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1、,第1章 基 础 知 识,1.1 计算机的基本认识 1.2 寻址方式 1.3 单片机及其发展概况,为理解计算机系统构成、工作原理及过程，我们先来了解用算盘是如何计算下面代数式的： 12 34 + 56 7 - 8 = 408 首先要有算盘作为计算工具。在计算机里用“运算器”(即算术逻辑运算单元)作为计算工具，由它承担算术运算和逻辑运算。,1.1 计算机的基本认识,在计算机里，除了加、减、乘、除四则运算外，还有“与、或、非、异或”等逻辑运算。其次需要纸和笔记录算式、计算步骤、中间结果及最终结果。在计算机中，起到纸和笔作用的器件是存储器和寄存器(寄存器在中央处理器内，存取速度快，但数量少，用于存放
2、中间结果；而存储器一般位于中央处理器外，由成千上万个存储单元组成，容量大，与寄存器相比，存取速度慢一些，常用于存放数据、计算步骤，即指令)。在计算上述算式时，先计算12 34，并把中间结果记录下来，然后计算56 7，再记录中间结果，接着将上述两步中间结果相加，并记录下来，再减8。,以上计算步骤由人脑控制，如果改用计算机进行，可用计算机汇编语言指令写出如下的计算步骤： MOV A, #12 ；将被乘数12送CPU内寄存器A MOV B, #34 ；将乘数34送CPU内寄存器B MUL AB ；计算12 34，乘积高8位存放在寄存器B中，低8位存放在 ；寄存器A中 MOV R2, A MOV R3
3、, B ；将中间结果暂存到寄存器R2、R3中,MOV A, #56 ；被除数56送CPU内寄存器A MOV B, #7 ；除数7送CPU内寄存器B DIV AB ；计算56 7，商存放在寄存器A中，余数存放在寄存器B中 ADD A, R2 ；低8位相加 MOV R2, A ；把结果暂存到R2中 MOV A, R3 ；取高8位,ADDC A, #00 ；低8位相加时可能产生进位，用ADDC指令将A与00 ；相加，将低8位相加产生的进位加到高8位中 MOV R3, A ；把结果暂存到R3中 MOV A, R2 ；取低8位 CLR C ；清进位标志 SUBB A, #08 ；低8位减8 MOV R2
4、, A ；结果送R2 MOV A, R3 ；取高8位,SUBB A, #00 ；12 34 + 56 7获得的中间结果减8时，低8位可能产生借位， ；因此需要用SUBB指令将高8位与00相减 MOV R3, A ；把结果送R3。这样算式“12 34 + 56 7 - 8”的最终结果就 ；保存在R3、R2中,将上述计算步骤存放在存储器中，然后由计算机内的控制器执行，控制器在时钟信号的控制下，从存储器中取出计算步骤(指令)和数据，并根据指令操作码内容发出相应的控制信号。此外，为向计算机输入数据、指令，还需输入设备，如键盘；为输出处理结果或显示机器的状态，还需输出设备，如各类显示器、指示灯等。因此，
5、计算机系统的基本结构大致如图1-1所示。,图1-1 计算机基本结构,在计算机中，往往把运算器、控制器做在同一芯片上，称为中央处理器(Central Processor Unit，CPU)，有时也称为微处理器(Micro-Processor Unit，MPU)。为进一步减小电路板面积，提高系统可靠性、降低成本，将输入/输出接口电路、时钟电路以及一定容量的存储器、运算器、控制器等部件集成到同一芯片内，就成为单片机(也称为微控制单元，即Micro Controller Unit，MCU)，其意义是一个芯片就具备了一部完整计算机系统所必需的基本部件。,为了满足不同的应用需求，将不同功能的外围电路，如定
