微型計算機原理及應(yīng)用

1、微型計算機原理及應(yīng)用,課程的基本要求,本課程是機電類專業(yè)（非計算機專業(yè)）學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握微機硬件知識和匯編語言程序設(shè)計的入門課程。課程的任務(wù)是使學(xué)生從理論和實踐上掌握微機的基本組成、工作原理、接口電路設(shè)計等，建立微機系統(tǒng)的整機概念，使學(xué)生具有微機硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件開發(fā)的初步能力。,教材及參考書目,李朝青編《單片機原理及接口技術(shù)》（簡明修訂版） 北京航空航天大學(xué)出版 1999年3月第1版何立民編

2、 《MCS－51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計一系統(tǒng)配置與接口技術(shù)》 北京航空航天大學(xué)出版社 1990年1月第1版孫涵芳、徐愛卿編 《MCS-51、96系列單片機原理及應(yīng)用》 北京航空航天大學(xué)出版社天津大學(xué)精儀學(xué)院《MCS－51單片機實驗指導(dǎo)書》 2000.10胡漢才編 《單片機原理及系統(tǒng)設(shè)計》 清華大學(xué)出版社李廣弟編

3、《單片機基礎(chǔ)》 北京航空航天大學(xué)出版社李剛等 《新概念單片機教程》 天津大學(xué)出版社,目 錄,第一章 計算機基礎(chǔ)知識 第二章 89C51單片機的結(jié)構(gòu)和原理 第三章 89C51指令系統(tǒng) 第四章 匯編語言程序設(shè)計知識 第五章 中斷系統(tǒng) 第六章 定時器及應(yīng)用 第七章 89C51串行口及通信技術(shù) 第八章

4、 單片機小系統(tǒng)片外擴展 第九章 應(yīng)用系統(tǒng)配置及接口技術(shù) 附錄A 89C51指令系統(tǒng)表 參考資料,1、掌握一款單片機2、掌握一種開發(fā)環(huán)境與語言3、掌握一種軟件仿真方法與軟件4、掌握單片機電路的設(shè)計方法5、制作一個程序下載器6、制作一個單片機開發(fā)板http://www.elecfans.com/,第一章 計算機基礎(chǔ)知識,1、什么是單片機？有何作用？2、單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡單認識。3、什么是字長？

5、4、機器碼、助記符？5、特殊寄存器？是RAM還是ROM?6、單片機有幾種I/O口?作用與區(qū)別？7、單片機的封裝？8、單片機最小系統(tǒng)？9、單片機的動力來源？,§1.計算機發(fā)展概述,一.計算機的發(fā)展 機械式→電子模擬式→電子數(shù)字式 第一代：電子管.40年代 第一臺:1946年,美國賓西法尼亞大學(xué) ENIAC( Electronic Numer

6、ical Integrator And Computer ) 第二代: 晶體管.50年代 第三代: 集成電路.60年代 第四代: 大規(guī)模集成電路.70年代 分類:( 按規(guī)模 )巨型機、大型機、小型機、微型機。,二.微處理器、微型機、與單片機的發(fā)展,⑴. 微處理器、微計算機、單片機的概念：微處理器：（Microprocessor）將計算機中的運算器、控制器兩大部分（CPU）集成

7、在一個芯片上，就組成了微處理器（MP、μP、MPU）微計算機（Microcomputer）：以微處理器作為CPU，再加上存貯器、輸入輸出電路就組成了微計算機（MC、μC）單片機（Single-Chip Microcomputer, Micro-controller）：將CPU、存貯器、輸入輸出電路均集成在一個芯片上。,（2）微處理器發(fā)展簡況：第一個微處理器： 美國Intel公司，1971年，Intel 4004.（字長

8、4位） 8位微處理器： Intel 8080、8085 Zilog：Z80 Motorola：MC6800,16位微處理器： Intel：8086. Motorola：68000 Zilog：Z8000 32位 微處理器： Intel 80386 目前：Intel公司.：

