2013年电协第四次培训

1、2020/7/9,2013初电协第四次培训,主讲：刘华有,越学习，越发现自己的无知！,微型计算系统的组成,微型计算机也称微机、电脑（更多的用户将“电脑”作为微型计算机的代名词）、个人计算机、PC(Personal Computer)、MC（Micro computer）等，是计算机家族中的一员。普通用户日常所见到的和接触的大多都是微型计算机，如台式机、一体机、笔记本和平板电脑。,台式电脑,平板电脑,微型计算机和其他计算机一样，也是由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备 5 大部件组成的。随着大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，将运算器和控制器集成在一片很小的半导体芯片上，这种芯片称为微处

2、理器（ CPU ）。以微处理器为基础，配以存储器、 I/O 设备、连接各部件的总线和足够的软件就构成了微型计算机系统。,微型计算机系统结构图,VGA接口,USB2.0接口,DVI数字视频接口,HDMI数字视频/音频接口,eSATA接口,USB2.0接口,USB3.0接口,RJ45接口,Spdif数字音频接口,后置环绕喇叭接头,音频输入端口,麦克风端口,音频输出端口,中置/重低音喇叭接头,PS/2接口,2.5 总线,总线是连接微型机 CPU 、内存储器和外部设备（ I/O 设备）的公共信息通道。在总线上传送数据、地址和控制三种信号。传送数据信号的线称为数据总线 DB(Data Bus) ，传送地

3、址信号的线称为地址总线 AB(Address Bus) ，传送控制信号的线称为控制总线 CB(Control Bus) ，目前微型计算机的总线由这三种总线构成。,存储器,存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。按用途存储器可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）,也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正

4、在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。,内部存储器,内部存储器即内存，安装在主板上。是具有“记忆”功能的物理部件，由一组高集成度的 COMS 半导体集成电路组成，用来存放数据和程序。 下图为内存储器的一般外形。,内存储器通常分为只读存储器（ Read Only Memory 简称 ROM ）和随机存储器（ Random Access Memory 简称 RAM ）。,只读存储器(ROM)用于存储由计算机厂家为该机编写好的一些基本的检测、控制、引导程序和系统配置等，如系统的 BIOS 即为 ROM 存储器。只读存储器的特点是存储的信息只能读出，不能写入，断电

5、后信息不会丢失。,随机存储器(RAM)的特点是既可以读出数据，也可以写入数据，因此随机存储器又称为可读写存储器。用于存放当前正在使用或常要使用的程序和数据。随机存储器只能在加电后保存数据和程序，一旦断电则其内所保存的所有信息将自然消失。,外部存储器,外存储器又称辅助存储器，它既是输入设备、又是输出设备，用于存放等待运行或处理的程序或文件，存放在外存储器中的程序必须调入内存储器才能执行，因此外存储器主要用于和内存储器交换信息。与内存相比，外存储器的主要特点是：存储容量大，价格便宜，断电后信息不会丢失，但存取速度慢。,单片机的特点与发展概述,一、微处理器、微机和单片机的概念 微处理器（Microp

6、rocessor）微型计算机的控制和运算器部分； 微型计算机（Microcomputer）有完整运算及控制功能的计算机，包括微处理器、存储器、输入/输出(I/O)接口电路以及输入/输出设备等； 单片机(single chip microcomputer)直译为单片微型计算机，它将CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、输入/输出(I/O)接口电路、中断、串行通信接口等主要计算机部件集成在一块大规模集成电路芯片上，组成单片微型计算机简称单片机 。,单片机的形态只是一块芯片，但是它已具有了微型计算机的组成结构和功能。由于单片机的结构特点，在实际应用中常常将它完全融入应用系统之中，故而也有将单片机称

