单片微型计算机基础

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1、嵌入式系统基础 单片微型计算机原理及应用 C语言版 电气与电子工程学院 刘连鑫 2015年5月,关于在本教室上课的几点规定 1、不允许将手中的垃圾随便放,尤其不能放到抽屉里、桌缝间等死角。 2、每周按排5位同学为值日生（以班级序号为准，从1-5#开始）； 3、值日生的工作：擦黑板、将教室前面垃圾桶中的垃圾送到卫生间； 4、下课时各位同学将自己座位周围的垃圾放到教室前面的垃圾桶中，最后由值日生送到卫生间。,关于计算机使用几点规定 1、禁止将游戏软件装入电脑中； 2、上课期间禁止玩游戏； 3、所有电脑的C、D盘已经采取硬盘保护，各位同学自己的文件请存放在E、F盘上； 4、尽量固定自己所用的电脑位置

2、。,一、为什么要开这门课?,专业：自动化、电气工程、电子技术应用 自动化：智能仪器仪表 自动控制系统 本课程： 以CPU为核心的“自动化产品”的设计基础。,二、选择什么样的CPU?,技术成熟、兼容性好。 作为检测与控制，8位机是主流 简单、易学 因此： 选择带CPU的单片机：MCS-51单片机。,三、和其他课程的关系,数学 电路、电子技术-数字与模拟 C语言 自动控制原理（信号与系统） 检测技术,四、如何学好本课程?,喜欢关键 基础保证 关注与交流提高 实验重要的一步 动手掌握应用技术的前提,五、要求：,认真：上课认真(理论与实验） 作业认真 交流：和老师的交流 同学之间的交流 关注：关注新技

3、术的发展,第一章 单片微型计算机基础,主要介绍微型计算机的基本问题 目的：建立起微型计算机的概念 微型计算机的基本结构 微型计算机的硬件结构 计算机中的数制 中断、定时器、串行/并行通信 认识单片机,一、 微型计算机的定义与工作过程,1、定义 以微处理器为核心，配上半导体存储器及可编程接口芯片，连上外设及电源所组成的计算机，称为微型计算机，简称微型机或微机，有时又称为 PC（Personal Computer）或 MC（Micro Computer）。 微机加上系统软件，就构成了微型计算机系统（MCS-微机系统）。,2、冯诺依曼体系:(John Von Neumann，19031957美籍匈牙

4、利人，科学家),采用二进制代码表示数据和指令。 采用存储程序的工作方式，即先编写程序，然后存储程序，最后自动连续地执行程序。(软件系统） 由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备组成计算机硬件系统。 微型计算机是由硬件和软件相结合的产物。,按键： 输入设备 灯： 输出设备 不同的软 件发挥不 同的作用。,一个单片机控制的例子,微型计算机的硬件基本结构,由运算器、控制器、存储器、输入设备及输出设备五大部分组成。,存储程序的工作方式,（1）编写程序 （2）存储程序 （3）自动、连续地执行程序 信息的数字化表示 “数字”则表示计算机中的信息（控制信息和数据信息）均采用数字化表示方法。 即：所有信

5、息均采用二进制表示。 例如，二进制10001001表示-9，01000001表示字符A等。,3、计算机的工作过程,计算机的工作过程实际上是执行程序的过程，而程序是由一系列指令组成的，因此执行程序的过程就是按顺序执行指令的过程。 通常，计算机要运行某个程序时，该程序预先要调入内存的一系列单元中，在程序执行过程中完全由计算机自动执行而不需要人工干预，具体包括下列几步：,计算机的工作过程,取出指令-取指 分析指令-译码 执行指令-执行 实际上，计算机可以看成是一台能自动从存储器中取出指令进行译码、执行的设备。,二、微型计算机的基本结构,1、微型计算机的硬件： 运算器、控制器、存储器、输入设备及输出设