9、奔騰系列 AMD公司,（3）單片機發(fā)展簡況： 第一個單片機：美國仙童公司，1974年，F(xiàn)8 4位單片機： 美國NS（國家半導(dǎo)體）公司Cop4xx系列 日本松下公司MN 1400 系列 8位單片機： Intel公司：MCS－48、51系列 Motolola公司：M6805系列,16位單片機：＜Microchip公司：PIC系列

10、Intel公司MCS－96／98系列 Motolola公司M68HC16系列 32位單片機： Motolola M68306系列目前以8位／16位單片機為主流，發(fā)展趨勢是：高速度、多資源、強功能、低功耗。,部分新型8051兼容單片機Acer Lab M6032、M6975Aeroflex UTMC UT69RH051ADADuC812AtmelAT8

11、9C2051、AT89C51Cybernetic Micro SystemsP-51Cygnal C8051FxxxEZ-USBCY7C646xxDaewooDMC60C51…Dallas DS2250(T)Domosys、Honeywell、Infineon、Innovasic、Intel、ISSI、Maxim、Mentor、Micronas、OkI、Philips、Sharp、SMSC、SST、ST、TD

12、K、TI、Triscend、Winbond、XEMICS其他單片機如：PIC、AVR、凌陽、freescal(Motorola),§2 計算機中數(shù)的表示方法,一. 常用數(shù)制(一).十進制（Decimal） (1). 0―9 十個數(shù)碼 (2). 基數(shù)為10，逢十進位例：258.36 可寫成冪級數(shù)的形式： 2×102＋5×101＋8×100＋3×10

13、－1＋6×10－2,(二). 二進制（Binary） (1). 0－1兩個數(shù)碼 (2)．逢二進位例：%10110.11 冪級數(shù)的形式：1×24＋1×22＋1×21＋1×2－1＋1×2－2＝22.75 字長：2進制信息的位數(shù) 字節(jié)：每8位2進制數(shù)稱為一個字節(jié) 字：每16位2進制數(shù)稱為一個字,(三).十六進制（Hexadec

14、imal）⑴ 0、1、2……9、A、B、C、D、E、F、16個數(shù)碼⑵．基數(shù)為16，逢16進位 例：70F.B1冪級數(shù)的形式：7×162＋F×160＋B×16－1＋16－2＝1807.69140625 （四）標記方法十進制數(shù)：加后綴D（可省略）。 例：85.7D、128二進制數(shù)：加后綴B 。例：1011.0101B十六進制數(shù)：加后綴H 。例：2AC.5FH,二.各種數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換

15、 帶小數(shù)？㈠.二進制與十進制 ⑴.二翻十：按權(quán)展開相加例： 11010.01B = 1×24＋1×23＋1×21＋1×2－2＝26.25,⑵.十翻二：整數(shù)：除2取余法. 例：215結(jié)果：215＝11010111B,小數(shù)：乘2取整法 例：0.6879

16、結(jié)果：0.6879 ＝ 0.1011B小數(shù)十翻二運算結(jié)果可能是無限小數(shù)，只要取足精度即可。,㈡.十六進制與十進制 ⑴. 十六翻十：按權(quán)展開相加 ⑵. 十翻十六整數(shù)：除16取余小數(shù)：乘16取整。,㈢.二進制與十六進制 ⑴. 二翻十六：四位合一法 （以小數(shù)點為基準） 例： 111110.101101B 0011 1110. 1011 0100

17、 結(jié)果：3E.B4H ⑵.十六翻二：一化四位法（以小數(shù)點為基準） 例： 7C.5A 0111 1100. 0101 1010 結(jié)果：1111100.0101101B* 由于二進制與十六進制轉(zhuǎn)換十分方便，所以計算機中的二進制數(shù)在人工書寫時常寫成十六進制數(shù)，以便于閱讀。** 十進制與二進制之間的轉(zhuǎn)換可以十六進制數(shù)為橋梁，通過 計算器實現(xiàn)。,三.

