单片机原理及应用(第1～6章汪书56学时)课件

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1、1,第一讲 内容： 概念、数制、转换、编码、 重点： 微机的三总线结构,2,0.1微型计算机概述 1. 微型机结构 （投影片）：丁元杰图1-1 用三类总线，将三类大规模继电路芯片连成一体。 三类总线： 数据 地址 控制。 三类芯片： 微处理器（MPU或CPU）：由算式逻辑运算单元、控制器单元、寄存器组、 内部总线组成。 存储器芯片： I/O接口电路芯片： 以上构成，称为微型机的主机。 主机+I/O外设+电源+系统软件（操作系统）称为微型机系统。,3,2. 分类： 按组装形式和规模分：单板机、个人计算机（PC）、单片机。 按CPU同时处理的二进位数量分：8位、16位、32位、64位等。 3. 微

2、机系统的主要指标 主频（时钟周期）： 单位HZ。 指令执行时间： 表明执行一条指令所需的平均时间。一般用指令执行速度 （MIPS，每秒运行多少百万条指令）来代替。指令执行速度，取决于： 主频、指令系统、CPU结构。 字长： CPU一次（同时）处理的二进位数。 存储容量： 主机内部随机存储器（RAM）的大小。单位：字节（B）， 一般有： KB=210=1024B、MB=220=1024KB、 GB=230=1024MB、TB=240=1024GB,4,0.2.微机中常用的数制与编码 1. 常用数制 最常用的数制有：十进制、十六进制、二进制。 所谓进位制就是： 数码从右到左排成数位，右大左小，右边

3、一位比左边一位大一个“权”。 运算时，某位满一个“权”，就在其右位加1，本位值为，结果减掉“权”后的值。 （权又称位权，每一位对应一个固定的常数） 任何进制的数的值都可用表示为十进制的值S，转换公式： n为正数的位数，m为小数的位数，Ki为第i位的数字，Qi为第i位的权。 例1：二进制数，1011.11的十进制的值S： S=1*23+0*22+1*21+1*20+1*2-1+1*2-2=12.75 例2：十六进制数，1F6的十进制的值S： S=1*162+15*161+6*160=256+240+6=502,5,2. 不同数制间的转换 十六进制（H）-二进制（B） 例1：将二进制数101110

4、1011.0110111B转换为十六进制数。 从小数点开始，向左右4位为一组分开，每组对应一位十六进制数， 按8、4、2、1算出该位的数字。即： 10，1110，1011.0110,111=2EB.6E 不够4位，用0填充。 例2：将十六进制数1A2F.7BH转换为二进制数。 例1的逆过程。 十进制（D）-十六（H0或二进制（B） 例：将十进制数115.58，转换为二进制数。 整数部分用短除法，从底到顶取余数，从左到右排位。 小数部分用乘2取整法，从底到顶取整数，从左到右排位。,6,第二讲 内容： 编码、二进制运算、符号数表示、指令执行 重点： 二进制运算、指令执行,7,3. 微机中常用的编码

5、 用一个二进制串，即“数据“来表示一个信息。 所谓“编码”，就是构成数据的方法。 BCD码（对十进制数的表示） 用4位二进制位串表示1个十进制的数字（09）。 4位二进制串可表示16个数字符号，在10进制中就多出6个字符。 一般用8421的方法来计算一4位二进制串的数值， 即用“0000”表示0，用“0001”表示1，用“0010”表示2，以此类推。 显然，“1010-1111”这6个代码应属于非法。 例1:十进制数2538的BCD码为：0010,0101,0011,1000 BCD码调整： 由于计算机只能进行二进制运算，因此，在运算过程中， 出现非法码时，应用软件进行调整（加6）， 最后结果

6、才能按BCD码的规定输出十进制数。 例2：178+65=243 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 +) 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 +） 0 1 1 0 0 1 1 0 (加6调整) 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 ASCII码（对文字符号的表示）,8,0.3计算机（二进制）运算基础 1. 加法：0+0=0，0+1=1+0=1，1+1=0（进位）。 其它算数运算（减、乘、除）均可化为加法运算。 2. 逻辑“与”（乘）：00=0，10=01=0，11=1。 工程口诀：“用0清零，用1保持。” 例：对

