单片机原理、实验和接口教程 pdf下载

伴随着国民经济的高速发展，人们对高等教育本质的理解不断深入，相关课程更加注重对工程实践场景的构建；同时，近几年对机械电子工程专业学生工程技能水平的要求也在不断提升；这就需要有知识性更系统、实践性更突出的微机原理与应用类教材。

　　针对以上情况，我们组织一线教师，总结和分析了本书第1版的优点和不足，提出了第2版教材的修订计划。本次再版，充分考虑了各使用院校教师和学生的反馈意见和建议，并结合我们课程团队在课程建设、教学实践中的新想法和新思路，对原教材内容做了更新、补充与完善。

　　本书以专业基础知识为背景，以实践教学过程为载体，着眼于学生对理论知识的应用能力和对基本工程问题的解决能力，培养学生良好的工程素养。

　　《单片机原理、实验和接口教程（第2版）》共分3篇，总计12章。第1篇共有7章的内容，主要包含51系列单片机的结构原理、汇编语言程序设计等知识；第2篇共有4章的内容，主要包含51系列单片机的扩展应用方式、常用接口芯片与单片机的连接和应用、单片机应用系统的设计等知识；第3篇尽管只有一章，却包含了C51语言程序设计的基础内容，且列举了较多的编程实例，这些以C51语言编制的实例大多数来自以往汇编语言程序的实例，这样会使读者有机会比较不同语言编制的程序，进入单片机学习的新境界。

　　本书可以作为各类高等学校单片机课程的基础教材，也可以作为单片机爱好者的自学教材。

基 础 篇

第1章 单片机基础知识3

1.1 引言3

1.2 常用的数制和码制7

1.3 单片机内部结构概论18

1.4 单片机产品概述27

本章小结28

思考与练习29

第2章 MCS-51系列单片机系统的

基本组织30

2.1 总体结构30

2.2 CPU的特性32

2.3 存储器的组织33

2.4 I/O接口39

2.5 时钟和时钟电路46

2.6 启动和复位电路46

本章小结48

思考与练习48

第3章 MCS-51系列的指令系统50

3.1 指令格式和寻址方式50

3.2 数据传送类指令56

3.3 数据处理类指令66

3.4 位操作类指令77

3.5 程序转移类指令80

3.6 CPU执行指令的时序89

本章小结91

思考与练习92

第4章 MCS-51系列汇编语言程序

设计96

4.1 伪指令96

4.2 汇编语言的语句格式101

4.3 汇编语言程序设计的方法102

本章小结125

思考与练习126

第5章 MCS-51单片机系列的中断

系统129

5.1 中断的概念129

5.2 中断处理过程134

5.3 中断程序的编制136

本章小结140

思考与练习141

第6章 MCS-51单片机的

定时器/计数器142

6.1 定时器/计数器的结构和工作原理142

6.2 控制定时器/计数器的特殊功能

寄存器151

6.3 定时器/计数器的应用及其编程153

本章小结162

思考与练习163

第7章 MCS-51单片机的串行接口167

7.1 串行通信的概念167

7.2 单片机串行接口的结构原理170

7.3 单片机串口的工作方式和相关的

特殊功能寄存器172

7.4 串行口应用举例179

本章小结189

思考与练习190

　　

扩展、接口和应用篇

第8章 MCS-51单片机的扩展技术193

8.1 单片机扩展原理193

8.2 程序存储器的扩展194

8.3 数据存储器的扩展200

8.4 并行接口的扩展209

8.5 综合接口芯片8155228

本章小结232

思考与练习233

第9章 键盘/显示器的接口技术235

9.1 LED数码显示器的结构原理和接口

技术235

9.2 键盘结构的原理与接口技术242

9.3 8279显示器/键盘接口电路的原理

和应用248

本章小结261

思考与练习262

第10章 D/A和A/D转换器的接口

技术263

10.1 D/A转换器和接口技术264

10.2 A/D转换器和接口技术274

本章小结283

思考与练习283

第11章 单片机应用系统的研制285

11.1 单片机应用系统设计概述285

11.2 单片机应用系统的硬件设计286

11.3 单片机应用系统的软件设计290

11.4 单片机应用系统设计举例291

本章小结312

思考与练习312

　　

