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1、第第1章章 微型计算机基础知识微型计算机基础知识1.1 微型计算机数制及其转换微型计算机数制及其转换1.2 码制码制1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理1.4 单片机及其发展概况单片机及其发展概况1.1 微型计算机数制及其转换微型计算机数制及其转换微型计算机是以二进制形式进行算术运算和逻辑操作的，二微型计算机是以二进制形式进行算术运算和逻辑操作的，二进制数是计算机系统能认识、处理的惟一数制。因此，用户进制数是计算机系统能认识、处理的惟一数制。因此，用户在键盘上输入的十进制数字和符号命令，微型计算机都必须在键盘上输入的十进制数字和符号命令，微型计算机都必须先把它们转换成二进制形式进行识别
2、、运算和处理，然后再先把它们转换成二进制形式进行识别、运算和处理，然后再把运算结果还原成十进制数字和符号在显示器上显示出来。把运算结果还原成十进制数字和符号在显示器上显示出来。为了使读者弄清机器的这一工作机理，我们先对微型计算机为了使读者弄清机器的这一工作机理，我们先对微型计算机中常用的数制和数制间的转换进行讨论。中常用的数制和数制间的转换进行讨论。1.1.1 微型计算机的数制微型计算机的数制所谓数制是指数的制式，是人们利用符号计数的一种科学方所谓数制是指数的制式，是人们利用符号计数的一种科学方法。数制有很多种，微型计算机中常用的数制有十进制、二法。数制有很多种，微型计算机中常用的数制有十进制
3、、二进制和十六进制三种。进制和十六进制三种。1十进制十进制(Decimal)十进制是大家很熟悉的进位计数制，它共有十进制是大家很熟悉的进位计数制，它共有0、1、2、3、4、5、6、7、8和和9十个数字符号。这十个数字符号又称为数码，十个数字符号。这十个数字符号又称为数码，每个数码在数中最多可有两个值的概念。每个数码在数中最多可有两个值的概念。 下一页返回1.1 微型计算机数制及其转换微型计算机数制及其转换十进制是一种科学的计数方法，它所能表示的数的范围很大，十进制是一种科学的计数方法，它所能表示的数的范围很大，可以从无限小到无限大。十进制数通常具有如下两个主要特可以从无限小到无限大。十进制数通
4、常具有如下两个主要特点：点： (1)它有它有09十个不同的数码，这是构成所有十进制数的基十个不同的数码，这是构成所有十进制数的基本符号。本符号。 (2)它是逢十进位的。十进制数在计数过程中，当它的某位它是逢十进位的。十进制数在计数过程中，当它的某位计满计满10时就要向它邻近高位进一。时就要向它邻近高位进一。因此，任何一个十进制数不仅和构成它的每个数码本身的值因此，任何一个十进制数不仅和构成它的每个数码本身的值有关，而且还和这些数码在数中的位置有关。这就是说，任有关，而且还和这些数码在数中的位置有关。这就是说，任何一个十进制数都可以展开成幂级数形式。何一个十进制数都可以展开成幂级数形式。 上一页
5、 下一页返回1.1 微型计算机数制及其转换微型计算机数制及其转换一般地说，任意一个十进制数均可表示为：一般地说，任意一个十进制数均可表示为：2. 二进制（二进制（Binary）二进制数的特点是：只有两个数码，即二进制数的特点是：只有两个数码，即0和和1，逢二进一。，逢二进一。因此，二进制数同样也可以展开成幂级数形式，任何二进制因此，二进制数同样也可以展开成幂级数形式，任何二进制数的通式为：数的通式为： 上一页 下一页返回1.1 微型计算机数制及其转换微型计算机数制及其转换1位二进制数只能表示位二进制数只能表示0和和1两个状态，为了表示更多的状态，两个状态，为了表示更多的状态，可用两位或两位以上
6、的二进制数表示。二进制数的位数与它可用两位或两位以上的二进制数表示。二进制数的位数与它能表示的状态数之间的关系如下：能表示的状态数之间的关系如下：1位二进制数，共有位二进制数，共有21(即即2)个状态，分别编码为个状态，分别编码为0、1；2位二进制数，共有位二进制数，共有22(即即4)个状态，分别编码为个状态，分别编码为00、01、10、11；4位二进制数，共有位二进制数，共有24(即即16)个状态，分别编码为个状态，分别编码为 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111上一页
7、下一页返回1.1 微型计算机数制及其转换微型计算机数制及其转换8位二进制数，共有位二进制数，共有28(即即256)个状态，分别编码为个状态，分别编码为 00000000 00000001 00000010 00000011 00000100 00000101 00000110 00000111 00001000 00001001 00001010 00001011 11111100 11111101 11111110 11111111上一页 下一页返回1.1 微型计算机数制及其转换微型计算机数制及其转换在计算机系统中，寄存器、存储器的本质就是一组触发器。在计算机系统中，寄存器、存储器的本质就是
8、一组触发器。一个触发器，如一个触发器，如RS、D型触发器等均有两个稳定的状态，即型触发器等均有两个稳定的状态，即0态和态和1态，显然一个触发器可以存储态，显然一个触发器可以存储1位二进制数。为了提位二进制数。为了提高数据处理速度，在计算机中往往需要并行处理多位二进制高数据处理速度，在计算机中往往需要并行处理多位二进制数。习惯上，存储器中一个存储单元通常由数。习惯上，存储器中一个存储单元通常由8个触发器组成，个触发器组成，即一个存储单元可以存放一个即一个存储单元可以存放一个8位二进制数。一个位二进制数。一个8位二进制位二进制数称为一个字节数称为一个字节(Byte)，有，有256种状态，或者说可以
9、表示种状态，或者说可以表示256个符号。因此，存储器个符号。因此，存储器(包括内存储器和外存储器包括内存储器和外存储器)容量容量单位常用字节单位常用字节(或干字节或干字节)表示，如某存储器的容量为表示，如某存储器的容量为640KB，即该存储器有，即该存储器有6401024个存储单元，每个存储单元的个存储单元，每个存储单元的大小为一个字节。大小为一个字节。上一页 下一页返回1.1 微型计算机数制及其转换微型计算机数制及其转换10位二进制数，共有位二进制数，共有210(1024，在计算机中，在计算机中，“1024”习惯习惯上称为上称为1K)个状态，编码为个状态，编码为000000000011111
10、11111。16位二进制数，共有位二进制数，共有216(65536，即，即64K)个状态，编码为个状态，编码为00000000000000001111111111111111。有些微处理器，如大多数有些微处理器，如大多数8位的微处理器，就有位的微处理器，就有16根地址线。根地址线。由于每根地址线有两种可能的状态，所以可以用地址线状态由于每根地址线有两种可能的状态，所以可以用地址线状态的不同编码寻址不同的存储单元。因此，的不同编码寻址不同的存储单元。因此，16根地址线相当于根地址线相当于16位二进制数，最多可以寻址位二进制数，最多可以寻址64K个存储单元。而存储单元个存储单元。而存储单元的大小一
11、般是一个字节，所以对于具有的大小一般是一个字节，所以对于具有16根地址线的微处理根地址线的微处理器来说，最多可以寻址器来说，最多可以寻址64KB的存储空间，或者说寻址能力的存储空间，或者说寻址能力为为64KB。 为了不致引起混乱，二进制数用后缀字母作标记，如二进为了不致引起混乱，二进制数用后缀字母作标记，如二进制数制数1110记为记为lll0B。上一页 下一页返回1.1 微型计算机数制及其转换微型计算机数制及其转换3. 十六进制（十六进制（Hexadecimal）十六进制数的特点是：逢十六进一，具有十六进制数的特点是：逢十六进一，具有16个数码，分别用个数码，分别用0、1、2、9和和A、B、C
12、、D、E、F表示。表示。1位十六进制数可以表示位十六进制数可以表示16种状态，编码从种状态，编码从OF；2位十六位十六进制数可以表示进制数可以表示 162(256)种状态，编码从种状态，编码从00FF；4位十位十六进制数可以表示六进制数可以表示164 (65536，即，即64K)种状态，编码为种状态，编码为0000FFFF；而；而8位十六进制数可以表示位十六进制数可以表示168 (4096M)种种状态，编码为状态，编码为00000000FFFFFFFF。为了不致引起误解，十六进制数要加后缀字母为了不致引起误解，十六进制数要加后缀字母H，如十六进，如十六进制数制数“3F”记为记为“3FH”；而对
13、于以字母开头的十六进制数，；而对于以字母开头的十六进制数，必须带有前缀必须带有前缀0(零零)，以区别于一般字符串，如十六进制数，以区别于一般字符串，如十六进制数FE记为记为“0FEH”。与十进制数类似，对于与十进制数类似，对于n位十六进制数，可以表示为位十六进制数，可以表示为上一页 下一页返回1.1 微型计算机数制及其转换微型计算机数制及其转换1.1.2 微型计算机数制间数的转换微型计算机数制间数的转换1. 二进制数与十进制数之间的转换二进制数与十进制数之间的转换对于位十进制数，可以表示为：对于位十进制数，可以表示为： 同理，同理，n位二进制数也可以表示为：位二进制数也可以表示为：可见，将二进
14、制数转换为十进制数不难，只要按上式展开即可求出可见，将二进制数转换为十进制数不难，只要按上式展开即可求出对应的十进制数。而十进制数转换为二进制数时，可以按如下规律对应的十进制数。而十进制数转换为二进制数时，可以按如下规律进行：进行：上一页 下一页返回1.1 微型计算机数制及其转换微型计算机数制及其转换整数部分除以整数部分除以2所得的余数就是对应二进制数的个位，其商再所得的余数就是对应二进制数的个位，其商再除以除以2所得的余数就是对应二进制数的十位，依次类推，即可所得的余数就是对应二进制数的十位，依次类推，即可获得对应二进制数的整数部分。获得对应二进制数的整数部分。小数部分乘以小数部分乘以2所得
15、的整数就是对应二进制数小数部分的十分所得的整数就是对应二进制数小数部分的十分位，乘积中的小数部分再乘以位，乘积中的小数部分再乘以2得到的整数就是对应二进制数得到的整数就是对应二进制数小数部分的百分位，依次类推，即可求出所有的小数位。小数部分的百分位，依次类推，即可求出所有的小数位。例例1.1 1375的整数部分是的整数部分是13，小数部分是，小数部分是0.75，转换，转换为二进制数的过程如下所示为二进制数的过程如下所示 。上一页 下一页返回1.1 微型计算机数制及其转换微型计算机数制及其转换13相当于二进制数相当于二进制数1101；而；而0752=15，因此十分，因此十分位为位为1；052=1
16、0，因此百分位为，因此百分位为l，即，即1375=11011IB。2. 二进制数与十六进制数之间的转换二进制数与十六进制数之间的转换二进制和十六进制数间的转换十分方便，这就是为什么要采二进制和十六进制数间的转换十分方便，这就是为什么要采用十六进制形式来对二进制数加以表达的内在原因。用十六进制形式来对二进制数加以表达的内在原因。(1)二进制数转换成十六进制数时，按如下规则进行。二进制数转换成十六进制数时，按如下规则进行。对于二进制数的整数部分来说，从个位开始，每对于二进制数的整数部分来说，从个位开始，每4位作为一组，位作为一组，划分整数部分划分整数部分(如果最后一组不足如果最后一组不足4位，可在
17、前面补位，可在前面补13个零个零)；对于二进制数的小数部分来说，从十分位开始，每；对于二进制数的小数部分来说，从十分位开始，每4位作位作为一组，划分小数部分为一组，划分小数部分(同样，当最后一组不足同样，当最后一组不足4位时，可在位时，可在后面补后面补13个零个零)。然后把每组中的。然后把每组中的4位二进制数用对应的十位二进制数用对应的十六进制数表示，即可获得相应的十六进制数。六进制数表示，即可获得相应的十六进制数。上一页 下一页返回1.1 微型计算机数制及其转换微型计算机数制及其转换如：如：111001010110101B =0011 100l 01011010 1000 3 9 5 A 8
18、即即111001010110101B=395A8H(2)十六进制数转换为二进制数时，按如下规则进行。十六进制数转换为二进制数时，按如下规则进行。将十六进制数的整数部分和小数部分的每一位十六进制数码将十六进制数的整数部分和小数部分的每一位十六进制数码用对应的用对应的4位二进制数表示，然后再删除整数部分前面和小数位二进制数表示，然后再删除整数部分前面和小数部分后面多余的零，即可获得对应的二进制数，如：部分后面多余的零，即可获得对应的二进制数，如：93FE3A3H=1001 0011 1111 11100011 1010 0011B又如：又如：3ECH=0011 111011OOB =1111101
