单片机原理及应用_第1章_微型计算机的基本概念ppt课件

单片机原理及应用 信息工程学院吕单片微机原理及应用 微型计算机的基本概念MCS 51系列单片机的硬件结构MCS 51系列单片机的指令系统和汇编语言程序示例MCS 51系列单片机的扩展MCS 51系列单片机的接口与应用单片机应用系统的开发 微型计算机的基本概念 概述微处理器存储器输入输出接口电路 返回 概述 电子计算机的特点及应用单片机的特点及应用计算机的基本结构微型计算机结构微型计算机软件计算机中的数 返回 1946年由美国宾夕法尼亚大学研制ENIAC ElectronicNumericalIntegratorAndcalculator 运算速度5000次 秒 功耗150kw h 占地170m2 造价100万美元 电子计算机的特点及应用特点 运算速度快高度自动化高精度和高可靠性具有记忆能力具有逻辑判断能力 应用科学计算 数据处理 实时控制 计算机辅助设计 仪器仪表智能化等 单片机的特点及应用特点 体积小 重量轻 价格便宜 耗电少 可靠性高 抗干扰性能优于采用一般的CPU 控制功能强 运行速度快 片内存储器的容量不大 I O引脚少 但存储器和I O接口都易于扩展 CPU CPU芯片 内存条 存储器接口 存储器芯片 输入输出接口 输入输出接口芯片 定时计数器芯片 A D D A芯片 单板机 印刷电路板 单硅晶片 CPU 存储器 控制电路 定时器 时钟电路 I O口 单片机 单片机发展概况 1976 1978初级8位单片机IntelMCS 48系列1978 1983高档8位单片机IntelMCS 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廉价型89C2051 1051 1983 90年代初16位单片机IntelMCS 96系列8098 8096 80C198 80C196 DSP90年代初 至今16位单片机高档32位单片机ARM 应用 家用电器领域办公自动化领域调制解调器工业自动化领域智能仪器仪表与集成智能传感器领域汽车电子与航空航天电子系统 计算机的基本结构 硬件主机CPU 运算器 控制器主存储器 内存 外设外存 输入设备 输出设备等软件 微型计算机结构 微处理器芯片存储器芯片输入 输出接口电路总线 微型计算机以微处理器为核心 加上中大规模集成电路制作的存储器 输入 输出接口电路 通过总线所组成的计算机称为微型计算机 微处理器芯片 算数逻辑部件ALU工作寄存器组控制部件 存储器芯片存储器由许多存储单元组成 8位微机中 每个存储单元存放8位二进制代码 即一个字节 每个存储单元地址唯一 地址 用二进制数表示 地址的二进制位数N与存储器容量Q的关系是 Q 2N 输入 输出接口电路 在CPU与外设之间起信息转换与协调作用的电路 保证信息和数据在外设与CPU之间正常传送 在微型计算机各芯片之间或芯片内部各部件之间传输信息的一组公共通信线 串行发送 并行接收优点 可以减少机器中信息传送线的根数 从而提高机器的可靠性 可以方便地对存储器芯片及I O接口芯片进行扩展 总线 缓冲器三总线结构 数据总线DB 传送数据信息地址总线AB 传送地址信息控制总线CB 传送控制命令 小结 微处理器 微型计算机 微型计算机系统三者关系 单板机 将微处理器 存储器 I O接口电路及简单的输入 输出设备组装在一块印制电路板上 单片机 将微处理器 存储器和I O接口电路以及其他有关部件集成在一块芯片上 返回 微型计算机软件 指令 操作码和操作数例MOVA 29操作码目的操作数源操作数 程序29 38 63 56 MOVA 29ADDA 38ADDA 63ADDA 56 机器语言 汇编语言 高级语言源程序汇编语言程序高级语言程序汇编 人工汇编机器汇编 目标程序机器语言程序 计算机中的数 进位计数制 标示符B H D二进制数特点 数字0 1 逢二进一00000010B 1 21 21111 111B 23 1 22 1 21 1 20 1 2 1 1 2 2 1 2 3 1 十六进制数特点 数字符号0 9 A F 逢十六进一例 74H 7 161 4 160 116 不同进制数之间的转换二 十六进制数转换成十进制数方法 按权展开 然后相加 例 0F 8H 0 161 15 160 8 16 1 15 511111111B 1 27 1 26 1 25 1 24 1 23 1 22 1 21 1 20 255 二进制数转换成十六进制数方法 4位二进制数用1位十六进制数代替例 11111111B FFH00111010 11001000B 3A C8H 十六进制数转换成二进制数 方法 1位十六进制数用4位二进制数代替例 FFH 11111111B2 A4H 0010 10100100B 整数部分转换方法 十进制数连续被基数2 16 所除 依次记下余数 直到商0位止 第一个余数是转换后二进制 十六进制数 的最低位 最后一个数是最高位 小数部分转换方法 十进制数小数连续乘以基数2 或16 依次记下积的整数部分 直到积为0为止 第一个数是二 十六 进制数的最高位 最后一个整数是最低位 带符号数的表示 带符号数 最高位0正1负 图1 108位微机中的带符号数 例 11111111B无符号数255带符号数 127 