C51 篇

第12章 C51程序设计初步315

12.1 C51概论315

12.2 C51的数据类型316

12.3 C51位变量逻辑运算符322

12.4 C51程序设计323

12.5 C51的函数库339

12.6 多模块及其C51语言与汇编语言

混合编程340

本章小结342

思考与练习343

附录 51系列单片机的指令表345

参考文献350

　　第1章 单片机基础知识
　　如今电脑、计算机、单片机，都已成为人们非常熟悉的词语了。然而，单片机与计算机究竟是什么关系？单片机究竟为何物？单片机与嵌入式系统又是什么关系呢？另外，电脑最为神奇的作用是处理各种各样的信息，那么，它是如何来表达这些信息的呢？这些问题是学习本书内容的基础，也正是本章要回答的问题。
　　本章要点：
　　* 单片机的由来和特点。
　　* 补码的特点和应用。
　　* 单片机的内部基本结构。
　　* CPU执行指令的过程。
　　* 存储器的作用和分类。
　　* 输入输出接口的作用。
　　学习目标：
　　* 了解单片机的特点。
　　* 掌握补码表示数据的方法及其运算。
　　* 掌握CPU执行指令的步骤。
　　* 掌握存储器存取数据的过程。
　　1.1 引 言
　　要回答"单片机究竟为何物，以及单片机与计算机究竟是什么关系"这两个问题，显然要追溯计算机的历史和发展进程。
　　1.1.1 计算机
　　计算机(俗称电脑)诞生于20世纪40年代，它的功能从最初的计算，不断向控制、信息处理和通信等各个领域延伸。随着电子技术的发展，计算机经历了电子管时代、晶体管时代、大规模集成电路和超大规模集成电路时代，计算机家族也从小型机、大型机，发展到巨型机和微型机。
　　那么，最初的计算机内部结构是什么样的呢？据文献记载，计算机内部结构的蓝图是由世界著名计算机科学家冯·诺依曼绘制的，如图1-1所示。
　　图1-1 冯·诺依曼的计算机硬件结构
　　在冯·诺依曼的蓝图中，计算机的硬件结构由五大部件组成。这五大部件是当代计算机硬件的雏形。学习硬件可以从这里出发。以下将对这五大部件的功能进行简要说明。
　　(1) 运算器。运算器是计算机的中心，其功能就是进行数据运算，"计算机"的名称也正是因此而来。由于运算器处在计算机的中心位置，早期计算机的一些数据传送需经过运算器。
　　(2) 控制器。控制器是执行指令的部件，它向系统中的其他部件发出控制信号，协调各部件工作。计算机通过它来实现本身运行过程的自动化。
　　(3) 存储器。存储器是存放程序和数据的部件，正是因为事先将程序储存在存储器中，控制器才能自动地完成计算机交给的任务。
　　(4) 输入设备。输入设备是输入信息的部件，输入的信息有原始的程序、数据，以及计算机操作命令等，常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。
　　(5) 输出设备。输出设备是输出信息的部件，输出的信息有计算结果、绘制的图形表格，以及计算机操作提示信息等，常用的输出设备有显示器、打印机等。
　　也许人们现在已经很难将手头电脑的结构与冯·诺依曼的电脑结构联系起来了。在现在的电脑中，已看不到独立的运算器和控制器的身影了，那么，它们到哪里去了呢？
　　在回答这个问题之前，我们先看看冯·诺依曼的计算机是如何工作的，这种计算机有什么特点，它与后来的计算机有什么关系。
　　首先仔细观察一下图1-1。图中的5个方框代表了计算机的五大部件，而其中的连接线有两类，即较粗的有向线段和较细的有向线段，它们分别代表数据线和控制线。控制线的信号均来自控制器，每一部件也均有一组数据线与相关部件相连。为了使计算机按照人们的意图进行计算(早期计算机的任务就是计算)，必须事先把计算方法和操作步骤用指令编制成计算机可执行的程序，通过输入设备，将一条一条的指令以二进制数的形式存放在存储器中。计算机启动后，就从存储器中依次取出指令，送控制器分析，控制器根据指令的操作要求，向系统各部件发出一系列相应的操作信号，使系统各部件完成相应的工作。例如要求运算器完成加法工作等。程序执行过程中或执行结束时，可以通过输出设备将中间结果或最终结果显示出来。
　　根据冯·诺依曼计算机的工作原理，可以总结出以下特点。
　　1. 采用存储程序的工作方法
