[单片机][微机原理极其应用][课件]mcs51-1.ppt

信息科学与工程学院自动化系 第一章绪论 本课的地位 学习本课对基础知识的要求 本课教学目标 学习本课的方法 本课使用教材 授课章节及学时安排 实验内容及安排 本课的地位 计算机软件技术基础 计算机硬件技术基础 计算机硬件技术基础 微机原理 微机接口 微机应用 微机运算基础 微机组成 基本工作原理 微机系统初步 了解CPU体系结构 了解存储器系统结构 作用 了解I O接口基本功能 结构 端口的编址方式和I O同步控制方式 掌握中断概念 CPU响应中断的条件和处理过程 掌握指令系统和汇编语言程序设计 隐含的 微机原理 重点 了解并行接口与串行接口的共性与区别掌握串行通讯的基本概念 掌握可编程并行接口芯片的工作方式 初始化编程 掌握定时器 计数器的原理 功能 应用与编程 了解键盘 显示器等人机交互设备的作用 原理及接口方法 理解并掌握A D D A转换原理 主要性能参数 了解典型DAC ADC集成芯片 与MPU的接口方法 应用及编程 了解异步串行通讯协议 应用与编程 微机接口 重点 了解微机在测控系统中的应用 了解计算机测控系统的实时处理概念和一般结构 了解测控系统的分析和设计方法 单片机应用系统的一般分析和设计方法 重点 微机应用 学习本课对基础知识的要求 预先应学习 1 计算机文化基础2 计算机软件技术基础3 数字电路 模拟电路4 电工基础 本课教学目标 基本知识 基本技能 思路方法 独立分析问题和解决问题的能力实践能力和创新能力综合运用能力独立获取知识的能力 教师讲解 学生 悟 教学目标 传授知识与能力培养统一 理论与实践统一 学习本课的方法 1 利用迁移原理将自身积累的知识充分发挥出来 迁移到本课新知识的学习 2 重视实践 独立思考 认真做实验3 带着问题学 寻找解决问题的知识 思路 方法 本课使用教材 课堂用教材 机械工业出版社 单片机原理与应用 赵德安等实验指导书 本校印 MCS 51单片机实验指导书 参考书 天津大学出版社 MCS 51单片机原理及与应用 赵晓安等 授课章节及学时安排 实验内容及安排 第一部分微型计算机基础 1微型计算机系统的概念1 微处理器 微型计算机 微型计算机系统2 本课主要讲授内容及要求 2微型组成与基本工作原理第二部分微型计算机的运算基础 1 三微 的概念 1 微处理器 MPU 算术逻辑单元其核心cpu 运算器和控制器寄存器组是微型计算机的核心部件控制部件 2 微型计算机MPU为核心半导体存储器 ROM RAM I O Input Output 接口和中断系统系统总线 CBDBAB 集成在一个半导体芯片上 组装在一块或数块印刷电路板上 多板微型计算机单板微型计算机单片微型计算机 微型计算机的两大分支 核心器件 微处理器 微控制器 MicroProcessorUnit embed MicroControllerUnit MPU MCU 微机组成结构的两大类型 冯 诺依曼型 哈佛型 系统总线 例 PC机 例 MCS 51单片机 3 微型计算机系统 硬件系统 软件系统 单片机应用 硬件系统 微型计算机微处理器 运算器 控制器内存储器ROM ROM PROM EPROM E2PROM FlashROMRAM SRAM DRAM iRAM NVRAMI O接口 并行 串行 中断接口 DMA接口系统总线 数据 地址 控制总线 DB AB CB 外围设备输入 输出设备A D D A转换器开关量输入 输出终端 微型计算机微处理器 运算器 控制器内存储器ROM ROM PROM EPROM E2PROM FlashROMRAM SRAM DRAM iRAM NVRAMI O接口 并行 串行 中断接口 DMA接口系统总线 数据 地址 控制总线 DB AB CB 外围设备输入 输出设备A D D A转换器开关量输入 输出终端 软件系统 系统软件操作系统编译系统监控程序汇编程序程序设计语言机器语言汇编语言高级语言应用软件 把汇编语言源程序翻译成机器语言目标程序的语言处理程序 自汇编程序 交叉汇编程序 应用特性1 体积小内部包含有许多基本功能部件 能满足要求 故应用系统结构简单 体积小 2 可靠性高许多信号通道均在一个芯片内 按工业测控要求设计3 功能强面向控制 