19、1B(删除整数部分前面的零删除整数部分前面的零和小数部分后面的零和小数部分后面的零)上一页 下一页返回1.1 微型计算机数制及其转换微型计算机数制及其转换可见二进制数与十六进制数之间的转换非常方便，只要记住可见二进制数与十六进制数之间的转换非常方便，只要记住4位二位二进制数进制数00001111与十六进制数与十六进制数0F之间的对应关系即可。下之间的对应关系即可。下面是二进制数面是二进制数00001111对应的十六进制数和十进制数。对应的十六进制数和十进制数。二进制数二进制数 十进制数十进制数 十六进制数十六进制数 二进制数二进制数 十进制数十进制数 十六进制数十六进制数0000 0 0 10
20、00 8 80001 1 1 1001 9 90010 2 2 1010 10 A0011 3 3 1011 11 B0100 4 4 1100 12 C0101 5 5 1101 13 D0110 6 6 1110 14 E0111 7 7 1111 15 F上一页 下一页返回1.1 微型计算机数制及其转换微型计算机数制及其转换1.1.3 二进制数和十六进制数的运算二进制数和十六进制数的运算1二进制数的运算二进制数的运算二进制数的四则运算包括加、减、乘、除，在学习单片机原二进制数的四则运算包括加、减、乘、除，在学习单片机原理时，尤其需要掌握其中的加、减和乘法运算规则。理时，尤其需要掌握其中的
21、加、减和乘法运算规则。（1)二进制数的加法二进制数的加法二进制数的加法运算规则为二进制数的加法运算规则为 0+0=0，0+1=1，1+0=1(交换律交换律)，1+1=10(二进制数中的二进制数中的“10”就是十进制数的就是十进制数的“2”)。例如：。例如： 1001 0110B + 0111 0011B 10000 1001B上一页 下一页返回1.1 微型计算机数制及其转换微型计算机数制及其转换(2)二进制数的减法二进制数的减法二进制数向前借位时，为二进制数向前借位时，为“10”，例如：，例如： 1001 0110B - 0111 0011B 0010 0011B(3)二进制数的乘法二进制数的
22、乘法二进制数的乘法运算规则为二进制数的乘法运算规则为 00=0，01=0，10=0(交换律交换律)，11=1。例如：。例如： 1001 0110B 101B 10010110 00000000 + 10010110 1011101110B上一页 下一页返回1.1 微型计算机数制及其转换微型计算机数制及其转换2十六进制数的运算十六进制数的运算十六进制数的四则运算包括加、减、乘、除，在学习单片机十六进制数的四则运算包括加、减、乘、除，在学习单片机原理时，同样需要掌握其中的加、减和乘法运算规则。原理时，同样需要掌握其中的加、减和乘法运算规则。十六进制数的加法运算规则与十进制数的加法运算规则相同，十六
23、进制数的加法运算规则与十进制数的加法运算规则相同，如如3H+4H=7H，7H+4H=0BH(结果是十进制数的结果是十进制数的11，即十六进制数的即十六进制数的0BH)，8H+7H=0FH(结果是十进制数的结果是十进制数的15，即十六进制数的，即十六进制数的0FH)，8H+9H=11H(结果是十进结果是十进制数的制数的17，即十六进制数的，即十六进制数的llH)。例如：。例如： 3 4 6 A H + 5 8 9 C H 8 D 0 6 H上一页 下一页返回1.1 微型计算机数制及其转换微型计算机数制及其转换在上式中，个位的在上式中，个位的A(10)加加C(12)，结果为，结果为22，即十六进，
24、即十六进制数的制数的“16”，向十位进，向十位进1，结果为，结果为6；十位的；十位的 6+9+1(个个位进位位进位)，结果为，结果为16，即十六进制数中的，即十六进制数中的“10”，向百位进，向百位进1，结果为，结果为0；百位；百位4+8+1(十位进位十位进位)，结果为，结果为13，即十六，即十六进制数中的进制数中的“D”；千位；千位3+5，结果为，结果为8。上一页 下一页返回1.1 微型计算机数制及其转换微型计算机数制及其转换 7 4 6 A H - 5 8 9 C H 1 B C E H在上式中，个位向十位借在上式中，个位向十位借1后，变成十六进制数的后，变成十六进制数的“1A”，即，即十
25、进制数的十进制数的26，再减，再减C(即十进制数的即十进制数的12)，结果为，结果为14，即，即十六进制数的十六进制数的“E”；十位原本是；十位原本是“6”，个位借，个位借1后变为后变为“5”，十位再向百位借，十位再向百位借l，变成十六进制数的，变成十六进制数的“15”，即，即21；减；减9，结果为，结果为12，即十六进制数的，即十六进制数的“C”；百位原本是；百位原本是“4”，十位借，十位借1后变为后变为“3”，百位向千位借，百位向千位借1，变成十六进，变成十六进制数的制数的“13”，即，即19；减；减8，结果为，结果为11，即十六进制数的，即十六进制数的“B”。上一页 下一页返回1.1 微
26、型计算机数制及其转换微型计算机数制及其转换 7 4 6 A H 9 C H (进位进位)3 4 7 5 7 4 F 8 (进位进位)2 3 5 + 4 1 7 B A 4 6 F 0 9 8可见十六进制数的乘法与十进制数的乘法运算方法类似，但可见十六进制数的乘法与十进制数的乘法运算方法类似，但必须注意将十六迸制数乘法运算的中间结果转为十六进制数，必须注意将十六迸制数乘法运算的中间结果转为十六进制数，例如例如69的结果为十进制数的的结果为十进制数的54，转化为十六进制数是，转化为十六进制数是36H。上一页返回1.2 码制码制计算机内部所有的数据均采用二进制代码表示，但通过输入计算机内部所有的数据
27、均采用二进制代码表示，但通过输入设备设备(如键盘如键盘)输入的信息和通过输出设备输入的信息和通过输出设备(如显示器、打印机如显示器、打印机)输出的信息却是多种多样的，既有字母、数字，又有各种控输出的信息却是多种多样的，既有字母、数字，又有各种控制字符，甚至汉字。为了方便，人们对计算机中常用的符号制字符，甚至汉字。为了方便，人们对计算机中常用的符号进行了编码。当通过输入设备向计算机输入某个字符时，计进行了编码。当通过输入设备向计算机输入某个字符时，计算机会自动将该字符转化为对应的二进制数，再进行处理同算机会自动将该字符转化为对应的二进制数，再进行处理同时计算机也将处理结果还原为对应的字符。于是，
28、字符所对时计算机也将处理结果还原为对应的字符。于是，字符所对应的二进制数就称为该字符的编码。应的二进制数就称为该字符的编码。下一页返回1.2 码制码制1.2.1 英文字符的表示方法英文字符的表示方法ASCII码码由于计算机只能处理二进制数，因此除了数值本身需要用二由于计算机只能处理二进制数，因此除了数值本身需要用二进制数形式表示外，字符进制数形式表示外，字符(包括数码，如包括数码，如0，1，2，3，4，5，6，7，8，9)、字母、字母(如如A，B，C，D，X，Y，Z及及a,b，C，d, ,x，y，z)、特殊符号、特殊符号(如，如，!，+，-，=)等也必须用二进制数表示，即在计算机中需将数码、字
29、母、等也必须用二进制数表示，即在计算机中需将数码、字母、特殊符号等代码化，以便于计算机识别、存储和处理。特殊符号等代码化，以便于计算机识别、存储和处理。英文属于典型的拼音文字，由字母、数字、特殊符号等组合英文属于典型的拼音文字，由字母、数字、特殊符号等组合而成，但这些字母、数字、特殊符号的数目毕竟有限，不过而成，但这些字母、数字、特殊符号的数目毕竟有限，不过百余个。我们知道百余个。我们知道7位二进制数可以表示位二进制数可以表示128种状态，如果种状态，如果每一种状态代表特定的字母或数字，则每一种状态代表特定的字母或数字，则7位二进制数可表示位二进制数可表示128个字符。个字符。上一页 下一页返
30、回1.2 码制码制 在计算机系统中，存储单元的长度通常为在计算机系统中，存储单元的长度通常为8位二进制数位二进制数(一个一个字节字节)，为了存取方便，规定一个存储单元存放一个，为了存取方便，规定一个存储单元存放一个ASCII码，其中低码，其中低7位表示字母本身的编码，第位表示字母本身的编码，第8位位(bit7)用作奇偶用作奇偶校验位或规定为零校验位或规定为零(通常如此通常如此)。因此，也可以认为。因此，也可以认为ASCII码码的长度为的长度为8位位(但但bit7为为0)。128个字符对于某些特殊应用个字符对于某些特殊应用来说，可能不够，因此就采用来说，可能不够，因此就采用8位的位的ASCII，
31、即扩展，即扩展ASCII码码(共有共有256个代码个代码)。其中前。其中前128个个(高位为高位为O)编码用于表编码用于表示基本的示基本的ASCII码，基本码，基本ASCII码主要用于表示数字、英文码主要用于表示数字、英文字母字母(大、小写大、小写)、标点符号、控制字符等，后、标点符号、控制字符等，后128(高位为高位为1)个编码用于表示扩展的个编码用于表示扩展的ASCII码，扩展码，扩展ASCII用于表示用于表示一些特殊的符号，如希腊字母等。一些特殊的符号，如希腊字母等。上一页 下一页返回1.2 码制码制1.2.2 BCD码码(二进制编码的十进制数二进制编码的十进制数)十进制数毕竟是人们最习
32、惯的计数方式，在向计算机输入数十进制数毕竟是人们最习惯的计数方式，在向计算机输入数据时，常用十进制数输入，但计算机只认识二进制数，因此据时，常用十进制数输入，但计算机只认识二进制数，因此每一位十进制数必须用二进制数表示。一位十进制数包含每一位十进制数必须用二进制数表示。一位十进制数包含09十个数码，必须用十个数码，必须用4位二进制数表示，这样就需要确定位二进制数表示，这样就需要确定09与与4位二进制数位二进制数0000B1111B之间的对应关系，其中较之间的对应关系，其中较常用的常用的8421BCD码规定了十进制数码规定了十进制数09与与4位二进制数编位二进制数编码之间的对应关系如下。码之间的
33、对应关系如下。上一页 下一页返回1.2 码制码制上一页 下一页返回 十进制数十进制数 8421BCD码码 十进制数十进制数 8421BCD码码 0 0000 5 0101 l 0001 6 0110 2 0010 7 0lll 3 00ll 8 1000 4 0100 9 100l1.2 码制码制 1.2.3 计算机中带符号数的表示方法计算机中带符号数的表示方法在计算机中，对于带符号数来说，一般用最高位表示数的正在计算机中，对于带符号数来说，一般用最高位表示数的正负。对于正数，最高位规定为负。对于正数，最高位规定为“0”；对于负数，最高位为；对于负数，最高位为“1”。例如：。例如：56H可以表
34、示为可以表示为0 1010110(对于对于8位二进制数来说，位二进制数来说，b7位表示数的正负，位表示数的正负，b6b0表示数的绝对值表示数的绝对值)，-56H可以表可以表示为示为1 1010110。0256H可以表示为可以表示为0 000 0010 0101 0110(对于对于16位位二进制数来说，二进制数来说，b15位表示数的正负，位表示数的正负，b14b0表示数的绝表示数的绝对值对值)，-0256H可以表示为可以表示为1 000 0010 0101 0110。1原码原码对于带符号数来说，用最高位表示数的正负，其余各位表示对于带符号数来说，用最高位表示数的正负，其余各位表示该数的绝对值，这
35、种表示方法就称为原码表示法，如上所述。该数的绝对值，这种表示方法就称为原码表示法，如上所述。上一页 下一页返回1.2 码制码制2反码反码带符号数也可以用反码表示，反码与原码的关系是：正数的带符号数也可以用反码表示，反码与原码的关系是：正数的反码与原码相同，如反码与原码相同，如56H反反=56H原原=0 1010110B。负数的反码等于对应正数的原码按位求反。因此，求负数的反码等于对应正数的原码按位求反。因此，求-56H反反码的过程如下：码的过程如下：对应正数对应正数56H的原码为的原码为0 1010110，按位求反后为，按位求反后为1 0101001，即，即-56H的反码为的反码为101010
36、01。或者说，正数。或者说，正数的反码与原码相同，而负数的反码是对应负数原码除符号位的反码与原码相同，而负数的反码是对应负数原码除符号位外，绝对值部分按位取反。外，绝对值部分按位取反。上一页 下一页返回1.2 码制码制3补码补码在计算机内，带符号数并不是用原码或反码表示，而是用补在计算机内，带符号数并不是用原码或反码表示，而是用补码表示，引入原码、反码的目的只是为了方便理解补码概念码表示，引入原码、反码的目的只是为了方便理解补码概念而已。不用原码表示的原因是：用原码表示时，而已。不用原码表示的原因是：用原码表示时，0的原码并不的原码并不惟一，惟一，0的原码可以表示为的原码可以表示为0 0000
37、000(+0)，也可以表示，也可以表示为为1 0000000(一一0)，这会造成混乱；再就是用原码表示，这会造成混乱；再就是用原码表示时，减法并不能转化为加法运算，反码也存在类似问题。在时，减法并不能转化为加法运算，反码也存在类似问题。在计算机中，带符号数用补码表示后，减法就可以转化为加法计算机中，带符号数用补码表示后，减法就可以转化为加法运算，例如：运算，例如：上一页 下一页返回1.2 码制码制56H-23H=56H-23H+100H (100H是是8位二进制能表位二进制能表示的最大数，加上示的最大数，加上100H后，对计算结果没有影响，原因是后，对计算结果没有影响，原因是8位二进制无法存放