7、数据11010101的高4位清零，低4为保持不变。 操作：1101010100001111=00000101,9,3. 逻辑“或”：01=10=11=1，00=0。 工程口诀：“用1置1，用0保持。” 例：对数据11010101的高4位置1，低4为保持不变。 操作：1101010111110000=11110101 4. 逻辑“异或”：相同为0，不同为1。,10,2. 指令执行过程 指令： 叫计算机硬件完成一独立动作的命令。不同类的计算机硬件， 完成的独立动作是不同的，即指令系统是不同的。 指令格式： 由操作码和操作数（地址码）两部分组成。 执行过程： 取指令、分析指令、执行指令。 （投影片）

8、：张慰兮P30图1-8 （多媒体动画片）： 问题： 1)取指令的过程涉及哪些部件？ 程序计数器PC、地址寄存器MAR、地址译码器MAD、数据寄存器MDR、 数据总线DB、CPU内部总线、指令寄存器IR、指令译码器ID。 2)分析指令的目的是什么？ 根据操作码，从（预先设计好的）指令（时序）系统中，选出相应的时序。 3)执行指令的本质？ 就是将选中的指令时序通过微操作控制器去控制相应的门电路的启、闭， 最终完成该指令要求的动作。,11,第四讲 内容： MCS-51的结构 重点： 存储器、T/C,12,1.1单片机概述 单片机：将微机的三大类部件，集成在一块芯片内。 1. 发展 第一阶段（1974

9、-1976）：低集成度，实际上是两片。 第二阶段（1976-1978）：8位，真正的单片机，性能较低， 无通信功能（无串口）。Inter公司MCS-48。 第三阶段（1978-1983）：8位，高性能，具有通信功能。NCS-51。 第四阶段（1983- ）：更高性能的16位机， MCS-96。按用户需求生产的8位机。 2. 发展趋势 高集成度、低功耗。 3. 内部结构 复位 中断 电源 4. 单片机的特点 体积小： 可靠性高：不易受外界干扰，同时对外界的干扰也小。 功能强：特别是实时控制功能。 使用方便： 性价比高：,13,1.2 MCS-51系列单片结构 1. 组成（9大部分）（本讲只简介C

10、PU） P6图1.1 CPU、 T/C、 ROM、 RAM、 时钟电路、 并行口、 串行口、 中断系统、 总线。 可认为是由单总线（数据、地址、控制信息均由一条总线传输） 连接的微机系统。,14,CPU：8位，专用布尔处理器。 运算器 a.逻辑部件： ALU b.布尔处理器： 位处理器，PSW字中的C位作为其累加器。 c.累加器A： 8位，累加器，存放操作数、运算的中间结果、乘法结果的低8位、 被除数、除法结果的商等。 累加器B： 8位寄存器，存放乘法中的一个乘数、除法中的除数、 除法结果的余数等。用户可操作（可寻址）。 d.两个暂存器,15,控制器 a.时钟及复位电路 b.定时控制逻辑电路

11、c.指令存储及指令译码器 d.程序指针PC： 16位，程序计数器，存放将要执行的指令（所在ROM单元的地址）， 内容自动加1，从而实现程序的自动执行。用户不能对其操作。 e.数据指针DPTR： 16位地址寄存器，访问外部数据存储器时作地址指针。 也可分为两个8位寄存器（DPH高8位、DPL低8位）使用。 f.堆栈指针SP g. 程序状态字PSW： 8位，存放程序运行过程中的状态。,16,程序状态字PSW：,17,2. 时钟、状态、机器周期 时序的概念： 为完成指令，需按顺序驱动各种门电路，驱动信号间的关系，称为时序。 每条指令都有响应的时序对应。 时序定时单位 1)节拍（P）： 振荡脉冲的周期

