微型计算机基本概念

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1、2018/10/12,1,单片微机原理及应用,2018/10/12,2,教 材,严海蓉，薛涛等，嵌入式微处理器原理与应用-基于ARM Cortex-M3微控制器(STM32系列)，清华大学出版社，2014年12月 第1版。参考书目: 1吴常玉，曹孟娟，王丽红.ARM Cortex-M3与Cortex-M4权威指南（第3版），清华大学出版社，2015 2武奇生，白璘等，基于ARM的单片机应用及实践-STM32案例式教学，机械工业出版社，2014年6月第1版 3喻金钱，喻斌，STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器开发与应用，清华大学出版社，2011 4杨光祥，梁华，朱军，STM32单

2、片机原理与工程实践（第1版），武汉理工大学出版社，2013,2018/10/12,3,课程目的和基本要求,本课程要求学生掌握计算机中的数值概念，包括各类数据编码与存储方式；通过学习微型计算机的基本原理和组成结构，使学生掌握微型计算机的工作原理，对计算机建立从软件到硬件、从宏观到微观的正确认知；了解ARM系列处理器内核的发展历程和技术特点；通过课程学习，掌握Cortex-M3的体系结构，了解其先进技术及对性能的影响，掌握其操作模式、寄存器内容及功能。深入掌握STM32F10X单片机的内部结构、核心技术、功能部件、内部资源以及编程方法，掌握其接口技术；通过应用实例的讲解与讨论，让学生进一步巩固所学

3、知识，提高分析和设计技能，并促进综合素质的培养。,课程主要内容,（1）讲解微型计算机的基本原理、组成结构、先进技术，各类进制数的转换方法、定点数与浮点数的存储格式、无符号数和带符号数的编码方法、ASCII码、BCD码、汉字编码的基本技术。 （2）ARM家族介绍，讲解微型计算机的基本原理与组成结构，学习单片微型计算机发展，简要介绍嵌入式系统基本概念、Cortex-M3内核的技术基础和功能特性。 （3）讲解Cortex-M3体系结构，包括微处理器核结构、处理器的操作模式及状态。讲授Cortex-M3的寄存器、总线矩阵和系统地址映射方法。 （4）讲解STM32F10X的电源、时钟及复位电路，包括电源

4、电路、时钟树结构、复位电路和启动设置。 （5）讲解STM32F10X的最小系统与开发环境。主要内容包括：STM32F10X最小系统运行条件、STM32F10X最小系统设计规范、STM32F10X程序下载的几种方法，以实例为基础介绍STM32开发的基本要求和编程技能。 （6）讲解STM32F10X的功能部件与内部资源，主要内容包括：电源控制、实时时钟RTC、GPIO、中断和事件、高级定时控制器TIM1、通用定时控制器TIMx、USART收发器、模拟数字转换ADC等。 （7）应用实例：讲述基于STM32的工程设计实例，以交通灯控制等内容为基础，针对设计要求讲解应用需求分析、硬件构成，软件设计方法等

5、。,2018/10/12,4,2018/10/12,5,成绩评定,开卷考试(带教材与手写笔记)笔 试(60)+平时成绩(10)+上机考试(20)+实验报告(10),2018/10/12,6,引 言,问题引入 假设要设计一个电力监测的信息采集与传输终端，实现以下功能: (1)多种信号的数据采集 (2)数据效验，帧结构制定 (3)数据本地存储 (4)液晶（LCD）屏显示相关信息 (5)通过3G/GPRS网络与后台主机通信 (6)按键实现人机交互,引 言,2018/10/12,7,2018/10/12,8,第1章 微型计算机基础,1计算机发展历程 2微型计算机结构、总线、计算机工作原理 3计算机中的