38、位二进制无法存放100H中的中的“1”，即，即b8位位) =56H+100H-23H =56H+0DDH =133H =33H(由于由于8位二进制不能存放位二进制不能存放b8位，结果位，结果133H中最高位中最高位“l”自然丢失自然丢失)可见在可见在8位二进制中，位二进制中，56H-23H的结果与的结果与56H+0DDH相相同，即引入补码后减法可以用加法来完成。显然在同，即引入补码后减法可以用加法来完成。显然在8位二进制位二进制中，中，23H与与0DDH互为补码。互为补码。补码的定义为：正数的补码与反码、原码相同；负数的补码补码的定义为：正数的补码与反码、原码相同；负数的补码等于它的反码加等于
39、它的反码加1。因此，求。因此，求-23H补码的过程如下：补码的过程如下：上一页 下一页返回1.2 码制码制对应正数对应正数23H的原码为的原码为0 0100011，按位求反后为，按位求反后为1 1011100，即，即-23H的反码，反码加的反码，反码加1后为后为1 1011101，即即-23H的补码为的补码为1 1011101(相当于无符号数的相当于无符号数的0DDH)。可见，用补码表示时，最高位为可见，用补码表示时，最高位为O，表示该数为正数，数值，表示该数为正数，数值部分就是真值。而最高位为部分就是真值。而最高位为1时是负数，数值部分并不是它的时是负数，数值部分并不是它的真值，必须再求补后
40、，才得到该数的绝对值，如上例中的一真值，必须再求补后，才得到该数的绝对值，如上例中的一23H的补码为的补码为1 1011101，按位取反后为，按位取反后为00100010，加加1后为后为00100011，即，即23H。对于对于8位二进制数来说，补码表示的范围是位二进制数来说，补码表示的范围是-128+127；对于对于16位二进制数来说，补码表示的范围是位二进制数来说，补码表示的范围是-32768+32767。上一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理 迄今为止，所有计算机的组成结构都是冯迄今为止，所有计算机的组成结构都是冯诺依曼型的，即：诺依曼型的，即：它是执行存储器中程序而工作的
41、。计算机执行程序是自动按它是执行存储器中程序而工作的。计算机执行程序是自动按序进行的，毋需人工干预，控制器在时钟信号的控制下，从序进行的，毋需人工干预，控制器在时钟信号的控制下，从存储器中取出计算步骤存储器中取出计算步骤(指令指令)和数据，并根据指令操作码内和数据，并根据指令操作码内容发出相应的控制信号。程序和数据由输入设备输入存储器，容发出相应的控制信号。程序和数据由输入设备输入存储器，执行程序所获得的运算结果由输出设备输出。因此，计算机执行程序所获得的运算结果由输出设备输出。因此，计算机通常有运算控制部件、存储器部件、输入设备和输出设备四通常有运算控制部件、存储器部件、输入设备和输出设备四
42、部分组成，计算机系统的基本结构如部分组成，计算机系统的基本结构如图图11所示。所示。下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理在计算机中，往往把运算器、控制器做在一个芯片上，称为在计算机中，往往把运算器、控制器做在一个芯片上，称为中央处理器中央处理器(Central Processor Unit，简称，简称CPU)，有时，有时也称为微处理器也称为微处理器(Micro Processor Unit，MPU)。为了进。为了进一步减小电路板面积，提高系统可靠性，将输入、输出接口一步减小电路板面积，提高系统可靠性，将输入、输出接口电路、时钟电路，以及存储器、运算器、控制器等部件集成电路、时
43、钟电路，以及存储器、运算器、控制器等部件集成到一个芯片内，就成为单片机到一个芯片内，就成为单片机(也称为微控制器，即也称为微控制器，即Micro Controller Unit，简称，简称MCU)。这就表示一个芯片就具备。这就表示一个芯片就具备了一个完整的计算机系统所必需的基本部件。为了适应不同了一个完整的计算机系统所必需的基本部件。为了适应不同的需求，将不同功能的外围电路，如定时器、中断控制器、的需求，将不同功能的外围电路，如定时器、中断控制器、AD及及DA转换器、串行通信接口电路等集成在一个芯片转换器、串行通信接口电路等集成在一个芯片内，形成系列化产品，就构成了所谓内，形成系列化产品，就构
44、成了所谓“嵌入式嵌入式”单片机控制单片机控制芯片。芯片。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理1.3.1 微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构1CPU的内部结构的内部结构图图1-1中的运算器和控制器等部件往往做在同一芯片内，称中的运算器和控制器等部件往往做在同一芯片内，称为中央处理器为中央处理器(CPU)。8位通用微处理器内部基本结构可用位通用微处理器内部基本结构可用图图1-2描述，它由算术逻辑运算单元描述，它由算术逻辑运算单元(Arithmetic Logic Unit，简称，简称ALU)、累加器、累加器A(8位位)、寄存器、寄存器B(8位位)、程序状态、程序状态
45、字寄存器字寄存器PSW(8位位)、程序计数器、程序计数器PC(有时也称为指令指针，有时也称为指令指针，即即IP，16位位)、地址寄存器、地址寄存器AR(16位位)、数据寄存器、数据寄存器DR(8位位)、指令寄存器、指令寄存器IR(8位位)、指令译码器、指令译码器ID、控制器等部件、控制器等部件组成。组成。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理 (1)程序计数器程序计数器PC是是CPU内部的寄存器，用于记录将要执行内部的寄存器，用于记录将要执行的指令代码所在存储单元的地址编码。一般说来，的指令代码所在存储单元的地址编码。一般说来，PC的长度的长度与与CPU地址线数目一致，
46、例如地址线数目一致，例如8位机的位机的CPU一般具有一般具有16根地根地址线址线(A15A0)，PC的长度也是的长度也是16位。复位后，位。复位后，PC具有确具有确定值，例如在定值，例如在MCS一一51系列单片机中，复位后，系列单片机中，复位后，PC=0000H，即复位后将从程序存储器的，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取单元读取第一条指令码。由于复位后，第一条指令码。由于复位后，PC的值就是第一条指令代码存的值就是第一条指令代码存放的单元地址，因此设计程序时，必须了解复位后放的单元地址，因此设计程序时，必须了解复位后PC的值是的值是什么，以便确定第一条指令码从存储器哪一存储单元开始存
47、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。放。PC具有自动加具有自动加1的功能，即从存储器中读出一个字节的的功能，即从存储器中读出一个字节的指令码后，指令码后，PC会自动加会自动加1(指向下一存储单元指向下一存储单元)。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理(2)地址寄存器地址寄存器AR(Address Register，16位位)用于存放用于存放将要寻址的外部存储器单元的地址信息，指令码所在存储单将要寻址的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，由程序计数器元的地址编码，由程序计数器PC产生；而指令中操作数所在产生；而指令中操作数所在存储
48、单元的地址码，由指令的操作数给定。地址寄存器存储单元的地址码，由指令的操作数给定。地址寄存器AR通通过地址总线过地址总线AB与外部存储器相连。与外部存储器相连。(3)指令寄存器指令寄存器IR(Instruction Register)用于存放取指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。存放在的输入保持不变。存放在IR中的指令码经指令译码器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，使译码后，输入控制器，产生相应的控制信号，使CPU完成指完成指令规定的动作。令规定的动作。上一页
49、下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理(4)数据寄存器数据寄存器DR(Data Register)用于存放写入外部存用于存放写入外部存储器或储器或IO端口的数据信息。可见，数据寄存器端口的数据信息。可见，数据寄存器DR对输出对输出数据具有锁存功能，数据寄存器与外部数据总线数据具有锁存功能，数据寄存器与外部数据总线DB直接相连。直接相连。(5)算术逻辑运算单元算术逻辑运算单元ALU主要用于算术主要用于算术(加减乘除加减乘除)、逻辑、逻辑(与、或、非、异或与、或、非、异或) 运算。由于运算。由于ALU内部没有寄存器，参加内部没有寄存器，参加运算的操作数必须放在累加器运算的操作数必须
50、放在累加器A中中(运算结果也存放在累加器运算结果也存放在累加器A中中)，例如执行指令：，例如执行指令：ADD A，B ；AA+B时，累加器时，累加器A的内容通过输入口的内容通过输入口In_1输入输入ALU，寄存器，寄存器B的的内容通过内部数据总线经输入口内容通过内部数据总线经输入口In_2输入输入ALU，A+B的结的结果通过果通过ALU的输出口的输出口Out、内部数据总线，送回累加器、内部数据总线，送回累加器A。(6)程序状态字寄存器程序状态字寄存器PSW用于记录运算过程中的状态，如用于记录运算过程中的状态，如是否溢出、进位等。是否溢出、进位等。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型
51、计算机组成原理 2存储器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，主要用于存放程序程序(指令指令)和数据。尽管寄存器和存储器均用于存储信息，和数据。尽管寄存器和存储器均用于存储信息，但但CPU内的寄存器数量少，存取速率快，它主要用于临时存内的寄存器数量少，存取速率快，它主要用于临时存放参加运算的操作数和中间结果；而存储器一般在放参加运算的操作数和中间结果；而存储器一般在CPU外外(但单片机但单片机CPU除外，其内部一般均含有一定容量的存储器除外，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，单独封
52、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，但存取速率比节到数百兆字节，能存放大量的信息，但存取速率比CPU内内的寄存器要慢得多。目前，存储器的存取速率已成为制约计的寄存器要慢得多。目前，存储器的存取速率已成为制约计算机运行速率的关键因素之一。算机运行速率的关键因素之一。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理存储器的种类很多，根据存储器能否随机读写，将存储器分存储器的种类很多，根据存储器能否随机读写，将存储器分为两大类：只读存储器为两大类：只读存储器(ReadOnly Memory，简称，简称ROM)和和随机读写存储器随机读写存储器(R
53、andom Access Memory，简称，简称RAM)。根据存储器存储单元结构和信息保存方式的不同，又可以将根据存储器存储单元结构和信息保存方式的不同，又可以将随机读写存储器分为静态随机读写存储器分为静态RAM(采用双极型晶体管结构，存采用双极型晶体管结构，存取速率快，无需刷新，但构成一个存储单元所需的晶体管数取速率快，无需刷新，但构成一个存储单元所需的晶体管数目较多，集成度低，价格略高目较多，集成度低，价格略高)和动态和动态RAM(采用采用CMOS工工艺，依靠艺，依靠MOS管栅极与衬底之间的寄生电容保存信息，一般管栅极与衬底之间的寄生电容保存信息，一般均为单管结构，集成度高，但寄生电容容
54、量小，漏电大，信均为单管结构，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存储器系统电路复杂化，不适用于仅需要少量存储容量的单存储器系统电路复杂化，不适用于仅需要少量存储容量的单片机系统片机系统)。只读存储器中只读存储器中“只读只读”的含义是信息写入后，只能读出，不的含义是信息写入后，只能读出，不能随机修改，适合存放系统监控程序。能随机修改，适合存放系统监控程序。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理在单片机应用系统中，所需的存储器容量不大，外围电路应在单片机应用系统中，所需
55、的存储器容量不大，外围电路应尽可能简单，因此几乎不使用动态尽可能简单，因此几乎不使用动态RAM，常使用，常使用PROM(可可编程的只读存储器编程的只读存储器)、EPROM(紫外光可擦写的只读存储器紫外光可擦写的只读存储器)、OTP ROM(一次性编程的只读存储器，内部结构、工作原理一次性编程的只读存储器，内部结构、工作原理与与EPROM相似，是一种没有擦写窗口的相似，是一种没有擦写窗口的EPROM)、EEPROM(也称为也称为E2PROM，是一种电可擦写的只读存储器，是一种电可擦写的只读存储器，其结构与其结构与EPROM类似，但绝缘栅很薄，高速电子可穿越绝类似，但绝缘栅很薄，高速电子可穿越绝缘
