wxq第1章微机基础知识

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1、单片机原理及接口技术!,电子信息教研室: 王晓强,Email: 13810573008 教5D401,怎么学好单片机,上个世纪80年代以后,微机和单片机的出现,给现代社会带来了巨大的技术变革. 对于传统上使用继电器来实现逻辑控制的工业工艺过程, 单片机在实现控制上具有极大的优势. 另外,从应用和从理解方面来说,单片机的学习是很有趣味的. 单片机就是一个工具,是人们日常工作行为的模拟. 要利用单片机进行控制,就必须根据实际的需要,了解控制对象的特性,就能设计出有价值的单片机系统.单片机能解决更多的实际问题.,单片机的特点和应用,(1) 体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，它能方便地组成各种智

2、能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。 (2) 面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。,(3) 抗干扰能力强，适用温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其它类型计算机无法比拟的。 (4) 可以方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。,单片机的应用范围十分广泛，主要的应用领域有： (1) 工业控制。 单片机可以构成各种工业控制系统、数据采集系统等。如数控机床、自动生产线控制、电机控制、温度控制等。 (2) 仪器仪表。 如智能仪器、医疗器械、数字示波器等。,(3) 计算机外部设备与智能接口。 如图形终端机、传真机、复印

3、机、打印机、绘图仪、磁盘/磁带机、智能终端机等。 (4) 商用产品。 如自动售货机、电子收款机、电子秤等。 (5) 家用电器。 如微波炉、电视机、空调、洗衣机、录像机、音响设备等。,讲课之前,大三是大学学习中重要也是最复杂的一年. 单片机是一面很有用,很有趣味的课程 单片机的应用广泛 单片机技术不断更新发展,涉及更多领域 单片机是科学技术和日常生活的亲密接触 理工科学生学习单片机的优势 单片机技术与我国建设创新型国家的关系,小故事:机械人和机器人,CCTV1报道:北京农民吴玉禄和他的”机器人”. 吴玉禄把这些机器人看成是自己的孩子，让它们都跟他姓“吴”，并且按照“吴老大、吴老二、吴老三”的顺序

4、一一取了名字。吴玉禄的机器人每个都有个自己的“绝活”：“吴老大”会走正步，“吴老三”可以像蜘蛛侠一样攀岩，“吴老五”能给客人点烟、能端茶倒水，“吴老七”是一个“八脚怪”可以在复杂路面上行走自如，“吴老八”能蹦能跳还能翻跟头。“吴老二十五”是个拉洋车的机器人，它可以拉着吴玉禄出去逛街，是吴玉禄最喜欢的“孩子”。 优点:仅仅用了一个电机和电池完成所有的动作,机械装置设计巧妙, 2004年参加一个湖南卫视主办的“天下发明之星大赛”，拿一个第一名，奖金一万块。 缺点:仅仅是机械上的联动,没有对信号的捕获和处理能力 要进行复杂的动作,特别是新的动作的学习,需要有类似大脑的东西进行有效的控制 据报道,吴玉

5、禄先生设计了25个具有不同动作的机器人,想象一下,如果有了软件作控制,那么一个机器人就够了. 我认为,吴先生的机器人只能是机械人,要实现机械人到机器人的转变,必须要有控制器,吴先生也自我感叹:”芯片和软件的东西是方向,可惜我不懂.”,几点建议,总体而言，单片机的设计是一个系统级的工作，需要我们对硬件的理解和对数学知识的应用。从某种意义上来说,单片机就是数学和数模电结合的产物. 要学习好单片机,我有以下几个建议: 数模电理论基础. 分析单片机的设计图纸,了解了一般的单片机设计框架之后,自己就能设计简单的系统. 数学知识,特别是软件设计的数学知识. 做好设计任务的分解,分子系统的设计,具体的算法.

6、 多多交流.目前在我国,从事设计单片机的人不下几十万.他们的工作思想不断反映到产品上,网路上,技术杂志和论文上.保持和他们的交流,能够学到很多实际的东西,少走歪路.,讲一个故事 -单片机是如何在工业上出现的,第一天 小明大学毕业被分配到电厂工作,他发誓要爱岗敬业. 他的岗位是锅炉运行,他对此一无所知. 他要做的是监视炉塘温度、压力；汽包温度、压力、液位；各个喷燃器燃料燃烧情况，水管流量（流速时间），根据需要开关送风机、吸风机(或叫引风机)；开关喷燃器；调节风道闸门等工作。 他读大学的时候学过点数电和模电的基础，同时因为他很懒,仅仅是有点概念. 领导要求：24小时在岗！出了问题走人！ 小明是个很

