微处理机原理与接口技术

微处理机原理与接口技术 光电系徐向东 微处理机原理及接口技术本学期课程安排 教材 微处理机原理及接口技术秋学期授课8周 教材第1 5章内容1次闭卷测试答疑或探讨 请发EMAIL xusong 本讲要点 1了解微机的基本组成部分2了解单片机的特点3初步掌握与微机有关的一些基本概念和术语 第一章微处理机概论 1 1概述A 微型计算机系统硬件微型计算机微处理器微型计算机电源存储器系统外围设备I O接口总线软件 通常意义上的微机系统 由硬件和软件组成 而硬件的组成通常指微机 电源和外设 而微机内的主要部件有 微处理器MICROPROCESSOR存储器MEMORYI O接口电路INPUT OUTPUTPORT总线BUS本课程主要介绍微机部分 微机的产生与发展 数字式电子计算机的产生 1946年产生第一台数字式电子计算机电子管 晶体管 集成电路 大规模集成电路 超大规模集成电路第一代 第二代 第三代 第四代 46 57 58 64 65 71 72 今 LSIVLSISLSIULSIGLSI 微机的产生与发展 微处理器的产生 1968年成立Intel公司 1969年日本一公司要求Intel公司为其设计一组用于高性能可编程计算器的芯片 日本客户的原始设计方案至少需要12块专用芯片 Intel公司的Hoff工程师拒绝了这种笨拙的设计方案 代之以四块芯片构成 4001RAM 4002ROM 4003寄存器 40044位CPU该四块芯片组合即有简单通用计算机的功能 微机的产生与发展 Intel架构PC机的产生 1975年美国MITS公司用8080CPU芯片制造了世界上第一台PC机1981年美国IBM公司用8088CPU芯片制造了世界上第一台Intel架构PC机 运算器 存储器 控制器 输入设备 输出设备 B 计算机结构 主机 外设 冯 诺依曼计算机结构 迄今为止 所有计算机的组成结构都是冯 诺依曼型的 也就是说计算机总是通过执行存储器中的程序而工作 组成计算机的五大部分是 运算器CPU中央处理器控制器CENTRALPROCESSINGUNIT存储器MEMORY输入设备 用于输入程序和数据输出设备 用于输出结果 冯 诺依曼计算机的五大部件 运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备 运算器 存储器 控制器 输入设备 输出设备 冯 诺依曼计算机结构 冯 诺依曼计算机的六大特点 存储器是按地址访问的 按顺序线性编址的一维结构 每个单元的位数固定 指令由操作码和地址码构成 前者指定指令操作类型 后者指明操作数存放地址 指令在存储器中按顺序存储 由指令计数器指明取指地址 每取完一指令 指令计数器一般按顺序自动加1 在存储器中 指令与数据同等对待本身不能区别 冯 诺依曼计算机结构 机器以运算器为中心 输入 输出设备与存储器间数据传送都必须途经运算器 这四者操作及联系都由控制器集中控制 数据以二进制编码表示 采用二进制运算 冯 诺依曼计算机的一个根本 存储程序实现控制 通常认为1946年在美国产生第一台数字式电子计算机这台计算机称为ENIACELECTRONICNUMERICALINTEGRATORANDCALCULATOR电子数字积分器和计算机 第一台数字计算机性能指标 ENIAC长30 48米 宽1米 占地面积170平方米 30个操作台 重达30吨 耗电量150千瓦 造价48万美元 6000多个开关 每秒运行5000次加法或400次乘法 是继电器计算机的1000倍 手工计算的20万倍 计算一个算术题只要2分钟 但为此付出的准备工作却要2天 约翰 冯 诺依曼JOhnvonNeumann 1903年12月28日 出生于匈牙利布达佩斯 1929年冯 诺依曼受聘前往美国普林斯顿大学任教 1933年 普林斯顿大学高等研究院任命了包括爱因斯坦在内的第一批6位终身教授 冯 诺依曼是其中最年轻的一位 冯 诺依曼一生在数学 量子物理学 逻辑学 军事学 对策论等诸多领域均有建树 但参与人类第一台实用数字电子计算机的研究却始于偶然 但还是被公认为现代计算机之父 1957年2月8日 冯 诺依曼因患癌症去世 终年54岁 冯 诺依曼提出的改进意见 第一 新型计算机不应采用原来的十进制 而应采用二进制 采用十进制不但电路复杂 体积大 而且由于很难找到10个不同稳定状态的机械或电气元件 使得机器的可靠性较低 