单片机幻灯片第2章

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1、第2章 微机工作原理,单片机是集成了微处理器、存储器、输入/输出接口、定时器/计数器等构成的微机系统。了解和掌握微型计算机的组成和工作原理是学好单片机的前提。,2.1 计算机系统的组成,计算机系统由硬件和软件两部分组成。 硬件：构成计算机的所有物理部件的集合,是看得见， 摸得着的“硬”设备 。 软件：为运行、维护、管理及应用计算机所编制的所 有程序及文档的总和。,冯诺依曼型计算机“存储程序控制”原理： 计算机的硬件由运算器、控制器、存储器、输入设 备和输出设备五大部件组成。 计算机内部采用二进制来表示指令和数据。 将编好的程序和原始数据预先存入存储器中，然后 启动计算机工作，计算机就在程序控制

2、下工作。,2.2 计算机的硬件组成,计算机硬件组成：运算器、控制器(合称中央处理器CPU) 存储器、输入设备、输出设备。,2.2.1 运算器,功能:对信息进行运算和处理的部件，完成数据的算术 运算和逻辑运算 。,组成:算术逻辑运算单元ALU、通用寄存器、累加器A、 程序状态标志寄存器PSW和控制电路。,算术逻辑运算单元ALU完成数据的算术运算和逻辑运算,通用寄存器用来暂存操作数，以及存放运算结果。 其中应用最频繁的被称为累加寄存器，简称累加器A。,程序状态标志寄存器PSW： 用来保存当前指令执行后操作结果的某些状态特征。 通常包括：进位标志（C）、辅助进位标志（AC）、 溢出标志（OV）、零标

3、志（Z）等,控制电路：根据控制器发出的信号来控制运算器中的 各个部分以完成相应的操作。,2.2.2 控制器,功能：控制和指挥整个计算机自动、连续和协调地从存 储器中取出指令、分析指令和完成指令。,组成：指令部件、时序部件和控制部件等。,指令部件 包括有： 程序计数器PC（Program Counter） 它用来存放当前要执行的指令地址 指令寄存器IR（Instruction Register） 存放从存储器取出的指令 指令译码器ID（Instruction Decoder） 对指令中的操作码进行译码，向操 作控制部件发出具体操作的信号， 以完成该条指令所要求的操作。,周期概念： 指令周期：CP

4、U取出并执行一条指令所需要的时间。 一个指令周期又可看作由若干个机器周期组成， 机器周期：CPU访问一次存储器或外设所花费的时间。 每个机器周期又由若干个时钟周期组成。 时钟周期：由主频脉冲决定的，是主频的倒数。,时序部件又称作时序发生器 作用：对各种操作控制信号进行严格的定时。 组成： 时序信号源：产生原始的振荡信号，形成主频脉冲 节拍发生器：产生定时的工作脉冲和节拍电位信号 启停控制逻辑电路等。,控制部件,功能：根据指令的操作码和时序信号，产生各种控制信 号，完成取指令和执行指令的控制 。 微操作信号发生器（控制单元CU）是控制器的核心。 控制信号是由指令部件提供的译码信号、 时序部件提供

5、的时序信号 被控制部件反馈的状态及综合形成。,分类：根据产生微操作控制信号的方式不同分为3种： 组合逻辑型，又称常规控制器或硬连线控制器； 存储逻辑型，又称为微程序控制器； 组合逻辑与存储逻辑结合型，又称PLA控制器 。, 组合逻辑型：又称常规控制器或硬连线控制器 它的控制部件由逻辑电路实现的，是一种由门电路和寄存器构成的复杂的网络结构。 优点是操作执行速度快。但构成后,不能增加新的功能., 存储逻辑型 ：又称微程序控制器,采用存储逻辑实现。 它把机器指令分解为微操作序列,以微代码编成微指令,存入专门的控制存储器。每条指令对应一段微程序。 设计规整，且易于扩充指令集，但执行速度要慢。, 组合逻

