嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)》27037

嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ) 單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 前言 一、為什么要開(kāi)這門(mén)課 ? 二、為什么選擇 MCS-51單片機(jī) ? 三、單片機(jī)和其他課程的關(guān)系 四、如何學(xué)好本課程 ? 五、課程內(nèi)容 六、要求 一、為什么要開(kāi)這門(mén)課 ? 電專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。 廣泛的應(yīng)用： 在控制與檢測(cè)方面 ,是一個(gè)重要的分支（單片機(jī)與 PLC） 作為開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品和改造老產(chǎn)品的首選微機(jī)系統(tǒng) 作為 高級(jí)工程技術(shù)人員 必須掌握。 二、為什么選擇 MCS-51單片機(jī) ? 歷史長(zhǎng)、應(yīng)用廣、技術(shù)成熟 兼容性好 現(xiàn)在的單片機(jī)集成度高，主要是軟件編程 作為檢測(cè)與控制， 8位機(jī)是主流 三、和其他課程的關(guān)系 電路 電子 -數(shù)字與模擬 （后續(xù)課程的基礎(chǔ)） 控制與檢測(cè)技術(shù) （專(zhuān)業(yè)課） 四、如何學(xué)好本課程 ? 熱愛(ài) 關(guān)鍵 基礎(chǔ) 保證 關(guān)注與交流 加快 實(shí)驗(yàn) 重要的一步 動(dòng)手 掌握應(yīng)用技術(shù)的前提 五、課程內(nèi)容 共分 12章內(nèi)容： 微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器基礎(chǔ) 輸入 /輸出接口基礎(chǔ)、單片機(jī)基礎(chǔ) 程序設(shè)計(jì)、單片機(jī)應(yīng)用、存儲(chǔ)器擴(kuò)展、I/O口擴(kuò)展、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、單片機(jī)的 C語(yǔ)言設(shè)計(jì) 六、要求： 認(rèn)真： 上課認(rèn)真 作業(yè)認(rèn)真 交流： 和老師的交流 同學(xué)之間的交流 第 1章 微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 主要介紹 微型計(jì)算機(jī) 的基本問(wèn)題 （ Micro Computer-MC) 1 1 微型計(jì)算機(jī)概述 1 2 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 1 3 數(shù)字電路基礎(chǔ) 1 4 計(jì)算機(jī)中的數(shù)制和編碼 1946年 2月 15日 ，第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)問(wèn)世，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來(lái)。 ENIAC（ “埃尼阿克” ） 匈牙利籍?dāng)?shù)學(xué)家 馮 諾依曼 在 1946年提出了 “ 程序存儲(chǔ) ” 和 “ 二進(jìn)制運(yùn)算 ” 的思想 ， 進(jìn)一步構(gòu)建了 計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器 、 控制器 、 存儲(chǔ)器 、 輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成 這一計(jì)算機(jī)的經(jīng)典結(jié)構(gòu) 。 （ EDVAC-ELECTRONIC DISCRETE VARIABLE AUTOMATIC COMPUTER） 存 儲(chǔ) 器輸 出 設(shè) 備輸 入 設(shè) 備控 制 器運(yùn) 算 器電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 ， 相繼經(jīng)歷了五個(gè)時(shí)代： 電子管計(jì)算機(jī)； 晶體管計(jì)算機(jī)； 集成電路計(jì)算機(jī)； 大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)； 超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī) 。 計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)仍然沒(méi)有突破馮 諾依曼提出的計(jì)算機(jī)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)框架 。 