18、 二進制數(shù)的運算規(guī)則,㈠.算術(shù)運算 ⑴．加法： 0＋0＝0 0＋1＝1＋0＝1 1＋1＝0（向鄰近高位進位1） ⑵．減法: 0－0＝0 1－1＝0 1－0＝1 0－1

19、＝1（向鄰近高位借1當(dāng)做2）,⑶．乘法 0×0＝0 1×0＝0×1＝0 1×1＝1⑷. 除法 利用判斷、減法、移位實現(xiàn),㈡．邏輯運算 ⑴．“與”運算（邏輯乘） 0∧0＝0 1∧0＝0∧1＝0 1∧1＝1 ⑵. “或”運算（邏輯加）

20、 0∨0＝0 1∨0＝0∨1＝1 1∨1＝1 ⑶. 取反運算（邏輯非） ō＝1 ī＝0 ⑷. “異或”運算 0⊕0＝1⊕1＝0 1⊕0＝0⊕1＝1,四.有符號數(shù)的表示.,㈠．原碼

21、：（true form） 最高位用以表示符號，0正1負。例 ： X＝＋1010B，Y＝-1010B則其8位二進制原碼分別為： [X]原＝00001010B，[Y]原＝10001010B㈡.反碼：(One’s complement)正數(shù)的反碼與原碼相同，負數(shù)的反碼求法是保持其原碼的符號位“1”，然后將其數(shù)值位按位取反。㈢.補碼 : (Two’s complement ）正數(shù)的補碼與原碼相同，負數(shù)的

22、補碼等于其反碼加1。利用補碼可以方便地將減法轉(zhuǎn)換為加法。設(shè)X、Y均為正數(shù)， 則: X－Y＝X＋[-Y]補,三. 原碼、反碼及補碼,(四)、求真值：在計算機中都是用補碼表示一個帶符號的數(shù)據(jù)。最高位是0：正數(shù)。最高位是1：負數(shù)。當(dāng)給出一個補碼表示的有符號二進制數(shù)（十六進制數(shù)）時，怎樣得到其對應(yīng)的十進制數(shù)，就是求真值的問題。（1）正數(shù)：因為：正數(shù)它的補碼與原碼相同，所以：直接將其按權(quán)展開相加。例如：有符號數(shù)：0

23、001 0101 B （最高位 0：正數(shù)） =+21 D（2）負數(shù)： 將補碼表示的負數(shù)，按位取反，再+1，再按權(quán)展開相加，在得到對應(yīng)的十進制數(shù)前加負號。例如：有符號數(shù)：1010 0111 B (最高位 1：負數(shù)）所以：取反：0101 1000 B 加1：+ 1 B = 0101 1001 B =89 D 因此： 1010

24、0111 B = - 89 D,練習(xí)：有符號數(shù)：0111 1111 B，1001 1101 B求它們的真值（或十進制數(shù)）。,（五） 八位計算機的數(shù)值范圍,無符號數(shù)：0000 0000 B ～ 1111 1111 B 00 H ～ FF H 0 D ～ 255 D,有符號數(shù)：正數(shù)：0000 0000 B ～ 0111 1111 B 00 H ～ 7F H

25、 0 D ～ 127 D 負數(shù)：1000 0000 B ～ 1111 1111 B 80 H ～ FF H -128 D ～ -1 D,五.計算機中的二進制編碼,㈠.BCD碼（Binary Coded Decimal）：利用四位二進制數(shù)表示1位十進制數(shù)，常用的是8421碼。0－0000, 1－0001,…… 9－1001例：85－10000101B；

26、85H* 單從10000101B這個代碼并不能識別究竟代表十進制數(shù)85還是十六進制的85H，但程序編制者根據(jù)數(shù)據(jù)的來源可以識別,并按 相應(yīng)的運算規(guī)則進行處理。,㈡.ASCII碼（American Standard Coded for Information Interchange） 共128個字符編碼，用7位二進制數(shù)表示，習(xí)慣上用8位二進制數(shù)（一個字節(jié)）表示，最高位空閑，可用做奇偶校驗位。常用的ASCII碼：