实时控制功能强4 易扩展芯片外有扩展用三总线 很容易构成各种应用系统5 性能价格比高 单片机的应用 1 智能仪表提高仪器仪表的测量速度和精度 加强控制功能 简化硬件结构 便于使用维修和改进 2 机电一体化指集机械技术 微电子技术 自动化技术 计算机技术于一体 如 微机控制的车床 磨床 3 实时控制工业控制 如对温度 压力的测量与控制 遥控 4 分布式多机系统单片机作为一个终端机 对现场信息实时测量和控制 5 家用电器洗衣机 电冰箱 音箱 玩具 应用领域 嵌入式系统 以应用为中心 以计算机为基础 软硬件可以裁剪 适用于系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗有严格要求的专用计算机系统 IP级 芯片级 模板级有嵌入式实时操作系统支持用高级语言编程 本课的主要内容及要求 微型计算机 MPU微处理器 存储器 内存 I O接口 系统总线 连线 编程 综合应用 器件的外特性掌握规律 具体机型 MCS 51单片微型计算机 Single ChipMicrocomputerMicro Controller MCS 51单片机的基本组成一 中央处理器CPU二 时钟电路三 内部存储器四 定时器 计数器 T C 五 并行I O口六 串行口七 中断控制系统 2 4微型计算机运算基础2 4 1计算机中数的表示方法2 4 2计算机中的编码2 4 3计算机中的运算 重点解决 计算机的重要职能之一处理数在计算机中如何表示一个数 不同性质数的运算规则和算法 几个重要概念复习不同进制数之间的互换3 机器数与真值4 带符号数的原码 反码 补码5 数的定点与浮点表示 2 4 1计算机中数的表示方法 1几个重要概念 重点概念1 计算机中的数据都是以二进制形式进行存储和运算的 重点概念2 在计算机中存储数据时 每类数据占据固定长度的二进制数位 而不管其实际长度 一般长度为字节的整倍数 重点概念3 计算机中不仅要处理无符号数 还要处理带符号和带小数点的数 例如 在八位微机中 整数216存储为11011000B整数56存储为00111000B 重点概念4 机器数与真值 2不同进制数之间的互换 4 用权表示数 2n2n 12n 12n 1 1 1 权n位二进制数各位的权从高位到低位依次为 n位二进制数 Bn 1Bn 2Bn 3 B1B0权 2n 12n 22n 3 21202 用权表示数例 11111 1111B 2n 1 即n个1 01111 1111B 2n 1 1 即n 1个1最高位的权为 2n 1例 n 8 11111111B FFH 28 101111111B 7FH 28 1 1例 n位二进制数表示无符号数的范围 0 2n 1n 80 28 10 255n 160 216 10 65535 n 32 N 64 3 机器数与真值 1 机器数 能被计算机识别的数称为机器数 2 真值 机器数所代表的真实值称为机器数的真值 3 对于无符号数其机器数与真值表示方法相同 例 真值 100 64H 01100100B对应的机器数 64H 01100100Bn位二进制数可表示的数的范围是 0 2n 18位二进制数可表示的数的范围是 0 28 1 0 FFH 0 255 16位二进制数可表示的数的范围是 0 216 1 0 FFFFH 0 65535 例 01100100B其8位全部为数值位 特点 无符号数的机器数与其真值为等值关系 4 带符号数的机器数的表示方法 重点和难点 常见的有原码 反码和补码三种表示方式 特点 带符号数的机器数与其真值表示方法不同 两者的关系不是等值关系 仅是一一对应关系 例如 在八位微机中 真值 65可表示成机器数 原码 为01000001B真值 65可表示成机器数 原码 为11000001B 0 1 1 0 0 0 0 0 符号位 数值位 符号位 0 表示正号 1 表示负号 4带符号数的原码 反码 补码 1 原码定义 在表示带符号数时 正数的符号位为 0 负数的符号位为 1 数值位表示数的绝对值 这样就得到了数的原码 例如在八位微机中 38 原 100110 原 00100110B 38 原 100110 原 10100110B 计算公式 对于字长为n位的机器数 当真值X 0时 