56、层，中和浮栅上的正电荷，起到擦除目的，也就是说可通缘层，中和浮栅上的正电荷，起到擦除目的，也就是说可通过高电压擦除过高电压擦除)、Flash ROM(电可擦写只读存储器，写入电可擦写只读存储器，写入速度比速度比EEPROM快，因此也称为闪烁存储器快，因此也称为闪烁存储器)等只读存储器等只读存储器作为程序存储器，使用作为程序存储器，使用SRAM(静态存储器静态存储器)作随机读写作随机读写RAM，使用，使用E2PROM、FRAM(铁电存储器，读写速率快，铁电存储器，读写速率快，操作方法与操作方法与SRAM相似相似)作非易失的数据存储器。尽管这些存作非易失的数据存储器。尽管这些存储器工作原理不同，但
57、内部结构基本相同。储器工作原理不同，但内部结构基本相同。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理(1)内部结构内部结构EPROM、EEPROM、Flash ROM、SRAM、FRAM等等存储器内部结构可以用存储器内部结构可以用图图1-3描述，由地址译码器、存储单描述，由地址译码器、存储单元、读写控制电路等部分组成。元、读写控制电路等部分组成。 寄存器或存储器中的一个存储单元，等效于一组触发器，每寄存器或存储器中的一个存储单元，等效于一组触发器，每个触发器有两个稳定状态，可以记录一位二进制数。每一存个触发器有两个稳定状态，可以记录一位二进制数。每一存储单元包含的触发器的个数
58、称为存储单元的字长，对于并行储单元包含的触发器的个数称为存储单元的字长，对于并行存取的存储器芯片，存储单元内包含的触发器的个数与存储存取的存储器芯片，存储单元内包含的触发器的个数与存储器芯片数据线条数相同。例如，由器芯片数据线条数相同。例如，由8个触发器并排在一起构成个触发器并排在一起构成的存储单元的字长为的存储单元的字长为8位，它可以存放一个位，它可以存放一个8位二进制数位二进制数(一一个字节个字节)。在计算机中，为了提高处理速度，一次操作。在计算机中，为了提高处理速度，一次操作(如数如数据传送或运算据传送或运算)要同时处理多位二进制数。因此，在并行存取要同时处理多位二进制数。因此，在并行存
59、取的存储器芯片中，一个存储单元的容量通常为的存储器芯片中，一个存储单元的容量通常为8位。位。 上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理存储器芯片内存储单元数目与存储器芯片地址线条数有关。存储器芯片内存储单元数目与存储器芯片地址线条数有关。 存储单元长度也可以大于或小于存储单元长度也可以大于或小于8位，例如位，例如PICl6C56单片单片机内的程序存储器容量为机内的程序存储器容量为1K12bit，即共有，即共有1024个存储个存储单元，每个存储单元可以存放单元，每个存储单元可以存放12位二进制数，即存储单元的位二进制数，即存储单元的字长为字长为12位。位。存储单元的地址编码
60、与存储单元中的内容是两个不同的概念，存储单元的地址编码与存储单元中的内容是两个不同的概念，存储单元地址编码的长度由存储器芯片所包含的存储单元的存储单元地址编码的长度由存储器芯片所包含的存储单元的个数决定。个数决定。 上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理(2)存储器工作状态存储器工作状态存储器芯片工作状态由存储器控制信号电平状态决定，如存储器芯片工作状态由存储器控制信号电平状态决定，如表表1-1所示。所示。(3)存储器读操作存储器读操作下面以下面以CPU读取存储器中地址编号为读取存储器中地址编号为0000H的存储单元的的存储单元的内容为例来说明内容为例来说明CPU读存储
61、器中某一存储单元信息的操作过读存储器中某一存储单元信息的操作过程程(如如图图14所示所示)。CPU地址寄存器地址寄存器AR给出将要读取的存储单元的地址信息，给出将要读取的存储单元的地址信息，即即0000H。存储单元地址信息通过地址总线存储单元地址信息通过地址总线A15A0输入到存储器芯输入到存储器芯片地址线上片地址线上(CPU地址总线与存储器地址总线相连地址总线与存储器地址总线相连)。存储器芯片内的地址译码器对存储器地址信号存储器芯片内的地址译码器对存储器地址信号A14A0进进行译码，并选中行译码，并选中0000H单元。单元。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理CPU
62、给出读控制信号给出读控制信号 (接存储器的接存储器的 )，将选中的，将选中的0000H存储单元内容输出到数据总线存储单元内容输出到数据总线D7D0(存储器数据存储器数据总线与总线与CPU数据总线相连数据总线相连)，结果，结果0000H单元的内容单元的内容12H就就通过存储器数据总线输入到通过存储器数据总线输入到CPU内部的数据寄存器内部的数据寄存器DR中，中，然后送到然后送到CPU内部某一特定寄存器或暂存器内，这样便完成内部某一特定寄存器或暂存器内，这样便完成了存储器的读操作过程。了存储器的读操作过程。对于存储器来说，完成读操作后，被读出的存储单元信息将对于存储器来说，完成读操作后，被读出的存
63、储单元信息将保持不变。保持不变。(4)存储器写操作存储器写操作把某一数据把某一数据(如如55H)写入存储器内某一存储单元写入存储器内某一存储单元(如如0003H单元单元)的操作过程如下：的操作过程如下：CPU地址寄存器地址寄存器AR给出待写入的存储单元的地址编码给出待写入的存储单元的地址编码0003H，通过地址总线，通过地址总线A15A0输入到存储器芯片地址线输入到存储器芯片地址线A14A0上。上。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理3地址总线、数据总线和控制总线地址总线、数据总线和控制总线一个电路总是由元器件通过导线连接而成的。在模拟电路中，一个电路总是由元器件通过
64、导线连接而成的。在模拟电路中，器件、部件间一般是串行关系，彼此之间的连线并不多，关器件、部件间一般是串行关系，彼此之间的连线并不多，关系也不复杂。但在以微处理器为核心的计算机电路中，器件、系也不复杂。但在以微处理器为核心的计算机电路中，器件、部件都要与微处理器相连，需要的连线多，如果仍采用模拟部件都要与微处理器相连，需要的连线多，如果仍采用模拟电路的连线方式，在微处理器与各器件间单独连线，则连线电路的连线方式，在微处理器与各器件间单独连线，则连线数量将多得惊人，为此在计算机电路中引入了总线的概念：数量将多得惊人，为此在计算机电路中引入了总线的概念：即每一器件的数据线连接在一起，构成数据总线；地
65、址线连即每一器件的数据线连接在一起，构成数据总线；地址线连接在一起，构成地址总线；然后与接在一起，构成地址总线；然后与CPU的数据、地址总线相的数据、地址总线相连。为避免混乱，任何时候只允许一个设备与连。为避免混乱，任何时候只允许一个设备与CPU通信，因通信，因此需要控制线进行控制。此需要控制线进行控制。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理存储器芯片内的地址译码器对存储器地址信号存储器芯片内的地址译码器对存储器地址信号A14A0进进行译码，并选中行译码，并选中0003H单元。单元。在写操作过程中，写入的数据在写操作过程中，写入的数据55H存放在存放在CPU内的数据寄内
66、的数据寄存器存器DR中。当中。当CPU写控制信号有效时写控制信号有效时(与存储器写允许信号与存储器写允许信号相连相连)，DR寄存器中的内容寄存器中的内容55H就通过数据总线就通过数据总线D7D0传传输到存储器中被选中的输到存储器中被选中的0003H存储单元，结果存储单元，结果0003H单元单元的内容即刻变为的内容即刻变为55H，完成了存储器的写操作过程。，完成了存储器的写操作过程。可见，写操作后，被写入的存储单元原有信息将不复存在。可见，写操作后，被写入的存储单元原有信息将不复存在。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理所有器件的所有器件的8根数据线全部接到根数据线全部
67、接到8根公用的数据线上，即相当根公用的数据线上，即相当于各个器件并联起来。但仅这样还不行，如果有两个器件同于各个器件并联起来。但仅这样还不行，如果有两个器件同时送出数据，一个为时送出数据，一个为0，一个为，一个为1，那么接收方接收到的究竟，那么接收方接收到的究竟是什么呢是什么呢?这种情况是不允许的，所以要通过控制线进行控制，这种情况是不允许的，所以要通过控制线进行控制，使器件分时工作，任何时候只能有一个器件发送数据使器件分时工作，任何时候只能有一个器件发送数据(可以有可以有多个器件同时接收多个器件同时接收)。器件的数据线也就被称为数据总线，器。器件的数据线也就被称为数据总线，器件所有的控制线被
68、称为控制总线。在单片机内部或者外部存件所有的控制线被称为控制总线。在单片机内部或者外部存储器及其他器件中有存储单元，这些存储单元要被分配地址储器及其他器件中有存储单元，这些存储单元要被分配地址才能使用。分配地址当然也是以电信号的形式给出的，由于才能使用。分配地址当然也是以电信号的形式给出的，由于存储单元比较多，所以用于地址分配的线也较多，这些线被存储单元比较多，所以用于地址分配的线也较多，这些线被称为地址总线。称为地址总线。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理 在计算机系统中，常包含以下几种总线：在计算机系统中，常包含以下几种总线：(1)地址总线地址总线(Addres
69、s Bus，简称，简称AB)。它是单向传输，用。它是单向传输，用于传送地址信息，如于传送地址信息，如图图11中运算器与存储器之间的地址线，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空间。一根地址线有两地址线的数目决定了可以寻址的存储空间。一根地址线有两种状态，即可以区分两个不同的存储单元，或者说可以寻址种状态，即可以区分两个不同的存储单元，或者说可以寻址两个存储单元；两根地址线有四种状态，可以寻址四个存储两个存储单元；两根地址线有四种状态，可以寻址四个存储单元单元8位微处理器通常有位微处理器通常有16根地址线，可以寻址根地址线，可以寻址216，即，即64K个存储单元。一般存
70、储单元的大小为一个字节，因此个存储单元。一般存储单元的大小为一个字节，因此8位微处理器的寻址范围为位微处理器的寻址范围为64KB。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理(2)数据总线数据总线(Data Bus，简称，简称DB)。它一般为双向传输，用。它一般为双向传输，用于于CPU与存储器、与存储器、CPU与外设或外设与外设之间传送数据与外设或外设与外设之间传送数据(包括实际意义的数据和指令码包括实际意义的数据和指令码)信息。在计算机中，为了提信息。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
71、运算器中数据线的数目应与待处理的数据位数相同。因此，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，一般为运算器数据线的数目往往不止一条，一般为4条、条、8条、条、16条，甚至条，甚至32条。运算器内数据线的多少被称为微处理器的条。运算器内数据线的多少被称为微处理器的“字长字长”。字长是衡量微处理器运算速度及精度的重要指标之。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微处理器分为1位机、位机、4位机、位机、8位机、位机、16位机、位机、32
72、位机、位机、64位机等。位机等。1位机的运算器只有一根数据线，每次只能处理位机的运算器只有一根数据线，每次只能处理1位二进制数，工业上常用来取代继电器，用于控制线路的通位二进制数，工业上常用来取代继电器，用于控制线路的通和断、设备的开和关；和断、设备的开和关；4位机有四根数据线，常用于家用电器，位机有四根数据线，常用于家用电器，如电视机、空调机、洗衣机等的控制电路中；如电视机、空调机、洗衣机等的控制电路中；8位机功能强大，位机功能强大，不仅可用于工业控制、家用电器，也可作为通用微机系统的不仅可用于工业控制、家用电器，也可作为通用微机系统的中央处理器。中央处理器。上一页 下一页返回1.3 微型计
73、算机组成原理微型计算机组成原理(3)控制总线控制总线(Control Bus，简称，简称CB)。它是计算机系统中。它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。息。4IO接口和外设接口和外设IO接口是架设在微处理器和外设间的桥梁，是一种过渡的接口是架设在微处理器和外设间的桥梁，是一种过渡的大规模集成电路芯片。由于大多数外部设备都是机电型的，大规模集成电路芯片。由于大多数外部设备都是机电型的，工作速度较慢，因此微处理器工作速度较慢，因此微处理器MPU通常不和它们直接相连，通常不和它们直接相连，而是通过而是通过IO接口缓