而采用二进制 运算电路简单 体积小 且实现两个稳定状态的机械或电气元件比比皆是 机器的可靠性明显提高 第二 采用 存储程序 的思想 即不象以前那样只存储数据 程序用一系列插头 插座连线来实现 而是把程序和数据都以二进制的形式统一存放到存储器中 由机器自动执行 不同的程序解决不同的问题 实现了计算机通用计算的功能 第三 把计算机从逻辑上划分为五个部分 即运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备 CPU 时钟 C 通用微机结构 ROM RAM 定时器 中断 I O 外设 复位 数据总线地址总线控制总线 MCS51系列中的8051芯片的基本性能 一片40引脚 40PIN CPU8位ROM4KRAM128字节CTC2X16位PIO4X8位SIO1INT5 单片机麻雀虽小 五脏俱全 只是性能相对弱一些 因此 可将单片机定义为 高度集中了完整微机系统所必需部件的一片集成电路芯片 英文的表述为 OneChipMicroprocessorSinglechipMicrocomputerSCMCMicrocomputerUnitMCUEmbeddedController 单片机的出现主要源于两个原因 为了满足工业测控的要求是来自市场的推动力 集成电路技术的发展是单片机性能的基本保证 年份型号位数集成度运算速度1946ENIAC 18000个电子管 70000个电阻0 005MIPS1000个电容 1500个继电器 197040044位2000个晶体管0 06MIPS197140404位2250个晶体管197280088位3300个晶体管0 03MIPS197480808位4500个晶体管0 2MIPS19768085A8位6200个晶体管0 3MIPS1978808616位25000个晶体管1MIPS19798088准16位29000个晶体管1MIPS80186以8086为核的单片机80188以8088为核的单片机19828028616位13 4万个晶体管 1 5MIPS19858038632位27 5万个晶体管 5MIPS19898048632位160万个晶体管 7MIPS19938058664位330万个晶体管 90MIPS1995P 64位550万个晶体管 300MIPS1998P 64位万个晶体管 800MIPS2001P 64位4200万个晶体管 2000MIPS注 MIPS即为 百万条指令 秒 单片机的应用 单片机在摄影专业中的应用 A 普通摄影 摄影器材 电子快门 自动调焦 自动闪光灯 自动测距等冲印器材 自动冲卷 自动扩印 自动补偿 自动送纸 自动裁切等B 数码摄影 摄影器材 传统器材功能之外还要数码传输 数码压缩 数码存储等冲印器材 数码还原 数码输出 单片机的应用 构成专用控制器 家电控制 空调器 电冰箱 洗衣机 电视机等交通设施 汽车 交通控制等通讯设施 手机 传呼机 电话机 交换机等工业控制 温度控制 顺序控制 过程控制等各种自动控制设施仪器仪表 测试仪器 计算机外设 各种附加仪表等医疗设施 保健设备 检查设备 治疗设备等娱乐设施 音响设备 声像设备 游戏设备等 现阶段单片机发展趋势 可靠性及应用水平越来越高 和Internet连接已是一种明显的走向 所集成的部件越来越多 NS 美国国家半导体 公司的单片机已把语音 图象部件也集成到单片机中 也就是说 单片机的意义只是在于单片集成电路 而不在于其功能了 原因是其内部可以集成各种应用电路了 功耗越来越低 和模拟电路结合越来越多 1 2相关概念1 微处理机 P MPU数字式电子计算机中的运算器 控制器是其核心 合称为中央处理单元或中央处理器CPU 将中央处理单元CPU集成在一块硅芯片上 也称微处理单元MPU或微处理器 P 2 主机 通常将中央处理单元CPU 存储器一起称作计算机的主机 3 微型计算机 C MC以微处理器为核心配上半导体存储器 输入输出设备所构成的计算机硬件 4 微型计算机系统 微型计算机配上电源等辅助硬件及合适的软件就构成了能够独立工作的微型计算机系统 5 单片机 SCMC MCU将计算机主机及部分I O部件和I O接口集成在一块硅芯片中 其英文缩写为SCMC即单片微型计算机 由于单片机常常被用作为控制器 国际上称之为用于控制目的的微型计算机或称微控制器MCU 6 ROMREADONLYMEMORY只读存储器 