秦晓飞系列-单片机原理及应用-第1章 微机基础知识.

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1、第1章 微机基础知识 主讲教师：秦晓飞 上海理工大学光电学院 第1章 微机基础知识 1.1 微处理器、微机和单片机的概念 1.2 微机的工作过程 1.3 常用数制和编码 1.4 数据在计算机中的表示 1.5 89C51/S51单片机 1.1 微处理器、微机和单片机的概念 1.1 微处理器、微机和单片机的概念 l 微处理器(Microprocessor) 是小型计算机或微型计算机的控 制和处理部分，又称中央处理单 元CPU（Central Processing Unit）。 l 微机（Microcomputer） 是具有完整运算及控制功能的计 算机。 图1-1 微机的组成 微处理器(CPU) 微

2、处理器由控制器、运算器和若干个寄存器组成； 存储器 存储器是指微机内部的存储器(RAM、ROM和EPROM等芯片) 接口适配器（输入输出接口电路） 输入/输出（I/O）设备 /设备与微处理器的连接需要通过接口适配器(即/接口) 1.1 微处理器、微机和单片机的概念 l 单片机（Single-Chip Microcomputer） 是将微处理器、一定容量RAM和 ROM以及I/O口、定时器等电路集 成在一块芯片上，构成单片微型 计算机。 图1-1 微机的组成 微处理器 RAM ROM I/O口 定时器 单片微型计算机 1.1.1 微处理器的组成 图中假设所有的计数器、寄 存器和总线都是8位宽度。

3、 数据单元 ALU、计数器、寄存器和控 制部分除在微处理器内通过 内部总线相互联系以外，还 通过外部总线和外部的存储 器和输入/输出接口电路联 系。 外部总线一般分为数据总线 、地址总线和控制总线，统 称为系统总线。 存储器包括RAM和ROM。 微计算机通过输入/输出接 口电路可与各种外围设备联 接。 1.1 微处理器、微机和单片机的概念 图1-2 一个计算机模型 运算器 控制器 寄存器 1.1.1 微处理器的组成 1. 运算器： 组成 算术逻辑单元(简称ALU） 累加器 数据寄存器 作用 把传送到微处理器的数据进行算术运算或 逻辑运算。ALU可对两个操作数进行加、减、与 、或、比较大小等操作

4、，最后将结果存入累加 器。ALU执行不同的运算操作是由不同控制线上 的信息所确定的。 ALU数据来源 累加器、数据寄存器 主要功能 算术运算 逻辑运算和逻辑测试，如零值测试、两值比较 1.1 微处理器、微机和单片机的概念 图1-2 一个计算机模型 1.1.1 微处理器的组成 1. 运算器： 运算器功能实现过程举例： 两个数（7和9）相加，在相加之前，操作数9放 在累加器中，7放在数据寄存器中，执行两数相加运 算的控制线发出“加”操作信号，ALU即把两个数相 加并把结果（16）存入累加器，取代累加器前面存 放的数9。 1.1 微处理器、微机和单片机的概念 图1-2 一个计算机模型 1.1.1 微

5、处理器的组成 2. 控制器： 组成 程序计数器、指令寄存器、指令译码器、 时序发生器、操作控制器等 作用 它是发布命令的“决策机构”，即协调和 指挥整个计算机系统的操作。 主要功能 从内存中取出一条指令，并指出下一条指令 在内存中的位置。 对指令进行译码或测试，并产生相应的操作 控制信号，以便启动规定的动作。 指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间 数据流动的方向。 1.1 微处理器、微机和单片机的概念 图1-2 一个计算机模型 1.1.1 微处理器的组成 3. 主要寄存器： 累加器（A） 数据寄存器（DR） 指令寄存器（IR）和指令译码器（ID） 程序计数器（PC） 地址寄存器（AR）