6、备五大部分组成。 中央处理单元CPU 运算器+控制器+存储器主机； 输入设备+输出设备计算机的外围设备简称“外设”）；,2微型计算机的软件,软件是指使用和管理计算机的各种程序，而程序是由一条条指令组成的。 （1）指令 控制计算机完成各种操作的命令称为指令。 例如： ADD A，#38 ；A A+38 （A-累加器；#-表示数据为立即数）,（2）程序,一系列指令的有序集合称为程序； 编制程序的过程称为程序设计。 源程序与机器码 源程序：用助记符编写的程序 汇编语言 C语言 机器码：机器语言，二进制数,例如：计算 63+56+36+14,汇编语言 C语言 ORG 0000H void main()

7、 MOV A,#63 unsigned char sum; ADD A,#56 sum=63+56+36+14; ADD A,#36 while(1); ADD A,#14 SJMP $,编译后形成的机器码,汇编语言：10个字节机器码,C语言：产生20个字节机器码,（3）机器语言、汇编语言和高级语言,汇编语言 机器语言 16进制 MOV A，#63 0111 0100 74H 0011 1111 3FH ADD A，#56 0010 0100 24H 0011 1000 38H ADD A，#36 0010 0100 24H 0010 0100 24H ADD A，#14 0010 0100

8、24H 0000 1110 0EH 高级语言：BASIC，FORTRAN，PASCAL，C,（4）汇编、编译与解释程序,汇编语言程序与高级语言程序统称为源程序； 机器语言程序称为目标程序； 将汇编程序翻译成目标程序的过程称为汇编，汇编时用到的程序称为汇编程序； 将高级语言转换成机器语言时所用的软件称为编译程序或解释程序。,目标程序（机器码）的存储形式,3、微型计算机,由CPU、存储器、输入/输出（I/O）接口及系统总线组成。 微型计算机的总线结构：,（1）CPU CPU是微型计算机的核心 （2）存储器 存储器是微型计算机的重要组成部分，是用来存放程序和数据的，计算机有了存储器才具备记忆的能力。

9、 存储器是由存储器单元组成的，对存储单元的编号称为存储器地址。 从应用的角度讲，计算机工作时，CPU对存储器的操作只有“读”和“写”2种操作。,（3）输入/输出接口电路,输入/输出接口(I/O口)：作为信息传输的桥梁，起到信息转换与协调的作用。 对I/O口的编号称为I/O外设端口地址。 从应用的角度讲，计算机工作时，CPU对I/O口的操作也只有“读”和“写” 。 CPU访问I/O操作时,只是对端口号的操作。,（4）总线,总线就是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 。 微处理器总线的种类非常多，可分为内部总线、元件级总线、系统总线、外部总线四大类。 在微处理器中使

10、用比较多的是元件级总线。 元件级总线包括： 地址总线 AB（Address Bus） 数据总线 DB（Data Bus） 控制总线 CB（Control Bus）三种。,以MCS51单片机为例：,地址总线：16条 三态单向，表示为：A15A0 数据总线：8条 三态双向，表示为：D7D0 控制总线： 读信号： 写信号：,（5）微型计算机系统(MC系统）,以MC为主体，配上外部输入/输出设备、外围设备、电源、系统软件一起构成计算机应用系统，称为MC系统.,4、存储器,作用：存放程序与数据。（记忆功能）,（1）组成： 存储器由一些能够表示二进制数0和1状态的物理器件组成。物理器件本身具有记忆的功能。

11、 基本的存储单位：1位二进制 存储单元 ：8位二进制数 存储器：多个存储单元 使用时用的是某存储单元。 存储单元属性：存储单元中的内容 存储单元的地址 操作：对某存储单元地址的操作 (读、写),（床位-宿舍-楼）,（2）存储器的主要指标 存储容量: 存储器的存储容量指存储器中能够存放的二进制数的位数。 存储容量与地址线有确切对应关系： Q=2N 如某存储器芯片有13条地址线A12A0，8条数据线，则存储器容量为213=8K，则地址空间范围为：0000H1FFFH。 存取速度：一般为几十几百纳秒。 存储容量、存取速度是存储器的2个重要性能指标。,（3）存储器的分类,按用途分： (1)内部存储器内

