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第 1 章 MCS-51系列单片机的组成1.1 计算机架构1.1.1 数字计算机的硬件组成1. 冯诺依曼体系结构计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成,硬件五大组成部分：运算器、控制器、存储器、输入输出设备。美藉匈牙利科学家冯诺依曼结构（John von Neumann）奠定了现代计算机的基本结构。(1) 采用二进制形式表示数据和指令(2) 采用存储程序方式 这是诺依曼思想的核心内容。如前所述，它意味着事先编制程序，事先将程序(包含指令和数据)存入主存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行。这是计算机能高速自动运行的基础。(3) 由运算器、存储器、控制器、输入装置和输出装置等五大部件组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。其特点是：1）使用单一的处理部件来完成计算、存储以及通信的工作。2）存储单元是定长的线性组织。3）存储空间的单元是直接寻址的。4）使用低级机器语言，指令通过操作码来完成简单的操作。5）对计算进行集中的顺序控制。6）计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成并规定了它们的基本功能。7）采用二进制形式表示数据和指令。8）在执行程序和处理数据时必须将程序和数据通道从外存储器装入主存储器中，然后才能使计算机在工作时能够自动调整地从存储器中取出指令并加以执行。 这就是冯诺依曼体系结构存储程序概念的基本原理。 2系统总线（三总线）v CPU、存储器、I/O接口电路之间用三组总线相连: 地址总线(AB： Address Bus) 数据总线(DB： Data Bus) 控制总线(CB： Control Bus) 地址总线、数据总线、控制总线通常统称为系统总线。l 从传输方向上看，数据总线是双向的，即数据可以从CPU传送到其他部件，也可从其他部件传送到CPU。l 地址总线是单向的，即地址只能由CPU传送到存储器或I/O端口，用以给出CPU将要访问的部件的地址。l 控制总线中的信号线有的是单向的，也有的是双向的。 4、中央处理器 CPU（central processing unit）意为中央处理单元，又称中央处理器。CPU由控制器、运算器和寄存器组成，通常集中在一块芯片上，是计算机系统的核心设备。计算机以CPU为中心，输入和输出设备与存储器之间的数据传输和处理都通过CPU来控制执行。微型计算机的中央处理器又称为微处理器。 5、CPU的主要技术指标 （1） CPU字长 字长：是指CPU一次最多可同时传送和处理的二进制位数，安长直接影响到计算机的功能、用途和应用范围。如Pentium是64位字长的微处理器，即数据位数是64位，而它的寻址位数是32位。 u 4位u 8位 ：MCS-51系列 、 X86系列 I8088u 16位： X86系列80286、 80386、80486u 32位： ARM系列、 X86系列 奔腾 、PII、 PIII、PIVu 64位： X86系列 PIV（2）时钟频率和机器周期：时钟频率又称主频，它是指CPU内部晶振的频率，常用单位为兆（MHz），它反映了CPU的基本工作节拍。一个机器周期由若干个时钟周期组成，在机器语言中，使用执行一条指令所需要的机器周期数来说明指令执行的速度。一般使用CPU类型和时钟频率来说明计算机的档次。如P VI 3.2G等。 v 6、存储器v 纸带类介质存储（已基本淘汰）、磁带v 磁盘（硬盘）存储器（外存）v 半导体存储器(内存）q RAM （Random Access Memory） SRAM DRAM（Dynamic RAM），动态随机存储器 q ROM （Read Only Memory） ROM （Read-Only Memory） PROM（ Programmable Read-Only Memory）/One-Time Programmable (OTP)ROM EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory)可擦可编程只读存储器，一种可以重复利用的可编程芯片。其内容始终不丢失，除非您用紫外线擦除它。一般给EPROM 编程或擦除内容时，需要用专用的设备。 EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)电可擦可编程只读存储器-一种掉电后数据不丢失的存储芯片。 EEPROM 可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息，重新编程。