7、负责的年轻人,他该怎么办？ 解决问题的法宝： 提出问题 分析问题 提出思路 解决问题,第一个层次的分析问题,1.提出问题：怎么样我才能干好？ 2.分析问题：电厂资源丰富，有大量仪表可以使用,领导对技术的革新很支持! 3.提出思路：何不用我的数模电知识呢？ 4.结论(解决问题)：用数模电的知识解决本人的生计问题。,第二个层次的问题,1.分析问题 模拟量输入信号：压力，温度，流量，液位 注:工业标准仪表的模拟量信号输出为标准的420mA，对应不同的量程，可进行线性转换。如：压力表1-2Mpa的量程,当压力值为1.5Mpa时，那么: I1.5Mpa=4+16*(2-1.5)/(2-1)=12mA 数

8、字量输入信号：开关，有无 对应的电气特性是导通和断开 数字量输出信号：开关，有无 为受控设备提供能源或断开 模拟量输出信号：阀门开度,输出电压,输出电流等,信号的初步处理,信号输入部分,信号输出部分,温度 压力 液位 流量,开关 有无,420mA,0-5V 5V 12V 24V,比较器 (超出设 定范围 则报警),有信号 灯亮 无信号 灯灭,电位器 旋钮 D/A,按钮 电键 开关,420mA,200VAC 24V 导通 /断开,控制 设备,开启 设备 关闭 设备,控制器简易原理图,指令1(01001000) 指令2(01100010) 指令3(01100110) 指令4(01101100) .

9、 . . 指令N(01010010),译码电路,运算器,内存,输入 输出 I/O,数据通 道选择 控制器,Clock_|_|_|_| _|_|_|_|,0100100 0,特殊功 能寄存器,思考题1,研究一个CPU控制器的模型,这个模型能完成加法,减法和从内存取数的功能和运算. 研究我们进行运算的过程: 取数1,取数2,计算,出结果记下来 个运算指令:00(加法),01(减法),10(取数),11(出结果) 编制我的程序: 10 A,0001B ;取0001B地址的数给A寄存器 10 R0,0010B ;取0002B地址的数给R0寄存器 00 A, R0 ;对A,和R0进行加法运算,结果放到A

10、寄存器 11 0011B,A ;把加法的结果放到0011B地址里.,第一章 微机基础知识,1.1 微处理器、微机和单片机的概念,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）。,微型计算机（Microcomputer,简称微机 C） 是具有完整运算及控制功能的计算机。,包括,微处理器(CPU),存储器,接口适配器（输入输出接口电路）,输入/输出（I/O）设备。,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

11、路集成在一块芯片上，构成单片微型计算机。,微处理器 RAM ROM I/O口 定时器,单片微型计算机,简单介绍：RISC和CISC,CISC指令集，也称为复杂指令集，英文名是CISC，（Complex Instruction Set Computer的缩写）。在CISC微处理器中，程序的各条指令是按顺序串行执行的，每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单，但计算机各部分的利用率不高，执行速度慢。 精简指令集，计算机CPU的一种设计模式，也被称为RISC（Reduced Instruction Set Computing 的缩写）。常见的精简指令集微处理器包括AVR、P

12、IC、ARM、DEC Alpha、PA-RISC、SPARC等。,（一）、运算器,1.1.1 微处理器(机）的组成,1、运算器的组成,算术逻辑单元(简称ALU）,运算器,累加器,寄存器,2、运算器的作用,是把传送到微处理器的数据进行运算或逻辑运算。,举例,ALU可对两个操作数进行加、减、与、或、比较大小等操作，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。,例如： 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。,3

13、、ALU的两个主要的输入来源,输入来源,数据寄存器,累加器,4、运算器的两个主要功能,（1）执行各种算术运算。,（2）执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试。 如零值测试或两个值的比较。,控制器的组成,程序计数器,指令寄存器,指令译码器,时序产生器,操作控制器,1、控制器的组成,（二）、控制器,2、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。,3、控制器的主要功能,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。,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。,（三）、CPU中的主要寄存器

14、,1、累加器（A）,2、数据寄存器（DR）,3、指令寄存器（IR）,4、指令译码器（ID）,6、地址寄存器（AR）,5、程序计数器（PC）,1、累加器（A）,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。,累加器是微处理器中最繁忙的寄存器。,2、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。,3、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。,当执行一条指令时先把它从内存取到数据寄存器中，然后再传送到指令译码器中。,4

15、、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。,5、程序计数器（PCprogram counter）,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。,6、地址寄存器 （AR）,地址寄存器

16、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。,一、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。,1.1.2 存储器和输入/输出接口,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。,二、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。,一. 二进制、十进制、十六进制,1.二进制：是“0”和“1”这样的数、逢2进位。按权展开时