单片机的系统结构.doc

第4章 基础知识第二节 单片机的系统结构4.2.1 计算机的组成 在讨论AVR单片机的系统结构之前，我们首先来看一看计算机是怎样组成的。无论是学校里的计算机机房中的计算机，还是家中购买的家用电脑，对我们来说，它都不是陌生的了。计算机系统都有一个立式或卧式的机箱，机箱中要有一块布满半导体集成电路芯片和插座的电路板、一个供电电源、软磁盘和硬磁盘的驱动器，以及一台光盘驱动器。当然。平时我们是不会打开机箱的。在机箱外面，面对我们的是一个显示器，它就像一台电视机的显示屏，屏幕上显示各种信息，供我们来看。而让我们能够向计算机输入数据和命令的是一个有100多个按键的键盘和自由滑动的鼠标器。这些被称为输出/输入设备，又叫外部设备。当然，要想使计算机的功能更强，还可以联上打印机、扫描仪、调制解调器等外部设备。这些看得见、摸得着的实体，就是我们俗称的硬件。 计算机只有硬件是不能工作的，它还需要程序，也就是软件。我们在学校的计算机课程中，已经对软件有了初步的了解。我们学习了操作系统，即Windows的操作；我们也学习了文字的输入、文章的编辑、表格的建立、幻灯片的制作等，这就是Office办公软件。可能有的同学还学会了网页、动画的制作等等。因此，我们知道了，计算机要有硬件和软件两大部分，它才能正常工作。我们从工作的功能上来分析一下电子计算机的各个部分，即电脑的硬件。它可以归纳为5大组成部分。这5部分被称之为运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。任何一台计算机都是由这5大部分来组成的。运算器：它是计算机的核心，负责完成计算机所需要进行的各种计算任务和数据的处理；存储器：它相当于一个仓库，用于存放数据和计算机工作所需要的程序；输入设备：它让操作者把数据输进计算机中；输出设备：它把运算结果送出计算机；控制器：计算机的所有的工作都是在控制器的统一协调和管理下工作的。如果用我们常见的算盘算帐来打比方：算盘就是运算器；根据算题拨入数据，就是输入过程；记下运算结果的过程可以看作是输出操作；用一张纸记下原始数据、运算中间结果和最终结果，这张纸就相当于存储器；操作算盘的人也就成为这个“计算机”的控制器了。当然，计算机工作中必不可少的是软件，操作算盘的软件可以说非“小九九”莫属了。回头再来看一看我们常见的计算机。控制器和运算器被合起来称为中央处理器，又被写作CPU。它是计算机的心脏。现在CPU都被集成在一块超大规模的半导体集成电路上，并被安装在机箱中的主板上。存储器在计算机中又被分为两种。对主板上半导体作成的存储器，根据它所处的位置，称其为内存储器，就是人们常说的内存条。而软磁盘、硬磁盘和光盘等等，也作为存储器使用，但它位于主板的外面，称其为外存储器。显示器是把执行结果显示给操作者看的，所以，就是输出设备。当然，打印机、绘图仪也是输出设备。键盘、鼠标器是输入设备。它们将数据、命令送进计算机中。我们再来讨论一下计算机是怎样工作的。大家还记得国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫吧，他与IBM公司的计算机“深蓝”进行了一场世人瞩目的象棋大赛。最终计算机“深蓝”取得了胜利。计算机“深蓝”是怎样赢得胜利的呢？也就是说它是怎样工作的呢？IBM公司的这台计算机就那么天生神奇吗？当然，它是一台性能非常先进的机器，功能强，速度快。但是，机器是人设计出来的，它的硬件系统是在专家们的辛勤努力下研制出来的。而且，在对奕现场，“深蓝”也不是自己在那里对阵卡斯帕罗夫，在它的后面，有一个专家组在那里编制和调试程序。总之，计算机是人设计和制造出的硬件，又是用人设计出的软件程序使它工作。因此，到目前为止，计算机仍旧是离不开人，它要按人们编制的软件来工作。人们事先编制好程序，将它存放在存储器中。计算机就是自动地从存储器中逐条取出指令，分析指令，解释指令，执行指令。反复循环，直到完成人们给它规定的任务为止。我们总结一下：一台完整的计算机，为了正常工作，它要包括两部分，即我们看得见摸得着的硬件系统以及支持它的软件，二者缺一不可。