第2章 单片微机理论(李)

1、p2.12.1微型计算机概述微型计算机概述 p2.22.2单片微型计算机单片微型计算机 p2.32.3微型计算机的存储器微型计算机的存储器 1冯诺依曼结构2输入设备输入设备运算器运算器输出设备输出设备控制器控制器存储器存储器一、一、微处理器微处理器、微型计算机微型计算机和和微型计算机系统微型计算机系统 31、微处理器微处理器就是集成在一片大规模集成电路上的运算器和控制器。从功能上讲，微处理器就是CPU 。微处理器是微型计算机的核心部件，但它本身还不能当计算机用。 2、采用微处理器微处理器作CPU的计算机就是微型计算机微型计算机。但它还必须配有一定容量的半导体存储器半导体存储器、输入输出设备的接

2、口电路接口电路，以及系统总线系统总线，才能组成一台计算机 。3、微型计算机系统微型计算机系统是指以微型计算机为中心，再配上所需的外设外设(如键盘、打印机、屏幕显示器、磁盘驱动器等)、电源电源以及足够的软件软件而构成的系统。 4 复杂复杂指令集计算机指令集计算机CISC （Complex Instruction Set Computer） 精简精简指令集计算机指令集计算机RISC （Reduced Instruction Set Computer） 产生的原因产生的原因：测试表明，各种指令的使用频度相当悬殊，最常使：测试表明，各种指令的使用频度相当悬殊，最常使用的是一些比较简单的指令，它们仅占指

3、令总数的用的是一些比较简单的指令，它们仅占指令总数的20，但在程，但在程序中出现的频度却占序中出现的频度却占80，20世纪世纪80年代年代 产生产生 。p从计算机的从计算机的体系结构体系结构来看，微处理器有两种基本的来看，微处理器有两种基本的体系结构体系结构 。 微处理器微处理器就是集成在一片大规模集成电路上的运算器就是集成在一片大规模集成电路上的运算器和控制器。从功能上讲，微处理器就是和控制器。从功能上讲，微处理器就是CPU 。微处理。微处理器是微型计算机的核心部件，但它本身还不能当计算器是微型计算机的核心部件，但它本身还不能当计算机用机用p和一般计算机组成框图主要有两点区别和一般计算机组成

4、框图主要有两点区别51、以微处理器作为CPU，不再分别画出控制器和运算器；2、整个计算机采用了总总线结构线结构，所有的部件都连接在3条总线上面，各部件之间的数据和信号传送亦都通过总线传送。？将多个装置或部件连接起来井传送信息的公共将多个装置或部件连接起来井传送信息的公共通道称为总线通道称为总线(Bus)(Bus)。总线实际上是一组传输特。总线实际上是一组传输特定信号的传输线路。定信号的传输线路。61、数据总线数据总线 （Data BusData Bus，DBDB）：传送数据传送数据 ；双向双向 ；一般；一般来说，微处理器的来说，微处理器的位数位数和数据总线的和数据总线的位数位数一致。一致。2

5、2、地址总线、地址总线Address BusAddress Bus，AB) AB) ：在计算机中，通过地址来在计算机中，通过地址来访问外设及存储器访问外设及存储器 ；单向单向 ；地址总线的数目决定了可以直；地址总线的数目决定了可以直接访问的内存储器的单元数目接访问的内存储器的单元数目 。3 3、控制总线、控制总线 （Control BusControl Bus，CBCB）：传送：传送CPUCPU发出的控发出的控制信号，制信号，也可以也可以传送其他传送其他外设信号到微处理器；外设信号到微处理器；对对于一条具体的控制线，其于一条具体的控制线，其方向是固定的方向是固定的 ；控制总线控制总线的数目的数

6、目与微处理器的位数与微处理器的位数没有直接关系，没有直接关系，一般受引一般受引脚的限制脚的限制，控制总线的数，控制总线的数目不会太多。目不会太多。 总线结构使系统结构上简单，总线结构使系统结构上简单，规则，易于扩展规则，易于扩展 ；微处理器内；微处理器内部和单片机内部也都是采用总部和单片机内部也都是采用总线结构。线结构。 但是，在同一时刻，但是，在同一时刻，一种总线上只能有一种信号，一种总线上只能有一种信号，不能同时完成几个不同的操作不能同时完成几个不同的操作7包括：包括：p运算器部分：算术逻辑部件运算器部分：算术逻辑部件 （ALU）；累加器累加器A或或ACC（Accumulator）； 标志