6、1.1 微处理器、微机和单片机的概念 图1-2 一个计算机模型 1.1.1 微处理器的组成 3. 主要寄存器： 累加器（A） 累加器是微处理器中最繁忙的寄存器。 在算术和逻辑运算时，它具有双重功能： 运算前，用于保存一个操作数； 运算后，用于保存所得的和、差或逻辑 运算结果。 数据寄存器（DR） 数据（缓冲）寄存器（DR）是通过数据 总线（DBUS）向存储器（M）和输入/输出设 备I/O送（写）或取（读）数据的暂存单元。 1.1 微处理器、微机和单片机的概念 图1-2 一个计算机模型 1.1.1 微处理器的组成 3. 主要寄存器： 指令寄存器（IR） 指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指 令

7、。当执行一条指令时先把它从内存取到数据寄 存器中，然后再传送到指令寄存器中。 指令译码器（ID） 指令分为操作码和地址码字段，由二进制数 字组成。当执行任何给定的指令，必须对操作码 进行译码，以便确定所要求的操作。 指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译 码器的输入。 操作码一经译码后，即可向控制器发出具体 操作的特定信号。 1.1 微处理器、微机和单片机的概念 图1-2 一个计算机模型 1.1.1 微处理器的组成 3. 主要寄存器： 程序计数器（PC） 通常又称为指令地址计数器。在程序开始执 行前，必须将其起始地址，即程序的第一条指令 所在的内存单元地址送到PC。当执行指令时， CPU将自动

8、修改PC的内容，使之总是保存将要执 行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按 顺序执行的，所以修改的过程通常是简单的加1 操作。 地址寄存器（AR） 地址寄存器用来保存当前CPU所要访问的内 存单元或I/O设备的地址。因为内存（I/O设备） 和CPU之间存在着速度上的差别，所以必须使用 地址寄存器来保存地址信息，直到内存（I/O设 备）读/写操作完成为止。 1.1 微处理器、微机和单片机的概念 图1-2 一个计算机模型 1.1.2 存储器和输入/输出接口 1. 存储器： 地址总线、数据总线和若干 控制线把存储器和微处理器连接 起来。 存储器从CPU接收控制信号， 以确定存储器执行读/写操作。

9、 地址总线将8位地址信息送入 地址译码器，地址译码器的输出 可以确定唯一的存储单元。 数据总线用来传送存储器到 CPU或CPU到存储器的数据信息。 2. I/O接口及外设： 每个外设与微处理器的连接必须经过接口适配器（I/O接口）。 每个I/O接口及其对应的外设都有一个固定的地址，在CPU的控制下实现对外 设的输入（读）和输出（写）操作。 1.1 微处理器、微机和单片机的概念 图1-4 随机存取存储器 1.2 微机的工作过程 名称助记符操作码注释 取入累加 器 LDA1001 0110 (96H) 将存储单元的内容取入累加器，其单元地址由下一 个字节给出 加法ADD1001 1011 (9BH

10、) 将存储单元的内容和累加器的现有内容相加，结果 放在累加器中，存储单元的地址由下一字节给出 累加器送 存 STA1001 0111 (97H) 累加器内容送存，存储单元的地址由下一字节给出 停机HLT0011 1110 (3EH) 停止全部操作 l 微机的“存储程序”工作方式 计算机采取“存储程序”的工作方式，即事先把程序加载到计算机的存储器中， 当启动运行后，计算机便自动进行工作。计算器虽然也有运算和控制的功能，但 它不是“存储程序”式的自动工作方式，所以不能称为计算机。 任何计算机都有它的指令系统，有十几条至一百多条指令，并有若干种寻址方式 。我们假设图1-2所示的模型计算机有4条指令，

