《微型计算机基础》PPT课件.ppt

第1章 微型计算机基础,单片机原理与接口技术,2,教学参考书和要求：,教学参考书： 1.本课程选用教材 单片机原理及接口技术，自编教材 2. 主要参考书如下： 1新编单片机原理及应用，汪贵平编著，机械工业出版社 2新编MCS-51单片机应用设计，张毅刚编著，哈工大出版社 3单片机原理及其接口技术，胡汉才编著，清华大学出版社 4单片机初级教程，张迎新编著，北京航空航天大学出版社 5单片机基础，李广弟编著，北京航空航天大学出版社 6单片机原理与应用，赵德安编著，机械工业出版社,3,要求： 熟练掌握51单片机的硬件结构、内部各功能部件的工作原理、指令系统； 掌握在Windows集成开发环境 Vision4（或MedWin3.0）中编辑、仿真调试单片机汇编程序的方法； 学会应用各种常用接口芯片对应用系统的设计、调试和故障诊断方法； 为后续课程、课程设计、“大创”项目、微机化产品大赛、“太阳鸟”项目等打下基础。,4,第1章 微型计算机基础 1.1 计算机中的数制 1.1.1 计算机中常用的数制 1.十进制(Decimal) 基数为10，有10个数字符号：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 例：十进制数1234 D，可以展开为： 1103+2102+3101+4100 其中：103、102、101、100为该位的权，其中的10是十进制的基数，逢十进一。,5,2.二进制(Binary) 基数是2，只有两个数字符号：0和1。 例：10010010 B，可以展开为： 127+026+025+124+023+022+121+020 其中：27、26、25、24、23、22、21、20为该位的权，其中的2是二进制的基数，逢二进一。,6,3.十六进制(Hexadecimal) 基数是16，有16个数字符号：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。 例：9ABC H，可以展开为： 9163+10162+11161+12160 其中：163、162、161、160为该位的权，其中的16是十六进制的基数，逢十六进一。 4.十进制：生活中常用，编程用 二进制：计算机中用 十六进制：编程用，书写方便,7,1.1.2 数制间的转换 1.非十进制数转换成十进制数 方法：把各个非十进制数按位权展开求和即可。 二进制数转化成十进制 例： 10010010 B = 127+026+025+124+023+022+121+020 = 146 D 十六进制数转化为十进制数 例：9ABC H = 9163+10162+11161+12160 = 39612 D,8,2.十进制数转化为其它进制数 十进制数转成二进制数 采用“除二取余”的方法，一直除到商小于2为止。 顺序规则可概括为“先余为低，后余为高，即最后的余数为高位，依次向低位。”,9,例 将十进制整数 105 D 转换为二进制数。 采用“除2取余”的方法，过程如下： 2 105 余数为1 2 52 余数为0 2 26 余数为0 2 13 余数为1 2 6 余数为0 2 3 余数为1 1 余数为1 所以，105 D 1101001 B,10, 十进制数转换成十六进制 采用“除16取余”法进行转换 例如：十进制数58506转换成十六进制数 采用“除16取余”的方法，过程如下： 16 58506 余数为10 16 3656 余数为8 16 228 余数为4 14 余数为14 所以，58506 D E48A H E48A H = 14163+4162+8161+10160,11,3.二进制与十六进制相互转换 二进制转换成十六进制数 4位二进制数对应一位16进制数 每4位二进制数一组构成一位十六进制数 从最右边开始，每四位二进制一组，当最左一位不够四位时，应在左侧添加“0”，凑足四位。 例如：将二进制数1011110000110111转换为十六进制 结果为10111100001100111B = BC37H,1011,1100,0011,0111,12, 十六进制转换成二进制数 一位16进制数对应4位二进制数 每一位16进制数分别转换为4位二进制数，组合在一起即为二进制数。 