7、寄存器标志寄存器FR（Flag Register）；）；寄存器组；寄存器组；p控制器部分：程序计数器控制器部分：程序计数器PC（Program Counter）；）； 指令寄存器，指令译码器，控制信号发生器。指令寄存器，指令译码器，控制信号发生器。81、算术逻辑部件、算术逻辑部件ALU（Arithmetic Logic Unit）算术运算一般包括加、减、比较、加算术运算一般包括加、减、比较、加1、减、减1等等 ；乘；乘法和除法运算，法和除法运算，BCD运算调整等运算调整等逻辑运算则一般包括与、或、异或、取反、取补等。逻辑运算则一般包括与、或、异或、取反、取补等。数据的向左或向右移位数据的向左或

8、向右移位 。92累加器累加器A或或ACC原义是积累、积聚的意思；累加器只是一个寄存器。原义是积累、积聚的意思；累加器只是一个寄存器。送入送入ALU进行运算的两个操作数中的一个一般存放在进行运算的两个操作数中的一个一般存放在累加器之中，运算后的结果，送回到累加器进行保存累加器之中，运算后的结果，送回到累加器进行保存。累加器中的数据还可以根据需要进行左、右移位。累加器中的数据还可以根据需要进行左、右移位。 3 DR-DataRegister数据寄存器数据寄存器暂存另外一个暂存另外一个操作数。操作数。104标志寄存器标志寄存器FR 用来存放用来存放ALU运算结果的各种特征。运算结果的各种特征。 11

9、u用来存放用来存放ALU运算结果的各种特征。运算结果的各种特征。u标志位如下：标志位如下： 进位标志进位标志C或或Cy（Carry Flag） ：运算时最高位可能产：运算时最高位可能产生的进位或借位。有进位或借位时置一生的进位或借位。有进位或借位时置一 辅助进位标志辅助进位标志AC ：又叫半进位标志又叫半进位标志，当两个，当两个8位数进位数进行加法或减法运算时，由第行加法或减法运算时，由第3位向第位向第4位的进位或借位位的进位或借位 。用于用于BCD运算中的十进制调整，供计算机本身使用。运算中的十进制调整，供计算机本身使用。 溢出标志溢出标志 OV(Overflow Flag)：在算术运算中，

10、有符号在算术运算中，有符号数的运算结果超过了机器数的表示范围，溢出标志只有数的运算结果超过了机器数的表示范围，溢出标志只有在有符号数运算时才有意义在有符号数运算时才有意义 。12标志位如下：标志位如下： 零标志零标志Z(ZeroFlag) ：当运算结果为零时，当运算结果为零时，Z标志就置标志就置1，否则，否则，Z就被置零。就被置零。 两个数是否相等。两个数是否相等。 符号标志符号标志S(SignFlag) ：符号标志总是和运算结果中符号标志总是和运算结果中最高一位的值一致最高一位的值一致 。判断有符号数的正负。判断有符号数的正负。有符号有符号数运算时才有意义数运算时才有意义 奇偶标志奇偶标志P

11、(Parlty F1ag)：奇偶标志用来标记运算结奇偶标志用来标记运算结果中果中1的个数的奇偶性，可用于检查在数据传输中是的个数的奇偶性，可用于检查在数据传输中是否发生错误。否发生错误。 有奇校验和偶校验之分有奇校验和偶校验之分13 经常使用它们经常使用它们 ；对其结构用途应十分清楚；对其结构用途应十分清楚 。 一般包括两类，即通用寄存器组或称数据寄存器组一般包括两类，即通用寄存器组或称数据寄存器组 。 通用寄存器相当于通用寄存器相当于CPU内部的小容量存储器，用来暂时内部的小容量存储器，用来暂时存放参加运算的数据、中间结果或者地址。数据传送速存放参加运算的数据、中间结果或者地址。数据传送速度

