單片機(jī)原理及應(yīng)用_第1章_微型計(jì)算機(jī)的基本概念ppt精選課件

.,單片機(jī)原理及應(yīng)用,信息工程學(xué)院呂.,單片微機(jī)原理及應(yīng)用,微型計(jì)算機(jī)的基本概念MCS-51系列單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)MCS-51系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)和匯編語(yǔ)言程序示例MCS-51系列單片機(jī)的擴(kuò)展MCS-51系列單片機(jī)的接口與應(yīng)用單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),.,微型計(jì)算機(jī)的基本概念,概述微處理器存儲(chǔ)器輸入輸出接口電路,【返回】,.,概述,電子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)中的數(shù),【返回】,.,1946年由美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研制ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndcalculator），運(yùn)算速度5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2,造價(jià)100萬(wàn)美元。,.,電子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn)：運(yùn)算速度快高度自動(dòng)化高精度和高可靠性具有記憶能力具有邏輯判斷能力,應(yīng)用科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)控制、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、儀器儀表智能化等。,.,單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn)：體積小、重量輕、價(jià)格便宜、耗電少?？煽啃愿?，抗干擾性能優(yōu)于采用一般的CPU?？刂乒δ軓?qiáng)，運(yùn)行速度快。片內(nèi)存儲(chǔ)器的容量不大；I/O引腳少。但存儲(chǔ)器和I/O接口都易于擴(kuò)展。,.,CPU,CPU芯片,內(nèi)存條,存儲(chǔ)器接口,存儲(chǔ)器芯片,輸入輸出接口,輸入輸出接口芯片,定時(shí)計(jì)數(shù)器芯片,A/D、D/A芯片,單板機(jī),印刷電路板,.,單硅晶片,CPU,存儲(chǔ)器,控制電路,定時(shí)器,時(shí)鐘電路,I/O口,單片機(jī),.,.,.,單片機(jī)發(fā)展概況,1976-1978初級(jí)8位單片機(jī)IntelMCS-48系列1978-1983高檔8位單片機(jī)IntelMCS-51系列：-51子系列：8031/8051/8751-52子系列：8032/8052/8752低功耗型80C31高性能型80C252廉價(jià)型89C2051/1051,1983-90年代初16位單片機(jī)IntelMCS-96系列8098/8096、80C198/80C196,DSP90年代初-至今16位單片機(jī)高檔32位單片機(jī)ARM,.,應(yīng)用：家用電器領(lǐng)域辦公自動(dòng)化領(lǐng)域調(diào)制解調(diào)器工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域智能儀器儀表與集成智能傳感器領(lǐng)域汽車(chē)電子與航空航天電子系統(tǒng),.,計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu),硬件主機(jī)CPU：運(yùn)算器、控制器主存儲(chǔ)器（內(nèi)存）外設(shè)外存、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備等軟件,.,微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu),微處理器芯片存儲(chǔ)器芯片輸入/輸出接口電路總線,微型計(jì)算機(jī)以微處理器為核心，加上中大規(guī)模集成電路制作的存儲(chǔ)器，輸入/輸出接口電路，通過(guò)總線所組成的計(jì)算機(jī)稱為微型計(jì)算機(jī)。,.,微處理器芯片,算數(shù)邏輯部件ALU工作寄存器組控制部件,.,存儲(chǔ)器芯片存儲(chǔ)器由許多存儲(chǔ)單元組成。8位微機(jī)中，每個(gè)存儲(chǔ)單元存放8位二進(jìn)制代碼，即一個(gè)字節(jié)。每個(gè)存儲(chǔ)單元地址唯一。地址：用二進(jìn)制數(shù)表示，地址的二進(jìn)制位數(shù)N與存儲(chǔ)器容量Q的關(guān)系是：Q=2N,.,輸入/輸出接口電路,在CPU與外設(shè)之間起信息轉(zhuǎn)換與協(xié)調(diào)作用的電路。