在计算机运行时 只能执行读操作 掉电后ROM中存放的内容不会丢失 7 RAMRANDOMACCESSMEMORY随机存取存储器 微机运行时可以读写 掉电后RAM中存放的内容会丢失 8 堆栈STACK是存储器中的一个特殊的区域 是一组按照 先进后出 的方式工作 用于暂存信息的存储单元 通常配有堆栈指针 用以指明栈顶的位置 起着管理堆栈工作的作用 9 字长计算时所用的二进制代码的位数8位D7D6D5D4D3D2D1D016位D15 D032位D31 D0位 一位二进制数称为位 BIT字节 8位二进制数称为字节 BYTE字 16位二进制数称为字 WORD双字 32位二进制数称为双字 10 总线BUS传输信息的一组公共通讯线 如 DB AB CB 总线的宽度通常等于字长 但也有例外 11 中断INTERRUPT中断是指微机暂时停止原程序的执行转而去执行一段新的程序 中断程序 并在执行完后 返回原中断处继续工作 12 程序计数器PCPROGRAMCOUNTER是管理程序执行次序的专用寄存器 一般有按顺序执行和跳转两种方式 13 端口地址I O接口电路的选通地址 14 三态门是常用缓冲器的一种 其输出除了常见的高电平 低电平外 还能呈现一种高阻状态 15 OC输出 三极管集电极开路输出 用于与外接电平相适应 小结 微机的基本组成部分冯 诺依曼计算机结构特点单片机的特点字长 计算时所用的二进制代码的位数8位D7D6D5D4D3D2D1D0最高位最低位MSBLSB16位D15 D032位D31 D0位 1位二进制数称为位 BIT字节 8位二进制数称为字节 BYTE 本讲要点 1熟练掌握十六进制的表达方式及与二进制的转换关系2熟练掌握原码反码补码的表示方法及特点3了解浮点数的表达方式 1 3微机中的数制 所有微机都是以二进制形式算术运算和逻辑操作的 五行八卦中的32卦 常见的数制 十进制数Decimal十个数字符号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9逢十进位 基数为10 权为10的N次方 N为正表示为整数部分 N为负表示为小数部分 1234 10 1 103 2 102 3 101 4 100 二进制数Binary 只有0 1二个数字符号 逢二进位 基数为2 权为2的N次方 N为正表示为整数部分 N为负表示为小数部分 1011 101 2 1 23 0 22 1 21 1 20 1 2 1 0 2 2 1 2 3 11 625 10 常见的数制 十六进制数Hexadecimal 十六个数字符号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F逢十六进位 基数为16 权为16的N次方 7F 7 161 15 160 127 10 十进制十六进制二进制000000110001220010 99100110A101011B101112C110013D110114E111015F1111 可见四位二进制数可用一位十六进制数代表 一位十六进制数 可扩展为四位二进制数 如 001111113F10100101A51010100011110101100111100151EB3C12340001001000110100A4B21010010010110010 在微机中采用二进制的原因是 二进制只有0 1两个数字 因此 用晶体管的导通和截止 脉冲的高电平和低电平 很容易实现这两种状态 此外二进制运算简单 便于电子线路的实现 B 0V三极管导通B VCC三极管截止 A B VCC 开关管 至于哪种状态称为 0 哪种状态称为 1 可以按某种约定而命名 比如 微机中RS232口线电平 就是 12V称为 1 12V称为 0 或理解成 经RS232输出的数字 1 会产生 12V电压 经RS232输出的数字 0 会产生 12V电压 所以 二进制中的 0 和 1 是对两种状态的区别 是对两种状态的记录 没有中间状态 采用十六进制的合理解释是 仅仅是用来减轻阅读二进制的负担和书写二进制时的麻烦 在微机中并没有按十六进制研制电子线路 由于有不同数制数的存在 若不标出标记将会形成混淆而无法分清 如 书写11若不指明 就要引起混淆 主要是汇编时形成混淆 若为十进制 想表示的是十进制数11若为二进制 想表示的是十进制数3若为十六进制 