1 1 微型計(jì)算機(jī)概述 一、發(fā)展 二、分類(lèi) 三、特點(diǎn) 四、應(yīng)用 五、發(fā)展趨勢(shì) 一、微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展 六個(gè)時(shí)期： 第一時(shí)期（ 1971 1973年） 4位或 8位 低檔微處理器和微機(jī)； 第二時(shí)期（ 1973 1977年） 8位 中高檔微處理器和微機(jī)； 第三時(shí)期（ 1978 1984年） 16位 微處理器和微機(jī)； 第四時(shí)期（ 1985 1992年） 32位 微處理器和微機(jī)； 第五時(shí)期（ 1993 1999年） 超級(jí) 32位 Pentium微處理器和微機(jī) 第六時(shí)期（ 2000年以后） 新一代 64位 微處理器 Merecd和微機(jī) 二、 MC的分類(lèi) 共有 4種分類(lèi)方法。 1 按微處理器的位數(shù)（字長(zhǎng)）分 4位機(jī)、 8位機(jī)、 16位機(jī)、 32位機(jī)、64位機(jī) 2 按微型計(jì)算機(jī)的用途分 通用機(jī)和專(zhuān)用機(jī)兩類(lèi) 3、按微型計(jì)算機(jī)的檔次分 低檔機(jī)、中檔機(jī)和高檔機(jī) 4、按微型計(jì)算機(jī)的組裝形式和系統(tǒng)規(guī)模分 單片機(jī)、單板機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī) 從應(yīng)用形態(tài)上，微機(jī)可以分成三種： 多板機(jī)（系統(tǒng)機(jī)） 將 CPU、存儲(chǔ)器、 I/O接口電路和總線(xiàn)接口等組裝在一塊主機(jī)板（即微機(jī)主板）。各種適配板卡插在主機(jī)板的擴(kuò)展槽上并與電源、軟 /硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器及光驅(qū)等裝在同一機(jī)箱內(nèi)，再配上系統(tǒng)軟件，就構(gòu)成了一臺(tái)完整的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng)機(jī)）。 工業(yè) PC機(jī) 也屬于多板機(jī)。 單板機(jī) 將 CPU芯片、 存儲(chǔ)器 芯片、 I/O接口 芯片和簡(jiǎn)單的 I/O設(shè)備 （小鍵盤(pán)、 LED顯示器）等裝配在一塊印刷電路板上，再配上 監(jiān)控程序 （固化在 ROM中），就構(gòu)成了一臺(tái)單板微型計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)單板機(jī)）。 單板機(jī) 單片機(jī)是將中央處理器（ CPU） ,隨機(jī)存儲(chǔ)器（ RAM），只讀存儲(chǔ)器（ ROM或 EPROM） ,定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器芯片和一些輸入 /輸出接口電路集成在一個(gè)芯片上的微型計(jì)算機(jī)，有的甚至包含 A/D、 D/A轉(zhuǎn)換器?？偠灾?，一塊單片機(jī)芯片，就相當(dāng)于一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)。又稱(chēng)為微控制器（ Microcontroller）。 它是專(zhuān)為工業(yè)控制和智能儀器設(shè)計(jì)的一種集成度很高的微型計(jì)算機(jī)。 單片機(jī) 三種應(yīng)用形態(tài)的比較 ： 單板機(jī) 單片機(jī) 系統(tǒng)機(jī)（多板機(jī)） 系統(tǒng)機(jī) （ 桌面應(yīng)用 ） 屬于通用計(jì)算機(jī) ， 主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理 、 辦公自動(dòng)化及輔助設(shè)計(jì) 。 單片機(jī) （ 嵌入式應(yīng)用 ）屬于專(zhuān)用計(jì)算機(jī) ， 主要應(yīng)用于智能儀表 、 智能傳感器 、 智能家電 、 智能辦公設(shè)備 、 汽車(chē)及軍事電子設(shè)備等應(yīng)用系統(tǒng) 。 圖 1-1 微處理器、微計(jì)算機(jī)和微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的關(guān)系 微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概念 單片機(jī)的發(fā)展 單片機(jī)技術(shù)發(fā)展過(guò)程可分為三個(gè)主要階段： 單芯片微機(jī)形成階段 1976年， Intel公司推出了 MCS-48系列單片機(jī) 。 8位 CPU、 1K字節(jié) ROM、 64字節(jié) RAM、27根 I/O線(xiàn)和 1個(gè) 8位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 。 特點(diǎn)是 ：存儲(chǔ)器容量較小，尋址范圍?。ú淮笥?4K），無(wú)串行接口，指令系統(tǒng)功能不強(qiáng)。 