例如：将16进制数 3AC18 H 转换为二进制 结果为 3AC18H = 0011 1010 1100 0001 1000B,13,1.2 计算机中的码制和编码 1.2.1 有符号数的表示方法 在计算机内部，数字都以无符号二进制形式表示的。 在有符号数运算中，需要将负数编码为二进制形式，因此需要一种负数编码方法。 1.原码 为解决符号问题，把最高有效位设置成符号位 0 表示正数 1 表示负数 数字中的其它位表示数值,14,以一个字节为例：1位符号位，7位数值位； 数值范围000 0000111 1111，即0 127 加一个符号位后，可以表示12710 +12710 0有两种表示：+0 0000 0000 -0 1000 0000 当 X+101 1011 时 X原码0101 1011 +1原码0000 0001 -1原码1000 0001 +127原码0111 1111 -127原码1111 1111 原码表示的整数范围：-(2n-1-1) +(2n-1-1)，n为字长。 则： 8位二进制原码表示的整数范围是-127 +127 16位二进制原码表示的整数范围是-32767 +32767,15,16,2.反码 最高位是符号位 正数的反码与原码形式一样。 负数的反码为原数值按位取反。 0的反码有两种： +0 00000000 -0 11111111 当机器字长为8位二进制数时： X+101 1011时 X原码0101 1011 X反码0101 1011 Y-101 1011时 Y原码1101 1011 Y反码1010 0100 +1反码0000 0001 -1反码1111 1110 +127反码0111 1111 -127反码1000 0000,17,负数的反码只需按位求数值的补就可以得到，符号不需要变动。 反码表示范围为(2n11)到+(2n11)，以及+/0。 n=8，12710+12710，+0和0。,18,3.补码 最高位是符号位，正数的补码和它的原码相同 负数的补码为它的反码加1 X+101 1011 X原码 = 0101 1011 X补码 = 0101 1011 Y-101 1011 Y原码 = 1101 1011 Y反码 = 1010 0100 Y补码 = 1010 0101 补码表示的整数范围是-2n-1+(2n-1-1)，其中n为字长。 n=8，表示范围-128+127，n=16，-32768 +32767 当运算结果超出这个范围时，就称为“溢出”。,19,求负数补码的简单方法如下：,20,两个补码数相加等价于两个无符号数相加(需溢出检测) 例如 127 0111 1111 +) 128 1000 0000 -1 1111 1111 再如： 127 0111 1111 +) 1 0000 0001 128 1000 0000 溢出,21,1.2.2 定点数和浮点数(略),22,1.2.3 计算机中常用的编码 1.BCD码（Binary Coded Decimal） BCD码是用二进制数来表示十进制数的编码方式 采用8421编码表示十进制09 BCD码主要用于显示、打印等场合,23,2.ASCII码 美国标准信息交换代码，即ASCII（American Standard Code for Information-Interchange） ASCII码是采用8位二进制数表示字符的编码方式 ASCII有32个标点字符，10个阿拉伯数字，52个英文大小写字母，34个控制符号，128个字符(可显示和不可显示的控制字符) 最高位用于奇偶校验(扩展的ASCII编码一共256个) 常用ASCII码： 数字09的ASCII码分别为：30H39H； 字母AZ的ASCII码分别为：41H5AH； 字母az的ASCII码分别为：61H7AH。,24,字节、字的概念 计算机中的数据大多以并行方式进行传送和存储，每次按8位或16位、32位进行有序的传送； 8位二进制数为一组称为一个字节(Byte)； 16位二进制数为一组称为一个字(Word)或称双字节； 32位为一组称为双字(Double Word)或称四字节; 根据数据总线的宽度，称一次传递数据的总位数为：8位、16位、32位、64位等。 