对于硬件系统，通常根据其功能分为运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部分。在软件程序的支持下，计算机完成我们所要求的任务。当我们希望计算机干一件事情时，我们要选择合适的硬件，编制出相应的软件程序，这就是我们所要完成的任务。 4.2.2单片机系统我们在本书中焊装和操作的计算机，同我们常见的家用电脑大不一样了。我们平常所见的计算机称为个人计算机，即PC机（Personal Computer）。而这里介绍的是单片微型计算机，简称为单片机。那么，什么是单片机呢？单片机又有什么特点呢？首先我们看一看本书中介绍的ATMEL公司的单片机AT90S8515。图1-5为AT90S8515单片机外型结构。这是一片有40个引脚的半导体集成电路。在这样一片半导体集成电路中，可以说是麻雀虽小，五脏俱全。它包括了一台计算机的主要部件。它的内部包含有运算器、控制器，片内还有存储器以及输入和输出接口。有了这样一片集成电路，我们只要增加很少的硬件，就可以组成一台功能齐全的计算机了。也就是说，将控制器、运算器、一定容量的存储器、部分输入/输出接口以及定时器等电路集成在一个超大规模的半导体集成电路中，就构成了单片微型计算机，也就是单片机。单片机工作当然离不开软件。由于单片机中都有存储器，因此，它的软件程序都被写在片内的存储器中，俗语称为固化在单片机内。当然要求这些软件程序永远存在。也就是说，在关掉电源后，程序依然存在，以便下次单片机仍能正常工作。这样的存储器被称为只读存储器ROM（Read Only Memory）。写有程序的只读存储器也被称为固件。因此，一般来说，单片机系统不再需要软盘、硬盘、光盘等外部存储器了。现在，单片机也被称为“嵌入式系统”。作为硬件，它可以被嵌入到任何一个系统中，它的软件又是被嵌入到硬件中。这样的特点，使其有着广泛的应用前景。单片机由于其内部包含了计算机的基本功能部件，因此，以它为核心组成的应用系统结构简单，体积可以做得很小。并且，它的可靠性、抗干扰能力要强得多。单片机面向实际的应用环境，可以直接对外部设备进行控制。也就是说，它实时控制的功能很强。对单片机应用系统的开发非常方便。现在，有大量的开发系统、仿真器等可供使用，有汇编语言、C和PLM等高级语言以及RTOS等嵌入式系统的开发程序可供使用。特别是单片机的学习和入门容易，为它的推广和普及提供了方便。单片机的价格越来越低，而性能越来越高。可以说单片机的性能价格比高也是其一大特点。总之，单片机具有如此多的优点，所以它的应用越来越广泛。单片机在国民经济的各个领域都得到了广泛的应用，而且已经深入到了我们生活的各个角落。在工业应用中有很多仪器仪表，例如：温度、压力、流量、浓度、容积、功率等的测控装置。当使用单片机来做这些仪表时，无论从速度、性能、控制功能、可靠性，还是从体积、成本及操作等方面都体现了它的优势。使用单片机开发智能的仪器仪表，已经是发展的方向。工业生产过程控制为单片机的应用提供了用武之地，数控机床、机电一体化产品大大提高了生产的自动化程度。随着家用电器的发展，单片机越来越多地进入了家庭。空调器、电冰箱、微波炉、电风扇、热水器等都是由单片机来控制，它们也就是我们常说的电脑电器。数字电视、VCD、DVD、MP3等也是单片机和多媒体技术的结合。当前，智能家庭的概念越来越深入人心，电度表、煤气表、水表、暖气表等都可发展为单片机控制的智能仪表，不仅可以预付费，还可以通过网络统一管理。家庭中的安全系统，如防盗系统、烟雾报警系统、燃气泄漏报警系统等，都用单片机来实现的。把单片机控制的仪表、安全系统、空调和冰箱等家用电器、通信系统（如电话、传真机等）、计算机系统、数字电视等都可以通过网络连接在一起。它们既可以被自动控制，又可以同外部世界连成一体，这是多么美妙的前景啊！以至于有些专家告诉我们，将来，要看一个家庭科技水平的高低，只要看一看该家庭中应用单片机的多少就可以了。4.2.3 AVR单片机的系统结构经过技术人员和专家的努力以及应用领域的需求，单片机技术得到了迅猛的发展。