6、辑和控制逻辑结合型: 又称可编程逻辑阵列PLA(Programmable Logic Array)控制器，是吸收以上两种方法的设计思想，用可编程的只读存储器PROM来实现随机逻辑的一种方法。,2.2.3 存储器,存储计算机要执行的程序和要进行运算、处理的数据。,存储器的分类 : 按所处的位置分：主存（内存）和辅存（外存）。 按存储介质分：半导体存储器、磁存储器(磁盘、磁带) 光存储器（光盘）等。 按信息可保存性分：易失性存储器 非易失性存储器（断电后信息仍保存） 按存取方式分： 只读存储器、随机存取存储器、 顺序存取存储器和直接存取存储器。,单片机中常用半导体的只读存储器和随机存储器作为 主存

7、储器（内存）,1. 存储器的性能指标：,. 存储容量 :可以容纳的二进制信息的数量 单位:位 b (bit),字节 B (Byte),千字节 KB,兆字节 MB等,. 存取速度,读写时间又称存取时间TA:从存储器接到读（或写）命令到完成操作所需要的时间。单位为秒S、纳秒ns 。 读写周期时间TM:完成一次完整的存取操作所需的时间,即进行两次连续的读(或写)操作所需要的时间间隔。 主存带宽Bm，或称数据传输速率，是指每秒从存储器中读写信息的最大数量，单位是位/秒或字节/秒。,. 可靠性 :MTBF是指两次故障之间的平均时间间隔。,. 功耗：存储器件耗电的多少 。,2. 存储器按存取方式的分类：,

8、. 只读存储器ROM（Read Only Memory）,特点：在系统工作时只能读出而不能写入， 其信息在断电后信息不丢失。 用途：一般用于存放程序和固定不变的数据等。, 掩模式ROMMROM（Mask ROM） 内容由生产厂直接写入的，用户不能对其修改。,.可编程ROM（PROM)：Programmable ROM） 允许用户现场写入，但一旦写入后其内容不可修改。, 可擦除可编程ROM（EPROM)：Erasable PROM 用户可多次擦除和编程写入的ROM。常用的有： 紫外线擦除的UVEPROM和电擦除的EEPROM。,.闪速存储器（Flash Memory）快擦写型的存储器 兼有EEP

9、ROM和RAM的优点，它以块为单位操作。,.随机读写存储器RAM（Random Access Memory）,特点：内容可读可写,可以随机存取,断电后信息会丢失. 用途：存放当前运行的程序和数据。,分类： 静态RAM即SRAM:以双稳态触发器为基础,状态稳定. 特点:可读可写,断电后信息丢失;但不掉电,信息不丢失. 集成度较低，功耗较大。 在单片机应用中，主存储器都采用SRAM。 动态RAM即DRAM：是靠电容来保存信息。 特点: 电路简单,集成度高,功耗小,存取速度较慢。 但是电容存在漏电，必须定时刷新。 常用于需要大存储容量的计算机中，例如PC机。, 顺序存取存储器SAM（Sequenti

10、al Access Memory） 特点:存储器中的信息只能按某种顺序存取。 存储容量大，存取速度慢，但单位成本较低。 一般用作计算机的外存储器，如磁带存储器。, 直接存取存储器DAM（Direct Access Memory） 特点:当读写信息时,首先直接指向某个小区域,然后在 小区域内按顺序检索，找到后再进行读写。 存取速度介于RAM和SAM之间.存储容量大。 一般也用作外存。磁盘存储器是一种典型的DAM。,在单片机应用中，外存储器很少使用。,2.2.4 输入/输出设备和接口,输入/输出设备（I/O设备 ） 外部设备的形式多种多样，输入/输出信号的形式也有 不同的形式。主要有以下几种：,.

11、 开关量： 只有两种状态:“通”和“断”,可用“1”和“0”来表示。,. 数字量： 由多位二进制“0”和“1”按一定规则组合表示的信号。,. 模拟量： 指数值连续变化的信号。如温度、流量、浓度等。 经传感器转换成连续变化的电信号（电压或电流）。 计算机在输入模拟量时,首先要经过A/D转换成数字量, 输出的数字量要经过D/A转换成所需要的模拟量。,2、I/O接口,是连接计算机和输入/输出设备的逻辑部件。 包括接口硬件电路及其管理驱动程序等。,I/O接口的功能： 为主机提供对外部设备输入/输出信息的通道。 协调主机和外部设备之间数据传送的速度 提供信息的缓冲、暂存，实现通信联络控制。 . 实现主机