1 Byte = 8 bit 1 Word = 2 Byte,25,1.3 微型计算机基础 1.3.1 计算机的分类 巨型机：超级计算机是指由数百数千甚至更多的处理器(机)组成的、能计算普通PC机和服务器不能完成的大型复杂课题的计算机。 运算速度极高，容量极大，功能极强 用于国防、航天、气象预报、石油勘探等海量的数据处理方面 世界上最快的超级计算机为天津国家超级计算机中心的天河-1A，速度为每秒2.5千万亿次,26,大型机：综合处理能力极强，运算速度超万亿次，可同时支持上万个用户、几十个大型数据库，主要用作大型商业服务器。例如：政府部门、银行、大型超市、大公司大企业等。 小型机：它的软件、硬件系统规模比较小，结构简单，但价格低、可靠性高、便于维护和使用。广泛用于自动控制、大型分析仪器、测量设备、企业管理等。 微型机：特点是体积小、灵活性大、价格便宜、使用方便。 目前微型机发展迅猛，应用最广泛的计算机之一。,27,1.3.2 微型计算机的分类 1. 微型计算机系统 以微处理器为中心，配有存储器(RAM和ROM)，以及I/O接口电路和必要的外设，形成一个系统。,28,SATA硬盘接口 IDE硬盘接口 CPU插槽 内存插槽 主板电源接口 CPU供电接口 CPU风扇电源接口 软驱接口 PCI接口设备接口 显卡接口,29,(1)微型计算机系统的硬件结构 微处理器：Central Processing Unit，核心的支配地位 功能：执行程序，数据运算，通过3总线指挥其他部件协调工作。,30,总线(BUS) 总线是各部件之间传送信息的公共通信线。 总线分内部总线和外部总线。 内部总线：芯片内部，用于连接芯片内部各部件； 外部总线：把CPU、存储器和I/O设备连接起来。,31,总线分以下三种： 数据总线DB(Data Bus)：双向 地址总线AB(Address Bus)：单向 控制总线CB(Control Bus)：单向,32,存储器 CPU用于存储被执行的程序和处理的数据。根据信息存取方式不同分为： 随机存取存储器(RAM)，Random Access Memory，存取数据，可读可写 只读存储器(ROM)，Read Only Memory，存储程序代码和常数，只读,33,I/O接口(Input/Output)：外部设备与CPU之间相互信息交换,34,(2)计算机软件系统 系统软件：管理、监控和维护计算机资源的软件。 应用软件：操作系统、各种编程语言应用程序、各种工具软件等。,35,2. 单板微型计算机 将微处理器、存储器、以及I/O接口电路装在一块印刷电路板上。,36,3. 单片微型计算机 单片机 将微处理器、存储器、I/O接口电路集成在一块芯片上。,单片机是把微型计算机的基本功能部件集成在一块超大规模集成电路上构成的微型计算机。,37,CPU,MEM,PIO,SIO,TIMER/ COUNTER,INT MANAGER,单 片 机,1.4 单片微型计算机 1.4.1 单片机的概念 1. 单片机的组成,38,2.单片机的概念 单片机是一种采用超大规模IC技术把CPU、RAM、ROM、多种I/O接口和中断系统、定时器/计时器等功能集成在一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 有些单片机把显示驱动电路、脉宽调制电路PWM、 ISP、A/D转换器等也集成在内部。 ISP：In-System Programming 在线系统编程,39,3.单片机的特点 有优异的性能价格比 集成度高、体积小，便于产品小型化 抗干扰能力强，可靠性很高，106 107小时无故障 控制功能强 低功耗、低电压，便于便携式产品 系统结构简单，使用方便，有利于模块化，很容易构成各种规模的应用系统。,40,4.