原码正数原码与原值同负数原码符号位置1 数值位不变 例 46 原 00101110B 46 原 10101110B8位二进制原码表示的数的范围 127 127 反码正数的反码与原码相同负数的反码由其绝对值按位求反后得到 例 46 反 00101110B 46 反 11010001B8位二进制反码表示的数的范围 127 127 补码 正数补码与原码同负数的补码为其反码加18位二进制补码表示的数的范围 128 127对负数补码求反后加1 回复为该数的绝对值 0 补 0 补 00000000BA B A B 补 二进制编码的十进制数二 十进制数 BCD码一个十进制数用四个二进制数表示10 00010000 BCD十进制调整指令DAA若 A0 3 9 或 则 A0 3 A0 3 06 若 4 7 9 或 CY 1 则 4 7 4 7 06H 例 48 6948 01001000 BCD69 01101001 BCD01001000 01101001 AC 110110001 01100110 100010111117D ASCII码 1000011奇校验 奇数个1 01000011偶校验 偶数个1 11000011 定点数与浮点数 定点数小数点位置固定不变的数 小数点定于数值位之后小数点定于符号位与数值位之间 浮点数 N 2P S例101 11B 1000B 0 10111B 2 11B 0 10111B 尾数S的特征 S为纯小数 当0 5 S 1 称该浮点数为规格化浮点数S是有符号数 数N的正或负由S来表示S用补码表示S所取的位数规定了有效数字的位数阶码P的特征 阶码可正可负 用补码表示P的位数决定了数N可表示的范围 例1 20某计算机字长16位 其中阶码用五位二进制数表示 尾数用九位二进制数表示 阶符 尾符各占一位数 试用浮点数形式表示十进制数 117 75 117 75 1110101 11B 0 111010111B 2 111B 000111B 补 000111B 0111010111B 补 1000101001B其浮点数表示为 0001111000101001 返回 第二节微处理器 典型8位微处理器结构 运算器 控制器 工作寄存器组运算器控制器工作寄存器程序计数器 返回 运算器由算数逻辑单元ALU 累加器A 暂存寄存器TR 标志寄存器F 二 十进制调整电路等组成 A Accumulator 存放操作数 运算结果 TR TemporaryRegister 暂存操作数 并送入ALU进行计算 分析指令ADDA 24HADDA R0的执行过程 F FlagRegister Mcs 51中状态寄存器 PSW CACFORS1RS0OV P二 十进制调整电路 调整二 十进制运算的计算结果 控制器 指令寄存器IR InstructionRegister 指令译码器ID InstructionDecoder 控制电路指令的执行阶段 取指令执行指令 工作寄存器提高计算机工作速度 简化指令的机器代码 程序计数器PC ProgramCounter 专门用来控制指令执行顺序 字长16位上电 复位 时PC自动装入0000H一般单片机每取一次机器码 PC自动加1PC的内容可用指令改写 例 下列程序存放在64K 8位的EPROM中 000FH 0000H7408HMOVA 08H 0011H 0002H75F076MOVB 76H 0014H 0005H25E0ADDA A 0016H 0007H25F0ADDA B 0018H 0009H022000LJMP2000H 001BH 000CH 要求 1 指令执行过程 PC管理程序执行次序 2 写出每条指令首址 000FH开始 3 该程序段共占用内存单元数 4 执行ADDA A时 PC内容 5 执行ADDA B后 A B PC的内容 6 CPU取回指令LJMP2000H并执行该指令时 PC 执行后 PC 返回 第三节存储器 存放信息 程序 数据 主要指标 存贮容量 存取速度存储器分类存储器结构堆栈 返回 存储器分类RAM 又称读写存储器 数据存储器特点 掉电后存放的信息将丢失 ROM 又称程序存储器特点 掉电后存放的信息不会丢失 典型RAM芯片2114 1KB 4位 6116 2KB 8位 6264 8KB 8位 典型的EPROM芯片2716 2KB 8位 2732 4KB 8位 2764 8KB 8位 27128 16KB 8位 存储器结构 由存储体 地址寄存器 地址译码器 存储器输入 输出控制电路等部分组成 分析 若某存储器芯片有12根地址线 8根数据线 那么1 该芯片有多少个存储单元 2 每个存储单元存放多少位二进制数 3 用十六进制数写出它的首地址和末地址 堆栈是RAM中的一个特殊的区域 是一组按照 先进后出 的方式工作的 用于暂存信息的存储单元 设置堆栈的目的 保存断点地址和现场信息例 0123HACALLSUB0125HMOVA RO0345HSUB MOVR3 A断点地址 0125H现场信息 A 工作寄存器及标志寄存器中的信息 堆栈操作方式进栈PUSHX SP SP 1 SP X 出栈POPX X SP SP SP 1 堆栈指针SP 专用地址寄存器 指明栈顶位置 管理堆栈 例 MOVSP 60H 建立堆栈PUSHAPUSHB MCS 