很多厂商生产制造了各种各样的单片机，ATMEL公司的AVR单片机就是其中一种功能很强的单片机。下面结合ATMEL公司的AT90S8515这一个单片机产品，来讨论一下单片机的系统结构。这样，我们对单片机会有一个进一步的认识，同时，对我们下一步学习单片机的软件，学习它的指令系统，学习编写程序都会有很大的帮助。图4-2为AT90S8515 单片机的结构图。图4-2 AT90S8515单片机系统结构图4.2.4 单片机中的控制器在单片机的结构中，控制器是不可缺少的。控制器是一台计算机的指挥中枢，也就是相当于司令部。人们把计算机要干的事情编写成程序，提前将程序存放在存储器中。对于单片机来说，程序的存储器也在单片机中。单片机中的控制器负责从程序存储器中取出指令，并逐条地分析指令和执行指令规定的任务。控制器中要有一个指示从存储器的什么地方取指令的部件，叫程序计数器（Program Counter）。程序计数器中的内容就是程序在存储器里的地址，相当于信上的邮政编码一样。控制器中程序计数器的内容会自动地加1，这就是计算机工作时，程序自动连续执行的原因。从存储器中取来的指令在控制器里要有一个存放它的地方，这个地方就是一个寄存器，称为指令寄存器（Instruction Register）。根据指令的不同，在控制器中就产生相应的控制命令和控制信号。控制器中有翻译指令的部件指令译码器来干这件事情。从译码器出来的信号就控制单片机按指令的要求进行相应的操作。这些操作控制信号产生的电路是控制器中不可缺少的了。当然，这些操作都要有严格的时间安排，什么时间做什么操作，都要按一定的时间顺序。因此，控制器中要有时序控制信号的产生电路。4.2.5 单片机中的运算器单片机中还要有运算器，它是计算机的核心，由它来完成指令要求的计算工作。在计算机中，数的计算有两种：一种是算术运算，即我们常说的加、减、乘、除四则运算；再一种是逻辑运算，这种运算的操作叫做“与”、“或”、“非”、“异或”等。运算器中完成这些操作的主要部件叫算术逻辑运算部件，英文简称叫ALU（ ）。运算的结果会是多种多样的。在运算器中还设有一个负责测试和记录运算结果的状态的寄存器，称为状态寄存器。在状态寄存器里，用二进制的“0”和“1”分别来记下运算结果的情况。例如，结果是不是为0，是负数还是正数，是否有进位等，以及运算结果是否超出计算机的表示范围（这被称为溢出）。检查这些状态，可以决定程序下一步怎样执行。可以想象，参加运算的数据在运算器中要有存放的地方，这叫做寄存器。在不同的单片机中，寄存器的数量是不同的。在AT90S8515中设计有32个通用寄存器，又叫快速访问寄存器堆，足够以存放参加运算的数据和运算的结果了。这么多的通用寄存器，在编程序时使用它是相当方便的，这也是ATMEL公司AVR系列单片机的一个特点。在学习AVR单片机的指令系统和编写程序时，你会体会到这些优越性的。更重要的是，寄存器数量多，参加运算的数据就可以各得其所，这使得运算器在进行运算时，可以马上从对应的寄存器中得到它们，并很快得出结果，马上放到其它寄存器中。这样，AVR系列单片机就可以做到运算速度非常快。按计算机技术的术语讲，AVR单片机在1个时钟周期内就能完成一次运算。怎样去找到这些通用寄存器呢？这个不难，它们都有一个编号，也叫地址，就像邮编一样。在编程序时，按地址去找，自然会找到它们。4.2.6 单片机中的存储器存储器是计算机的重要组成部分，它相当于一个大仓库，在它里面存储着程序和数据。在单片机中，一般都把存储器和CPU做在了一起，做在一块半导体芯片里。根据用途，又将存储器分为如下几种。1程序存储器ROM由于程序写好后，不再改动，计算机工作时，这些程序只被CPU读，因此，被称为只读存储器，英文缩写为ROM（Read Only Memory）。在ATMEL公司的AT90S8515单片机里，有8 192个存储单元，每个存储单元有8个二进制数，也就是人们常说的一个字节。这8 192个字节，可以存放用户编写的程序。ROM的一个特点是非易失性。