　　将计算机要处理的数据和计算方法、步骤，事先用计算机操作命令(指令)编制成程序，存放在计算机的存储器中。计算机运行时，自动地、连续地从存储器中取出指令并执行，不需要人工干预。
　　2. 采用二进制代码表示指令和数据
　　计算机内部的信息全部采用二进制编码，使用这样的设计，主要原因是二进制的0和1两种状态用电路容易实现，运算器电路比较简单。另外，二进制信息对应的数字电子信号的抗干扰能力强。
　　令人感到惊奇的是，目前的计算机(电脑)仍然具有以上两个特性，只是我们通常没有感知到罢了。比如，在计算机中执行一个程序时，只要对准这个程序的图标点击两下就行。其实，当用户点击了这个程序后，计算机操作系统就将该程序的二进制信息从硬盘装载到存储器，然后执行。再比如，我们需要向计算机输入数据时，一般都是直接输入十进制的数据而不是二进制数据，但其实这也是计算机中的系统软件在暗地里将十进制数转换成二进制数而已。
　　由计算机的结构原理引出了两个名词，即硬件和软件，这是计算机区别于过去其他机器的重要特征。于是，对于计算机结构，完整的描述是：计算机是由硬件和软件组成的，其硬件主要包括控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备；其软件可分为系统软件、程序设计语言和应用软件；系统软件包括操作系统、编辑程序、诊断程序、调试程序、数据库管理程序、装配连接程序等；程序设计语言包括机器语言、汇编语言、高级语言和应用语言；应用软件包括通用软件、实用软件、用户程序等。
　　计算机的系统结构如图1-2所示。
　　图1-2 计算机的系统结构
　　随着电子技术的发展，特别是大规模集成电路的发展，计算机硬件的结构发生了一个重要的变化，那就是将原来计算机中的控制器和运算器组合在一起，集成在一块半导体芯片上，并给它起了一个响亮的名字--中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。这就是为什么在现在的计算机中看不到独立控制器和运算器的原因了。
　　控制器和运算器隐身后，使计算机系统的可靠性得到了很大的提高。以往在控制器与运算器之间存在大量的连线，这些连线是导致计算机故障常发的因素，而随着两者在CPU中的集成，这些故障也就随之消失了。
　　1.1.2 微型机
　　计算机出现后，一方面朝着巨型机的方向发展，不仅体积庞大，而且技术上也追求高精尖，以满足高端要求，另一方面，又走大众化的道路，来满足普通民众的需求，使得计算机体积微型化，也就是我们平时看到最多的一种计算机--微型机。
　　那么，微型机与传统的计算机在结构上有什么不同呢？答案是基本相同。先让我们来看一下早期的微型机的结构，如图1-3所示。
　　图1-3 早期微型机的结构
　　图1-3中，表示的是一种单CPU、单总线的微型机结构。这种结构的微型机中，CPU、存储器、接口各自连接在系统唯一的总线上，输入/输出设备分别通过接口与系统相连。
　　在这种结构的电脑中，CPU通过系统总线到存储器中读取指令或数据，CPU也是通过总线与输入/输出设备传送信息。但是，系统不能在同一时刻在三个部件之间传送信息，否则，不同的信息将在同一条总线上撞车。
　　微型机的发展是随着计算机的发展而发展的，这里的"计算机"，是指小型机和大型机，微型机借鉴小型机和大型机发展的技术，从单CPU、单总线结构，朝着多CPU(多核)、多总线结构的方向发展。
　　对于初学者来说，微型机的有关术语经常容易引起混淆，这里需要先澄清一下，以利于今后的学习。
　　1. 微处理器
　　微处理器是将控制器、运算器、寄存器集成在一块芯片上的系统，称为MPU(Micro Processor Unit)。
　　2. 微型计算机
　　以CPU为中心，配上存储器、接口，用系统总线将三者连接起来的系统，称为MC(Micro Computer)。
　　3. 微型计算机系统
　　以MC为中心，配上输入/输出设备、系统软件组成的系统，称为MCS(Micro Computer System)，俗称电脑、"计算机"或"微机"。
　　1.1.3 单片机与嵌入式计算机
　　在微型计算机系统跟着大型机、巨型机朝着通用性(多功能)方向奋进的同时，制造商又开辟了新的发展路径。1976年，Intel公司推出了世界上第一片单片机芯片8048。
　　单片机从诞生那天起，就与微型计算机系统分道扬镳。微型计算机系统走的是通用化的发展道路，也就是不断地增加自身的功能；而单片机走的是专用化的发展道路，即朝着控制器的方向发展，使计算机成为人类社会进入全面智能化时代的有力工具。