74、冲后再和外设相连，以便实现速度、电接口缓冲后再和外设相连，以便实现速度、电平和信号性质的匹配。平和信号性质的匹配。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理1.3.2 微型计算机的基本原理微型计算机的基本原理微型计算机是通过执行程序来工作的，机器执行不同程序就微型计算机是通过执行程序来工作的，机器执行不同程序就能完成不同的运算任务。因此，微型计算机执行程序的过程能完成不同的运算任务。因此，微型计算机执行程序的过程实际上也体现了微型计算机的基本工作原理。为此，我们先实际上也体现了微型计算机的基本工作原理。为此，我们先从指令和程序谈起。从指令和程序谈起。1微处理器的指令及指令系
75、统微处理器的指令及指令系统将将CPU所执行的各种操作所执行的各种操作(如从指定的存储器单元中取数据，如从指定的存储器单元中取数据，将将CPU内特定寄存器的内容写入存储器某一指定的存储单元内特定寄存器的内容写入存储器某一指定的存储单元中，以及算术或逻辑运算等中，以及算术或逻辑运算等)用命令的形式记录下来，就称为用命令的形式记录下来，就称为指令指令(Instruction)。一条指令与计算机的一种基本操作相对。一条指令与计算机的一种基本操作相对应。当然，指令也只能用二进制代码表示，例如在应。当然，指令也只能用二进制代码表示，例如在MCS一一51系列单片机中，累加器系列单片机中，累加器A中的内容除以
76、寄存器中的内容除以寄存器B中的内容中的内容(AB)的操作用的操作用84H作为指令代码。作为指令代码。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理为使计算机能够准确理解和执行指令所规定的动作，不同操为使计算机能够准确理解和执行指令所规定的动作，不同操作对应的指令要用不同的指令代码表示；或者说，不同的指作对应的指令要用不同的指令代码表示；或者说，不同的指令代码表示不同的操作。例如，在令代码表示不同的操作。例如，在MCS一一5l系列单片机中，系列单片机中，“E4H”表示将累加器表示将累加器Acc清零，清零，“F4H”表示将累加器表示将累加器Acc内容按位取反；又如，用内容按位取反；
77、又如，用“74H xxH”表示将立即数表示将立即数“xxH”传送到累加器传送到累加器Acc中中(这条指令占用两个字节，其中这条指令占用两个字节，其中“74H”表示将立即数传送到累加器表示将立即数传送到累加器Acc中，是操作码，而中，是操作码，而xxH就是就是要传送的立即数要传送的立即数)。在计算机中，所有指令的集合称为指令系。在计算机中，所有指令的集合称为指令系统。统。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理一条指令通常由操作码和操作数两部分组成：操作码一条指令通常由操作码和操作数两部分组成：操作码(Operation code)决定了指令要执行的动作，一般用一个字决定了
78、指令要执行的动作，一般用一个字节表示，除非指令数目很多，才需要用两个字节表示。用一节表示，除非指令数目很多，才需要用两个字节表示。用一个字节表示指令的操作码时，最多可以表示个字节表示指令的操作码时，最多可以表示256种操作，即种操作，即256条指令，一般已足够。计算机系统所包含的指令数目并条指令，一般已足够。计算机系统所包含的指令数目并不很多，尤其是单片机系统，如不很多，尤其是单片机系统，如PICl6系列单片机系统仅含系列单片机系统仅含有几十条指令。操作数有几十条指令。操作数(Operand)指定了参加操作的数据或数指定了参加操作的数据或数据所在的存储单元的地址。据所在的存储单元的地址。上一页
79、 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理不同计算机指令系统所包含的指令种类、数目、指令代码对不同计算机指令系统所包含的指令种类、数目、指令代码对应的操作由应的操作由CPU设计人员指定。因此，不同种类的设计人员指定。因此，不同种类的CPU具有具有不同的指令系统。一般说来，不同系列不同的指令系统。一般说来，不同系列CPU的指令系统也不的指令系统也不一定相同，除非它们彼此兼容。根据计算机指令系统的特征，一定相同，除非它们彼此兼容。根据计算机指令系统的特征，可以将计算机指令系统分为两大类，即复杂指令系统可以将计算机指令系统分为两大类，即复杂指令系统(Complex Instructio
80、n Set Computer，简称，简称CISC指令指令结构结构)和精简指令系统和精简指令系统(Reduced Instruction Set Computer，简称，简称RISC指令结构指令结构)。采用复杂指令结构的计算机系统采用复杂指令结构的计算机系统(如如MCS一一51系列单片机系列单片机)具有如下特点：具有如下特点：上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理 (1)指令机器码长短不一。指令机器码长短不一。 (2)可选择两条或两条以上指令完成同一操作，程序设计灵可选择两条或两条以上指令完成同一操作，程序设计灵活性大，但缺点是指令数目较多活性大，但缺点是指令数目较多(这
81、类这类CPU一般具有数十条一般具有数十条到数百条指令到数百条指令)。 由于指令操作码和操作数均存放在存储器中，而每条指令占由于指令操作码和操作数均存放在存储器中，而每条指令占用的字节数长短不同。因此，指令中的操作码不仅要指明该用的字节数长短不同。因此，指令中的操作码不仅要指明该指令所要执行的操作，还应指出指令占用的字节数。根据指指令所要执行的操作，还应指出指令占用的字节数。根据指令代码的长短，可将指令分为：令代码的长短，可将指令分为：单字节指令单字节指令这类指令仅有操作码，没有操作数，或操作这类指令仅有操作码，没有操作数，或操作数隐含在操作码字节中。数隐含在操作码字节中。双字节指令双字节指令这
82、类指令第一字节为操作码，第二字节为操这类指令第一字节为操作码，第二字节为操作数。作数。多字节指令多字节指令这类指令第一字节为操作码，第二、三字节这类指令第一字节为操作码，第二、三字节为操作数或操作数所在的存储单元地址。为操作数或操作数所在的存储单元地址。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理采用精简指令技术的计算机指令系统情况刚好相反。完成同采用精简指令技术的计算机指令系统情况刚好相反。完成同一操作，一般只有一条指令可供选择，指令数目相对较少，一操作，一般只有一条指令可供选择，指令数目相对较少，尤其是采用了精简指令的单片机尤其是采用了精简指令的单片机CPU，如，如PIC
83、系列、系列、Atmel的的AVR系列单片机，指令数目仅为数十条，但程序设计的灵系列单片机，指令数目仅为数十条，但程序设计的灵活性相对较差。另外，在采用精简指令技术的系统中，指令活性相对较差。另外，在采用精简指令技术的系统中，指令机器码长度相同，例如机器码长度相同，例如PICl6C54单片机任一指令机器码的单片机任一指令机器码的长度均为长度均为12位位(1.5字节字节)。由于所有指令码长度相同，取指、。由于所有指令码长度相同，取指、译码过程中不必做更多的判断，因而指令执行速度较快。译码过程中不必做更多的判断，因而指令执行速度较快。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理但无
84、论采用何种类型的指令系统，任何但无论采用何种类型的指令系统，任何CPU的指令系统都会的指令系统都会提供数据传送指令、算术逻辑运算指令、控制转移指令等提供数据传送指令、算术逻辑运算指令、控制转移指令等四种基本类型指令。此外，在单片机系统中，还要提供位操四种基本类型指令。此外，在单片机系统中，还要提供位操作指令，以简化控制系统的程序设计。作指令，以简化控制系统的程序设计。用二进制代码表示的指令称为机器语言指令，其中的二进制用二进制代码表示的指令称为机器语言指令，其中的二进制代码称为指令的机器码。机器语言指令是计算机系统中惟一代码称为指令的机器码。机器语言指令是计算机系统中惟一能够理解和执行的指令。
85、正因如此，形象地将二进制代码形能够理解和执行的指令。正因如此，形象地将二进制代码形式的指令称为机器语言指令。式的指令称为机器语言指令。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理2程序程序程序程序(Program)就是指令的有机组合，是完成特定工作所用到就是指令的有机组合，是完成特定工作所用到的指令的指令(这些指令当然是某个特定计算机系统的指令这些指令当然是某个特定计算机系统的指令)的总称。的总称。一段程序通常由多条指令组成，程序中所包含的指令数目及一段程序通常由多条指令组成，程序中所包含的指令数目及种类由程序功能决定。种类由程序功能决定。用机器语言指令编写的程序，就称为机器
86、语言程序，如：用机器语言指令编写的程序，就称为机器语言程序，如：74 AAF875 A8 82程序的编制称为程序设计。通常，设计人员是采用指令的汇程序的编制称为程序设计。通常，设计人员是采用指令的汇编符编符(即助记符即助记符)形式编程的，这种程序设计称之为汇编语言形式编程的，这种程序设计称之为汇编语言程序设计。程序设计。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理3汇编语言及汇编语言程序汇编语言及汇编语言程序由于机器语言指令中的操作码和操作数均用二进制数表示、由于机器语言指令中的操作码和操作数均用二进制数表示、书写，没有明显的特征，一般人很难理解和记忆，使程序编书写，没有明显
87、的特征，一般人很难理解和记忆，使程序编写工作成了一件非常困难和乏味的事。为此，人们想出了一写工作成了一件非常困难和乏味的事。为此，人们想出了一个办法：将每条指令操作码所要完成的动作用特定符号表示，个办法：将每条指令操作码所要完成的动作用特定符号表示，即用指令功能的英文缩写替代指令操作码，形成了指令操作即用指令功能的英文缩写替代指令操作码，形成了指令操作码的助记符；并将机器语言指令中的操作数也用码的助记符；并将机器语言指令中的操作数也用CPU内寄存内寄存器名、存储单元地址或器名、存储单元地址或IO端口号代替，这样便形成了操作端口号代替，这样便形成了操作数助记符，于是就获得了数助记符，于是就获得了
88、“汇编语言指令汇编语言指令”。例如，将累加。例如，将累加器器A内容清零，记为内容清零，记为“CLR A”；用；用“MOV”作为数据传送指令作为数据传送指令的助记符，于是将立即数的助记符，于是将立即数23H传送到累加器传送到累加器A中的指令就可中的指令就可以用以用“MOV A，#23H”(#是立即数标志是立即数标志)表示；将存储器表示；将存储器43H单元中的内容传送到累加器单元中的内容传送到累加器A中，可用中，可用“MOV A，43H”表示。表示。可见，汇编语言指令比机器语言指令容易理解和记忆。可见，汇编语言指令比机器语言指令容易理解和记忆。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机
89、组成原理 用指令助记符用指令助记符(由操作码助记符和操作数助记符组成由操作码助记符和操作数助记符组成)表示的表示的指令称为汇编语言指令，由汇编语言指令构成的程序，称为指令称为汇编语言指令，由汇编语言指令构成的程序，称为汇编语言程序汇编语言程序(有时也称为汇编语言源程序有时也称为汇编语言源程序)。可见，汇编语。可见，汇编语言程序容易理解，可读性强，方便了程序的编写和维护。言程序容易理解，可读性强，方便了程序的编写和维护。由于汇编语言指令与机器语言指令一一对应，而机器语言指由于汇编语言指令与机器语言指令一一对应，而机器语言指令中每一指令码的含义由令中每一指令码的含义由CPU决定，因此不同计算机系统
90、汇决定，因此不同计算机系统汇编语言指令格式、助记符等不一定相同。例如，在编语言指令格式、助记符等不一定相同。例如，在IntelMCS-51系列单片机系统中，将立即数系列单片机系统中，将立即数55H送累加器送累加器A的汇编语言指令记作的汇编语言指令记作“MOV A，#55H”；但在；但在Motorola M6805系列单片机中，却表示为系列单片机中，却表示为“LDAA $55”；在；在PIC系系列单片机中，写为列单片机中，写为“MOVLW 0x55”，其中：，其中：“MOVLW”是是“MOV Literal to W”的缩写，含义是的缩写，含义是“操作数传送到工作操作数传送到工作寄存器寄存器W中
