單片機(jī)原理及應(yīng)用第一章

1、第1章 微機(jī)基本原理第第1章章 微機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)微機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1.1 微處理器、微機(jī)和單片機(jī)的概念微處理器、微機(jī)和單片機(jī)的概念1.2 MCS-51系列單片機(jī)及其它類型單片機(jī)系列單片機(jī)及其它類型單片機(jī) 1.3 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)第1章 微機(jī)基本原理第第1章微機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)章微機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) 1.1 1.1 微處理器、微機(jī)和單片機(jī)的概念微處理器、微機(jī)和單片機(jī)的概念 微處理器(Microprocessor,簡(jiǎn)稱uP)本身不是計(jì)算機(jī),但它是小型計(jì)算機(jī)或微型計(jì)算機(jī)的控制和處理部分。 微機(jī)則是具有完整運(yùn)算及控制功能的計(jì)算機(jī),它除了包括微處理器(作為它的中央處理單元CPU-Central Processing

2、Unit) 外,還包括存儲(chǔ)器,接口適配器(即輸入/輸出接口電路)以及輸入/輸出(I/O)設(shè)備等。圖1-1所示為微機(jī)的各組成部分。 第1章 微機(jī)基本原理圖圖1-1 微機(jī)的組成微機(jī)的組成微處理器存儲(chǔ)器接口適配器I/O設(shè)備數(shù)據(jù)總線控制總線地址總線第1章 微機(jī)基本原理其中,微處理器由控制器,運(yùn)算器和若干個(gè)寄存器組成;I/O設(shè)備與微處理器的連接需要通過接口適配器(即I/O接口);存儲(chǔ)器是指微機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器(ROM, RAM和EPROM等芯片)。 將微處理器,一定容量的ROM和RAM以及I/O口, 定時(shí)器等電路集成在一塊芯片上,構(gòu)成單片機(jī)微型 計(jì)算機(jī),簡(jiǎn)稱單片機(jī)單片機(jī)。第1章 微機(jī)基本原理 1.1.1 微

3、處理器微處理器(機(jī)機(jī))的組成的組成 微處理器包括兩個(gè)主要部分: CPU中只畫了主要的寄存器和控制電路，并且假設(shè)所有的計(jì)數(shù)器、寄存器和總線都是8位寬度，即要求多數(shù)主要寄存器和存儲(chǔ)器能保存8位（bit）數(shù)據(jù)，傳送圖1-2所示是一個(gè)較詳細(xì)的由微處理器、存儲(chǔ)器和I/O接口組成的計(jì)算機(jī)模型。為了簡(jiǎn)化問題，在數(shù)據(jù)的總線由8根并行導(dǎo)線組成。 第1章 微機(jī)基本原理圖圖1-2 計(jì)算機(jī)模型計(jì)算機(jī)模型 第1章 微機(jī)基本原理 在計(jì)算機(jī)術(shù)語(yǔ)中，數(shù)據(jù)單元是一組二進(jìn)制，是計(jì)算機(jī)中使用的基本信息單元。它可以作為數(shù)據(jù)，也可以示計(jì)算機(jī)完成某操作的一條指令碼，還可以使ASCII碼字符等。 在8位微處理中，數(shù)據(jù)單元由一個(gè)字節(jié)（Byt

4、e）組成；在16位機(jī)中，數(shù)據(jù)單元由二個(gè)字節(jié)組成。 第1章 微機(jī)基本原理一、運(yùn)算器一、運(yùn)算器 運(yùn)算器由運(yùn)算部分-算術(shù)邏輯單元(Arithmetic & Logical Unit,簡(jiǎn)稱ALU),累加器和寄存器等幾部分組成. ALU的作用是把傳送到微處理器的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算.ALU具有兩個(gè)主要的輸入來源,一個(gè)來自累加器,另一個(gè)來自數(shù)據(jù)寄存器.ALU能夠完成這兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)的相加或相減運(yùn)算，也能完成某些邏輯運(yùn)算。ALU執(zhí)行不同的運(yùn)算操作是由不同控制線上的信號(hào)所確定的。 通常，ALU接受來自累加器和數(shù)據(jù)寄存器的兩個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)，因?yàn)橐獙?duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行某些操作，所以將這兩個(gè)輸入的數(shù)據(jù)均稱為操作數(shù)。第1章

