理，找到对应中断服务程序的入口

4.保护现场:将断点处有关的寄存器状态及标志寄存器的状态压入堆栈

【注：堆栈向上生长，出栈后入先出】

5.执行中断服务程序

6.恢复现场：即把中断服务程序执行前压入堆栈的信息恢复

7.开中断与返回：先开中断后返回  这样的目的是能继续响应新的中断请求

单片机的工作方式

1.复位及复位方式

2.程序执行工作方式

3.节电工作方式

1.复位及复位方式：

【什么是复位】：使单片机恢复到起始状态，让单片机的程序从头开始执行，运行时钟处于稳定状态、各种寄存器、端口处于初始化状态等等。目的是让单片机能够稳定、正确的从头开始执行程序。

 

【为什么要复位】:
数字电路中寄存器和 RAM 在上电之后默认的状态和数据是不确定的，如果有复位，我们可以把寄存器复位到初始状态，RAM 的数据可以通过复位来触发 RAM 初始化
程序逻辑如果进入了错误的状态，通过复位可以把所有的逻辑状态恢复到初始值，如果没有复位，那么逻辑可能永远运行在错误的状态。(一些简单的IC芯片没有看门狗电路，就需要外部复位)
 

【上电复位】：是指 单片机接通工作电源（即VCC等于5V），片内各功能部件的初始状态。电位与VCC等电位，复位引脚RST/VPD为高电平。

 

【按键复位】：按键复位又包括 按键脉冲复位和按键电平复位。【按键脉冲复位】由外部提供一个复位脉冲，复位脉冲的宽度应该大于两个机器周期。

 

【按键电平复位】：高电平按键复位，VCC上电时，电容C充电，此时电路导通，在10K电阻上出现电压， RST 引脚为高电平，使得单片机复位;几个毫秒后，C充满，此时电路为断路，10K电阻上电流降为0，电压也为0，RST引脚为低电平，使得单片机进入工作状态。

单片机的时序:

【时钟】：产生时钟脉冲 可以控制单片机在执行微操作的执行顺序

【时钟脉冲】：51单片机的时钟振荡器是由单片机内部反向放大器和外接晶振及微调电容组成的一个三点式振荡器，将晶振和微调电容接到8051的XTAL1和XTAL2端即可产生自激振荡。

【时钟周期 机器周期 指令周期】：

【时钟周期】：“单片机的基本时间单位”，也称振荡周期，是振荡频率fosc的倒数，是单片机的最小时间单位。

【机器周期】：一个机器周期等于12个时钟周期 等于2个状态周期

【指令周期】：单指令：一个机器周期 双指令：两个机器周期 四指令：四个机器周期

注：不是所有单指令就是一个机器周期  也不是双指令就是两个机器周期

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