91、中”(在在PIC系列单片机系列单片机CPU内，工作寄存器内，工作寄存器W与与Intel MCS一一51 CPU内累加器内累加器A的地位、作用相同的地位、作用相同)；“0x”表示随后的数是十六进制数。表示随后的数是十六进制数。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理当然，计算机只能理解和执行二进制代码形式的机器语言指当然，计算机只能理解和执行二进制代码形式的机器语言指令，不能理解和执行汇编语言指令，但可以通过专门软件或令，不能理解和执行汇编语言指令，但可以通过专门软件或手工查表方式将汇编语言程序中的汇编语言指令逐条翻译成手工查表方式将汇编语言程序中的汇编语言指令逐条翻译成对
92、应的机器语言指令。将汇编语言程序转换为机器语言程序对应的机器语言指令。将汇编语言程序转换为机器语言程序的过程就称为汇编过程，将完成汇编语言指令转换为机器语的过程就称为汇编过程，将完成汇编语言指令转换为机器语言指令的程序称为汇编程序。可见汇编程序的功能就是逐一言指令的程序称为汇编程序。可见汇编程序的功能就是逐一读出汇编语言源程序中的汇编语言指令，再通过查表比较方读出汇编语言源程序中的汇编语言指令，再通过查表比较方式，将其中的汇编语言指令逐一转换成机器语言指令。当然式，将其中的汇编语言指令逐一转换成机器语言指令。当然这一过程也可以由人工查表完成，即所谓的人工汇编。这一过程也可以由人工查表完成，即所
93、谓的人工汇编。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理4微型计算机执行程序的过程微型计算机执行程序的过程为了弄清微型计算机的工作原理，现以如下的求和程序来说为了弄清微型计算机的工作原理，现以如下的求和程序来说明微型计算机的工作过程。明微型计算机的工作过程。MOV A，0020H ；将存储器；将存储器0020H单元中的内容传送单元中的内容传送到累加器中，该指令对应的机器码为；到累加器中，该指令对应的机器码为；E5 2000。ADD A，0021H ；将存储器；将存储器0021H单元中的内容与累加单元中的内容与累加器内容相加，和存放在累加器器内容相加，和存放在累加器A中，；该
94、指令对应的机器码中，；该指令对应的机器码为为25 21 00。MOV 002FH，A ；将结果传送到存储器；将结果传送到存储器002FH单元中，单元中，该指令对应的机器码为该指令对应的机器码为F5 2F 00。上述求和程序完成的操作是将存储器上述求和程序完成的操作是将存储器0020H单元与单元与0021H单元中的内容相加，结果存放在单元中的内容相加，结果存放在002FH单元中。假设这些指单元中。假设这些指令的机器码从存储器令的机器码从存储器0000H单元开始顺序存放，如单元开始顺序存放，如图图15所示。我们知道，对于特定的所示。我们知道，对于特定的CPU来说，复位后程序计数器来说，复位后程序计
95、数器Pc的值是固定的。为方便起见，假设复位后的值是固定的。为方便起见，假设复位后PC的值正是这的值正是这个小程序第一条指令所在的存储单元地址，即个小程序第一条指令所在的存储单元地址，即0000H。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理下面我们来看计算机执行存储单元中指令代码的操作过程：下面我们来看计算机执行存储单元中指令代码的操作过程：将程序计数器将程序计数器PC中的内容，即第一条指令所在的存储单元中的内容，即第一条指令所在的存储单元地址地址0000H通过内部地址总线送地址寄存器通过内部地址总线送地址寄存器AR中。中。当当PC中的内容可靠地传送到中的内容可靠地传送到AR
96、后，后，PC内容自动加内容自动加1，指，指向下一存储单元。向下一存储单元。地址寄存器地址寄存器AR中的内容通过外部地址总线中的内容通过外部地址总线AB将将0000H单元地址信息送到存储器地址总线上。单元地址信息送到存储器地址总线上。存储器芯片内的地址译码器对地址信号进行译码，并选中存储器芯片内的地址译码器对地址信号进行译码，并选中存储器芯片内的存储器芯片内的0000H单元。单元。CPU给出存储器读控制信号，结果给出存储器读控制信号，结果0000H单元中的内容单元中的内容“E5”经存储器和经存储器和CPU之间的数据总线之间的数据总线DB送到送到CPU内部的内部的数据存储器数据存储器DR中。中。上
97、一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理 由于指令第一字节是操作码，不是操作数由于指令第一字节是操作码，不是操作数(CPU设计时约定设计时约定的规则的规则)，因此进入，因此进入DR寄存器中的寄存器中的E5H，即指令的第一字节，即指令的第一字节将送入指令寄存器将送入指令寄存器IR中保存，这样就完成了第一条指令操作中保存，这样就完成了第一条指令操作码的取出过程。码的取出过程。 接着指令译码器接着指令译码器ID对指令寄存器对指令寄存器IR中的内容中的内容(操作码操作码)进进行译码，以确定指令所要执行的操作，指示行译码，以确定指令所要执行的操作，指示CPU内的控制器内的控制器给出相
98、应的控制信号，这样就完成了指令的译码过程。译码给出相应的控制信号，这样就完成了指令的译码过程。译码后，也就知道了该指令有无操作数，以及存放位置，同时也后，也就知道了该指令有无操作数，以及存放位置，同时也就知道了指令的字节数。就知道了指令的字节数。译码后，得知操作码为译码后，得知操作码为E5的指令是三字节指令，操作码的指令是三字节指令，操作码E5后的两个字节是操作数所在的存储单元地址后的两个字节是操作数所在的存储单元地址(这里假设低这里假设低8位位地址在前，因此地址在前，因此0020H单元地址编码在存储器中的存放顺序单元地址编码在存储器中的存放顺序是是20 00)，需要取出随后的两个字节。，需要
99、取出随后的两个字节。将程序计数器将程序计数器PC内容内容(当前为当前为0001)传送到传送到AR寄存器中，寄存器中，同时程序计数器同时程序计数器PC自动加自动加1，指向下一存储单元，即，指向下一存储单元，即0002H单元。单元。上一页 下一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理地址寄存器地址寄存器AR内容内容(目前为目前为0001H)通过外部地址总线通过外部地址总线AB输出到存储器地址总线上。存储器芯片内的地址译码器对输出到存储器地址总线上。存储器芯片内的地址译码器对地址信号进行译码，并选中存储器芯片内的地址信号进行译码，并选中存储器芯片内的0001H单元。单元。CPU给出存储器读
100、控制信号，结果给出存储器读控制信号，结果0001H单元中的内容单元中的内容“20”经存储器和经存储器和CPU之间的数据总线之间的数据总线DB送到送到CPU内部的内部的数据存储器数据存储器DR中。中。由于第二字节是指令操作数所在存储单元地址的低由于第二字节是指令操作数所在存储单元地址的低8位，因此位，因此数据寄存器数据寄存器DR中的内容通过内部数据总线送入暂存器中。中的内容通过内部数据总线送入暂存器中。重复重复的操作过程，取出指令第三字节，即操作数所的操作过程，取出指令第三字节，即操作数所存在存储单元地址的高存在存储单元地址的高8位，并存放在数据寄存器位，并存放在数据寄存器DR中。中。上一页 下
101、一页返回1.3 微型计算机组成原理微型计算机组成原理进入指令执行阶段。由于这条指令第二、三字节是操作数进入指令执行阶段。由于这条指令第二、三字节是操作数所在存储单元地址，因此，在执行阶段将存放在所在存储单元地址，因此，在执行阶段将存放在DR中的高中的高8位内容送地址寄存器位内容送地址寄存器AR的高的高8位，将存放在暂存器中的低位，将存放在暂存器中的低8位送位送AR的低的低8位，形成操作数位，形成操作数16位地址码，经位地址码，经AR输出。输出。AR输出的地址信号经存储器芯片内的地址译码器译码后，在输出的地址信号经存储器芯片内的地址译码器译码后，在存储器读信号的控制下，即可将存储器读信号的控制下
102、，即可将0020H单元中的内容单元中的内容12H经存储器数据总线经存储器数据总线DB输入输入CPU内部数据寄存器内部数据寄存器DR，然后传，然后传送到累加器送到累加器A中，这样就完成了指令的执行过程。中，这样就完成了指令的执行过程。可见，一条指令的执行过程包括了：取操作码可见，一条指令的执行过程包括了：取操作码(取指令第一字取指令第一字节节)译码译码(对指令操作码进行翻译，指示控制器给出相应的对指令操作码进行翻译，指示控制器给出相应的控制信号控制信号)取操作数取操作数(取出指令第二、三字节，指令第一字取出指令第二、三字节，指令第一字节，即操作码字节将告诉节，即操作码字节将告诉CPU该指令的长短
103、该指令的长短)执行指令规执行指令规定的操作，然后，不断重复定的操作，然后，不断重复“取操作码取操作码译码译码取操作数取操作数执行执行”的过程，直到程序结束的过程，直到程序结束(如遇到停机或暂停指令如遇到停机或暂停指令)。在指令取出过程中，程序计数器在指令取出过程中，程序计数器PC每输出一个地址编码到地每输出一个地址编码到地址寄存器址寄存器AR后，后，PC内容自动加内容自动加1，指向下一个存储单元。，指向下一个存储单元。上一页返回1.4 单片机及其发展概况单片机及其发展概况目前计算机硬件技术向巨型化、微型化和单片化三个方向高目前计算机硬件技术向巨型化、微型化和单片化三个方向高速发展。自速发展。自
104、1975年美国得克萨斯仪器公司第一块单片微型年美国得克萨斯仪器公司第一块单片微型计算机芯片计算机芯片TMS-1000问世以来，在短短的二十多年间，单问世以来，在短短的二十多年间，单片机技术已发展成为计算机技术一个非常有前途的分支，它片机技术已发展成为计算机技术一个非常有前途的分支，它有自己的技术特征、规范、发展道路和应用领域。单片机芯有自己的技术特征、规范、发展道路和应用领域。单片机芯片具有体积小、个性突出片具有体积小、个性突出(某些方面的性能指标大大优于通用某些方面的性能指标大大优于通用微机中央处理器微机中央处理器)、价格低廉等优点。一方面，单片机芯片是、价格低廉等优点。一方面，单片机芯片是
105、自动控制系统的核心部件，广泛应于工业控制、智能化仪器自动控制系统的核心部件，广泛应于工业控制、智能化仪器仪表、通信终端设备、家用电器、高档电子玩具等领域；另仪表、通信终端设备、家用电器、高档电子玩具等领域；另一方面，单片机也是电子技术数字化的核心部件之一，在数一方面，单片机也是电子技术数字化的核心部件之一，在数字化电子产品中承担数字信号处理的重任。字化电子产品中承担数字信号处理的重任。由于模拟技术的局限性由于模拟技术的局限性信号在传输、存储、还原过程中信号在传输、存储、还原过程中不可避免地存在失真及保密性差等无法克服的缺点。在高速不可避免地存在失真及保密性差等无法克服的缺点。在高速ADC与与D
106、AC、数字信号处理技术的推动下，电子技术正逐步、数字信号处理技术的推动下，电子技术正逐步向数字化方向发展，而电子技术数字化的关键和核心是数字向数字化方向发展，而电子技术数字化的关键和核心是数字信号的处理，单片机正是电子技术数字化的核心部件之一。信号的处理，单片机正是电子技术数字化的核心部件之一。下一页返回1.4 单片机及其发展概况单片机及其发展概况1.4.1 单片机及其特点单片机及其特点在通用微机中央处理器基础上，将输入输出在通用微机中央处理器基础上，将输入输出(IO)接口电接口电路、时钟电路，以及一定容量的存储器等部件集成在同一芯路、时钟电路，以及一定容量的存储器等部件集成在同一芯片上，再加
107、上必要的外围器件，如晶体振荡器，就构成了一片上，再加上必要的外围器件，如晶体振荡器，就构成了一个较为完整的计算机硬件系统。由于这类计算机系统的基本个较为完整的计算机硬件系统。由于这类计算机系统的基本部件均集成在同一芯片内，因此被称为单片微控制器部件均集成在同一芯片内，因此被称为单片微控制器(Single Chip Micro Controller，简称单片机，简称单片机国内习惯称谓国内习惯称谓)、微控制单元微控制单元(Micro Controller Unit，简称，简称MCU)或嵌入式或嵌入式控制器控制器(Embedded Controller)。上一页 下一页返回1.4 单片机及其发展概况
108、单片机及其发展概况对于通用微处理器来说，其主要任务是数值计算和信息处理。对于通用微处理器来说，其主要任务是数值计算和信息处理。在运算速率和存储容量方面的要求是速率越快越好，容量越在运算速率和存储容量方面的要求是速率越快越好，容量越大越好，因此它沿着高速、大容量方向发展。字长由大越好，因此它沿着高速、大容量方向发展。字长由8位位(如如8085)、16位位(如如8086、80286)，迅速向，迅速向32位位(如如80486)、64位位(如如Pentium系列系列CPU，Pentium系列系列CPU内部数据总线为内部数据总线为32位，对外数据总线为位，对外数据总线为64位，因而位，因而Pentium
109、还不是真正意义上的还不是真正意义上的64位微处理器位微处理器)过渡；时钟信过渡；时钟信号的频率由最初的号的频率由最初的477MHz向向33MHz、66MHz、100MHz、200MHz、400MHz、600MHz、1GHz、2GHz，甚至更高频率过渡。而单片机主要面向工业控制，甚至更高频率过渡。而单片机主要面向工业控制，8位字长已足够位字长已足够(在工业控制中，一般仅需要控制线路的通、断，在工业控制中，一般仅需要控制线路的通、断，触点的吸合与释放，有时触点的吸合与释放，有时4位单片机也能胜任位单片机也能胜任)。 上一页 下一页返回1.4 单片机及其发展概况单片机及其发展概况尽管也有尽管也有16