12、比存储器快。累加器就是属于通用寄存器。度比存储器快。累加器就是属于通用寄存器。 专用寄存器组中的每一种寄存器都有专门的用途。如上专用寄存器组中的每一种寄存器都有专门的用途。如上面提到的标志寄存器。面提到的标志寄存器。 堆栈指示器，程序计数器等堆栈指示器，程序计数器等14程序计数器是用来存放下一条要执行的指令地址。程程序计数器是用来存放下一条要执行的指令地址。程序中的各条指令，都是存放在存储器的某一个区域，序中的各条指令，都是存放在存储器的某一个区域，每条指令都有自己的存放地址。程序计数器中的地址每条指令都有自己的存放地址。程序计数器中的地址送到地址寄存器，生成地址总线。送到地址寄存器，生成地址

13、总线。 15 这这3个部件是微处理器中控制器的主要部分。控制器个部件是微处理器中控制器的主要部分。控制器是微处理器的大脑中枢。是微处理器的大脑中枢。 指令由操作码和操作数两部分组成。指令由操作码和操作数两部分组成。 保存指令操作码，指保存指令操作码，指明完成何种操作明完成何种操作 。 进行译码，产生各种进行译码，产生各种组合逻辑电平控制信组合逻辑电平控制信号。号。 与外部时钟脉冲组合，与外部时钟脉冲组合，形成各种按一定节拍形成各种按一定节拍变化的电平和脉冲，变化的电平和脉冲，即各种控制信号即各种控制信号 16p 在程序执行之前，先要把程序中的指令机器码送到存在程序执行之前，先要把程序中的指令机

14、器码送到存储器中，这样每条指令都有了自己的地址。储器中，这样每条指令都有了自己的地址。p 开始执行程序前，先把程序中第一条指令的地址送到开始执行程序前，先把程序中第一条指令的地址送到程序计数器程序计数器PCPC中。程序执行过程就是按照一定顺序执中。程序执行过程就是按照一定顺序执行各条指令的过程。行各条指令的过程。p一条指令的执行过程一般包括一条指令的执行过程一般包括取指阶段取指阶段和和执行阶段执行阶段。 17p一条指令的执行过程一般包括一条指令的执行过程一般包括取指阶段取指阶段和和执行阶段执行阶段。 1. 1. 送出指令的地址；送出指令的地址；2. 2. 选中相应存储单元；选中相应存储单元；

15、3. 3. 发出读指令的控制命令发出读指令的控制命令，存储器将指令机器码送到数，存储器将指令机器码送到数据总线；据总线；4. 4. 取出的指令传送到指令寄存器，再由指令译码器译码，取出的指令传送到指令寄存器，再由指令译码器译码，然后经控制信号产生器发出各种控制信号；然后经控制信号产生器发出各种控制信号；5. 5. 执行指令。对于简单的一字节指令，指令译码后就可执行指令。对于简单的一字节指令，指令译码后就可以具体执行指令，如某些加、减运算。以具体执行指令，如某些加、减运算。有些指令是不有些指令是不止一个字节的机器码止一个字节的机器码，那么，在取出指令的第一个字，那么，在取出指令的第一个字节之后，

16、控制器将根据译码的结果，再去取出其余的节之后，控制器将根据译码的结果，再去取出其余的指令字节，然府再决定如何执行这条指令。指令字节，然府再决定如何执行这条指令。18p单片机的特点单片机的特点1. 1. 单片机的存贮器有片内存贮器和片外存贮器之分；单片机的存贮器有片内存贮器和片外存贮器之分；2. 2. 单片机内的单片机内的ROMROM和和RAMRAM严格分工；严格分工；3. 3. 单片机有很强的位处理功能；单片机有很强的位处理功能；4. 4. 单片机的引脚出线一般都是多功能的；单片机的引脚出线一般都是多功能的；5. 5. 系列齐全，功能扩展性强。系列齐全，功能扩展性强。所谓单片微型计算机所谓单片

17、微型计算机，就是将，就是将CPUCPU、RAMRAM、ROMROM、定时、定时计数器和多种计数器和多种I IO O接口电路都集成在一块集成电路芯接口电路都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，又简称为单片机或微控制器片上的微型计算机，又简称为单片机或微控制器(MicroComputer)(MicroComputer)。19 各种系列的单片机由于其内部功能单元组成及指令系统的不尽相各种系列的单片机由于其内部功能单元组成及指令系统的不尽相同，表现出各种不同的特点。从同，表现出各种不同的特点。从19761976年年IntelIntel公司推出公司推出8 8位单片机位单片机MCS48MCS48系列以来