单片机的发展(Intel公司),1971：4位MCU Intel 4004问世，随后研发出8008 1973：8位MCU Intel 8080问世 19741976：单片机探索及初级研制阶段，双芯片 19761978：初级8位单片机Intel MCS-48系列 19781982：高档8位单片机Intel MCS-51系列： 51子系列：8031/8051/8751 52子系列：8032/8052/8752 低功耗型80C31、高性能型80C252 1982 现在：16位单片机Intel MCS-96系列8098/8096、80C198/80C196，32位单片机 80960 廉价型Atmel89C2051/1051、89C51/52,41,1.4.2 常用单片机分类,按照指令体系分类：复杂指令集与精简指令集 按照存储器结构分类：冯诺依曼结构和哈佛结构 按照生产厂家分类 Intel公司：MCS-51和MCS-96系列； Atmel公司：AVR系列、AT系列； Winbond公司：W77系列、W78系列； SST公司：SST系列； 恩智浦公司：P89系列、LPC系列； Motorola公司：68HCXX系列； Microchip公司：16C5X/6X/7X/8X系列； Texas公司：MSP430FXX系列,42,单片机的应用领域 1.工业：过程控制、智能控制、自适应控制、数据采集、测控 2.仪器仪表：智能仪表、智能传感器。 3.家用电器：冰箱、洗衣机、空调、电视机 4.通信：电话、传真、手机 5.军事、航空航天、汽车、,芯片的使用温度： 民用品： 0+70 工业品：-40+85 军用品：-65+125 ,43,交通信号灯控制器 485单片机网络 语音存储与播放 红外收发器 步进电机控制器 标准电流信号发生器 频率计 信号发生器 电饭煲控制器 简易数字经纬度测量仪,基于GPS的时钟系统 电子万年历 LED点阵显示器 数字电压表 简易调节器 抢答器 简易温度控制器 出租车计价器 电子密码锁,课程设计部分题目：,44,智能仪器仪表,温度控制表,交直流电压电流表,智能热量表,45,工业产品,数控车床,数控线切割机床,机器人,46,家用电器,47,1.4.3 51系列单片机简介,单片机厂商：Intel、Motorola、 Philips、Siemens、NEC、ADM、Zilog、LG、Samsung、Atmel、STC等。 主流产品有几十个系列，几百个品种。 注：尽管其各具特色，名称各异，但作为集CPU、RAM、ROM(或EPROM)、I/O接口、定时器/计数器、中断系统为一体的单片机，其原理大同小异。,48,20世纪80年代后期，Intel把8051内核技术转让给Atmel、Philips、Analog Devices、 LG、Samsung 、Dallas、STC等公司。 这些厂家采用CMOS工艺生产单片机，其系统结构、指令系统与8051的兼容。 51系列单片机及其兼容产品分以下几类： 1.基本型典型产品：8031/8051/8751 内部RAM 128B，ROM 4KB，16位定时器/计数器2个，中断有5个。 2.增强型典型产品：8032/8052/8752 内部RAM增到256B，ROM扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个，中断增加到6个。,49,3.低功耗型典型产品：80C31/87C51/80C51 采用CMOS工艺，适用于低功耗的场合。 4.专用型 8044/8744，用于总线分布式多机测控系统。美国Cypress公司的EZU SR-2100单片机USB接口。 5.超8位型典型产品：Philips的80C552/87C552/83C552 将MCS-96系列的诸如HSI/HSO、A/D、PWM、WDT等移植进来构成新一代51产品。 6.片内闪存储器型AT89C51，STC89C51，STC89C51 7.本课程建议选用的单片机：STC89C51,50,51系列单片机主要性能表,51,1.5 单片机应用系统开发 为实现某一特定功能要求，完成硬件设计、元器件的选择及安装，软件设计及调试，最终完成这一目标的过程称为单片机应用系统的开发。 单片机虽集成了微型机基本部件，自身没有开发功能，必须借助开发装置来完成以下开发任务： 1)排除应用系统的硬件故障和软件错误； 2)程序固化到内部或外部程序存储器芯片中。,52,一、单片机应用系统的硬件构成,信号调理就是将待测信号通过放大、滤波等转换成采集设备能够识别的标准信号。,53,二、单片机应用系统的软件开发 1.指令的表示形式(指令系统) 指令是让单片机执行某种操作的命令。 指令以二进制码形式按一定顺序存放于程序存储器中。 为了书写、输入和显示方便，通常将二进制的机器码写成十六进制形式。 例如：0000 0100B可以写成04H。04H指令的意义是累加器A的内容加1。 