110、位、位、32位的单片机芯片，但这些高档单片机位的单片机芯片，但这些高档单片机芯片主要用于语音、图像处理系统，绝对数量不多，时钟芯片主要用于语音、图像处理系统，绝对数量不多，时钟信号频率也不高，一般在数十兆以内。单片机主要发展方信号频率也不高，一般在数十兆以内。单片机主要发展方向是不断强化控制功能向是不断强化控制功能(将更多的外设电路单元集成到同将更多的外设电路单元集成到同一封装模块内一封装模块内)、低功耗、低功耗(以便电池供电以便电池供电)、低成本、低成本(例如，例如，在在CPU芯片内，按用途分别集成不同的外围电路，形成系芯片内，按用途分别集成不同的外围电路，形成系列化产品，这样既能满足不同应
111、用领域的需要，也降低了列化产品，这样既能满足不同应用领域的需要，也降低了成本成本)。单片机芯片作为控制系统的核心部件，它除了具备通用微单片机芯片作为控制系统的核心部件，它除了具备通用微机机CPU的数值计算功能外，还必须具有灵活、强大的控制的数值计算功能外，还必须具有灵活、强大的控制功能，以便实时监测系统的输入量、控制系统的输出量，功能，以便实时监测系统的输入量、控制系统的输出量，实现自动控制功能。单片机主要面向工业控制，它的工作实现自动控制功能。单片机主要面向工业控制，它的工作环境比较恶劣，如高温、强电磁干扰，甚至含有腐蚀性气环境比较恶劣，如高温、强电磁干扰，甚至含有腐蚀性气体。在太空中工作的
112、单片机控制系统，还必须具有抗辐射体。在太空中工作的单片机控制系统，还必须具有抗辐射能力。因而决定了单片机能力。因而决定了单片机CPU与通用微机与通用微机CPU具有不同具有不同的技术特征和发展方向。的技术特征和发展方向。 上一页 下一页返回1.4 单片机及其发展概况单片机及其发展概况(1)抗干扰性强，工作温度范围宽抗干扰性强，工作温度范围宽(按工作温度分类，有民用按工作温度分类，有民用级、工业级、汽车级及军用级级、工业级、汽车级及军用级)。而通用微机。而通用微机CPU一般要求一般要求在室温下工作在室温下工作(与民用级单片机工作温度相同与民用级单片机工作温度相同)，抗干扰性能，抗干扰性能也较差。也
113、较差。(2)可靠性高。在工业控制中，任何差错都可能造成极其严重可靠性高。在工业控制中，任何差错都可能造成极其严重的后果，因此在单片机芯片中普遍采用硬件看门狗技术，通的后果，因此在单片机芯片中普遍采用硬件看门狗技术，通过过“复位复位”唤醒处于唤醒处于“失控失控”状态下单片机芯片。状态下单片机芯片。(3)电磁辐射量小。高可靠性和低电磁辐射指标决定了单片机电磁辐射量小。高可靠性和低电磁辐射指标决定了单片机系统时钟频率比通用微处理器低。系统时钟频率比通用微处理器低。(4)控制功能很强，数值计算能力较差。通用微机控制功能很强，数值计算能力较差。通用微机CPU具有具有很强的数值运算能力，但控制能力相对较弱
114、。将通用微机用很强的数值运算能力，但控制能力相对较弱。将通用微机用于工业控制时，一般需要增加一些专用的接口电路，如承担于工业控制时，一般需要增加一些专用的接口电路，如承担ADDA转换任务的数据采集卡等。转换任务的数据采集卡等。 上一页 下一页返回1.4 单片机及其发展概况单片机及其发展概况(5)指令系统简单。指令系统简单。(6)单片机芯片往往不是单一数字电路芯片，而是数字、模拟单片机芯片往往不是单一数字电路芯片，而是数字、模拟混合电路系统，即单片机芯片内常集成了一定数量的模拟比混合电路系统，即单片机芯片内常集成了一定数量的模拟比较器、较器、AD及及DA转换电路等。转换电路等。(7)采用嵌入式结
115、构。尽管同一系列内品种、规格繁多，但彼采用嵌入式结构。尽管同一系列内品种、规格繁多，但彼此差异却不大。此差异却不大。(8)更新换代速度比通用微处理器慢得多。更新换代速度比通用微处理器慢得多。Intel公司公司1980年推出标准年推出标准MCS一一51内核内核8051(HMOS工艺工艺)、80C51(CHMOS工艺工艺)单片机芯片后，持续生产、使用了十单片机芯片后，持续生产、使用了十余年，直到余年，直到1996年年3月才被增强型月才被增强型MCS一一51内核内核8XC5X芯片取代。芯片取代。上一页 下一页返回1.4 单片机及其发展概况单片机及其发展概况1.4.2 单片机技术现状及将来发展趋势单片
116、机技术现状及将来发展趋势前单片机芯片系列、品种、规格繁多，先后经历了前单片机芯片系列、品种、规格繁多，先后经历了4位机、位机、8位机、位机、16位机、新一代位机、新一代8位机、位机、32位机等几个具有代表性的位机等几个具有代表性的发展阶段。发展阶段。4位机主要用于家用电器，如电视机、空调机、洗位机主要用于家用电器，如电视机、空调机、洗衣机中。不过随着衣机中。不过随着8位机价格的下降，在家用电器中己开始大位机价格的下降，在家用电器中己开始大量采用量采用8位机，以便在家用电器中采用一些新技术，如模糊控位机，以便在家用电器中采用一些新技术，如模糊控制、变频调速等，以提升家用电器的智能化、自动化程度，
117、制、变频调速等，以提升家用电器的智能化、自动化程度，并尽可能降低系统的能耗。并尽可能降低系统的能耗。16位机具有较强的数值运算能力位机具有较强的数值运算能力和较快的反映速度，常用在需要实时控制、处理的系统中。和较快的反映速度，常用在需要实时控制、处理的系统中。尽管尽管16位单片机进入市场已有十余年，但一直未能取代位单片机进入市场已有十余年，但一直未能取代8位位机芯片成为主流产品，并且目前已被强化了控制接口功能的机芯片成为主流产品，并且目前已被强化了控制接口功能的新一代新一代8位机和数值运算能力更强的位机和数值运算能力更强的32位嵌入式单片机芯片位嵌入式单片机芯片所取代。所取代。 上一页 下一页
118、返回1.4 单片机及其发展概况单片机及其发展概况32位嵌入式单片机芯片具有很强的数值计算能力，在图像处位嵌入式单片机芯片具有很强的数值计算能力，在图像处理、机器人控制需求的刺激下，理、机器人控制需求的刺激下，32位嵌入式单片机芯片的销位嵌入式单片机芯片的销量也在迅速上升。在今后一段时期内，量也在迅速上升。在今后一段时期内，8位、位、16位和位和32位嵌位嵌入式单片机芯片销量的绝对值可能会有不同程度的增长，但入式单片机芯片销量的绝对值可能会有不同程度的增长，但在目前，甚至在今后相当长的时间内，如在目前，甚至在今后相当长的时间内，如5年、年、10年，年，8位位单片机，尤其是强化了控制接口功能的新一
119、代单片机，尤其是强化了控制接口功能的新一代8位单片机，如位单片机，如80C51、MC68HCl1系列，依然是单片机的主流产品。系列，依然是单片机的主流产品。1新一代新一代8位单片机芯片位单片机芯片8位单片机先后经历了三个发展阶段。位单片机先后经历了三个发展阶段。第一代第一代8位单片机系统位单片机系统(如如Intel公司的公司的MCS一一48系列系列)功能功能较差，它实际上是较差，它实际上是8位通用微处理器单元电路和基本位通用微处理器单元电路和基本IO接接口电路、小容量存储器、中断控制系统的简单组合，没有串口电路、小容量存储器、中断控制系统的简单组合，没有串行通信功能，不带行通信功能，不带AD、
120、DA转换器，中断控制和管理能转换器，中断控制和管理能力也较弱，功耗大，因而应用范围受到了很大的限制。力也较弱，功耗大，因而应用范围受到了很大的限制。上一页 下一页返回1.4 单片机及其发展概况单片机及其发展概况第二代第二代8位单片机特点是通用性强，但个性还不突出，控制功位单片机特点是通用性强，但个性还不突出，控制功能也有限，依然不能满足不同应用领域、不同测控系统的要能也有限，依然不能满足不同应用领域、不同测控系统的要求。求。20世纪世纪90年代中后期，各大芯片厂商，如年代中后期，各大芯片厂商，如Intel、Philips、Winbond、Atmel、SST、Microchip、Motorola
121、、Temic Semiconductor Technology等，等，在第二代单片机在第二代单片机CPU内核基础上，除了进一步强化原有功能内核基础上，除了进一步强化原有功能(如在串行接口部件中增加帧错误侦测和地址自动识别功能如在串行接口部件中增加帧错误侦测和地址自动识别功能)外，针对不同的应用领域，将不同功能、用途的外围接口电外，针对不同的应用领域，将不同功能、用途的外围接口电路嵌入到第二代单片机路嵌入到第二代单片机CPU内，形成了规格、品种繁多的新内，形成了规格、品种繁多的新一代一代8位单片机芯片，如位单片机芯片，如Intel、Philips、Atmel、SST公公司的司的8XC5X系列，系
122、列，Winbond公司的公司的78E、77E系列系列(与与MCS一一51系列兼容系列兼容)，Motorola公司的公司的68HC05、68HCll系列，系列，MicroChip公司的公司的PIC系列等。系列等。新一代新一代8位单片机芯片系列、品种繁多，主流品种有：位单片机芯片系列、品种繁多，主流品种有：(1)Motorola的的M68HC系列系列上一页 下一页返回1.4 单片机及其发展概况单片机及其发展概况Motorola公司的公司的M68HC05、M68HCll、M68HCl2系系列的特点是在同样的速率下所用的时钟频率较列的特点是在同样的速率下所用的时钟频率较MCS一一51内内核芯片低得多，
123、因而高频噪声低、抗干扰能力强，更适合于核芯片低得多，因而高频噪声低、抗干扰能力强，更适合于工控领域及恶劣环境下使用。工控领域及恶劣环境下使用。(2)ATMEL公司的公司的AVR系列系列AVR系列单片机采用增强型系列单片机采用增强型RISC结构，在一个时钟周期内结构，在一个时钟周期内可执行复杂指令，每兆赫兹可实现可执行复杂指令，每兆赫兹可实现1MIPS(MIPS，每秒指，每秒指令数令数)的处理能力。的处理能力。AVR单片机工作电压为单片机工作电压为2760V，功耗小，广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器功耗小，广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通信设备、家用电器、宇航设备
124、等各个领域。仪表、通信设备、家用电器、宇航设备等各个领域。(3)MicroChip PIC系列及兼容芯片系列及兼容芯片MicroChip公司公司8位单片机主要包括位单片机主要包括PICl2C、PICl6C、PICl7C、PICl8C18F等系列。采用等系列。采用RISC结构，指令数结构，指令数目少、运行速度快、工作电压低、功耗小、高低电平驱动能目少、运行速度快、工作电压低、功耗小、高低电平驱动能力较强，任一力较强，任一IO口均可直接驱动口均可直接驱动LED发光二极管，适用于发光二极管，适用于用量大、档次低、价格敏感的产品。用量大、档次低、价格敏感的产品。 上一页 下一页返回1.4 单片机及其发
125、展概况单片机及其发展概况(4)MCS一一51系列及兼容芯片系列及兼容芯片MCS一一51系列最先由系列最先由Intel公司开发，后来其他公司通过技公司开发，后来其他公司通过技术转让、交换等方式取得了术转让、交换等方式取得了MCS一一51内核技术，生产厂家内核技术，生产厂家很多，目前主要有很多，目前主要有Philips、Atmel、Winbond(W78及及W77系列系列)、SST、LG(GMS90系列系列)等。特点是通用性较等。特点是通用性较强，采用强，采用CISC复杂指令复杂指令)结构，指令格式与结构，指令格式与Intel公司公司8位位微处理器相同或相近。由于微处理器相同或相近。由于MCS一一
126、51系列进入市场时间早，系列进入市场时间早，总线开放，仿真开发设备多，芯片及其开发设备价格低廉、总线开放，仿真开发设备多，芯片及其开发设备价格低廉、速度较快、电磁兼容性较好，是国内速度较快、电磁兼容性较好，是国内8位单片机的主流品种。位单片机的主流品种。上一页 下一页返回1.4 单片机及其发展概况单片机及其发展概况216位单片机位单片机16位单片机操作速率及数据吞吐能力等性能指标比位单片机操作速率及数据吞吐能力等性能指标比8位机有位机有较大提高。目前以较大提高。目前以INTEL的的MCS一一96196系列、系列、TI(得得州仪器公司州仪器公司)的的MSP430系列及系列及MOTOROLA的的6
127、8HCll系系列为主。列为主。16位单片机主要应用于工业控制、智能化仪器仪表、便携式位单片机主要应用于工业控制、智能化仪器仪表、便携式设备等领域，其中设备等领域，其中TI的的MSP430系列以其超低功耗的特性系列以其超低功耗的特性广泛应用于低功耗场合。广泛应用于低功耗场合。332位单片机位单片机由于由于8位、位、16位单片机数据吞吐率有限，在语音、图像、工位单片机数据吞吐率有限，在语音、图像、工业机器人、业机器人、INTERNET，以及无线数字传输技术需求的驱，以及无线数字传输技术需求的驱动下，开发、使用动下，开发、使用32位单片机芯片就成为一种必然趋势。目位单片机芯片就成为一种必然趋势。目前