保證信息和數(shù)據(jù)在外設(shè)與CPU之間正常傳送。,.,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。串行發(fā)送、并行接收優(yōu)點(diǎn)：可以減少機(jī)器中信息傳送線的根數(shù)，從而提高機(jī)器的可靠性可以方便地對(duì)存儲(chǔ)器芯片及I/O接口芯片進(jìn)行擴(kuò)展。,總線,.,緩沖器三總線結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)總線DB：傳送數(shù)據(jù)信息地址總線AB：傳送地址信息控制總線CB：傳送控制命令,.,小結(jié),微處理器、微型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三者關(guān)系。單板機(jī)：將微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口電路及簡(jiǎn)單的輸入/輸出設(shè)備組裝在一塊印制電路板上。單片機(jī)：將微處理器、存儲(chǔ)器和I/O接口電路以及其他有關(guān)部件集成在一塊芯片上。,【返回】,.,微型計(jì)算機(jī)軟件,指令：操作碼和操作數(shù)例MOVA，#29操作碼目的操作數(shù)源操作數(shù),.,程序29+38+63+56=？MOVA，#29ADDA，#38ADDA，#63ADDA，#56,.,機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言源程序匯編語(yǔ)言程序高級(jí)語(yǔ)言程序匯編(人工匯編機(jī)器匯編)）目標(biāo)程序機(jī)器語(yǔ)言程序,.,計(jì)算機(jī)中的數(shù),進(jìn)位計(jì)數(shù)制：標(biāo)示符B、H、D二進(jìn)制數(shù)特點(diǎn)：數(shù)字0、1；逢二進(jìn)一00000010B=121=21111.111B=231+221+211+201+2-11+2-21+2-31,.,十六進(jìn)制數(shù)特點(diǎn)：數(shù)字符號(hào)09，AF；逢十六進(jìn)一例:74H=7161+4160=116,.,不同進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換二、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)方法：按權(quán)展開(kāi)，然后相加。例:0F.8H=0161+15160+816-1=15.511111111B=127+126+125+124+123+122+121+120=255,.,二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)方法：4位二進(jìn)制數(shù)用1位十六進(jìn)制數(shù)代替例:11111111B=FFH00111010.11001000B=3A.C8H,.,十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)：方法：1位十六進(jìn)制數(shù)用4位二進(jìn)制數(shù)代替例:FFH=11111111B2.A4H=0010.10100100B,.,.,整數(shù)部分轉(zhuǎn)換方法：十進(jìn)制數(shù)連續(xù)被基數(shù)2（16）所除，依次記下余數(shù)，直到商0位止，第一個(gè)余數(shù)是轉(zhuǎn)換后二進(jìn)制（十六進(jìn)制數(shù)）的最低位，最后一個(gè)數(shù)是最高位。,.,小數(shù)部分轉(zhuǎn)換方法：十進(jìn)制數(shù)小數(shù)連續(xù)乘以基數(shù)2（或16）依次記下積的整數(shù)部分，直到積為0為止。第一個(gè)數(shù)是二（十六）進(jìn)制數(shù)的最高位，最后一個(gè)整數(shù)是最低位。,.,.,帶符號(hào)數(shù)的表示,帶符號(hào)數(shù)，最高位0正1負(fù),圖1-108位微機(jī)中的帶符號(hào)數(shù),.,例：11111111B無(wú)符號(hào)數(shù)255帶符號(hào)數(shù)-127,.,原碼正數(shù)原碼與原值同負(fù)數(shù)原碼符號(hào)位置1，數(shù)值位不變。例：46原=00101110B-46原=10101110B8位二進(jìn)制原碼表示的數(shù)的范圍：-127+127,.,反碼正數(shù)的反碼與原碼相同負(fù)數(shù)的反碼由其絕對(duì)值按位求反后得到。例：46反=00101110B-46反=11010001B8位二進(jìn)制反碼表示的數(shù)的范圍：-127+127,.,補(bǔ)碼：正數(shù)補(bǔ)碼與原碼同負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼為其反碼加18位二進(jìn)制補(bǔ)碼表示的數(shù)的范圍：-128+127對(duì)負(fù)數(shù)補(bǔ)碼求反后加1，回復(fù)為該數(shù)的絕對(duì)值。