12、存，半导体存储器； 特点：可直接与CPU交换数据，速度快，容 量小。 (2)外部存储器外存，磁盘、硬盘、光盘等； 特点：速度慢，容量大海量。 内存储器按性质分： 随机读写存储器RAM，只读存储器ROM,A.随机读写存储器RAM,特点：可读可写，断电信息丢失； RAM分：静态随机读写存储器SRAM 动态随机读写存储器DRAM SRAM：由双稳态电路组成存储位，只要不断电，信息不会丢失，容量小； DRAM：一个MOS管+一个电容组成存储位，每隔12ms需“刷新”一次，集成度高，容量大。,B.只读存储器ROM,特点：使用时只能读出，不能写入，断电信息不会丢失； ROM分： 掩膜ROM； 可编程只读存

13、储器PROM-编程一次； 紫外线擦除可编程只读存储器EPROM； 电擦除可编程只读存储器EEPROM(E2PROM); 闪速存储器Flash ROM。(数据保存100年),（4）存储器芯片的一般结构,半导体存储器在使用时，厂家是以芯片的形式提供给使用者的。 一般结构,（5）存储器地址空间的结构形式,普林斯顿结构：只有一个地址空间，RAM、ROM占不同的区域； 哈佛结构：RAM、ROM空间独立，访问时采用不同的指令形式。,5. 输入/输出(I/O)接口电路,为了完成一定的实际任务，MC必须与外部世界进行广泛的信息交换，必须通过接口电路连接。I/O接口是介于CPU与外设之间的一种缓冲电路，用来完成

14、CPU与外设之间的数据传送。 接口技术是用MC组成一个实际应用系统的关键技术，任何一个MC应用系统的研制和设计，实际上主要就是MC接口的研制和设计。它包括硬件接口电路的设计和编制使这些电路按要求工作的驱动程序。,（1）接口的基本概念,所谓接口，就是指两台计算机之间、计算机与外设之间、计算机内部各部件之间起连接作用的逻辑电路，是CPU与外界进行信息交换的中转站。 接口是连接CPU和外设之间的一个桥梁。,（2）CPU和I/O设备之间的信号,把计算机与外设间的这种交换数据、状态和控制命令的过程统称为通信（Communication）。 微处理器与外设间传输的信号： 数据信息：数字量、模拟量、开关量

15、状态信息：外设准备就绪等状态 控制信息：对I/O的读写、启停等 数据信息、状态信息和控制信息的含义不同，但都是数据；,I/O端口,在接口中，这三种信息进入不同的寄存器（端口）：数据缓冲器、状态寄存器、控制寄存器。 端口，是指I/O接口中供CPU直接存取访问的那些寄存器或某些硬件特定电路。 一个I/O接口总要包括若干个端口。,（3）设置I/O接口的原因,（1）速度的不匹配 （2）时序的不匹配 （3）信息格式不匹配 （4）信息类型与电平的不匹配,（4）CPU与外设的数据传送方式,微型计算机和外设之间的数据传送有四种方式，即无条件方式、查询方式、中断方式、直接存储器存取方式（DMA方式）。 A、无条

16、件传输方式 无状态判断，要求外设 始终处于准备就绪状态。,B、程序查询传输方式, CPU读取接口状态字； 若接口未准备好，则继续查询状态字； 若外设已处于“就绪”状态，则传送数据。,C、中断传输方式,在中断传送方式下，外设具有申请CPU服务的主动权，当输入设备将数据准备好或者输出设备可以接收数据时，便可以向CPU发中断请求，使CPU暂时停下目前的工作而和外设进行一次数据传输，等输入操作或者输出操作结束以后，CPU继续进行原来的工作。 采用中断传输方式，CPU与外设并行工作，提高了CPU的效率。,D、DMA传输方式,DMA方式是一种存储器与存储器、外设之间的高速数据传输方式。 当需要利用DMA方式进行数据传送时，接口电路向CPU提出DMA请求，要求CPU让出对总线的控制权，由DMA控制器来取代CPU临时接管总线，控制外设和存储器之间直接进行