7、为嵌入式微控制器(embedded microcon-troller)。,单片机有2种基本结构形式： 一种是在通用微型计算机中广泛采用的将程序存储器和数据存储器合用一个存储空间的结构，称为普林斯顿(Princeton)结构或称冯诺依曼结构； 另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为哈佛(Har-vard)结构。Intel公司的MCS-51和80C51系列单片机采用的是哈佛结构。目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构较多。 单片机的中央处理器(CPU)和通用微处理器基本相同，只是增设了“面向控制”的处理功能。例如：位处理、查表、多种跳转、乘除法运算、状态检测

8、、中断处理功能等，增强了控制的实用性和灵活性。,二、 单片机的一般结构及特点,第三节 单片机的应用领域及发展,一、单片机在智能仪器中的应用 智能化仪器内部基本上都是用单片机进行信息控制与处理。特别是近年来出现的数字信号处理器DSP是一种速度极高的单片机，它在通信和高速信息处理中起了极大的作用，从而扩展了单片机在智能仪器中的应用。 二、单片机在过程控制中的应用,三、单片机与e-Home,在家用网络系统HNS(home networked system) 中，对家用电器提出了“个性化”和“社会化”的要求。 家用电器的嵌入式结构有单核嵌入和双核嵌入2种。例如：一般电脑电饭煲，内部只有一个单片机，这种

9、控制系统是单核嵌入；对于分体式空调，室内机与室外机中分别有1个单片机，为双核嵌入结构。 四、单片机与Internet Internet技术已经深入到日常生活和工作中。各类家用电器和智能装置，它们的“心脏”多是单片机，由于单片机芯片品种达数百种，其硬件结构和指令系统各不相同，不能像PC机那样通过标准的硬件接口和接口软件直接接入Internet网络。,五、单片机的发展,1）强化指令功能 2）增加各种接口部件 3）提高专用程度,1）存储结构为哈佛结构，将程序存储器和数据存储器分开；,单片机结构特点小结：,4）面向控制，位处理功能强。,3）芯片引脚具有复用功能；,2）片内接口电路丰富，由特殊功能寄存器

10、管理；,单片机的引脚定义,从一片集成电路的角度去认识单片机,2.1.2 引脚功能 40个引脚双排直插DIP封装,大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。,内部结构和引脚功能,内部结构,MCS51的内部结构框图,单片机的引脚（晶振端）, 电源: VCC - 芯片电源，接+5V/3.3V/2.7V； VSS - 接地端； 时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。,1545pfx2,112MHz（MCS-51） 024MHz（Atmel-89C）,XTAL1,XTAL2,也可以由 XTAL1端接入外部时钟，此时应将 XTAL2接地：,XTAL2,XTAL1,外部时钟,

11、通常外接一个晶振两个电容, 控制线:控制线共有4根， ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 PSEN:外ROM读选通信号。 RST/VPD:复位/备用电源。 RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。,单片机,锁存器74LS373,P0.0-P0.7,ALE,PSEN,P2.0-P2.4,8D,8Q,OE,A8-A12,A0-A7,D0-D7,G,EA,OE,CE,EPROM,单片机的引脚（PSEN端）,P

12、SEN：寻址外部程序存储器时选通外部EPROM的 读控制端（OE）低有效。,EPROM, EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：内外ROM选择端。 80C51单片机ROM寻址范围为64KB，其中4KB在片内，60KB在片外(80C31芯片无内ROM，全部在片外)。 当EA保持高电平时，先访问内ROM，但当PC(程序计数器)值超过4KB(0FFFH)时，将自动转向执行外ROM中的程序。 当EA保持低电平时，则只访问外ROM，不管芯片内有否内ROM。对80C31芯片，片内无ROM，因此EA必须接地。 Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源

13、Vpp。, I/O线 80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。,P3.0 RXD：串行口输入端； P3.1 TXD：串行口输出端； P3.2 INT0：外部中断0请求输入端； P3.3 INT1：外部中断1请求输入端； P3.4 T0：定时/计数器0外部信号输入端； P3.5 T1：定时/计数器1外部信号输入端； P3.6 WR：外RAM写选通信号输出端； P3.7 RD：外RAM读选通信号输出端。,2-2 存储空间配置和功能,80C51的存储器配置方式与其他常用的微机系统不同，属哈佛结构