6、时器、中断控制器、A/D及D/A转换器、串行(如UART、SPI、I2C或CAN等)通信接口电路，甚至LCD显示驱动电路等集成在一个管芯内，形成系列化产品，就构成了所谓“嵌入式”单片机控制器(Embedded Micro-Controller)。,1. 总线概念 我们知道，电路系统总是由元器件通过电线连接而成的。在模拟电路中，器件、部件之间的连线不多，关系也不复杂，一般按串联方式连接。但在以微处理器为核心的计算机系统电路中，器件、部件均要与微处理器相连，所需连线多，如果仍采用模拟电路的串联方式，在微处理器与各器件间单独连线，则所需的连线数量将很多，为此在计算机电路中普遍采用总线连接方式，即每一
7、器件的数据线并接在一起，构成数据总线，地址线接在一起，构成地址总线，然后与CPU的数据、地址总线相连，属并联关系。,为避免混乱，任何时候只允许一个设备与CPU通信，因此需要用控制线进行控制和选择，系统(包括器件)中所有的控制线被称为控制总线。 (1) 地址总线(Address Bus，AB)，单向，用于传送地址信息，如图1-1中运算器与存储器之间的地址线，地址线的数目决定了可以寻址的存储单元。一根地址线有两种状态，即可以区分两个不同的存储单元；两根地址线有四种状态，可以寻址四个存储单元；依此类推，8位微处理器通常有16根地址线,可以寻址216，即64 K个存储单元，一般存储单元的大小为一个字节
8、，因此8位微处理器的寻址范围通常为64 KB。,(2) 数据总线(Data Bus，DB)，一般为双向，用于CPU与存储器、CPU与外设，或外设与外设之间传送数据(包括实际数据及指令码)信息。在计算机中，为了提高处理速度，总是一次处理由多位二进制数组成的信息，即在运算器中，数据线的数目应与待处理的数据位数相同。因此，运算器数据线的数目往往不止一条，一般为4条、8条、16条，甚至32条。运算器内数据线的多少称为微处理器的“字长”。字长是衡量微处理器运算速度及精度的重要指标之一，也是划分微处理器档次的重要依据。,根据字长，可以将微处理器分为1位机、4位机、8位机、16位机、32位机、64位机等。1
9、位机的运算器只有一根数据线，每次只能处理一位二进制数，工业上常用其取代继电器，用于控制线路的通和断、设备的开和关。4位机有四根数据线，常用于家用电器，如电视机、空调机、洗衣机、电话机等的控制电路中。8位机功能强大，不仅可用于工业控制、家用电器，也可以作为通用微机系统的中央处理器。 (3) 控制总线(Control Bus，CB)，是计算机系统中所有控制信号线的总称，在控制总线中传送的信息是控制信息。,2. 时钟周期、机器周期及指令周期 (1) 时钟周期：计算机在时钟信号的作用下，以节拍方式工作。因此，必须有一个时钟发生器电路，输入微处理器的时钟信号的周期称为时钟周期。 (2) 机器周期：机器完
10、成一个基本动作所需的时间称为机器周期，一般由一个或一个以上的时钟周期组成，例如在标准MCS-51系列单片机中，一个机器周期由12个时钟周期组成。 (3) 指令周期：执行一条指令(如“MOV A, #34H”，该指令的含义是将立即数34H送到微处理器内的累加器A中)所需时间称为指令周期，它由一个到数个机器周期组成。,在采用复杂指令系统的微处理器中，指令周期的长短取决于指令的类型，即指令将要进行的操作及复杂程度。简单指令，如INC A(累加器A内容加1)一般只需一个机器周期；而复杂指令，如MUL AB(累加器A乘以寄存器B，并将结果放在寄存器B和累加器A中)将需要数个机器周期。,1.1.1 计算机
11、系统的工作过程及其内部结构 1. CPU的内部结构 运算器和控制器构成了中央处理器核心部件，8位通用微处理器内部基本结构可用图1-2描述，它由算术逻辑运算单元(Arithmetic Logic Unit，ALU)、累加器A(8位)、寄存器B(8位)、程序状态字寄存器PSW(8位)、程序计数器PC(有时也称为指令指针，即IP，16位)、地址寄存器AR(16位)、数据寄存器DR(8位)、指令寄存器IR(8位)、指令译码器ID、控制器等部件组成。,图1-2 CPU的内部结构简图,(1) 程序计数器(Program Counter，PC)是CPU内部的寄存器，用于记录将要执行的指令码所在存储单元的地址