也就是关断电源后，它里面的内容不会改变，即不会丢失，下次开机后，仍然执行。存放在这些存储器中的程序，当然是由人们编制的。程序又是怎样放到里面的呢？这一工作叫做编程。程序存储器按编程方法的不同，又可以分为几类。一类是在生产存储器的工厂里直接写进去的，当然，使用中就不能改变了，这种存储器被称为掩摸ROM。另一类是在设计好以后，可以通过专用设备（即编程器）来把程序写进存储器中。在后一类存储器中，又分为叫可编程的和可擦除的ROM，即PROM和EPROM。在ATMEL 公司AVR系列单片机中，程序存储器用的是闪速(快速)存储器，写作Flash程序存储器。这种程序存储器的特点是可以被反复擦写，所以，编好程序后，就可以利用ISP接口直接写进去了。在AT90S8515单片机中，有几条信号线就可以写入程序。这里也有一个专业名词叫“下载”。有了这个特点，程序的写入或替换就非常方便了。不过，提醒一下，程序写好后，就不要乱动了。在本书中，要学会怎样来下载程序。2随机访问存储器RAM只有程序存储器是不够的，因为，在计算机的工作时要有存放被处理数据的地方，要有存放运算中间结果的地方，当然，也要有存放最后处理结果的地方。这些也都要用存储器来实现。不过，这一类存储器与程序存储器不同，它随时可以由CPU来读，也随时可以由CPU来写，因此称之为读写存储器，或叫作随机访问存储器，英文写作RAM（Random Access Memory）。RAM就像咱们运算时用的算草纸一样，也是必不可少的。这些存储器在计算机关断电源后，是不用保存的，所以可以让它们丢失。ATMEL公司的AT90S8515单片机中有512个字节的RAM。当这些内部的RAM不够用时，还可以在单片机芯片的外部增加RAM。AT90S8515外部最大可以扩充RAM到64 KB。你在编程序时可以放心大胆地去用。在AT90S8515单片机里，包含有：8 KB的 Flash型存储器，用于存放程序，即存放我们编写的单片机软件;512字节的随机访问存储器RAM，即停电后存储器的内容消失;512字节的EEPROM。可存放数据, 停电后数据不会改变;什么叫EEPROM呢？这是一个英文的缩写词，翻译过来就叫做电可擦写的可编程存储器。特点是：存储器中的内容可读；在停电后存储器的内容不丢失；必要时，它也可以逐个字节地去擦写，也可以整片地擦除。EEPROM完全像黑板的功能一样。黑板上有字,必须表先用黑板擦擦掉原来的字,可以逐个字地擦,也可以整个黑板统统擦除,然后写上新的内容。不过单片机是用电来擦写的。这种操作叫做可擦写。这样的存储器常常用来存放一些常数，例如比例系数、数据表格、商品单价等。对这些常数既可以现场改动，又可以长期保存。这样，使用起来就非常方便了。4.2.7 单片机中的输入/输出接口计算机总要同外部设备连接。特别是单片机主要用于控制，所以接口更是非常重要了。ATMEL公司的AT90S8515是一个有40个引脚的单片机芯片。这些引脚又分成4组接口，每组8个端口引脚，也叫做一个8位并行接口。这样就有了被叫做PA、PB、PC和PD的4个接口。这4个接口都有自己的地址名称，用户可以通过编程序来控制它们。在这32个引脚上，用户可以连接需要的外部设备，例如：接上LED发光二极管、LED数码管、喇叭、玩具电机等，作为输出设备来用；也可以接上键盘、话筒、开关等，用以输入命令和数据等等。单片机的输入/输出口,也可简写成I/O口,即这个端口(引脚)既可以作输入,也可以作输出。单片机I/O口的功能,同人的鼻子功能一样,呼(输出)、吸(输入)是其最基本的功能。我们知道鼻子也可以唱歌,感知外界温度高低的测温、测压、分辨香臭、打暗号(通信)等功能;鼻子能做的事,单片机I/O口都可以做,甚至功能更强。例如:单片机上网远程通信、测控,这就是单片机的开发应用。单片机里不仅有上述的并行接口，使得它使用起来非常简便，而且它内部还有其它代替一些外部设备的部件，如定时器、串行接口、模拟量转换接口等等。例如，在AT90S8515这个单片机中，它还有两个定时器/计数器，一个是二进制8位的，一个是最大到二进制16位的。它们可以像一个闹表一样，给人