性能完善提高階段 1980年， Intel公司推出了 MCS-51系列單片機(jī)： 8位 CPU、 4K字節(jié) ROM、 128字節(jié)RAM、 4個(gè) 8位并口、 1個(gè)全雙工串行口、 2個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器。尋址范圍 64K，并有控制功能較強(qiáng)的布爾處理器。 特點(diǎn)是 ：結(jié)構(gòu)體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點(diǎn)進(jìn)一步突出?，F(xiàn)在， MCS-51已成為公認(rèn)的單片機(jī)經(jīng)典機(jī)種 。 微控制器化階段 特點(diǎn)是 ：片內(nèi)面向測(cè)控系統(tǒng)，外圍電路增強(qiáng)，使單片機(jī)可以方便靈活地用于復(fù)雜的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)及設(shè)備。 “微控制器”的稱(chēng)謂更能反應(yīng)單片機(jī)的本質(zhì) 。 1982年， Intel推出 MCS-96系列單片機(jī)。 芯片內(nèi)集成： 16位 CPU、 8K字節(jié) ROM、 232字節(jié) RAM、 5個(gè) 8位并口、 1個(gè)全雙工串行口、 2個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器。尋址范圍 64K。片上還有 8路 10位 ADC、 1路 PWM輸出及高速 I/O部件等。 三、 MC特點(diǎn) （ 1）體積小、重量輕、功耗低 （ 2）可靠性高、使用環(huán)境條件要求低 （ 3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方便、適應(yīng)性強(qiáng) （ 4）性能價(jià)格比高 四、 MC應(yīng)用 （ 1）科學(xué)計(jì)算 （ 2）數(shù)據(jù)處理和與信息管理 （ 3） CAD、 CAM、 CAA和 CAI的應(yīng)用 （ 4）過(guò)程控制和儀器儀表智能化 （ 5）軍事領(lǐng)域的應(yīng)用 （ 6）多媒體系統(tǒng)和信息高速公路 （ 7）家用電器和家庭自動(dòng)化 （ 8）人工智能的應(yīng)用 五、 MC發(fā)展趨勢(shì) 多級(jí)流水線(xiàn)結(jié)構(gòu) 芯片上存儲(chǔ)器管理技術(shù) 虛擬存儲(chǔ)技術(shù) 并行處理的哈佛結(jié)構(gòu) RISC結(jié)構(gòu) 整片集成技術(shù) 1 2 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 一、微型計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu) 二、微處理器、微型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 三、微型計(jì)算機(jī)的主要術(shù)語(yǔ)及性能指標(biāo) 一、微型計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu) MC機(jī)是由 硬件 和 軟件 兩大部分組成。 硬件 是指為組成計(jì)算機(jī)而有機(jī)聯(lián)系的電子、電磁、機(jī)械、光學(xué)的元件、部件或裝置的總和，它是有型的物理實(shí)體。 軟件 是相對(duì)于硬件而言的，從狹義的角度看，軟件包括計(jì)算機(jī)運(yùn)行所需要的各種程序；而從廣義角度講，軟件還包括手冊(cè)、說(shuō)明書(shū)和有關(guān)資料。 1、硬件基本結(jié)構(gòu) MC由 運(yùn)算器 、 控制器 、 存儲(chǔ)器 、 輸入設(shè)備 及 輸出設(shè)備 五大部分組成。 運(yùn)算器 +控制器 +存儲(chǔ)器 =主機(jī) ； 輸入 +輸出設(shè)備則稱(chēng)為計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備（簡(jiǎn)稱(chēng) “ 外設(shè) ” ）； 運(yùn)算器 +控制器 =中央處理單元 CPU（ Central Process Unit）。 2微型計(jì)算機(jī)的軟件 計(jì)算機(jī)能夠脫離人的直接控制而自動(dòng)地操作與運(yùn)算，還必須要有軟件。 軟件是指使用和管理計(jì)算機(jī)的各種程序（ Program），而程序是由一條條 指令（ Instruction）組成的。 程序的集合構(gòu)成了計(jì)算機(jī)中的 軟件系統(tǒng)。 （ 1）指令 控制計(jì)算機(jī)完成各種操作的命令稱(chēng)為指令。 例如： ADD A， #38 指令分成 操作碼 和 操作數(shù) 兩大部分。 操作碼 表示該指令執(zhí)行何種操作， 操作數(shù) 表示參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)所在的地址。 （ 2）程序 為了計(jì)算一個(gè)數(shù)學(xué)式，或者要控制一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，需要事先制定計(jì)算機(jī)的計(jì)算步驟或操作步驟。計(jì)算步驟是由一條條指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種一系列指令的有序集合稱(chēng)為程序。編制程序的過(guò)程稱(chēng)為程序設(shè)計(jì)：例如，計(jì)算63+56+36+14=？ 編制的程序如下： MOV A， #63 ADD A， #56 ADD A， #36 ADD A， #14 （ 3）匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言和機(jī)器語(yǔ)言 匯編語(yǔ)言與機(jī)器語(yǔ)言的對(duì)照： MOV A， #63 0111 0100 0011 1111 ADD A， #56 0010 0100 0011 1000 ADD A， #36 0010 0100 0010 0100 ADD A， #14 0010 0100 0000 1110 （ 4）匯編、編譯與解釋程序 3硬件和軟件的關(guān)系 微機(jī)系統(tǒng)是硬件和軟件有機(jī)結(jié)合的整體。計(jì)算機(jī)的硬件和軟件是密可不分但又相互獨(dú)立的。 硬件是基礎(chǔ) 軟件是靈魂 二、微處理器、 MC、 MC系統(tǒng) 微處理器、微型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 是不同的概念，有必要對(duì)它們加以說(shuō)明。 1、微處理器 -CPU 微處理器是利用微電子技術(shù)將計(jì)算機(jī)的核心部件（運(yùn)算器和控制器）集中做在一塊集成電路上的一個(gè)獨(dú)立芯片。它具有解釋指令、執(zhí)行指令和與外界交換數(shù)據(jù)的能力。 無(wú)論那種 CPU，其內(nèi)部基本組成總是大同小異，其內(nèi)部包括三部分：運(yùn)算器、控制器、內(nèi)部寄存器陣列（工作寄存器組） 典型微處理器結(jié)構(gòu)圖 ： （ 1）運(yùn)算器： 算術(shù)邏輯運(yùn)算單元和累加器、標(biāo)志寄存器、二十進(jìn)制調(diào)整電路 （ 2）控制器： 控制器包括指令寄存器 IR、指令譯碼器ID和定時(shí)與控制電路三部分。 （ 3）內(nèi)部寄存器陣列 （ 4）程序計(jì)數(shù)器 功能： 可以進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算； 可保存小量數(shù)據(jù)； 能對(duì)指令進(jìn)行譯碼并執(zhí)行規(guī)定的動(dòng)作； 能和存儲(chǔ)器、外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換； 提供整個(gè)系統(tǒng)所需要的定時(shí)和控制； 可以響應(yīng)其他部件發(fā)來(lái)的中斷請(qǐng)求 使用： 內(nèi)部的寄存器 -名字（符號(hào)）、大小、特殊性 （關(guān)鍵是使用） 2、微型計(jì)算機(jī) 由： CPU、存儲(chǔ)器、輸入 /輸出（ I/O）口電路構(gòu)成，各部分之間通過(guò)總線(xiàn)（ Bus） 連接。 （ 1） CPU： CPU是微型計(jì)算機(jī)的核心，它的性能決定了整個(gè)微型計(jì)算的各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。 微處理器本身不能構(gòu)成獨(dú)立工作的系統(tǒng)，也不能獨(dú)立執(zhí)行程序，必須配上 存儲(chǔ)器、外部輸入 /輸出接口 構(gòu)成一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)方能工作。 （ 2）存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器是微型計(jì)算機(jī)的重要組成部分，是用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)的， 計(jì)算機(jī)有了存儲(chǔ)器才具備記憶的能力。 存儲(chǔ)器是由存儲(chǔ)器單元組成的 由地址確定。 從應(yīng)用的角度講，計(jì)算機(jī)工作時(shí)， CPU對(duì)存儲(chǔ)器的操作只有 “ 讀 ” 和 “ 寫(xiě) ” 操作。 （ 3）輸入 /輸出接口電路 輸入 /輸出接口作 橋梁 ，起到 信息轉(zhuǎn)換與協(xié)調(diào) 的作用。 從應(yīng)用的角度講，計(jì)算機(jī)工作時(shí)， CPU對(duì) I/O口的操作只有 “ 讀 ” 和 “ 寫(xiě) ” 。 操作時(shí)對(duì) 端口號(hào) 的操作。 （ 4）總線(xiàn) 所謂總線(xiàn)，就是在微型計(jì)算機(jī)各芯片之間或芯片內(nèi)部各部件之間傳輸信息的一組公共通信線(xiàn) 。 微型計(jì)算機(jī)總線(xiàn)的種類(lèi)非常多，可分為