+0補(bǔ)=-0補(bǔ)=00000000BA-B=A+-B補(bǔ),.,二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)二十進(jìn)制數(shù)：BCD碼一個(gè)十進(jìn)制數(shù)用四個(gè)二進(jìn)制數(shù)表示10=00010000BCD十進(jìn)制調(diào)整指令DAA若（A0-3）9或（），則（A0-3）（A0-3）06若（4-7）9或（CY）=1，則（4-7）（4-7）+06H,.,例：48+6948=01001000BCD69=01101001BCD01001000+01101001AC=110110001+01100110100010111117D,.,ASCII碼,1000011奇校驗(yàn)（奇數(shù)個(gè)1）01000011偶校驗(yàn)（偶數(shù)個(gè)1）11000011,.,定點(diǎn)數(shù)與浮點(diǎn)數(shù),定點(diǎn)數(shù)小數(shù)點(diǎn)位置固定不變的數(shù),小數(shù)點(diǎn)定于數(shù)值位之后小數(shù)點(diǎn)定于符號(hào)位與數(shù)值位之間,.,浮點(diǎn)數(shù),N=2PS例101.11B=1000B0.10111B=2+11B0.10111B,.,尾數(shù)S的特征:S為純小數(shù),當(dāng)0.5S1,稱該浮點(diǎn)數(shù)為規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)S是有符號(hào)數(shù),數(shù)N的正或負(fù)由S來(lái)表示S用補(bǔ)碼表示S所取的位數(shù)規(guī)定了有效數(shù)字的位數(shù)階碼P的特征:階碼可正可負(fù)，用補(bǔ)碼表示P的位數(shù)決定了數(shù)N可表示的范圍,.,例1-20某計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)16位，其中階碼用五位二進(jìn)制數(shù)表示，尾數(shù)用九位二進(jìn)制數(shù)表示，階符、尾符各占一位數(shù)。試用浮點(diǎn)數(shù)形式表示十進(jìn)制數(shù)-117.75。-117.75=-1110101.11B=-0.111010111B2+111B000111B補(bǔ)=000111B-0111010111B補(bǔ)=1000101001B其浮點(diǎn)數(shù)表示為:0001111000101001,【返回】,.,第二節(jié)微處理器,典型8位微處理器結(jié)構(gòu)：運(yùn)算器、控制器、工作寄存器組運(yùn)算器控制器工作寄存器程序計(jì)數(shù)器,【返回】,.,運(yùn)算器由算數(shù)邏輯單元ALU、累加器A、暫存寄存器TR、標(biāo)志寄存器F、二-十進(jìn)制調(diào)整電路等組成。A（Accumulator）：存放操作數(shù)；運(yùn)算結(jié)果；TR（TemporaryRegister）：暫存操作數(shù)，并送入ALU進(jìn)行計(jì)算。,分析指令A(yù)DDA，#24HADDA，R0的執(zhí)行過(guò)程,.,F（FlagRegister）Mcs-51中狀態(tài)寄存器（PSW）CACFORS1RS0OVP二-十進(jìn)制調(diào)整電路：調(diào)整二-十進(jìn)制運(yùn)算的計(jì)算結(jié)果,.,控制器,指令寄存器IR（InstructionRegister）指令譯碼器ID（InstructionDecoder）控制電路指令的執(zhí)行階段：取指令執(zhí)行指令,.,工作寄存器提高計(jì)算機(jī)工作速度，簡(jiǎn)化指令的機(jī)器代碼。,程序計(jì)數(shù)器PC（ProgramCounter）,專(zhuān)門(mén)用來(lái)控制指令執(zhí)行順序，字長(zhǎng)16位上電（復(fù)位）時(shí)PC自動(dòng)裝入0000H一般單片機(jī)每取一次機(jī)器碼，PC自動(dòng)加1PC的內(nèi)容可用指令改寫(xiě)。,.,例：下列程序存放在64K8位的EPROM中，(000FH)0000H7408HMOVA，#08H(0011H)0002H75F076MOVB，#76H(0014H)0005H25E0ADDA，A(0016H)0007H25F0ADDA，B(0018H)0009H022000LJMP2000H(001BH)000CH,.,要求：1、指令執(zhí)行過(guò)程（PC管理程序執(zhí)行次序)2、寫(xiě)出每條指令首址（000FH開(kāi)始）3、該程序段共占用內(nèi)存單元數(shù)。4、執(zhí)行ADDA，A時(shí)，PC內(nèi)容？5、執(zhí)行ADDA，B后，A，B，PC的內(nèi)容？6、CPU取回指令LJMP2000H并執(zhí)行該指令時(shí)，（PC）=？執(zhí)行后（PC）=？