X可表示为 Xn 2Xn 3 X0 当真值X 0时 X可表示为 Xn 2Xn 3 X0 则X的原码可定义为 可见n位原码可表示数的范围为 2n 1 1 2n 1 1 则在八位微机中 码可表示数的范围为 127至 127求真值 带符号数的原码表示法简单易懂 而且与真值转换方便 原码的缺点 l 0 的原码有两种形式 这在运算中非常不方便 0 原 00000000B 0 原 10000000B 即分为 0和 0l原码在进行两个异符号数相加或两个同符号数相减时 需做减法运算 由于微机中一般只有加法器而无减法器 所以 为了把减法运算转变为加法运算就引入了反码和补码 原码的用途 l原码做乘除法运算方便 两数的符号和数值分别处理积的符号为两数符号位的异或运算结果积的数值部分为两数绝对值相乘的结果 2 反码定义 正数的反码表示与原码相同 负数的反码 可将负数原码的符号位保持不变 数值位按位取反得到 或者将负数看作正数求原码 再将所有位按位取反得到 因此 在n位机器数的计算机中 数X的反码定义为 缺点 0 的反码也有两种表示法 即 0和 0 0 反 00000000B 0 反 11111111B n位反码表示数的范围与原码相同 八位二进制反码表示的范围仍是 127至 127 例如八位微机中 求真值 由反码求得原码 再由原码求得真值 即可得到反码的真值 例如 反码11011001B 符号位为1 将数值位按位取反 得到原码10100110B 其真值为 0100110B即十进制数 38 3 补码 难点 定义 正数的补码表示与原码相同负数的补码等于它的反码末位加1即 X 补 X 反 1例如 补码的含义 以时钟对时为例来说明 现由7点钟调到4点钟 顺时针调 7 9 4 mod12 逆时针调 7 3 4 mod12 由于时钟上超过12点时就会自动丢失一个数12 这个自动丢失的数叫做 模 module 简写为mod 由补码的定义得求补码公式 l则n位补码表示数的范围为 2n 1 2n 1 1 l八位二进制补码表示的数值范围是 128至 127 优点 0的补码为00000000B 只有这一种形式 mod2n 已知补码求真值 已知正数的补码求真值与原码相同 只要将符号位的0变为 正号 即得到它的真值 已知负数的补码求真值方法1 将负数补码的数值位按位取反再加1 将符号位的1变为 负号 即得到它的真值 方法2 用公式 X 2n X 补 已知补码为01111111B 其真值为 1111111B 7FH已知补码为11111111B 其真值为 10000000B 1 10000001B 其真值为 01H或 X 28 11111111B 00H FFH 1 小结 已知带符号数的机器数求真值 1 已知正数的原码 反码 补码求真值 只需将符号位的 0 改为正号 即可 2 已知负数的原码 其真值只需将原码的符号位的 1 改为负号 即可 3 已知负数的反码 先将它变为原码 再求真值 或用公式计算 真值x 2n 1 x 反 4 已知负数的补码 数值位取反加1 符号为改为 号 或用公式 X 2n X 补 例 已知带符号数的机器数为56H 求其真值 真值 56H例 已知带符号数的机器数为0D6H 求其真值 若0D6H是原码 则真值为 56H11010110B 1010110B 若0D6H是反码 则真值为 29H 0FFH 0D6H 若0D6H是补码 则真值为 2AH 00H 0D6H 当n 8时 几种码的表示范围 当n 16时 几种码的表示范围 5数的定点与浮点表示 计算机中如何表示实数中的小数点呢 计算机中不用专门的器件表示小数点 而是用数的两种不同的表示法来表示小数点的位置 根据小数点的位置是否固定 数的表示方法分为定点表示和浮点表示 相应的机器数称为定点数和浮点数 任意一个二进制数N均可表示为 N S 2J其中 S称为数N的尾数 表示数N的全部有效数字 决定了N的精度 J称为数N的阶码 底为2 指明了小数点的位置 决定了数N的大小范围 1 定点表示法计算机在处理定点数时 常把小数点固定在数值位的最后面或最前面 即分为定点纯小数与定点纯整数两类 如图1 6所示 例如 00011000B 如果看作定点纯整数 其真值为24看作定点纯小数 其真值为0 1875 2 浮点表示法 在浮点表示法中 