14、(注意:什么是哈佛结构?)，它把程序存储器和数据存储器分开，各有自己的寻址系统、控制信号和功能。程序存储器用于存放程序和表格常数；数据存储器用于存放程序运行数据和结果。,80C51存储空间配置图,单片机的I/O引脚结构,众多功能各异的I/O引脚源于它结构的不同,2-4 时钟和时序,CPU总是按照一定的时钟节拍与时序工作,2-4 时钟和时序,2.4.1 时钟电路,80C51单片机内有一高增益反相放大器，按图2-8a连接即可构成自激振荡电路，振荡频率取决于石英晶体的振荡频率.,2.4.2 时钟周期和机器周期, 时钟周期。,80C51振荡器产生的时钟脉冲频率的倒数，是最基本最小的定时信号。, 状态周

15、期。,它是将时钟脉冲二分频后的脉冲信号。状态周期是时钟周期的两倍。状态周期又称S周期。在S周期内有两个时钟周期，即分为两拍，分别称为P1和P2,机器周期是6个状态周期、 12个时钟周期。 当时钟频率为12MHz时，机器周期为1S； 当时钟频率为6MHz时，机器周期为2S。,(3) 机器周期,80C51单片机工作的基本定时单位，简称机周。 一个机器周期含有6个状态周期，分别为S1、S2、S6，每个状态周期有两拍，分别为S1P1、S1P2、S2P1、S2P2，S6P1、S6P2,（4） 指令周期,指CPU执行一条指令占用的时间(用机器周期表示)。80C51执行各种指令时间是不一样的，可分为三类：单

16、机周指令、双机周指令和四机周指令。其中单机周指令有64条，双机周指令有45条，四机周指令只有2条(乘法和除法指令)，无三机周指令。,图2-9 80C51的取指执行时序 a) 单字节单周期指令，例：INC A b) 双字节单周期指令，例：ADD A，#data c)单字节双周期指令，例 INC DPTR d)双字节双周期指令：例 PHSH direct,牢牢记住： 振荡周期(时钟周期)= 晶振频率fosc的倒数； 1个机器周期 = 6个状态周期 1个机器周期 = 12个时钟周期； 1个指令周期 = 1、2、4个机器周期,单片机 复位方式, 复位条件 RST引脚保持2个机器周期以上的高电平。 实现

17、复位操作，必须使RST引脚(9)保持两个机器周期以上的高电平。例如，若时钟频率为12MHz，每机周为1 S ，则只需持续2 S以上时间的高电平；若时钟频率为6MHz，每个机器周期为2S ，则需要持续4S以上时间的高电平。, 复位电路,上电复位电路。RC构成微分电路，在上电瞬间，产生一个微分脉冲，其宽度若大于2个机器周期，80C51将复位。为保证微分脉冲宽度足够大，RC时间常数应大于两个机器周期。一般取22电容、1k电阻。,按键复位电路。该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按下图中RESET键，R1C2仍构成微分电路，使RST端产生一个微分脉冲复位，复位完毕C2经R2放电，等待下一次按下复

18、位按键。, 复位后CPU状态,PC： 0000H TMOD： 00H Acc： 00H TCON： 00H B： 00H TH0： 00H PSW： 00H TL0： 00H SP： 07H TH1： 00H DPTR：0000H TL1： 00H P0P3：FFH SCON： 00H IP：00000B SBUF： 不定 IE：000000B PCON： 00000B,51单片机的8个特殊引脚,Vcc, GND: 电源端 XTAL1, XTAL2: 片内振荡电路输入、输出端 RESET: 复位端 正脉冲有效（宽度8 mS） EA/Vpp: 寻址外部ROM控制端。低有效 片内有ROM时应当接高电平。 ALE/PROG: 地址锁存允许控制端。 PSEN：选通外部ROM的读(OE)控制端