27、 數(shù)字0－9：30H－39H 大寫字母A－Z ：41H－5AH 小寫字母a－z：61H－7AH 空格（SP）：20H 回車（CR）0DH 刪除（DEL）：7FHASCII碼表,§3 微計算機組成及工作原理,一.微計算機軟硬件系統(tǒng)組成㈠．硬件（hardware）⑴．微機主機： 微處理器（MP

28、U、CPU）：運算器（ALU）、控制器（CU） 存貯器：只讀存貯器（ROM）、隨機存貯器（RAM） 輸入輸出接口電路（I／O接口）：并行I／O、串行I／O⑵．外部設(shè)備（I／O設(shè)備）： 輸入設(shè)備：鍵盤、鼠標、掃描儀 輸出設(shè)備：CRT顯示器、LCD顯示器、打印機、繪圖儀 外存貯器：硬盤驅(qū)動器、軟盤驅(qū)動器、USB存貯卡（U盤）、 光盤驅(qū)動器（CD－ROM）,㈡．軟件（Software）

29、系統(tǒng)軟件：監(jiān)控程序（BIOS）、操作系統(tǒng)（windows、MSDOS、UNIX） 應(yīng)用軟件：語言處理程序（VB、VC、）、數(shù)據(jù) 庫管理程序、文字處理程序、CAD程序、圖像處理、游戲、工具軟件、各種用戶自編軟件。,二. 微計算機的結(jié)構(gòu),圖1－1微機基本結(jié)構(gòu)框圖,㈠．基本結(jié)構(gòu)框圖 典型的微機結(jié)構(gòu)如圖1－1所示，由以下幾部分組成：微處理器 （MPU，含運算機、控制器）； 存貯器 （含RAM、 ROM）；

30、 I／O接口（接口適配器）；I／O設(shè)備（外設(shè)） 由MPU引出三組總線，RAM、ROM、I／O接口通過總線與CPU相連，而I／O設(shè)備通過I／O接口連到總線上。 總線（BUS）：信息傳送的公共通道。按功能分為三類。 ⑴ . 地址總線（AB）：單向總線，傳送MPU發(fā)出的地址信息。 （8位字長的MPU一般 AB為16條） ⑵ . 數(shù)據(jù)總線（DB）：雙向總線，傳送數(shù)據(jù)信息和指令碼。 （

31、一般與MPU字長相同，8位MPU一般DB為8條） ⑶ . 控制總線（CB）：雙向總線，傳送各種控制信號， 如讀／寫信號、中斷請求、中斷響應(yīng)等。* 由于采用總線結(jié)構(gòu)，存貯器、I／O接口均“掛”在總線上，數(shù)量可多可少，配置靈活。,㈡．微處理器（模型機）MPU,圖1－2微處理器結(jié)構(gòu),（1）運算器：①．累加器A （Accumulator)：8位觸發(fā)器，具有數(shù)據(jù)輸入／輸出及移位功能，存放一個操作數(shù)并保存運算結(jié)果

32、。②．算術(shù)邏輯單元（ALU）：進行算術(shù)邏輯運算。由加法器、移位電路、判斷電路組成。數(shù)據(jù)輸入：累加器A；數(shù)據(jù)寄存器（DR）數(shù)據(jù)輸出：累加器A；進位寄存器（標志寄存器F、程序狀態(tài)字PSW）（2）控制器（CU）：由程序計數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時序發(fā)生器、操作控制器組成，發(fā)布各種控制命令。① 控制從內(nèi)存中取出指令。（取指）② 對取出的指令譯碼，產(chǎn)生相應(yīng)的操作信號。③ 控制數(shù)據(jù)流向。,㈢．MPU中主要寄存器,⑴．累加