18、，单片机的发展非常迅速。如有些单片机在片系列以来，单片机的发展非常迅速。如有些单片机在片内固化了内固化了BASICBASIC解释程序。解释程序。TITI公司的公司的TMS320TMS320系列单片机以高速、系列单片机以高速、高精度的实时处理为其重要特征。它主要用于数字滤波、语言处高精度的实时处理为其重要特征。它主要用于数字滤波、语言处理、图像处理、高速控制、频谱分析等数字信号的实时处理中。理、图像处理、高速控制、频谱分析等数字信号的实时处理中。 等等等等p 单片机分为通用型单片机和专用型单片机两大类。单片机分为通用型单片机和专用型单片机两大类。人们通常所说的单片机即指通用型单片机。人们通常所说

19、的单片机即指通用型单片机。 通用型单片机是把可开发资源通用型单片机是把可开发资源( (如如ROMROM、I IO O接口接口等等) )全部提供给应用者的微型控制器。全部提供给应用者的微型控制器。 专用单片机则是为过程控制、参数监测、信号处理专用单片机则是为过程控制、参数监测、信号处理等方面的特殊需要而设计的单片机。等方面的特殊需要而设计的单片机。20p 在微型计算机中，存储器是用来在微型计算机中，存储器是用来存储指令和数据存储指令和数据的重要的重要部件。指令和数据预先通过输入设备送到存储器中，在部件。指令和数据预先通过输入设备送到存储器中，在程序执行的过程中再从存储器中取出指令和数据送到程序执

20、行的过程中再从存储器中取出指令和数据送到CPUCPU中进行信息加工和处理。中进行信息加工和处理。 p 存储器可以分为存储器可以分为内存储器内存储器和和外存储器外存储器两种。两种。正在运行的正在运行的程序和相应的数据都要存放在内存储器中程序和相应的数据都要存放在内存储器中。外存储器则外存储器则是相当于程序和数据的仓库，用来长期保存程序和数据是相当于程序和数据的仓库，用来长期保存程序和数据。外存储器外存储器:磁盘、磁带、光盘和磁盘、磁带、光盘和u盘。盘。内存储器内存储器:半导体存储器半导体存储器。 21半导体存储器从工艺上分为半导体存储器从工艺上分为双极型双极型和和MOS型型两种。两种。 双极型存

21、储器的工作速度较快，但集成度较差。双极型存储器的工作速度较快，但集成度较差。 MOS存储器的集成度较高，价格便宜。现在一般用的半存储器的集成度较高，价格便宜。现在一般用的半导体存储器都是导体存储器都是MOS存储器。存储器。 p 存储器是由许多具有存储器是由许多具有记忆功能记忆功能的的存储电路存储电路组成的。每个组成的。每个存储电路称为存储器的一位，并可存储电路称为存储器的一位，并可存储存储1位二进制信息位二进制信息。p 一般是将一般是将8位位存储电路组织在一起作为存储器中存储电路组织在一起作为存储器中最基本的最基本的存储单元存储单元，称为一个，称为一个字节字节(B)，存储信息的写入或读出都，存

22、储信息的写入或读出都是以字节作为最基本的单位。是以字节作为最基本的单位。22p 每个存储单元都有一个固定的地址；有每个存储单元都有一个固定的地址；有n条地址线的存条地址线的存储器，可以有储器，可以有2n个基本存储单元。个基本存储单元。p 对于微型计算机来讲，它的地址总线的数目，决定了它对于微型计算机来讲，它的地址总线的数目，决定了它可以寻找的同一类存储器地址的多少；实际装备的存储可以寻找的同一类存储器地址的多少；实际装备的存储器容量可按需要采确定，但不可以超过最大的寻址范围。器容量可按需要采确定，但不可以超过最大的寻址范围。p 存储器的读写是以字节存储器的读写是以字节(B)作单位，但存储器芯片