既可实现ISP或IAP功能 FLASH EEPROM （闪存）PC机存储器的应用： 外存：硬盘-操作系统、应用程序 内存： 1、EPROM/EEPROM/FALSH-BIOS 2、DRAM（RAM条）-在运行的操作系统、应用程序 3、SDAM缓存（Cache）-常运行的程序段代码和数据 EEPROM的编程：v 用编程器编程v ISP -In System Programming （即在系统编程）。v IAP- In Application Programming （即在应用中编程）。固件：在ROM中固化的程序叫固件 （Firmware ）7、单片机存储器两种存储结构 q 哈 佛结构：程序存储器和数据存储器分开。q 冯诺依曼结构：程序存储器和数据存储器合并，编址。8、存储器的单位 计算机中最基本的存储单位为字节（B、Byte） 8位、16位、 32位、64位的寻址空间一般都可以字节为单位，但为了提高速率，16位、32位、64位机更多的用字为单位寻址。位/比特（bit）：这是内存中最小的单位，二进制数序列中的一个0或一个1就是一比比特，在电脑中，一个比特对应着一个晶体管。字节（B、Byte）：是计算机中最常用、最基本的存储单位。一个字节等于8个比特，即1 Byte8bit。 千字节（KB、Kilo Byte）：电脑的内存容量都很大，一般都是以千字节作单位来表示。1KB1024Byte。 兆字节（MBMega Byte）：90年代流行微机的硬盘和内存等一般都是以兆字节（MB）为单位。1 MB1024KB。 吉字节（GB、Giga Byte）：目前市场流行的微机的硬盘已经达到4.3GB、6.4GB、8.1GB、12G、13GB等规格。1GB1024MB。 太字节（TB、Tera byte）：1TB1024GB。 v 存储器工作过程如下： CPU地址地址译码器选中单元由CPU发出的“读”或“写”命令。 例如：q 读操作：读02H单元内容 02H由AB 地址译码 找到02号单元； CPU发出“读”信号； （02H）=#A3H（读出的数据） D-BUS。 #A3H 指定寄存器 q 写操作：数据#F7H 03H单元中； 03H由AB 地址译码 找到03号单元； CPU将F7H送到D-BUS上 CPU发出“写”信号； #F7H （03H） 9、嵌入式CPU分类q MPU（微处理机）q MCU（微控制器-单片机）q DSP （数字处理、频谱分析、通讯技术）q SOC （片上系统）单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。0.2计算机编码一、符号数的表示法 1、机器数与真值 符号的数码化：将符号用“0正1负”表示，并以二进制数的最高位（D7位）作为符号位。例如：（原码） +91=0 1011011 = 5BH； -91=1 1011011= -5BH 机器数：数据在计算机中连同数码化的符号位一起表示的编码数。 真 值：把机器数实际代表的数称为机器数的真值。2、原码表示法：D7位作为符号位（0正1负），D6D0为原来的二进制数值位。例如：（+55）原 =0 0110111 ；（- 55）原 =1 0110111 特点： 1）8位二进制数表示的范围：-127 +127；2）（+0）原=00000000B 与 （- 0）原=10000000B 不相同；3）加、减运算困难。3、反码表示法 正数的反码 = 正数的原码 负数的反码 = 相应正数的原码按位取反 例如：（+0）反 = 0 0000000；（+127）反 = 0 1111111 （- 0）反 = 1 1111111；（-127）反 = 1 0000000特点： 1）范围 -127 +127； 2）+0、-0不相等； 3）求真值时，若D7=1，则按位取反。3、符号数的补码表示法（1）引例一：钟表调时10点6点可以逆时针拨，也可顺时针拨： 逆拨： 10 4 = 6 （减） 顺拨： 10 + 8 = 18 = 12 + 6 = 6 （加） 在顺拨中，12可自然丢失，称为模；而8被称为是 4的补码。 钟表采用十二进制，系统所能表示的最大量程为12，故称模为12。 8 = 12 4 =12 + （4） （ 4）补 = 12 4 =12 +（ 4） （MOD = 8） 即： （X）补 = 模 + X（2）二进制补码的计算方法 正数的补码 = 正数的原码 负数的补码 = 反码加1(相应正数的原码按位取反，再加1） 例：（-127）补 = 10000001 ；（-1）补 = 11111111 特点： 1）补码的符号位作为数值的一部分，可以参加运算； 2）0只有一种表示，即 + 0 = - 0 = 00000000； 3）表示范围：-128+127（80H7FH）； 4）比原码多一种组合，即1000 0000（-128）其最高位“1” 既表示符号，又表示数值；5）求真值时，若D7 = 1，则通过对补码再求补，添“-”而得；作用：补码将减法运算转换为加法运算，是计算机内符号数的实用编码练习： 1）十进制数8，18，113的补码 （负数F8；EEH；8FH）， 2）补码数1BH，C9H的真值 （+27；-55） 3）5 8=0000 0101B 00001000B=00000101B+1111 1000B=FDH 4） 8位二进制数的模？