,【返回】,.,第三節(jié)存儲(chǔ)器存放信息（程序、數(shù)據(jù)）,主要指標(biāo)：存貯容量；存取速度存儲(chǔ)器分類(lèi)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)堆棧,【返回】,.,存儲(chǔ)器分類(lèi)RAM：又稱讀寫(xiě)存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器特點(diǎn)：掉電后存放的信息將丟失。ROM：又稱程序存儲(chǔ)器特點(diǎn)：掉電后存放的信息不會(huì)丟失。,.,典型RAM芯片2114（1KB4位）6116（2KB8位）6264（8KB8位）典型的EPROM芯片2716（2KB8位）2732（4KB8位）2764（8KB8位）27128（16KB8位）,.,存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)：由存儲(chǔ)體、地址寄存器、地址譯碼器、存儲(chǔ)器輸入/輸出控制電路等部分組成。,.,分析：若某存儲(chǔ)器芯片有12根地址線、8根數(shù)據(jù)線，那么1）該芯片有多少個(gè)存儲(chǔ)單元？2）每個(gè)存儲(chǔ)單元存放多少位二進(jìn)制數(shù)？3）用十六進(jìn)制數(shù)寫(xiě)出它的首地址和末地址。,.,堆棧是RAM中的一個(gè)特殊的區(qū)域，是一組按照“先進(jìn)后出”的方式工作的，用于暫存信息的存儲(chǔ)單元。設(shè)置堆棧的目的：保存斷點(diǎn)地址和現(xiàn)場(chǎng)信息例：0123HACALLSUB0125HMOVA，RO0345HSUB：MOVR3，A斷點(diǎn)地址：0125H現(xiàn)場(chǎng)信息：A，工作寄存器及標(biāo)志寄存器中的信息,.,堆棧操作方式進(jìn)棧PUSHX;(SP)(SP)+1(SP)(X)出棧POPX;(X)(SP)(SP)(SP)-1,.,堆棧指針SP：專(zhuān)用地址寄存器，指明棧頂位置，管理堆棧。例：MOVSP，#60H；建立堆棧PUSHAPUSHB,MCS-51單片機(jī)堆棧的工作過(guò)程,.,MOVSP，#0E0H；建立堆棧E3HMOVA，#24HE2HMOVB，#0F1HE1HPUSHAE0HPUSHB堆棧的工作過(guò)程,【返回】,.,第四節(jié)輸入輸出接口電路,輸入輸出接口電路的功能計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備間傳送的信息I/O電路的端口編址方法數(shù)據(jù)傳送方式,【返回】,.,輸入輸出接口電路的功能-輸入輸出設(shè)備與CPU的連接鎖存（數(shù)據(jù)）作用變換作用:信息轉(zhuǎn)換、電平轉(zhuǎn)換緩沖地址譯碼聯(lián)絡(luò)作用,.,計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備間傳送的信息數(shù)據(jù)信息狀態(tài)信息控制信息,.,I/O電路的端口編址方法存儲(chǔ)器單元與接口電路端口統(tǒng)一編址。MCS-51采用此編址方法存儲(chǔ)器單元與接口電路端口分別編址。,.,數(shù)據(jù)傳送方式無(wú)條件傳送方式：接口電路與外設(shè)之間只傳送數(shù)據(jù)信息。最簡(jiǎn)單，所配置的硬件和軟件最少查詢傳送方式：交換數(shù)據(jù)、狀態(tài)、控制三種信息。CPU利用受影響；不能處理掉電、設(shè)備故障等突發(fā)事件。,.,直接數(shù)據(jù)通道傳送方式利用硬件（DMA控制器），使數(shù)據(jù)在高速的外設(shè)與內(nèi)存之間直接進(jìn)行批量傳送，不通過(guò)CPU。優(yōu)點(diǎn)：傳送速度快，約1s/字節(jié)缺點(diǎn)：需DMA控制器，電路復(fù)雜，成本高。中斷傳送方式最常用的數(shù)據(jù)傳送方式。,.,中斷：是指當(dāng)機(jī)器正在執(zhí)行程序的過(guò)程中，一旦遇到異常情況或特殊請(qǐng)求時(shí)，就暫時(shí)停止正在執(zhí)行的程序，而轉(zhuǎn)入必要的處理（稱為中斷處理或中斷服務(wù)），并且在處理完畢后，立即回到原來(lái)被停止程序的間斷處（稱為斷點(diǎn)）繼續(xù)執(zhí)行。中斷的用途：傳送數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)控制、故障自動(dòng)處理、實(shí)現(xiàn)人機(jī)聯(lián)系等。中斷的優(yōu)越性：提高了CPU工作效率并且使其可以同時(shí)為多個(gè)外設(shè)服務(wù)；實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制；可以處理設(shè)備故障、掉電等突發(fā)事件。,.,外設(shè)向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)的條件：A、外設(shè)本身的工作已完成。B、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)允許該外設(shè)發(fā)中斷請(qǐng)求信號(hào)。CPU響應(yīng)中斷的條件：接口電路和CPU處在允許中斷狀態(tài)。