小数点的位置是浮动的 阶码J可取不同的数值 则在计算机中除了要表示尾码S 还要表示阶码J 因此 一个浮点数表示为阶码和尾数两部分 尾数一般是定点纯小数 阶码是定点纯整数 其形式如下图所示 469 375 10 111010101 011 2 0 111010101011 2 2 9 0 111010101011 2 2 1001B 0 111010101011 补 100010101010100000000000B 1001B 补 00001001B 例如 某计算机用32位表示浮点数 尾数部分占24 为补码定点纯小数 阶码为8位补码定点纯整数 用来表示一个数 469 375 先进行变换 因此 数 469 375在该计算机中的浮点表示为 2 4 2计算机中的编码 ASCII码 由七位二进制编码组成 共有128个字符编码 包括图形字符 字母 数字 其它可见字符共96个 和控制字符 回车 空格等共32个 其中数字0 9的ASCII码为30H 39H 差30H字母A F的ASCII码为41H 46H 差37HD7位加奇偶校验位 无校验D7位补0奇校验D7位使含1的个数为奇数个偶校验D7位使含1的个数为偶数个例 30H00110000HD7补0为无校验和偶校验10110000HD7补1为奇校验 BCD编码 具有十进制位权的二进制编码 最常见的是8421码 见书17页 注意 0000B 1001B是0 9的BCD码1010B 1111B是非BCD码例 15的BCD码为00010101B 15H15 0FH100 64H100的BCD码为000100000000B 100H压缩的BCD码56H占一个存储单元非压缩BCD码05H06H占两个单元 逻辑运算1 与3 非2 或4 异或算术运算1 带符号数补码运算及判OV2 BCD码加 减法及十进制调整3 算术运算小结 2 4 3计算机中的运算 计算机中的运算分为两类 逻辑运算 逻辑 与 或 非 异或 等 算术运算 加 减 乘 除运算 1 加 减运算电路及二进制无符号数的四则运算 加 减运算电路 减法的实现 减法时SUB 1 有取反加1功能加法时SUB 0无取反加1功能 求补电路 二进制无符号数的四则运算 1 加法运算二进制加法法则为 0 0 01 0 0 1 11 1 101 1 1 11 例 二进制无符号数加法 1 求187 22 结果 11010001B即209SUB 0 C8 0 CY 0 2 求200 200 结果 SUB 0 C8 1 CY 1和 进位值 8位和值 256 10010000B 400 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 结果 11010001B即209SUB 0 C8 0 CY 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 结果 SUB 0 C8 1 CY 1和 进位值 8位和值 256 10010000B 400 2 减法运算法则 借1当2 手算 例 求187 22 例 二进制无符号数减法 结果 无借位 差为10100101B即165 取反 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 机器算 难点 被减数10111011B 减数00010110B 求补电路 减法SUB 1 加1 对减数求补后 加被减数 例 求187 22 结果 10100101B即165无借位 SUB 1 C8 1 CY 0说明 直接相减无借位 求补相加有进位 反之亦然 3 乘法运算法则0 0 00 1 1 0 01 1 1 常用算法 1 左移加2 右移加3 连加P124例4 23 4 定点整数除法运算 常用算法 1 移位相减法P125例1 242 连减P131例4 27 1 带符号数定点补码运算及判OV 定点补码运算定律 当X Y X Y X Y均在 2n 1 2n 1 1 范围内时 则 补 补 补 补 补 补如果X Y X Y的值不在 2n 1 2n 1 1 范围内 n 8时 128 127 则机器就产生了溢出错误 上式不成立 运算结果无意义 溢出判别 overflow 1 定点补码加法步骤 将 或 