12、编码。一般来说，PC长度与CPU地址线数目一致，例如8位微机CPU一般具有16根地址线(A15A0)，PC的长度也是16位。系统复位后，PC具有确定值，例如在MCS-51系列单片机中，复位后，PC = 0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。由于复位后，PC的值就是第一条指令码存放的单元地址，因此在程序设计时，必须了解复位后PC的值是什么，以便确定第一条指令码从存储器哪一存储单元开始存放。PC具有自动加1功能，即从存储器中读出一个字节的指令码后，PC会自动加1，指向下一存储单元。,(2) 地址寄存器(Address Register，AR，16位)用于存放将要寻址的
13、外部存储器单元的地址信息。指令码所在存储单元的地址编码由程序计数器PC产生，而指令中操作数所在存储单元的地址码由指令的操作数给定。地址寄存器AR通过地址总线AB与外部存储器相连。 (3) 指令寄存器(Instruction Register，IR)用于存放取指阶段读出的指令代码的第一字节，即操作码，使指令译码器ID的输入保持不变。存放在IR中的指令码经指令译码器ID译码后，输入控制器，产生相应的控制信号，使CPU完成指令规定的动作。,(4) 数据寄存器(Data Register，DR)用于存放写入外部存储器或I/O端口的数据信息，可见，数据寄存器DR对输出数据具有锁存功能，数据寄存器与外部数
14、据总线DB直接相连。 (5) 算术逻辑运算单元ALU主要用于算术(加、减、乘、除)、逻辑(与、或、非以及异或)运算，由于ALU内部没有寄存器，参加运算的操作数必须放在累加器A中(运算结果也存放在累加器A中)。例如执行： ADD A，B ；AA + B,指令时，累加器A内容通过输入口In_1输入ALU，寄存器B内容通过内部数据总线经输入口In_2输入ALU，A + B的结果通过ALU的输出口(Out)内部数据总线送回累加器A。 (6) 程序状态字寄存器PSW用于记录运算过程中的状态，如是否溢出、进位等。假设累加器A的内容为83H，则执行如下指令后，将产生进位： ADD A,#8AH ；累加器A与
15、立即数8AH相加，并把结果存在A中,其进位产生的原因是：83H+8AH的结果为10DH，而累加器A的长度只有8位，只能存放低8位，即0DH，无法存放结果中的最高位b8。为此，在CPU内设置一个进位标志C，当执行加法运算出现进位时，进位标志C为1。 程序状态字寄存器中各标志位的含义与CPU类型有关，在2.3节将详细介绍MCS-51 CPU内各标志位的含义。,2. 存储器 存储器是计算机系统中必不可少的存储设备，主要用于存放程序(指令)和数据。尽管寄存器和存储器均用于存储信息，但CPU内的寄存器数量少，存取速度快，主要用于临时存放参加运算的操作数和中间结果。存储器一般在CPU外(但单片机CPU例外
16、，其内部一般均含有一定容量的存储器)，单独封装。在存储器芯片内，存储单元数目多，从几千字节到数百兆字节，能存放大量的信息，但存取速度比CPU内部的寄存器要慢得多。目前，存储器的存取速度已成为制约计算机运行速度的关键因素之一。,存储器的种类很多，根据存储器能否随机读写，将存储器分为两大类：只读存储器(Read Only Memory，ROM)和随机读写存储器(Random Access Memory，RAM)。根据存储器存储单元结构和信息保存方式的不同，又可将随机读写存储器分为静态RAM(由多个双极型晶体管或CMOS管构成，存取速度快，无需刷新，但组成一个存储单元所需的晶体管数目较多，集成度低，价格略高)和动态RAM(依靠MOS管栅极与衬底之间的寄生电容保存信息，多为单管结构，,集成度高，但寄生电容容量小，漏电大，信息保存时间短，仅为毫秒级，需要刷新电路，致使动态RAM存储器系