中斷源和中斷優(yōu)先權(quán)中斷源：能發(fā)出中斷請(qǐng)示的各種來(lái)源。,.,中斷優(yōu)先權(quán)A、多個(gè)中斷源同時(shí)申請(qǐng)中斷時(shí)，CPU先響應(yīng)優(yōu)先權(quán)高的。B、可以中斷嵌套，即若有級(jí)別高的中斷請(qǐng)示則CPU暫時(shí)中斷已在進(jìn)行的級(jí)別低的中斷服務(wù)程序，響應(yīng)高級(jí)別中斷請(qǐng)求執(zhí)行完后再返回原低級(jí)別中斷服務(wù)程序繼續(xù)執(zhí)行。C、同或低級(jí)中斷請(qǐng)求，CPU要在處理的中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢返回主程序，并執(zhí)行了主程序一條指令后才響應(yīng)。中斷服務(wù)程序流程圖,【返回】,.,輸入設(shè)備,控制器,輸出設(shè)備,存儲(chǔ)器,運(yùn)算器,數(shù)據(jù),數(shù)據(jù),數(shù)據(jù),輸出指令,輸入指令,外圍設(shè)備接口CPU內(nèi)存,存取命令,指令,操作命令,主機(jī),圖1-1計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu),【返回】,.,圖1-2微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu),微處理器,存儲(chǔ)器,接口,I/O,外設(shè),地址總線,數(shù)據(jù)總線,控制總線,【返回】,.,00000000000000010000001000000011000001001111111011111111圖1-3存儲(chǔ)器示意圖,【返回】,.,緩沖器,緩沖器,緩沖器,芯片,芯片,芯片,1,2,N,圖1-48位總線,【返回】,.,.,1,2,A,B,C1,C2,圖1-6雙向三態(tài)門(mén),【返回】,.,微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),硬件,微型計(jì)算機(jī),微處理器,存儲(chǔ)器,總線,電源,外圍設(shè)備,軟件,圖1-7微形計(jì)算機(jī)系統(tǒng),【返回】,I/O接口電路,.,01110100,00100100,00000100,00100100,00111000,00100100,00100100,00111111,第四條指令,第三條指令,第二條指令,第一條指令,00000000,.,圖1-8存儲(chǔ)器中的程序,【返回】,00000001,00000010,00000011,00000100,00000101,00000110,00000111,00001000,00001001,.,緩沖器,PC,緩沖鎖存,工作寄存器組,SP,地址總線,數(shù)據(jù)總線,A,TR,F,IR,ID,內(nèi)部總線,BCD調(diào)整,定時(shí)與控制,:,內(nèi)部控制線,控制總線,【返回】,圖114典型微處理器結(jié)構(gòu)框圖,ALU,.,存儲(chǔ)器,內(nèi)存儲(chǔ)器,RAM,ROM,靜態(tài)RAM,動(dòng)態(tài)RAM,掩模式ROM,PROM,EPROM,EEPROM,外存儲(chǔ)器,磁帶,磁盤(pán),圖1-15存儲(chǔ)器分類(lèi),【返回】,.,圖1-16存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖,【返回】,.,V1,V2,V5,V6,V8,V7,V3,V4,Q,Q,Di,圖1-176管靜態(tài)1位存儲(chǔ)電路,【返回】,Di,.,Y譯碼器,X譯碼器,A6,A11,A0,A5,X0,X1,X63,Y0,Y1,Y63,000H,001H,FC1H,FC0H,FFFH,行選,列選,存儲(chǔ)單元,圖1-18存儲(chǔ)矩陣,【返回】,.,QQ,V3,V1,Di,V4,V2,C1C2,X,行選,圖1-191位動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)電路,【返回】,Di,.,A0A1A2A3A4A5,V1V2V3V4V5V6,輸出X1,Vcc,V7,圖1-20地址譯碼電路,【返回】,.,&,&,去片內(nèi)其他各位,片選CS,行選X,列選Y,V3,V4,V1,V2,V7,V6,+5V,V8,3,1,2,管腳I/O1,4,5,圖1-21輸入輸出控制電路,【返回】,寫(xiě)允許WE,.,地址譯碼器,A1,A0,03,02,00,01,W3,W2,W1,W0,D3,D2,D1,D0,【返回】,圖1-224x4位掩模ROM示意圖,.,選擇線Wi,FAMOS,位線Di,圖1-23EPROM1位存儲(chǔ)電路,.,P+,P+,N基片,氧化層,源極S,浮置多晶硅柵,漏極D,圖1-24FAMOS管結(jié)構(gòu),【返回】,.,斷點(diǎn),繼續(xù)執(zhí)行主程序,主程序,執(zhí)行子程序,子程序,調(diào)用子程序,返回主程序,圖1-25主程序與子程序,.,主程序,子程序1,子程序2,子程序3,斷點(diǎn)1,斷點(diǎn)2,斷點(diǎn)3,圖1-26子程序嵌套,【返回】,.,61H,63H,62H,64H,S