5、 微機(jī)基本原理運(yùn)算器有兩個(gè)主要功能運(yùn)算器有兩個(gè)主要功能: (1)執(zhí)行各種算術(shù)運(yùn)算。 (2)執(zhí)行各種邏輯運(yùn)算,并進(jìn)行邏輯測(cè)試,如零值測(cè)試或兩個(gè)值的比較。 通常，一個(gè)算數(shù)操作產(chǎn)生一個(gè)運(yùn)算結(jié)果，而一個(gè)邏輯操作產(chǎn)生一個(gè)判決。第1章 微機(jī)基本原理 主要寄存器主要寄存器 (1)累加器（累加器（A):它是微處理器中最繁忙的寄存器.在算術(shù)和邏輯運(yùn)算時(shí)，它具有雙重功能：運(yùn)算前，用于保存一個(gè)操作數(shù);運(yùn)算后，用于保存所得的和，差或邏輯運(yùn)算結(jié)果。 (2)數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器(DR):它是通過數(shù)據(jù)總線向存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備松（寫）或?。ㄗx）數(shù)據(jù)的在存單元。它可以保存一條正在譯碼的指令，也可以保存在送往存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的一

6、個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)等等。第1章 微機(jī)基本原理(3) 指令寄存器指令寄存器(IR)及指令譯碼器及指令譯碼器(ID) 指令寄存器用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，先把它從內(nèi)存取到數(shù)據(jù)寄存器中，然后再傳送到指令寄存器。指令分為操作碼和地址碼字段，由二 進(jìn)制數(shù)字組成。為執(zhí)行給定的指令，必須對(duì)操作碼進(jìn)行譯碼，以便確定所要求的操作。指令譯碼器就是負(fù)責(zé)這項(xiàng)工作的。指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯 碼器的輸入。操作碼已經(jīng)譯碼后，即可向操作控制器發(fā)出具體操作的特定信號(hào)。第1章 微機(jī)基本原理 (4)程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器(PC) 為了保證程序能夠連續(xù)地執(zhí)行下去，CPU必須采取某些手段來確定下一條指令的

7、地址。程序計(jì)數(shù)器正是起到了這種作用，所以通常又成其為指令地址計(jì)數(shù)器。在程序 開始執(zhí)行前，必須將其起始地址，即程序的第一條指令所在的內(nèi)存單元地址送入PC;當(dāng)執(zhí)行指令時(shí)，CPU將自動(dòng)修改PC的內(nèi)容，是指總是指示出將要執(zhí)行的下一條指令指示出將要執(zhí)行的下一條指令的地址的地址。由于大多數(shù)指令都是按順序執(zhí)行的，所以修改的過程通常只是簡(jiǎn)單的加1操作。 第1章 微機(jī)基本原理 (5)地址寄存器地址寄存器(AR)： 它是用于保存當(dāng)前CPU所要訪問的內(nèi)容單元或I/O設(shè)備的地址。由于內(nèi)存和CPU之間存在著速度上的差別，所以必須使用地址寄存器來保持地址信息，直到內(nèi)存讀/寫操作完成為止。 顯而易見，當(dāng)CPU和內(nèi)存進(jìn)行信息

