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第1章 基 础 知 识 单片机原理与应用 48学时 第1章 基 础 知 识 第1章 基础知识 1.1 计算机的基本知识 1.2 单片机及其发展概况 1.3 本课程应掌握的内容 第1章 基 础 知 识 1.1 计算机的基本知识 1 . 1 . 1计算机的基本结构 人脑计算 28*3+4*9=？ 算盘用来计算运算器 纸笔用来存储中间结果存储器 第1章 基 础 知 识 1 . 基本结构 图11 2 .总线概念 （1）地址总线 用于传送地址信息，是单向传送。 1条地址线可以区分2个存储单元，N条地址线可以 区分(寻址) 2N 个存储单元。 第1章 基 础 知 识 （2）数据总线 用于CPU与存储器，CPU与外设，外设与外设之间 传送数据。 在运算器中，数据线的数目应与待处理的数据位数 相同。 运算器内数据线的条数称为微处理器的“字长“。 第1章 基 础 知 识 （3）控制总线 控制信号线的总称，传送控制信息 。 第1章 基 础 知 识 3. 时钟周期、机器周期和指令周期 （1）时钟周期 输入微处理器的时钟信号的周期，叫时钟周期，也 叫振荡周期。 （2）机器周期 是单片机完成一个基本操作所需的时间。在51系列 单片机中，一个机器周期由12(或6)个时钟周期组成 。 第1章 基 础 知 识 （3）指令周期 CPU执行一条指令所需的时间，通常由几个机器周 期组成。 1.1.2计算机的内部结构及工作过程 1.CPU的内部结构 图12 第1章 基 础 知 识 CPU通常由算术逻辑运算单元ALU，累加器 A，寄存器B，程序状态寄存器 PSW，程序计数 器PC，地址寄存器AR，数据寄存器DR，指令 寄存器IR，指令译码器ID，控制器等部分组成 。 (1) 程序计数器PC 16位 存放将要执行的指令代码所在存储单元的地址 编码，一条指令取出后，PC内容自动加1。 第1章 基 础 知 识 PC位数与CPU地址线数目一致。 PC复位后有确定值。 (2) 地址寄存器AR 16位 存放将要寻址的外部存储器单元的地址， 地址寄存器通过地址总线与外部存储器相连。 例：将外部存储器单元3FFFH的内容读到累 加器A中 第1章 基 础 知 识 (3) 指令寄存器IR 存放取指阶段读出的指令代码的第一个字 节。即操作码。 例：ADD A，#30H 第1章 基 础 知 识 (4) 数据寄存器DR 存放写入(到)外部存储器或I/O端口的数据 信息。数据寄存器与外部数据总线相连。 第1章 基 础 知 识 (5) 算术逻辑运算单元ALU 用于算术逻辑运算 。 (6) 程序状态寄存器 PSW 存放运算结果的状态信息。 第1章 基 础 知 识 2.存储器 存放程序和数据。 （）存储器内部结构 由地址译码器，存储单元，读写控制电路等 组成。 图13 第1章 基 础 知 识 要点： * 存储器中的一个存储单元等效于一组触发 器，每个触发器有两个稳定状态，可以记录1 位2进制数。 * 每个存储单元包含的触发器的个数称为存储 单元的“字长”。 * 存储器芯片内存储单元数目M与存储芯片的 地址线条数N有关，M=2N 第1章 基 础 知 识 * 存储单元有地址编码，如32K存储器有 32X1024个存储单元，地址编码为：0000H 7FFFH （）存储器工作状态 存储器工作状态由控制信号决定，表11 第1章 基 础 知 识 * 地址寄存器AR给出存储单元的地址编号 例：CPU读取地址编号为0000H存储单元的内容。 * 地址总线将地址编号送到存储器的地址线上 * 存储器的地址译码器译码，选中0000H单元 * CPU给出读控制信号RD * 0000H存储单元内容送到数据总线上。不是DR中 （3）存储器的读操作 图14 第1章 基 础 知 识 * AR给出存储单元的地址编号0003H 例：CPU把55H写入0003H存储单元 * 地址总线将地址编号送到存储器的地址线上 * 存储器的地址译码器译码，选中0003H单元 * CPU给出写控制信号WR *存于数据寄存器DR中的55H通过总线送到 0003H中。 （）存储器写操作 图14 第1章 基 础 知 识 3.指令的执行过程 例:将存储器0020H单元与0021H单元中的内容 相加,和值存在002FH单元，程序如下： 写操作后，被写入存储单元的原有信息将 不复存在。 读操作后，被读存储单元的内容不变。 MOV A，0020H ADD A，0021H MOV 002FH ，A 第1章 基 础 知 识 分析指令的执行过程： 图1-5 取操作码(指令第一字节) ；译码； 取操作数；执行指令规定的操作。 第1章 基 础 知 识 CPU的所有工作可概括之：从存储器中取出指 令；译码；执行指令规定的操作（ 经过算术和逻辑运算后，输出相应的结果）。 取下一条指令；如此循环往复 4.总结： 第1章 基 础 知 识 1.2单片机发展概况 1.2.1单片机及其特点 通用微机中把运算器、控制器做在一个芯 片上，称中央处理器CPU ，也称微处理器. 单片机则把运算器、控制器、输入输出接 口、时钟电路、以及存储器等做在一个芯片 上，称微控制器MCU. 第1章 基 础 知 识 单片机一个芯片就具备了一个完整计算机系统所必须 的基本功能。 * 通用微机与单片机功能区别： * 微处理器CPU与微控制器MCU(单片机)的主要区别： 通用微机主要任务是数值计算和信息处理，运算速度 和存储容量越大越好。时钟频率已达几个。 单片机主要面对工业控制，一般8位字长已够用。时钟 频率在几兆数十兆内。 第1章 基 础 知 识 单片机特点： * 抗干扰性强 * 可靠性高 * 控制功能强 ,数值计算能力较差 * 指令系统简单 * 更新换代慢 第1章 基 础 知 识 1.2.2单片机的技术现状及发展趋势 1.发展过程 4位机，8位机，16位机，32位机，嵌入式 控制芯片 8位单片机发展过程: 第1章 基 础 知 识 2.常用机型 强化了接口功能的新一代8位机； 数值运算能力强的32位嵌入式单片机。 3 .新一代8位单片机主要特征 (1) 片内存储器容量大 ； (2) 指令执行时间大大缩短 第1章 基 础 知 识 (3) 扩展了接口电路功能 (4) 增加了串行接口部件规格和数量 (5) 部分型号增加了定时复位(Watchdog)监控 电路 (6)增加了CPU时钟分配器 (7) 内置定时复位监控电路，提高可靠性 第1章 基 础 知 识 4 .应用领域 单机应用： 智能产品、智能仪表、工业测控系统、数控 系统、智能接口、过程控制等 多机应用： 并行多处理系统、局部网络系统等 第1章 基 础 知 识 1.3 本课程应掌握的内容 （1）熟练掌握MCS-51系列单片机的原理、 性能、结构和使用方法 （2）熟练掌握MCS-51系列单片机的指令系 统，完成一般的应用程序设计 （3）用单片机开发一个应用系统，包括硬件 设计和软件设计 第1章 基 础 知 识 本章要求掌握的要点: * 计算机基本结构 * 总线概念 * CPU的内部结构，工作过程 * 单片机与CPU的区别 第1章 基 础 知 识 作业: 一版教科书，习题一: 1, 3 ,4, 5 ,6 ,7 简述指令执行的过程。 二版教科书，习题一: 1, 3 ,4, 5 ,6 ,7 简述指令执行的过程。 图1-1 计算机基本结构 PC 程序计数器 AR地址寄存器DR 累加器 A 寄存器 B PSW IR 控制器 ID ALU Out In_1 In_2 暂存器 算术逻辑运算 CPU输出的控制信号 CPU 指令译码器 指令寄存器 数据寄存器 数据总线（DB） 外存储器 控制信号 地址总线（AB） 内部数据总线 图1-2 CPU的内部结构简图 图1-3 存储器芯片 32K 存储器芯片 图1-4 CPU读取存储器操作过程示意图 0000 PC 0000 读控制信 号 E5 累加器 A 寄存器 B PSW E5 控制器 ID ALU Out In_1 In_2 暂存器 算术逻辑运算 CPU输出的控制信号 CPU 数据总线 （DB） 内部数据总线 0000H 0001H 0002H 0003H 00