（ 256=1， 0000，0000B=1111 1111+1） 5）40H +（-32H）补 =40H+CEH = 10EH = 100H + 0EH =0EH （3）八位符号数的加、减运算1）加法： 正数+正数、负数+负数：可能产生溢出（超出-128+127）。无溢出时结果为正确。 正数+负数：不会溢出，结果总是正确。2）减法： 减去一个数，等与加上一个负数，补码形式下成为加法，因此，相当于正数+负数，结果总是正确，也不会有溢出。3）进位与溢出v 数的进位：指运算结果最高位D7向更高位有进位或借位，称为进位（CY）。v 数的溢出：运算结果超出了数的表示范围（+127 - 128）时，称为溢出（OV）。 溢出的判断方法：若CY：进位位（第七位向第八位有进位）；CS：有没有破坏符号位（第六位向第七位有进位），再观察CYCS，异或结果为“1”时，OV位置1，即溢出。例：127+1= 01111111+00000001=0 1 0000000 CY=0 CS=1 CYCS=1 溢出 OV=1 127-1=127+（-1）补=01111111+11111111=1 0 1111110 CY=1 CS=1 CYCS=0 不溢出 OV=0 -127-1=（-127）补+（-1）补 = 10000001+11111111=1 1 0000000 CY=1 CS=1 CYCS=0 不溢出 OV=0 -127-2=（-127）补+（-2）补 = 10000001+11111110=0 1 1111111 CY=1 CS=0 CYCS=1 溢出 OV=1 二、常用编码 计算机中表示的数、字母、符号等都以二进制数表示的。 常用编码有以下几种： 1、BCD码（Binary Code Decimal）表示法 二十进制数（BCD）：用4位二进制数表示一个十进制数。因共有24=16种组合状态，故可选其中十种编码来表示09十个数字，不同的选法不同相应编码方案。 2、BCD码：4位二进制码的权分别为8、4、2、1码，是一种最常用的编码。 特点： 09，由四位二进制数（00001001）表示； 逢“十”进一； 需DA调整，即加法运算和数（结果）大于9时，需加6修整。是否调整有DA A判别。例如：（1001 0001 0111 0010）BCD=9172； 35=（0011 0101）BCD例如：求BCD码48+69=？117低4位向高4位进位，表明低位和大于9，需加6修正，而高位由于获得进位而出现非法码，因此也需要加6修正，修正后，结果为117，正确。思考：BCD码减法，如何修正？（求减数对9A的补码）2、ASCII码：American Standard Code for Information Interchange（美国标准信息交换码）。 在计算机中，除要处理大量的数据信息外，还需处理一些字母、符号，它们也要用二进制编码来表示。目前，普遍采用的ASCII码用7位二进制编码来表示字符。共有27=128种组合状态。它们是 52大小写英文字母； 10个十进制数； 7个标点符号； 9个运算符号；50个其他符号。绪 论 补充习题1、冯诺依曼体系结构计算机的硬件由那些功能部件构成？2、人们在冯诺依曼体系结构的基础上又构架出哈佛体系结构的目的是什么？请说出该二种体系结构的主要差别。 3、随机存取存贮器RAM和只读存贮器ROM在应用时主要差别是什么？ 4、已知下列补码，求真值X：(1) X补=10000000；(2) X补=11000011；(3) X补=10110111。 5、一个完整的单片机芯片内至少有哪些部件？ 6、用二进制数写出下列数值的8421BCD码 （1）10=( )BCD ; (2）99=( )BCD （3） 9=( )BCD; （4）50=( )BCD 7、写出下列数值的ASCII码 （1）0 = H ; （2）A = H （3）a = H ; （4）空格（Sbace）= H1.1 51系列单片机经典组成结构1、系统资源 MCS-51单片机是Intel公司1980推出的高档8位单片机，采用40脚双列直插封装或44脚方形封装，51、52系列功能兼容。8031内包括：1个8位CPU；128个字节RAM； 21个特殊功能寄存器；4个8位并行I/O口； 1个全双工串行口（二根线）； 2个16位定时计数器器；1个片内振荡器和时钟电路； 5个中断源2个中断优先级；8051/8751：带有4KB ROM/EPROM；52子系列的RAM/ROM容量为：256B/8KB2、性能特点 单片机为哈佛结构的计算机，除上述基本资源外，还具有如下特点：l 外部程