12、，单位是秒。两个节拍为一个状态（S）。 例：振荡频率为12MHZ，则一拍为1/12MHZ（秒）。 2)机器周期： 6个状态为一个机器周期。即一个机器周期包含12拍 （S1P1、S1P2S6P2）。 定时/计数器，以机器周期为最小定时单位。 例：振荡频率为12MHZ， 则一个机器周期为（1/12MHZ）26=1/1M=1微秒。 3)指令周期： 执行一条指令所需要的时间，以机器周期为单位。 MCS-51的指令，最短的为一个机器周期，最长的四个机器周期。,18,3. MCS-51单片机的引脚 P10 图1.6 两大类： I/O引脚 控制信号引脚，其中，P3口引脚既是I/O引脚（第一功能）， 又是控制

13、信号引脚（第二功能）。 要求同学着重理解P3口的各控制引脚的功能。,19,独立信号引脚,XTAL1（19）、XTAL2（18）：外接晶体端。 VSS（20）：地线。VCC（40）：+5V电源。,20,P3口第二功能 实际应用时，应先保证P3口的第二功能使用，剩下的线才可供I/O使用。 P9 表1.3,21,第五讲 内容： MCS-51存储器组织 重点： 类型、功能、地址范围,22,1.3 MCS-51五个独立的存储器空间 （具有独立的寻址能力，硬件空间随型号而不同）： 1. 64KB的程序存储空间（ROM）， 单元（字）地址范围：0000hFFFFH。 2. 128B内部RAM空间， 单元（字

14、）地址范围：00H7FH。 3. 128B内部特殊功能寄存器空间（SFR）， 单元（字）地址范围：80HFFH。 4. 128位的位寻址空间， 位地址范围：00HFFH。（个存储单元） 5. 64KB外部数据存储器空间， 单元（字）地址范围：0000hFFFFH。 MCS-51存储器结构，参见： P10,图1.6,23,1. 程序存储器（ROM） MCS-51机的片内部程序存储器，寻址范围4K（0000H0FFFH）， 每单元存放8位，即1个字节。存放程序及常数。MCS-51单片机， 规定了6个专用的ROM地址，0000H为复位地址， 其它5个为中断地址，参见： P10,表1.4,24,2.

15、片内数据存储器 数据存储器，寻址范围256（0000H00FFH）, 每单元存放8位，即1个字节。 存放用户数据、中间结果及缓冲区。 ROM、RAM的地址分配图： P10,图1.6 RAM一般分为两部分， 低地址（00H7FH）128个单元，称为用户数据RAM区，存放用户的数据， 根据对其使用的方式不同，又可分为三部分： 工作寄存器区：（P11 表1.5 ） 片内地址，00H1FH，共32个单元，分为4个区， 每区个单元，分别用R0R7表示，区域的选择， 由PSW字的RS0、RS1(PSW.3、PSW.4)决定。 位寻址区： （P12 表1.7) 片内地址，20H2FH，共16个单元，位地址，

16、00H7FH）。 数据缓冲区： 片内地址，30H7FH，共64个单元。,25,高地址（80HFFH）128个单元， 称为特殊功能寄存器（SFR）， 用以辅助硬件完成系统任务，一般说来用户不能用来存放数据。 P13 表1.8 特别说明： 1. 程序中可使用“符号”、“地址”等不同的表示法来寻址。 可位寻址的单元，也可整体的单元寻址。 2. 堆栈是一种数据结构，具有“后进先出”的操作特点。 主要用来保护中断现场。在程序中第一次给堆栈指针（SP）赋值 （RAM单元地址），就定义了一个堆栈。 MCS-51的堆栈属向上生长型， 其进栈（PUSH）操作为：“先SP加1，后写入数据”。 出栈（POP）操作为：“先读出数据，后SP减1”。 一般将堆栈建在30H以后的RAM区内。栈底无数据。,26,第六讲 内容： I/O端口、工作方式 重点： I/O口,27,1.4 MCS-51的I/O端口（硬件