即：写成 INC A 则要清楚得多，称为符号指令。,54,2.汇编或编译 把符号指令转换成单片机所能执行的机器码，这种转换称为汇编。 常用的汇编方法有三种： 1)手工汇编； 2)利用开发系统进行汇编； 3)交叉汇编。 可采用高级语言(如C51) 进行编程。 这种方法具有周期短、移植和修改方便的优点，适合于较为复杂系统的开发。 缺点是执行时间长，存储空间大。,55,三、单片机应用系统的开发过程 单片机应用系统是由硬件和软件组成 硬件是由单片机、扩展存储器和I/O接口等电路组成 软件是各种工作程序的总称。 系统开发过程主要由总体设计、硬件设计、软件设计、在线调试等部分组成。 开发流程如下：,56,单片机系统的开发流程图,有关开发过程的具体步骤和方法将在后续课程讲解。,57,四、单片机应用系统的开发调试模式 单片机开发调试有以下模式： 集成开发环境+仿真器+编程器的开发模式 集成开发环境+ISP或IAP的开发模式,58,1.集成开发环境 作用：提供单片机程序开发的应用软件； 功能：集代码编写、分析、编译、调试于一体； 常用的有Keil公司的Vision、南京万利的MedWin、飞思卡尔公司的CodeWarrior、MicroChip公司的MPLAB、以及伟福仿真软件等。 其中Keil公司的Vision是开发MCS-51单片机最常用的集成开发环境。,59,51单片机集成开发环境uVision,60,2.编程器 编程器是将程序编译后形成的二进制代码烧写到程序存储器中。 专用编程器功能：对多种型号单片机、EPROM、EEPROM、FLASH、存储器、ROM、PLD、FPGA等进行读取、擦除、烧写、加密等操作。 不同档次的编程器价位相差较大。,61,单片机编程器,62,3. 仿真器 仿真器，In Circuit Emulator，简称ICE。 实时仿真目标系统中的单片机，并能模拟目标系统的资源，完全“逼真”的实现目标单片机的运行环境。 使用时拔下目标单片机，换插ICE插头，这样ICE就成了目标系统中的单片机了。 原来由单片机执行的程序改由仿真器来执行。 在PC上的仿真环境下，利用仿真器的硬件资源和监控程序，实现对用户程序的跟踪调试。 观察程序执行过程中CPU、寄存器和存储器等内容，根据执行情况随时修改程序。,63,单片机仿真器,64,4. 在线编程 在线系统编程(ISP：In-System Programming) 不需将程序存储芯片从系统上取下就能对其进行编程的过程。 已经编程的器件也可以用ISP方式在线擦除或再编程。 在线应用编程(IAP：In-Application Programming) 在程序运行中编程，也就是说程序自己可以往程序存储器里写数据或修改程序。 ISP和IAP技术是未来仪器仪表的发展方向。 例如：STC89C51就是通过串口下载指令代码到芯片内部的FlashROM中。,65,在线编程,66,5. 集成开发环境+仿真器+编程器模式开发过程,先用集成开发环境编写程序、编译程序，然后用仿真器对目标系统进行仿真调试。 当程序调试成功后，使用编程器将编译好的二进制代码烧录进单片机的程序存储器中(或利用ISP功能)。 如果单片机存储器是电可擦除的(E2PROM或FLASH)，则可用编程器完成擦除和烧录的所有过程； 如果单片机存储器不是电可擦除的(EPROM)，还需要用紫外线擦除器对存储器进行程序擦除，再使用编程器进行烧录。,67,集成开发环境+仿真器+编程器的开发模式,68,这种开发模式的优点：可利用仿真器对程序的运行情况进行全面仿真，对程序执行中的寄存器、存储器等状态进行监控、有效的发现程序的问题，缩短软件的开发周期。 缺点是：除需要购买集成开发环境软件外，还要购买仿真器、编程器等硬件设备，从而增加系统开发的成本。,69,6.集成开发环境+ISP或IAP的开发过程,芯片集成技术的发展，很多单片机具备了ISP或IAP功能，为低成本开发成为可能。 先使用集成开发环境对程序进行编辑、编译，对程序进行初步验证。 然后用ISP功能将二进制代码写入程序存储器中，再让程序运行于目标系统对编写的程序进行测试。 如果运行存在问题再进行程序修改、编译、写入 由于程序调试是在目标系统上运行的，因此不会出现仿真环境与目标系统环境不一致导致的软件问题。,70,7. 两种开发模式评价 虽然有了FLASH