　　Intel公司经过不断完善单片机产品，在1980年推出了被业界公认的经典产品MCS-51系列单片机。这款产品经历了三十多年，仍然是单片机领域内的主流产品。1984年，Intel公司又研制出了高性能的MCS-96系列单片机。
　　20世纪80年代和90年代是单片机迅速发展和应用的年代，各种单片机围绕着应用对象，不断地在内部添加外围接口电路，如A/D转换器、D/A转换器、PWM、日历时钟、电源监测、程序运行监测电路等。突出地显示出单片机对其应用对象的智能化控制能力。因此，单片机的称呼也逐渐从SCM变成微控制器MCU(Micro Controller Unit)。
　　随着单片机技术的发展，嵌入式计算机的概念被提了出来。那么，单片机与嵌入式计算机又有什么区别呢？答案是没有区别。仅仅是同样的东西被冠以不同的名称而已。嵌入式计算机就是"嵌入到对象体系中的专用计算机系统"。由此可见，单片机是根据计算机的特殊结构来命名的，而嵌入式计算机是根据计算机形态来命名的。现在有一个趋势，就是将单片机统一在嵌入式计算机名下。
　　由于单片机或嵌入式计算机的应用领域被不断地拓展，应用系统的外围电路也不断地被集成进嵌入式计算机中，芯片最大化的趋势十分明显，由此，片上系统SoC(System on Chip) 的概念也应运而生，也就是将嵌入式应用系统中的电路元器件尽可能地集成在一块或几块芯片中。这样做的好处是，应用系统电路板非常简洁，可减少体积和功耗，提高可靠性。
　　1.2 常用的数制和码制
　　前面曾经提到过，计算机中的指令和数据均是用二进制数来表示的。本节我们就来学习二进制数的相关知识。
　　1.2.1 常用的数制及其转换
　　计算机中常用的数制有二进制、十六进制和十进制。实际上，CPU能直接识别处理的只是二进制数，而十六进制和十进制数只是在高级语言、汇编语言编程时使用。
　　为了区分不同的进制数，采用在数字后面跟一个字母来标识。比如二进制用B(Binary)、十六进制用H(Hexadecimal)、十进制用D(Decimal)(通常省略)。
　　1. 二进制数
　　计算机中的CPU可以对指令代码、数据、地址以及各种符号代码进行处理，这些代码和数都是用二进制数来表示的。
　　使用二进制数有以下优点。
　　(1) 二进制数在物理上容易实现。在电路中用高/低电平、正/负极性、开关的开/合等来表示二进制数的"1"和"0"。
　　(2) 二进制数的运算规则简单，所以运算电路的结构也很简单。
　　(3) 二进制数的"0"和"1"正好与逻辑代数的"0"和"1"吻合，使逻辑运算可以方便地进行。
　　(4) 二进制数与其他进制数的转换也比较简单。
　　对任意一个二进制数N2，均可用多项式表示为：
　　(1-1)
　　二进制数的特点是，基数R=2，数字符号Bi={0，1}，运算规则是"逢二进一"。
　　例1-1 写出二进制数1010.1001B的多项式表达式。
　　解：
　　2. 十六进制数
　　由于二进制数表达一个数时其长度比较长，书写不方便，记忆也不容易，而十六进制数与二进制数有着天然的联系，即四位二进制数正好表达一位十六进制数，这样，数字的长度可以被有效地压缩，就克服了二进制数的缺点。与二进制数一样，任意一个十六进制数N16均可以表示为：
　　(1-2)
　　十六进制数的特点是，基数R=16，数字符号Hi={0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F}，运算规则是"逢十六进一"。
　　例1-2 试将1001111011001.0011010101101B用十六进制数来表达。
　　解：先将题中数的整数部分，从小数点起向左分成四位一组，即1 0011 1101 1001。如果最左面的一组数字不满四位，则在其左边添若干"0"，使该组也成四位，变成0001 0011 1101 1001。接着，将其转换成十六进制数，即13D9H。
　　然后，将题中数的小数部分从小数点起向右分成四位一组，即0011 0101 0110 1。如果最右面一组数字不满四位，则在其右边添若干"0"，使该组也成四位，变成0011 0101 0110 1000。接着，将其转换成十六进制数，即0.3568H。
　　……