6、编码及运算基础,2018/10/12,9,1 计算机发展历程,1计算机发展历程,1.1 计算机的发展,第一代计算机是电子管计算机。,计算机发展史1946年2月宾夕法尼亚大学的莫奇利和艾克特研制成功世界上第一台计算机电子数字积分计算机ENIAC。ENIAC预示着科学家将从奴隶般的计算中解脱出来。但是ENIACA存在两大缺点： 一、没有严格意义上的存储器； 二、用布线接板进行控制。,1945年3月，冯诺伊曼起草了一份关于“离散变量自动电子算机EDVAC的设计报告，对ENIAC作了两项重大的改进：,一是在计算机内采用二进制，大大简化了计算机的结构和运算过程；,二是把程序和数据一起存贮在计算机内，使得

7、计算机的全部运算成为真正的自动过程。,1956年，美国贝尔实验室用晶体管代替真空管，制成了世界上第一台全晶体管计算机（数值计算和处理）。,第二代计算机是晶体管计算机。,第三代计算机是中小规模集成电路计算机（60-70年代BASIC，开始处理图像、文字）。,第四代计算机是大规模集成电路计算机。,第五代计算机是人工智能计算机。,这一代的核心设计思想是突破冯诺伊曼体系结构。遗憾的是，迄今为止，还没有出现一台真正意义上的第五代计算机。,1.2 微机的发展与分类,1. 微机的分类,（1）按结构分可以把微机分成单片机和多片机,单片机是把中央处理器、随机存取存储器、只读存储器、输入/输出端口等主要计算机功能

8、部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。,多片机是指将中央处理器、随机存取存储器、只读存储器、输入/输出端口、总线等主要计算机功能部件，采用微焊接、封装等工艺分别用一块芯片集成，然后再组装起来的微型计算机。,（2）按组装方式可以把微机分为单板机和多板机,单板机是指将计算机的各个部分都组装在一块印制电路板上，包括微处理器、存储器、输入输出接口，还有简单的七段发光二极管显示器、小键盘、插座等其他外部设备。,多板机是指将CPU、存储器、I/O接口电路和总线接口等组装在一块主机板（即微机主板）上，再通过系统总线和其它多块外设适配板卡连接键盘、显示器、打印机、软/硬盘驱动器及光驱等设备。,（3）按外

9、形可以把微机分为台式机、笔记本,（4）按CPU的数据总线位数分,把微机分为4位机、8位机、16位机、32位机、64位机等。,2. 微机的发展,（1）第一代：4位及低档8位微处理器,（2）第二代：中、高档8位微处理器,（3）第三代：16位微处理器,（4）第四代：32位微处理器,（5）第五代：高档32位微处理器,（6）第六代：64位微处理器,1.3 单片机发展史单片机发展史1958年，TI公司的杰克基尔比发明了第一块集成电路； 1961年，TI公司研发出第一个基于IC的计算机； 1965年，高登摩尔提出了描述集成电路工业发展规律的摩尔定律； 同年，中国第一块集成电路诞生； 1968年，Intel公

10、司诞生，推出第一片1K字节的RAM; 1981年，Intel公司推出了8位微控制器8051。,单片机的发展趋势走向集成、嵌入式 嵌入式系统的发展主要来源于两大动力，即社会需求的拉动和先进技术的推动，需求提供了市场，带动了新技术的产生，刺激了新技术的推广。嵌入式系统的发展动力示意图,1.4 微型计算机基本组成,2018/10/12,20,2 微型计算机基本原理,2018/10/12,21, 2微型计算机基本原理,计算机结构,2018/10/12,22,1. 微型计算机结构在大规模集成电路技术的支撑下，计算机可做到体积小，重量轻，使用方便，功能完备，形成微型计算机。,2018/10/12,23,1

11、. CPU (中央处理单元 微处理器)CPU是微型计算机的核心，它包含： ALU：对输入CPU的数据进行运算（算术及逻辑运算） 控制器：完成同步定时（时钟电路）及产生控制信号（控制电路） 工作寄存器：存放操作数及中间结果,2018/10/12,24,2. 存储器 memory完成记忆功能，用于存储数据，由多个存储单元构成。 存储单元：具有特定地址的存储单位，存储信息分为若干二进制位，8位机为8位（bit）,即1byte，16位机为16位，即1个字（word）。 地址：访问某存储单元的特定位置编号（例如，要在教室找某一个人，要知道他在几排第几位），地址由二进制码构成，二进制位数决定了单元多少。,