转换为补码 进行加法运算 符号位参与运算 编写出程序片段 MOVA 76 A 4CH 01001100BADDA 23 A 4CH 17H 63HOV 0或 MOVA 4CH A 4CH 01001100BADDA 17H A 63H 真值 补码 两个正数的和为负数 两个负数的和为正数 溢出后 运算结果无意义 需要将两个操作数扩大位数后 再算 例1 5可将76的补码写成004CH 69得补码写成0049H计算 0000000001001100B 0000000001001001B0000000010010101B 0095HC16C15OV 0 不溢出例1 6同理 用16位二进制数表示数 76得补码为FFB4H 69的补码为FFBBH 再算即可 双符号位法判断溢出 变形码用两位来表示符号 00表示正号 11表示负号 称为变形码 用变形码进行加法运算时 两位符号位同数值位一起参加运算 运算后 若运算结果的两个符号位相同 则没有溢出 若运算结果的两个符号位不同 则发生了溢出 运算结果错误 用Sf 和Sf表示运算结果的两个符号位 则有 OV Sf Sf 2 定点补码减法运算 X Y 补 X Y 补 X 补 Y 补步骤 将 或 转换为补码 进行减法运算 符号位参与运算 判溢出的方法与加法相同 例1 9 已知X 76 Y 23 求X Y 编写出程序片段 MOVA 76 A 4CH 01001100BMOVB 23 B 0E9HCLRCSUBBA B A 4CH 0E9H 63HOV 0 4CH 0E9H 典型算法 两个带符号数比较大小用S表示和的符号位 OV为溢出标志位则 X 补 Y 补SOV比较结果00X Y01XY 2 BCD码加法及十进制调整 编写出程序片段 MOVA 68H A 68H 01101000BADDA 49H A B1HDAA A B1H 66H 17HCY 1代表100结果 117 必须写BCD码不能写真值 说明 如果指令系统中有BCD码的减法调整指令 即可直接用该指令完成上述调整 如果指令系统中没有BCD码的减法调整指令 则不能用减法指令直接对两个BCD码进行减法运算 而需对减数求补 进行加法运算 然后用加法运算的调整指令进行调整 对八位微机 BCD码的模为100 十进制数 减去减数实现对减数的求补 为在八位加减运算电路中运算 将100表示成9AH 即10011010B 减去减数求补 例1 17 已知X 68 Y 49 求X Y 求补 编写出程序片段 CLRCMOVA 9AH A 9AHMODSUBBA 49H A 51HBCDADDA 68H A B9H非BCDDAA A 19HBCDCPLC CY 0无借位 差 19HBCD求补相加有进位 直接相减位无借位 反之 有借位 算术运算小结 结合黑板 举例说明 1 求补码与求补求补码 已知真值求补码求补 已知正数的补码求与之数值相同的负数的补码或已知负数的补码求与之数值相同的正数的补码2 算术运算与标志位对于运算器来说 只根据加 减命令对送给它的两个操作数进行相应的运算 并不区分是什么性质的数 并且根据运算结果 填写标志位 其运算结果代表什么完全由用户决定 一般情况下 无符号数运算判CY定点带符号补码运算判溢出OVBCD码运算判CY 机器调整判AC CY 例 求62 98 1 作无符号数运算 结果0A0H 160 CY 0 一般 CY 0 结果在0 255之间 CY 1 代表256 结果在0 256 255之间2 做带符号补码运算 OV 1 正溢出 结果无意义 一般 结果应在 128 127之间 超出则溢出 可扩大位数到16位再重新做 3 做BCD码运算 必须送BCD码 调整后 CY 1 代表100 A 60H 代表60 合成后代表160 一般 CY 0 结果在00 99之间CY 1 代表100 结果在00 199之间4 位数相同 性质不同的数 表示数的范围不同 逻辑运算计算机由专门的逻辑电路完成一些逻辑运算 逻辑运算都是位对位运算 即运算中位与位之间互不相关 不存在进位或借位 比算术运算简单 1 逻辑与运算逻辑与的运算符为 其运算规则为 0 0 00 1 l 0 01 1 1 逻辑与运算的真值表 逻辑 与 的作用 1 将一个字的一部分析取出来 与12 将一个字的一部分清0 