　　伴随着国民经济的高速发展，人们对高等教育本质的理解不断深入，相关课程更加注重对工程实践场景的构建；同时，近几年对机械电子工程专业学生工程技能水平的要求也在不断提升；这就需要有知识性更系统、实践性更突出的微机原理与应用类教材。

　　针对以上情况，我们组织一线教师，总结和分析了本书第1版的优点和不足，提出了第2版教材的修订计划。本次再版，充分考虑了各使用院校教师和学生的反馈意见和建议，并结合我们课程团队在课程建设、教学实践中的新想法和新思路，对原教材内容做了更新、补充与完善。

　　本书以专业基础知识为背景，以实践教学过程为载体，着眼于学生对理论知识的应用能力和对基本工程问题的解决能力，培养学生良好的工程素养。

　　此次修订中，在秉承原书风格的基础上，对以下几个方面做了修改，特此说明：

　　* 在第11章中，更改和增加了有关单片机应用系统设计的实例。删除了原来例11-5的内容，增加了两个新的实例作为例11-5和例11-6，使实例与机械电子工程专业的结合更加紧密。

　　* 在第12章中，加入了"多模块及其C51语言与汇编语言混合编程"一节的内容。其目的是为了提高学生编制C51语言程序的能力。

　　* 此次修订过程中，还对原书中的十八个实验做了比较大的修订，将实验的内容编写得更接近于实验指导书，使学生更容易自己对实验进行操作、演练。

　　在本书的修订过程中，沈林勇、周涛、刘建平、施群、王梅等教师提出了宝贵的意见，在此表示衷心的感谢。

　　希望此次修订能继续得到同行和学生的认可和支持。但由于编者水平有限，书中不足之处在所难免，欢迎读者对此教材提供宝贵的意见。

　　编 者

　　2016.12