128、，各大芯片厂家正纷纷推出各自的前，各大芯片厂家正纷纷推出各自的32位嵌入式单片机芯片，位嵌入式单片机芯片，主要有主要有MOTOROLA、TOSHIBA、HITACH、NEC、EPSON、MITSUBISHI、SAMSUNG、Atmel、Philips等，其中以等，其中以32位位ARM单片机及单片机及MOTOROLA的的MC683xx、68K系列应用较为广泛，产量也较大。系列应用较为广泛，产量也较大。上一页 下一页返回1.4 单片机及其发展概况单片机及其发展概况 ARM(Advanced RISC Machines)是微处理器行业的是微处理器行业的一家知名企业，但它本身不生产芯片，通过转让设计使
129、用许一家知名企业，但它本身不生产芯片，通过转让设计使用许可方式由合作伙伴来生产各具特色的芯片。可方式由合作伙伴来生产各具特色的芯片。ARM公司设计了公司设计了大量高性能、廉价、耗能低的大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器及其相关产品和处理器及其相关产品和软件。目前，包括软件。目前，包括Intel、IBM、SAMSUNG、OKI、LG、NEC、SONY、PHILIPS等公司在内的等公司在内的30多家半导体公司多家半导体公司与与ARM签订了硬件技术使用许可协议。签订了硬件技术使用许可协议。当前当前ARM处理器有处理器有6个系列个系列(ARM7、ARM9、ARM9E、ARMl0、ARMll和和S
130、ecurCore)、数十种型号，其中、数十种型号，其中ARMll最新。进一步产品来自于合作伙伴，例如最新。进一步产品来自于合作伙伴，例如Intel Xscale微体系结构和微体系结构和StrongARM产品。产品。ARM7、ARM9、ARM9E、ARMl0是是4个通用处理器系列。每个系列提供一个通用处理器系列。每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能、体积的需求。套特定的性能来满足设计者对功耗、性能、体积的需求。SecurCore是第是第5个产品系列，专门为安全设备设计。个产品系列，专门为安全设备设计。上一页 下一页返回1.4 单片机及其发展概况单片机及其发展概况1.4.3 增强型增
131、强型MCS-51单片机芯片特征单片机芯片特征及主流芯片及主流芯片目前增强型目前增强型MCS一一51及兼容单片机芯片生产厂商较多，主及兼容单片机芯片生产厂商较多，主要有要有Philips、Ateml、Temic Semiconductor(简称简称TS)、Winbond、SST等等(Intel已不是已不是MCS一一5 1单片机单片机芯片的主要生产商芯片的主要生产商)。1增强型增强型MCS一一51单片机芯片的主要特征单片机芯片的主要特征以增强型以增强型MCS-51为内核的为内核的8XC5X系列新一代系列新一代8位嵌入式单位嵌入式单片机的主要特点如下：片机的主要特点如下：(1)芯片内存储器容量大，规
132、格多，程序存储器类型也趋于多芯片内存储器容量大，规格多，程序存储器类型也趋于多样化，样化，Flash ROM将逐步取代将逐步取代OTP ROM成为程序存储器成为程序存储器的主流。的主流。上一页 下一页返回1.4 单片机及其发展概况单片机及其发展概况(2)指令执行时间大大缩短，一方面最高时钟频率从指令执行时间大大缩短，一方面最高时钟频率从12MHz提高到提高到16MHz、24MHz、33MHz、40MHz，甚至，甚至60MHz；另一方面减少了每机器周期的时钟数，如；另一方面减少了每机器周期的时钟数，如8XC5XX2、P89C6XX2、P89C51RX、P89C66X、P87LPC76X系列等提供
133、了系列等提供了6时钟机器周期运行模式，时钟机器周期运行模式，Winbond(华邦华邦)公司的公司的W77系列系列(如如W77E58芯片芯片)采用采用4时钟机器周期时钟机器周期MCS-51兼容内核，运行速度是标准兼容内核，运行速度是标准MCS一一51内核芯片的内核芯片的3倍，而倍，而Philips公司公司LPC 900系列系列(如如P89LPC90X系列、系列、P89LPC91X系列、系列、P89LPC93X系系列等列等)采用了采用了2时钟机器周期高速时钟机器周期高速80C51内核，指令执行内核，指令执行速度是标准速度是标准MCS一一51内核芯片的内核芯片的6倍，极大地提高了这些产倍，极大地提高
134、了这些产品的实时处理能力，降低了电磁辐射量品的实时处理能力，降低了电磁辐射量(由于缩短了指令执行由于缩短了指令执行时间，在运行速度相同情况下，可使用更低的频率晶振时间，在运行速度相同情况下，可使用更低的频率晶振)。上一页 下一页返回1.4 单片机及其发展概况单片机及其发展概况(3)扩展了接口电路功能，如增加了高速扩展了接口电路功能，如增加了高速IO接口，扩展了接口，扩展了IO口引线数目。例如口引线数目。例如Philips公司的公司的80C451、83C451、87C451品种品种IO引脚数目高达引脚数目高达56条，即有条，即有7个个IO口，口，扩展了中断源数量；又如扩展了中断源数量；又如Phi
135、lips公司的公司的80CL31、80CL51、80CL410、83CL410可以直接控制、管理多可以直接控制、管理多达达10个外部中断源，无需专门扩展；在部分型号中，集成了个外部中断源，无需专门扩展；在部分型号中，集成了ADC转换器、转换器、PWM脉冲宽度调制输出接口、可编程计数阵脉冲宽度调制输出接口、可编程计数阵列列PCA、比较捕获单元、比较捕获单元CCU，甚至，甚至LCD控制器。控制器。 (4)内置了单片机应用系统前、后向通道所需的某些模拟电内置了单片机应用系统前、后向通道所需的某些模拟电路，如模拟比较器、路，如模拟比较器、AD及及DA转换器等。转换器等。(5)内置了内置了RC振荡电路、
136、复位电路。例如，在由振荡电路、复位电路。例如，在由P87LPC76X、P89LPC900系列芯片构成的单片机控制系列芯片构成的单片机控制系统中，几乎不需要其他外围电路就可以工作。系统中，几乎不需要其他外围电路就可以工作。上一页 下一页返回1.4 单片机及其发展概况单片机及其发展概况(6)可选择性可选择性IO引脚输出方式。例如，在引脚输出方式。例如，在P87LPC76X、P89LPC900系列中，除少数引脚外，大部分系列中，除少数引脚外，大部分IO引脚均引脚均可定义为准双向输出、互补推挽、漏极开路、高阻输入四种可定义为准双向输出、互补推挽、漏极开路、高阻输入四种方式之一，简化了外部接口电路的设计
137、。方式之一，简化了外部接口电路的设计。 (7)增加了增加了CPU时钟分频器，可实时调整时钟分频器，可实时调整CPU的时钟频率。的时钟频率。如在如在P87LPC76X、P89LPC900系列中，改变分频寄存系列中，改变分频寄存器器DIVM即可在运行中调整即可在运行中调整CPU内核的时钟频率，这样既提内核的时钟频率，这样既提高了系统反应速率，又降低了系统功耗。高了系统反应速率，又降低了系统功耗。 (8)系统功耗低。除正常运行模式外，还提供了节电运行方系统功耗低。除正常运行模式外，还提供了节电运行方式式(CPU内核处于暂停状态，内核处于暂停状态，CPU功耗只有正常运行模式的功耗只有正常运行模式的20
138、左右左右)和掉电运行方式和掉电运行方式(CPU内各单元电路均处于停止状态，内各单元电路均处于停止状态，功耗只有正常运行状态下的功耗只有正常运行状态下的1，工作电流仅为数十微安，工作电流仅为数十微安，甚至小到甚至小到1微安微安)。改善了电源管理功能，大部分中断均可唤。改善了电源管理功能，大部分中断均可唤醒掉电状态下的醒掉电状态下的CPU。上一页 下一页返回1.4 单片机及其发展概况单片机及其发展概况(9)强化了电磁兼容性设计。在输入引脚增加了施密特触发器强化了电磁兼容性设计。在输入引脚增加了施密特触发器和噪声滤波电路，提高了系统本身的抗干扰能力。适当增大和噪声滤波电路，提高了系统本身的抗干扰能力
139、。适当增大输出信号边沿过渡时间，减少了芯片本身电磁辐射量，如输出信号边沿过渡时间，减少了芯片本身电磁辐射量，如P89LPC932、P87LPC76X、P89C6XX2系列电磁辐射系列电磁辐射很小。很小。 (10)内置定时复位内置定时复位(Watchdog)监控电路及电源电压监控电路，监控电路及电源电压监控电路，提高了应用系统的可靠性。提高了应用系统的可靠性。 (11)封装形式多样化。封装形式多样化。 2增强型增强型MCS一一51内核主流芯片内核主流芯片根据单片机技术现状及应用特征，今后数年内下列芯片最有根据单片机技术现状及应用特征，今后数年内下列芯片最有希望成为增强型希望成为增强型MCS一一5
140、1主流芯片。主流芯片。上一页 下一页返回1.4 单片机及其发展概况单片机及其发展概况低档的低档的P87LPC76X系列，包括系列，包括P87LPC759、P87LPC760、P87LPC761、P87LPC762、P87 LPC764、P87LPC767、P87LPC768、P87LPC769等型号。该系列采用等型号。该系列采用OTP ROM存储器，外围电路多，功能存储器，外围电路多，功能较完善，工作温度范围宽，价格低廉，非常适合作为空调、较完善，工作温度范围宽，价格低廉，非常适合作为空调、洗衣机、微波炉等家用电器的控制器，以及各类安防产品的洗衣机、微波炉等家用电器的控制器，以及各类安防产品的
141、控制器，如解码、编码器，其中的控制器，如解码、编码器，其中的“LPC”是低价格、低功耗是低价格、低功耗的简称。的简称。功能较完善、性价比高的功能较完善、性价比高的P89LPC900系列。该系列除了具系列。该系列除了具有有LPC76X系列的优点外，还增加了系列的优点外，还增加了SPI接口、实时时钟接口、实时时钟RTC计数器、比较捕获单元计数器、比较捕获单元CCU、AD、DA转换器等外转换器等外设电路；采用设电路；采用2时钟机器周期内核，速度快，功耗小，指令系时钟机器周期内核，速度快，功耗小，指令系统与标准统与标准MCS一一51内核兼容；绝大部分输入引脚均内置了内核兼容；绝大部分输入引脚均内置了噪
142、声滤波器，抗干扰性能优于噪声滤波器，抗干扰性能优于LPC76X系列；提供了单字节系列；提供了单字节擦写功能，使未用的程序存储单元均可作擦写功能，使未用的程序存储单元均可作EEPROM使用。但使用。但是它的程序存储器容量偏小是它的程序存储器容量偏小(最大为最大为8KB)，这是该系列芯片，这是该系列芯片的不足之处。的不足之处。上一页 下一页返回1.4 单片机及其发展概况单片机及其发展概况中档的中档的8XC5X系列包括系列包括87C51525458、89C51525458及及Atmel公司的公司的AT89S515253等型等型号，号，P8XC5XX2系列包括系列包括87C51X252X254X258
143、X2、89C51X252X254x258X2等型号，等型号，P89C6XX2系列包括系列包括P89C60X2、P89C61X2两个型号两个型号(最大特点是内置了最大特点是内置了256B768B扩展扩展RAM，具有，具有ISP编编程功能，电磁辐射量小程功能，电磁辐射量小)，Winbond公司的公司的W78(如如W78E58)、w77(如如W77E58)系列也属于中档系列。这系列也属于中档系列。这些系列芯片的软硬件与标准些系列芯片的软硬件与标准MCS一一51芯片保持芯片保持100的兼的兼容，彼此之间差别也不大，价格低，仿真开发设备多，通用容，彼此之间差别也不大，价格低，仿真开发设备多，通用性强，能
144、满足一般应用要求，是单片机教学的首选机型。性强，能满足一般应用要求，是单片机教学的首选机型。上一页 下一页返回1.4 单片机及其发展概况单片机及其发展概况高档的高档的89C51RX系列包括系列包括Philips公司的公司的P89C51RC+、P89C51RC2、P89C51RD+、P89C51RD2，Atmel公司的公司的T89C51RX系列，系列，Temic Semiconductor公司公司的的TS89C51RX系列；系列；P89C66X系列包括系列包括P89C660、P89C662、P89C664、P89C668、P89C669等型号，等型号，SST公司的公司的SST89E554RD、S
145、ST89V554RD、SST89E564RD、SST89V564RD及及SST89C5XRD2系列等。特点是功能齐全，片内数据存储器容量大，带有可系列等。特点是功能齐全，片内数据存储器容量大，带有可编程阵列，使用灵活，电磁兼容性好，能满足绝大部分应用。编程阵列，使用灵活，电磁兼容性好，能满足绝大部分应用。上一页 返回图图11 计算机基本结构计算机基本结构返回图图11 计算机基本结构计算机基本结构返回图图1-2 CPU的内部结构简图的内部结构简图返回图图13 存储器芯片及内部结构存储器芯片及内部结构返回表表1-1存储器工作状态存储器工作状态返回工作模式控制信号输 出片选信号输出允许写允许信号读LLH数据输出输出禁止LHH高阻态待用(功率下降)H高阻态写入LHL数据输入图图1-4 CPU读取存储器操作过程示读取存储器操作过程示意图意图返回图图11 计算机基本结构计算机基本结构返回图图15 指令执行过程示意图指令执行过程示意图返回