23、的容量作单位，但存储器芯片的容量则是以位则是以位(bit)作为单位。作为单位。p 一片存储器芯片的容量定义为：一片存储器芯片的容量定义为：芯片容量存储单元数芯片容量存储单元数每单元位数每单元位数210 10241K 例如，例如，2716存储器的容量是存储器的容量是2KB，即，即2K字节字节=2K8 。例如，例如，1 K4的存储器：有1K个单元，每个单元只有4位。 23p 只读存储器只读存储器(Read only Memory)简称为简称为ROM。 只读存贮器（只读存贮器（ROM）的信息在制造时或通过一定的编程）的信息在制造时或通过一定的编程方法写入。方法写入。 在系统中通常只能读出不能写入；在

24、系统中通常只能读出不能写入； 在断电时，其信息不会丢失；在断电时，其信息不会丢失； 它用来存放固定的程序及数据，如监控程序、数据表格它用来存放固定的程序及数据，如监控程序、数据表格等。等。p 只读存储器的结构、分类、产品只读存储器的结构、分类、产品24p 结构框图，由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器组成。结构框图，由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器组成。 有有n条条地址输入线地址输入线 ，m条数据线条数据线。25存储矩阵每一位存储矩阵每一位对应一个对应一个MOSMOS管，管，ROMROM中存储信息中存储信息反映在每个反映在每个MOSMOS管栅极连接方式管栅极连接方式上上W0W3W0W3：译码器

25、：译码器输出，一般称为输出，一般称为字线字线D0D3:D0D3:位线位线当地址线数当地址线数n n增增大时，译码器输大时，译码器输出线数出线数2 2n n将变大，将变大，可采用可采用X,YX,Y两个两个方向译码结构方向译码结构（1 1）ROMROM：掩膜编程的：掩膜编程的ROMROM简称为简称为ROMROM，它的编程是由半，它的编程是由半导体制造导体制造厂家完成厂家完成的，适合于大批量生产的产品。的，适合于大批量生产的产品。26（2 2）P PROM ROM ：在出厂时并未存储任何信息，用户只能写入在出厂时并未存储任何信息，用户只能写入一次（编程一次（编程 一次）。一次）。（3 3）EPEPR

26、OM ROM ：可改写的现场编程可改写的现场编程ROMROM，整片一起擦除，能，整片一起擦除，能够重复编程；（够重复编程；（EPEP：Erasable ProgrammableErasable Programmable） 用电信号编程，可用专门的编程器编程。用电信号编程，可用专门的编程器编程。 UVEPROMUVEPROM：用紫外线擦除的：用紫外线擦除的EPROMEPROM。 EEPROMEEPROM：用电信号进行内容擦除的：用电信号进行内容擦除的EPROM EPROM 。Intel 2716 UVEPROM 是一种用紫外线擦除，用电信号编程的只读存储器。它在是一种用紫外线擦除，用电信号编程的

27、只读存储器。它在平时工作时用平时工作时用5v电源，而在编程时电源，而在编程时(写入写入)要用要用25v的电源的电源电压。电压。2716的存储容量为的存储容量为2K8位，即位，即16K位。位。这个系列的产品还有这个系列的产品还有2732、2764、27128等，前两位是系等，前两位是系列号，后几位就是表示其存储容量的列号，后几位就是表示其存储容量的(以以K位为单位位为单位)。 27Intel Intel 27162716 UVEPROMUVEPROM 的引的引脚脚2K8位：地址线的数量：11，数据线的数量：8片选信号，输出允许信号。28片选片选/编程控制输入编程控制输入输出允许输出允许p信息可读

28、可写；可随时直接写入数据；掉电后信息可读可写；可随时直接写入数据；掉电后信息丢失。信息丢失。pRAM有双极型和有双极型和MOS型两种，型两种，MOS存储器因存储器因其集成度高，功耗较低，价格便宜而得到广泛其集成度高，功耗较低，价格便宜而得到广泛应用。应用。 p按其工作方式的不同可分为静态和动态两大类按其工作方式的不同可分为静态和动态两大类 。29静态静态RAMRAM：用用MOSMOS触发器作为基本记亿元件。只有在有电源触发器作为基本记亿元件。只有在有电源的条件下，存入的数据才可以保留和读出。掉电之后，的条件下，存入的数据才可以保留和读出。掉电之后，存入的信息全部消失。存入的信息全部消失。 静态基本存储电路在没有新的写静态基本存储电路在没有新的写人信号到来时，触发器的状态不会改变，所存信息将长人信号到来时，触发器的状态不会改变，所存信息将长时间保存不变，条件是不能断电，时间保存不