12、2018/10/12,25,存储容量：存储容量与地址位数相关8位地址 28 为256个存储单元16位地址 216 为64K32位地址 232 为4G 存储器读：CPU从存储器中取数据的过程，读数 据不影响原存储单元内容。 存储器写：CPU将数码写入存储器的过程，写入 的新数据取代原数据。,字长：,计算机所用二进制代码的位数称为该计算机的字长,8位,字节,byte,16位,字,word,32位,双字,double word,3存储器的字长及寻址能力,寻址能力：,寻址能力指CPU对存储器访问的空间的大小，,它取决于地址总线的宽度。,10位,1024,1K,20位,1024K,1M,30位,1024

13、M,1G,40位,1024G,1P,50位,1024P,1T,60位,1024T,1E,MCS-51：,16位,64K,STM-32：,32位,4G,3 存储器工作原理,以一个256单元的存储器为例,存储器原理结构图,每个单元用两位16进制数编号，,称为单元地址：,如：00、01、02、03、FFH等,每个单元存放8位二进制信息，,即：数码内容。,每个单元的地址编码，与该地址单元中存放的内容，两者为不同概念，不容混淆。,必须注意：,AB,（ABUS）,地址总线（此例8-bit）;,（DBUS）,数据总线（8-bit）。,存储器工作过程：,控制器控制下：,AB产生地址,（此例8位二进制数码），,

14、经地址译码器产生某一（也是唯一）单元的选通信号，,然后既可对这个单元的信息内容进行读取或写入修改操作。,DB,存储器读操作示意图,存储器读操作：,以读取04单元为例，,控制器送出地址04到AB，,经地址译码器选中04单元，,使其内容84H放到DB上，,CPU再控制将其读入并作相应处理。,读操作数码类型,1、程序指令；,2；原始数码；,（ROM）,3、运算处理过程中间结果。,（RAM）,3 存储器工作原理,以一个256单元的存储器为例,存储器原理结构图,每个单元用两位16进制数编号，,称为单元地址：,如：00、01、02、03、FFH等,每个单元存放8位二进制信息，,即：数码内容。,每个单元的地

15、址编码，与该地址单元中存放的内容，两者为不同概念，不容混淆。,必须注意：,存储器工作过程：,控制器控制下：,AB产生地址,（此例8位二进制数码），,经地址译码器产生某一（也是唯一）单元的选通信号，,然后既可对这个单元的信息内容进行读取或写入修改操作。,存储器写操作示意图,AB,（ABUS）,地址总线（此例8-bit）;,（DBUS）,数据总线（8-bit）。,DB,存储器写操作：,以向10H单元写入数码26H为例，,控制器送出地址10H到AB，,经地址译码器选中10H单元，,同时控制CPU把数码26H放在DB，,再控制将该数码写入10H内。,数码信息写入后，没新信息写入前，一直保留不变；,存储

16、器读出是非破坏性的。,(输出),(双向),系统总线（System Bus）,尽管各种微机的总线类型和标准有所不同，但是大体上都包含三种不同功能的总线，这就是数据总线DB（Data Bus）、地址总线AB（Address Bus）和控制总线CB（Control Bus）。,输入/输出设备（I/O设备即外围设备）及其接口电路,输入设备是将程序、数据、信息和询问信号送给微机的一类设备。,输出设备是将微机的计算和处理结果或回答信号以各种形式表现出来的一类设备。,输入/输出接口电路,输入/输出接口电路是CPU和I/O设备打交道的必经之路，具有协调和转换功能，通常又简称为接口。,4. 微型计算机其他重要部分,5 机器语言 汇编语言与高级语言,机器指令 机器指令是指能被CPU识别和执行的一个二进制位串形式的指令。 机器语言程序 机器语言是计算机能够识别和执行的唯一语言。机器语言程序由一条一条的机器指令组成的程序。 汇编指令 二进制位串形式的机器指令不便于使用和记忆，人们用几个英文字符构成的助记符来表示的机器指令，就是所谓的汇编指令，或者称为符号指令。 汇编指令和机器指令基本上是一一对应的。,