51单片机堆栈的工作过程 MOVSP 0E0H 建立堆栈E3HMOVA 24HE2HMOVB 0F1HE1HPUSHAE0HPUSHB堆栈的工作过程 返回 第四节输入输出接口电路 输入输出接口电路的功能计算机与外围设备间传送的信息I O电路的端口编址方法数据传送方式 返回 输入输出接口电路的功能 输入输出设备与CPU的连接锁存 数据 作用变换作用 信息转换 电平转换缓冲地址译码联络作用 计算机与外围设备间传送的信息数据信息状态信息控制信息 I O电路的端口编址方法存储器单元与接口电路端口统一编址 MCS 51采用此编址方法存储器单元与接口电路端口分别编址 数据传送方式无条件传送方式 接口电路与外设之间只传送数据信息 最简单 所配置的硬件和软件最少查询传送方式 交换数据 状态 控制三种信息 CPU利用受影响 不能处理掉电 设备故障等突发事件 直接数据通道传送方式利用硬件 DMA控制器 使数据在高速的外设与内存之间直接进行批量传送 不通过CPU 优点 传送速度快 约1 s 字节缺点 需DMA控制器 电路复杂 成本高 中断传送方式最常用的数据传送方式 中断 是指当机器正在执行程序的过程中 一旦遇到异常情况或特殊请求时 就暂时停止正在执行的程序 而转入必要的处理 称为中断处理或中断服务 并且在处理完毕后 立即回到原来被停止程序的间断处 称为断点 继续执行 中断的用途 传送数据 实时控制 故障自动处理 实现人机联系等 中断的优越性 提高了CPU工作效率并且使其可以同时为多个外设服务 实现实时控制 可以处理设备故障 掉电等突发事件 外设向CPU发出中断请求信号的条件 A 外设本身的工作已完成 B 计算机系统允许该外设发中断请求信号 CPU响应中断的条件 接口电路和CPU处在允许中断状态 中断源和中断优先权中断源 能发出中断请示的各种来源 中断优先权A 多个中断源同时申请中断时 CPU先响应优先权高的 B 可以中断嵌套 即若有级别高的中断请示则CPU暂时中断已在进行的级别低的中断服务程序 响应高级别中断请求执行完后再返回原低级别中断服务程序继续执行 C 同或低级中断请求 CPU要在处理的中断服务程序执行完毕返回主程序 并执行了主程序一条指令后才响应 中断服务程序流程图 返回 输入设备 控制器 输出设备 存储器 运算器 数据 数据 数据 输出指令 输入指令 外围设备接口CPU内存 存取命令 指令 操作命令 主机 图1 1计算机结构 返回 图1 2微型计算机结构 微处理器 存储器 接口 I O 外设 地址总线 数据总线 控制总线 返回 00000000000000010000001000000011000001001111111011111111图1 3存储器示意图 返回 缓冲器 缓冲器 缓冲器 芯片 芯片 芯片 1 2 N 图1 48位总线 返回 1 2 A B C1 C2 图1 6双向三态门 返回 微型计算机系统 硬件 微型计算机 微处理器 存储器 总线 电源 外围设备 软件 图1 7微形计算机系统 返回 I O接口电路 01110100 00100100 00000100 00100100 00111000 00100100 00100100 00111111 第四条指令 第三条指令 第二条指令 第一条指令 00000000 图1 8存储器中的程序 返回 00000001 00000010 00000011 00000100 00000101 00000110 00000111 00001000 00001001 缓冲器 PC 缓冲锁存 工作寄存器组 SP 地址总线 数据总线 A TR F IR ID 内部总线 BCD调整 定时与控制 内部控制线 控制总线 返回 图1 14典型微处理器结构框图 ALU 存储器 内存储器 RAM ROM 静态RAM 动态RAM 掩模式ROM PROM EPROM EEPROM 外存储器 磁带 磁盘 图1 15存储器分类 返回 图1 16存储器结构框图 返回 V1 V2 V5 V6 V8 V7 V3 V4 Q Q Di 图1 176管静态1位存储电路 返回 Di Y译码器 X译码器 A6 A11 A0 A5 X0 X1 X63 Y0 Y1 Y63 000H 001H FC1H FC0H FFFH 行选 列选 存储单元 图1 18存储矩阵 返回 QQ V3 V1 Di V4 V2 C1C2 X 行选 图1 191位动态存储电路 返回 Di A0A1A2A3A4A5 V1V2V3V4V5V6 输出X1 Vcc V7 图1 20地址译码电路 返回 去片内其他各位 片选CS 行选X 列选Y V3 V4 V1 V2 V7 V6 5V V8 3 1 2 管脚I O1 4 5 图1 21输入输出控制电路 返回 写允许WE 地址译码器 A1 A0 03 02 00 01 W3 W2 W1 W0 D3 D2 D1 D0 返回 图1 224x4位掩模ROM示意图 选择线Wi FAMOS 位线Di 图1 23EPROM1位存储电路 P P N基片 氧化层 源极S 浮置多晶硅栅 漏极D 图1 24FAMOS管结构 返回 断点 继续执行主程序 主程序 执行子程序 子程序 调用子程序 返回主程序 图1 25主程序与子程序 主程序 子程序1 子程序2 子程序3 断点1 断点2 断点3 图1 26子程序嵌套