想表示的是十进制数17因此 书写时必须给出标识 常见的标识方法有两种一是用括号后加下标 如 11 2 11 10 11 16这种标识机器难以识别 一般用于书写 二是用英文字母加在被标记数的后面 如11D11B11H这种标识有利于机器识别 常用 通常对于十进制表示 省略后缀D 正是这一原因 就必须注意指令的书写和输入 比如 指令MOVA 11汇编成机器码后 会是740B而指令书写成MOVA 11H汇编成机器码后 将是7411写程序时不注意 很容易产生错误 所谓机器码是指提供给相应微机识别的二进制代码 1 4数制间数的转换 十进制数 二进制数 常用的是除2取余法 十进制数 十六进制数 常用的是除16取余法 二进制数 十进制数 把二进制数按权计算后相加 十六进制数 十进制数 把十六进制数按权计算后相加 实际工作中 一定要熟记十六进制所代表的十进制值和其二进制写法 这将会化简许多转换工作 十进制十六进制二进制000000110001220010 10A101011B101112C110013D110114E111015F1111 例如 将十进制数21转换为二进制数 可以考虑先将该数转换为16进制数21 16 1 5即15H2 将十六进制数展开为二进制00010101B例如 将二进制数11111111B转换为十进制数11111111BFFH15X16 15 255D 要熟记A 0 F与二进制 十进制的对应关系B FFH255DC 3FFH1023DD FFFFH65535D微机中为了方便起见 计算单位常常是以K或M来表示1K 1024D 400H 000 3FFH 1M 1KX1K 100000H 1048576D 另外 CRT及液晶屏显示分辨率为640X480 1024X768 1280X1024等 均是16的倍数 这是为了便于寻址和运算 1 5带符号数的表示 在字长为8位的微机中 若处理的是无符号数 一个数可以用8位二进制数表示 其数值范围为00H FFH 0 255D 换言之 8位二进制数可代表256种状态 但如何表示一个有符号数 或者说如何表示负数 习惯上认为有三种方法 即原码反码补码 在对有符号数的表示方法上 必然有一位用于表示符号 这一位称之为符号位 通常规定为最高位 当最高位为 1 时 表示该数值为负当最高位为 0 时 表示该数值为正 对于有符号数中的正数 原码反码补码的表示值是相同的 原码反码补码 2000000100000001000000010 对于有符号数中的负数 原码反码补码的表示值是不相同的 原码反码补码 2100000101111110111111110反码是取反 补码是取反加1 当进行有符号数运算时 要通过判断最高位的值来确定该字节值是正数 还是负数 对于8位有符号数A 原码法能表示的范围为 127 127DB 反码法能表示的范围为 127 127DC 补码法能表示的范围为 128 127D 对于 0 的表示A 原码有两种不同的表示 称之为 0 0分别为00000000B10000000BB 反码有两种不同的表示 称之为 0 0分别为00000000B11111111BC 补码的 0只有一种表示00000000B 1 6小数的二进制表示 任何一个十进制整数都可以用二进制准确地表示 但并不是所有的小数都可以用二进制准确地表示 只能根据精度要求取足够的位数 十进制二进制小数的转换方法为 乘2取整法 小数部分的二进制数 同样可用16进制数表达 例如 将十进制0 71875转换成二进制和十六进制0 71875 0 10111B 0 B8H要注意整数部分和小数部分四位二进制换成一位十六进制的差别98 65625 62 A8H 1100010 10101B 1 7定点数与浮点数 定点数是指小数点位置固定不变的数 浮点数是指小数点位置是浮动的 不固定的 二进制浮点数的表示方法有多种 在不同的微处理机中也可以有不同的表示 但通常采用的是 阶符阶码尾符尾数PFPSFS对于任何一个二进制数N 可以表示成 N 2P S式中 S称为N的尾数 P称为N的阶码 2称为阶码的底 若阶码的底为2 阶码P 尾数S都用二进制数表示 则可以构成二进制浮点数 尾数S是带符号补码表示的纯小数 其所取位数决定了浮点数的有效精度 阶码P是补码表示的带符号数 其所取位数决定了浮点数的表达范围 例如 101 101B 1000BX0 101101B 2 11BX0 10110