12、和外部设备之间信息的转换和匹配 模拟量和数字量之间的转换， 串行、并行数据的转换， 信号电平的转换，电路负载的匹配等。,3. I/O接口的组成,I/O接口和CPU通过系统总线连接，包括： 数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB三部分。,I/O接口和外部设备之间通过端口连接：分为三类： 数据端口：传送外部设备和CPU进行交换的数据信息 控制端口：CPU发给I/O设备控制命令，为只写端口。 状态端口：CPU读取I/O设备工作状态，为只读端口 。,4、输入/输出控制方式,CPU和I/O设备间要求可靠且高速地传送数据， 根据不同的接口和操作,可采用不同控制方式。 常用的I/O控制方式: 程序直接传送

13、方式、 程序查询方式、 程序中断方式、 直接存储器存取（DMA）方式、 I/O通道控制方式 （常用于大的计算机系统中）等。,. 程序直接传送方式 ： 也称为同步传送方式或无条件传送方式 。 CPU在需要和数据端口进行数据传送时，直接 对其执行输入/输出指令。也就是CPU认为数 据端口完全和自己同步，认为外部设备总是处 于准备好的状态。 接口电路最简单，只要有数据端口即可。 一般用于CPU和低速I/O设备之间的信息交换. 它的应用范围有局限性。, CPU首先查询外设状态。 若外设准备就绪，则执行输入/输出指令,完成操作。 若外设没有准备就绪,则程序转移,重新读入状态信息再次查询，直至外设准备好后

14、,再完成操作。 优点是控制简单；实时性强。 缺点是CPU需要不断地查询外设的状态，这要占用CPU时间，,. 程序查询方式：又叫有条件传送方式,. 中断方式,程序中断是指计算机执行现行程序的过程中，出现某些急需处理的特殊请求或异常情况，CPU暂时中止现行程序，而转去对随机发生的更紧迫的事件进行处理，在处理完毕后，CPU将自动返回原来的程序继续执行。,中断方式下，CPU与I/O设备并行工作，平时CPU执行主程序，外设进行内部操作。当外设准备好时，由外设向CPU发出中断请求，请求CPU中断正在执行的主程序，转而执行为外设服务的程序。在为外设服务结束后，CPU再返回执行被中断的主程序。CPU效率得到发

15、挥。,中断请求:,中断源发出的请求中断信号。 中断源：可以是外设、硬件故障,实时时钟等硬件的中断源; 也可以是软件引起的中断源 (如指令,数据溢出,运算错等）。,中断处理过程：中断请求 中断响应 中断处理 中断返回.,CPU允许有多个中断源，分别安排不同的优先级别。,中断响应:, CPU响应中断的条件： .CPU接收到中断请求信号； .CPU允许中断，即开中断。 .没有同级或更高级的中断被服务。 . CPU当前的指令执行完毕 。, CPU响应中断的操作 ： 保存断点:将断点(即程序计数器PC内容)自动压入堆栈. 暂不允许中断,即关中断 引出中断处理程序:取出中断服务程序的入口地址，送 入程序计

16、数器（PC）中，转入中断服务程序。 大多采用向量中断法来实现。,中断处理 中断处理就是执行中断服务程序。 中断处理过程包括：准备工作，保护现场； 处理部分，中断服务程序； 结尾部分，恢复现场， 中断服务程序的最后一条指令必须是中断返回指令。 中断返回 在执行完毕中断服务程序后，自动返回到原来程序断点处，继续执行原来程序。 过程是将原来保存在堆栈的断点地址重新送回程序计数器PC中。由于PC中是指向下一条要执行的指令地址，因此回到原来的程序继续执行。, .DMA方式, DMA直接存储器访问方式（Direct Memory Access） 在这种方式中,内存和外设之间进行数据传送时,CPU让 出总线的控制权，在DMA控制器的控制下，数据不经 CPU而直接在内存和外设之间成批传送。 DMA方式在外设和内存间开设一条“直接数据通道”， 最大优点是传送速度快。 应用于主存和高速外设间数据传送，如磁