又称屏蔽与03 可用于 拆字 4 自身相与 不变 析取 清零 例 将56H拆成05H和06HMOVA 56H A 01010110B 56HANLA 0FH A 00000110B 06HMOV30H A 30H 06HMOVA 56H A 56HANLA 0F0H A 01010000B 50HSWAPA A 00000101B 05H 析取低四位屏蔽高四位 2 逻辑或运算逻辑或的运算符为 其运算规则为 0 0 00 1 1 0 11 1 1 逻辑或运算的真值表 逻辑 或 的用途1 某位置12 自身相或 不变3 拼字 或0 不变 或1 置1 例 求9的ASCII码MOVA 30H A 00110000BORLA 09H A 00111001B 39H 3 逻辑非运算逻辑非运算的真值表逻辑非又称为 求反 运算 它的运算规则是 1 00 1这里 0 或 l 上面的 一横 表示 非 运算 或称 求反 其真值表如表所示 微型机中通常有 求反 CPL 指令 在机器中求一个数的补码 就是先求该数的 反 再在末位加1得到的 例 求 5的补码MOVA 5 A 00000101BCPLA A 11111010BINCA A 11111011B 0FBH 5的补码 例 将68H的低四位求反MOVA 68H A 01101000BXRLA 0FH A 01100111B 高四位不变低四位变反 第一章结束 1 2微型计算机的组成及其工作原理 1 2 1微型计算机的组成1 存储器 类型 结构 重要指标 2 微处理器MPU 结构图 3 I O接口和外设4 地址 数据 控制总线1 2 2微型计算机的基本原理 1 2 1微型计算机的组成 RandomAccessMemory ReadOnlyMemory 类型 ROM正常工作时只能读不能写的存储器PROM可编程ROM 厂家一次写入EPROM用户可编程可擦写ROM 紫外线擦除器EEPROM电可擦写可编程ROM 在线 读快 写慢FlashEPROM闪速可编程可擦写ROM 1 存储器 类型 结构 重要指标 RAM正常工作时即可读又可写的存储器DRAM动态RAM 集成度高 外加刷新电路SRAM静态RAM 成本高 速度快iRAM全集成化RAM DRAM 刷新电路NVRAMSRAM EEPROM 不挥发即不易失 易失 不易失 ROM和RAM的主要区别 1 断电后ROM内的信息不丢失RAM中的信息立即丢失2 读 写方式不同ROM采用特殊方式写入信息 正常工作是只读方式RAM正常工作既能读又能写 WR ROM和RAM芯片均有分四组引脚线 ROM另有特殊的引脚线 1 地址线传送存储器的地址码 其根数决定存储单元个数即字数2 数据线传送对某一单元进行读 写的数据 双向决定一个单元内存储二进制数的位数 即字长3 控制线传送读 写控制信号 以控制读 写操作4 电源线 5V和GND线 存储器的两个重要指标 存贮容量存储容量 2地址线条数 数据线的条数bit 字数 存储单元个数 字长例 芯片27324KB即4K 8bit 32Kb地址线12根 数据线8根芯片21141K 4bit地址线10根 数据线4根问 27648KB地址线 根 数据线 根存取周期存储器从接到存储单元地址开始 到读出或写入数据为止所用的时间 2 微处理器MPU 结构图 1 运算器 主要由五部分组成 MPU的组成部分 2 控制器 主要由三部分组成 3 内部总线 在控制器的控制下 对二进制数进行算术运算或逻辑运算 1算术逻辑运算单元ALU 8位 运算器的核心 以全加器为基础 辅以移位和控制逻辑组合而成在控制器的控制下 可进行加减乘除算术运算和各种逻辑运算 2累加器A由8位触发器组成的移位寄存器 运算前存放一个操作数 运算后存放运算结果 可进行累加 3暂存器TMP8位寄存器 暂存另一个操作数 4状态寄存器PSW8位触发器组成 存放ALU操作中形成的状态例CYOVAC标志位 5通用寄存器组PS用于存放操作数或运算结果 1 运算器 主要由五部分组成 以8位微机为例 发布操作命令的机构 是计算机的指挥中心 控制计算机的各部分协调工作 用以自动执行程序 1指令部件用来读取指令 分析指令和为完成指令产生控制信号的逻辑部件 也是控制器的核心 指令部件由以下三部分组成 程序计