11、并只有一种寻址方式直接寻 址方式，模型机的指令及其说明如表1-1所列。 1.2 微机的工作过程 表1-1 模型机指令表 l 直接寻址方式 寻址方式是指用什么方法寻找指令的操作数。上述4条指令除HLT外，LDA、ADD和 STA都有操作数。直接寻址方式的指令格式如图1-5所示。 指令中应有一部分数位(8位，即1字节)用于指明所执行的特定操作，这部分(图1 -5中的第1字节)称为操作码。指令中还应有一部分数位(图1-5中的第2字节)用于 说明被操作的数据来自什么地方，这一部分叫操作数的地址。 1.2 微机的工作过程 图1-5 直接寻址方式的指令格式 l 直接寻址方式 在直接寻址方式中，一条指令(如

12、LDA、ADD和STA)需要2个字节：第1个字节是操 作码，第2个字节不是操作数，而是存放操作数的内存单元的地址。例如： LDA 23；将地址为23的内存单元中的内容7装入累加器A中。23为操作数的地址 1.2 微机的工作过程 图1-6 执行“LDA 23”指令 1.2.1 执行一条指令的顺序 计算机执行程序是一条指令一条指令执行的。执行一条指令的过程可分为两个阶 段，如图1-7所示。 在计算机中，“存储程序”第1条指令的第1个字节一定是操作码。这样，CPU首 先进入取指阶段，从存储器中取出指令并通过CPU译码后，转入执指阶段，在这期间 ，CPU执行指令指定的操作。 取指阶段是由一系列相同的操

13、作组成的，因此，取指阶段的时间总是相同的。而 执行指令的阶段是由不同的事件顺序组成的，它取决于被执行指令的类型。执行完一 条指令后接着执行下一条指令。所以，程序的执行顺序是取指、执指，取指、执指 如此反复直至程序结束。 1.2 微机的工作过程 图1-7 取指令、执行指令序列 1.2.2 执行一条指令的过程 指令“LDA 23”的执行过程是怎样的呢?这是一条直接寻址方式的指令，执行的 过程如图1-8所示。 LDA指令的指令周期由3个CPU周期(即机器周期)组成。其中，第1个CPU周期为取 指令阶段；执行指令阶段由2个CPU周期组成，第2个CPU周期中将操作数的地址送往地 址寄存器并完成地址译码，

14、在第3个CPU周期中，从内存取出操作数并执行装入的操作 。 1.2 微机的工作过程 图1-8 直接访问内存指令的指令周期 1.2.3 执行一个程序的过程 采用直接寻址，执行一个“7+10”的程序实例如表1-2所示。 1.2 微机的工作过程 1.2.3 执行一个程序的过程 1.2 微机的工作过程 1.2.3 执行一个程序的过程 1.2 微机的工作过程 1.2.3 执行一个程序的过程 1.2 微机的工作过程 1.3 常用数制和编码 1.3.1 数制与数制之间的转换 1.数制计数的进位制 二进制： 是“0”和“1”这样的数、逢2进位。按权展开时权的基数为2。用后缀字母 “B”表示。 如：1001B=

15、123+022+021+120 =9（十进制数） 十进制： 是“0”“9”之间的数、逢10进位。按权展开时权的基数为10。用后缀字 母“D”表示。 如：1135D=1103+1102+3101+5100 十六进制： 是“0”“9”，“A,B,C,D,E,F”之间的数、逢16进位。按权展开时权的基 数为16。用后缀字母“H”表示。 如：1C5H=1162+12161+5160 =453D 1.3 常用数制和编码 1.3.1 数制与数制之间的转换 1.数制计数的进位制 1.3 常用数制和编码 1.3.1 数制与数制之间的转换 2.不同数制之间的转换 二进制、十六进制转化成十进制： 将二、十六进制数按权展开相加即为相应的十进制数。 如：1101.11B=123+122+021+120+12-1+12-2=13.75D 如：1F.AH=1161+15160+1016-1=31.625D 十进制转换成二进制数： 整数部分除2取余，商为0止，余数倒置；小数部分乘2取整，积为0止或满足精度 要求时停止，整数顺置 如：11.625D=1011.101B 1.3 常用数制和编码 0.6252=1.25 1 MSB 0.252=0.5 0 0.52=1 1 LSB 1.3.1