33、器A⑵．?dāng)?shù)據(jù)寄存器（DR）：暫存由數(shù)據(jù)總線輸入（讀）或輸出（寫）的數(shù)據(jù)。⑶．指令寄存器（IR）和指令譯碼器（ID）：IR保存當(dāng)前正執(zhí)行的指令（操作碼）；ID則對指令的操作碼進行譯碼，向操作控制器發(fā)出相應(yīng)的操作信號。⑷ 程序計數(shù)器（PC）：保存“下一條要執(zhí)行的”指令地址。每取完一條指令后，PC自動加1，當(dāng)程序需要“跳轉(zhuǎn)”時，新的指令地址值送入PC。⑸．地址寄存器（AR）：與地址總線相連，保存MPU將要“訪問”（讀或?qū)懀┑?/p>

34、存貯單元或I／O接口地址。,（四）存貯器與I／O接口,⑴．存貯器存貯器分內(nèi)存貯器與外存貯器兩類，內(nèi)存直接與三總線相連，其內(nèi)容可直接被MPU訪問；外存通過I／O接口與三總線相連，其內(nèi)容一般先傳入內(nèi)存，然后被MPU訪問。這里主要介紹內(nèi)存。,①．存貯體：由一系列存貯單元組成，每單元存放一個數(shù)據(jù)（單元內(nèi)容），各單元的編號稱為地址。②．地址譯碼器：對地址總線上的地址信號進行譯碼，以“選中”相應(yīng)的存貯單元。,圖1－3 存貯器結(jié)構(gòu),主要引線

35、：地址線：與地址總線相連，2 n個單元，需要n根地址線。數(shù)據(jù)線：與數(shù)據(jù)總線相連，n位的存貯單元具有n根數(shù)據(jù)線（一般與數(shù)據(jù)總線位數(shù)相同）控制線：“讀”、“寫”、（僅RAM具有）、“芯片選擇”等。* 內(nèi)存分 RAM、ROM兩類，從框圖上基本相同，但制作工藝不同。RAM：保存隨機數(shù)據(jù)、當(dāng)前使用的程序。（斷電后內(nèi)容丟失）ROM：保存固定的程序、數(shù)據(jù)。⑵．I／O接口：MPU與外部設(shè)備連接的橋梁。每個I／O接口有一個固定的地址。,基本

36、操作“讀”操作：選中單元的內(nèi)容→MPU“寫”操作：MPU→選中的存貯單元。,③．控制部分：產(chǎn)生讀寫等控制信號。,三．微機的工作過程,指令：控制計算機進行某種操作的命令。(一般由操作碼、操作數(shù)兩部分組成)指令系統(tǒng)：MPU所能識別并執(zhí)行的全部指令集合。（由MPU型號確定）程序：為實現(xiàn)某項任務(wù)而編制的指令序列。以下以一個“模型機”為例，說明微機的工作過程。,指令系統(tǒng)：見表1－1例：LDA 23 第一字節(jié)：

37、10010110 操作碼 第二字節(jié)：00010111 操作數(shù)地址 (注意23=17H),㈠．一條指令的執(zhí)行過程,指令的執(zhí)行分“取指”和“執(zhí)行”兩個階段。,圖1－4 一條典型指令的執(zhí)行過程,㈡．一個程序的運行過程：編好的程序預(yù)先“加載”到內(nèi)存中，在微處理器控制下，逐條執(zhí)行。,例：實現(xiàn)運算。7＋10＝？ 編程 LDA 23 ；（23）→ A

38、 ADD 24 ；A＋（24）→ A STA 25 ；A →（25） HLT ；停機,程序加載： 表1

39、—2,程序運行 ：第一條指令： LDA 23 ;（23）→ A取指：（如圖1－5） PC（初值為16）→AR →AB；PC＋1→PC發(fā)“讀”命令，16單元指令（96H）→DR →ID執(zhí)行：ID譯碼 取操作數(shù)地址：PC →AR →AB ;PC＋1→PC發(fā)“讀”命令，17單元內(nèi)容（23）→DB→AR 取操作數(shù)： AR →AB ；發(fā)“讀”命令,23單元內(nèi)容（7）→DB →DR→A第二條指令： ADD 24 ；A