8、交換（即CPU向/ 從內(nèi)存器存儲(chǔ)器/取數(shù)據(jù)或者CPU從內(nèi)存讀出指令）時(shí)，都要使用地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。同樣，如果把外圍設(shè)備的地址作為內(nèi)存地址單元來看待的話，那么，當(dāng)CPU和外圍設(shè)備交換信息時(shí)，也需要使用地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。第1章 微機(jī)基本原理二、控制器二、控制器 控制器由程序計(jì)數(shù)器,指令寄存器,指令譯碼器,時(shí)序發(fā)生器和操作控制器等組成,是發(fā)布命令的決策機(jī)構(gòu),即協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作.控制器的主要功能有: (1)從內(nèi)存中取出一條指令,并指出下一條指令在內(nèi)存中的位置。 (2)對(duì)指令進(jìn)行譯碼或測(cè)試,并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào),以便執(zhí)行規(guī)定的動(dòng)作.比如一次內(nèi)存讀/寫操作,一個(gè)算術(shù)/邏輯運(yùn)算

9、操作或一個(gè)輸入/輸出操作等。 (3)指揮并控制CPU,內(nèi)存和輸入/輸出設(shè)備之間數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向。第1章 微機(jī)基本原理 相對(duì)控制器而言，運(yùn)算器接受控制器的命令而進(jìn)行動(dòng)作，即運(yùn)算器所執(zhí)行的全部操作都是由控制器發(fā)出的控制信號(hào)來指揮的。 ALU、計(jì)數(shù)器、寄存器和控制部分除在微處理器內(nèi)通過內(nèi)部總線相互聯(lián)系外，還通過外部總線與外部的存儲(chǔ)器和輸入/輸出借口電路聯(lián)系。外部總線一般分為數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DB、地址地址總線總線AB和控制總線控制總線CB，統(tǒng)稱為系統(tǒng)總線。存儲(chǔ)器包括RAM和ROM。微型計(jì)算機(jī)通過輸入/輸出接口電路可與各種外圍設(shè)備連接。第1章 微機(jī)基本原理1.1.2存儲(chǔ)器和輸入存儲(chǔ)器和輸入/輸出接口輸出接

10、口 一、存儲(chǔ)器 如圖1-3所示，假如某臺(tái)微型計(jì)算機(jī)使用256字節(jié)的8位隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）與CPU交換數(shù)據(jù)，經(jīng)常把這種規(guī)格的存儲(chǔ)器稱作256*8位讀/寫存儲(chǔ)器。 第1章 微機(jī)基本原理圖圖1-3 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器隨機(jī)存取存儲(chǔ)器第1章 微機(jī)基本原理 兩根8位總線和若干控制線把存儲(chǔ)器和微處理器連接起來。地址總線將一組8位二進(jìn)制數(shù)從CPU送到存儲(chǔ)器的地址譯碼器。每個(gè)存儲(chǔ)單元被賦予一個(gè)唯一的地址，規(guī)定第一單元地址為0，最后一單元的地址為255。在地址總線上，通過8位地址線選擇指定的單元。地址譯碼器的輸出可以唯一確定被選擇的存儲(chǔ)單元 。 存儲(chǔ)器從CPU接收控制信號(hào)，從而確定存儲(chǔ)器執(zhí)行和中操作?！白x”信號(hào)表明

11、要讀出被選單元的內(nèi)容，并將數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線上，有總線送到CPU?！皩憽毙盘?hào)表明要把數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫入指定的存儲(chǔ)單元中。 第1章 微機(jī)基本原理二、二、I/OI/O接口及外設(shè)接口及外設(shè) 從圖1-2可以看到， I/O接口與地址總線，數(shù)據(jù)總線的連接同存儲(chǔ)器一樣，而每個(gè)外部設(shè)備與微處理器的連接必須經(jīng)過接口適配器（I/O接口)。每個(gè)I/O接口及其對(duì)應(yīng)的外部設(shè)備都有一個(gè)固定的地址，在CPU的控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的輸入（讀）和輸出（寫）操作。 第1章 微機(jī)基本原理1.2 MCS-51系列單片機(jī)及其它類型單片機(jī)系列單片機(jī)及其它類型單片機(jī) 1.2.1 MCS-51系列單片機(jī)系列單片機(jī) MCS是Intel公司生產(chǎn)

12、的單片機(jī)符號(hào)，例如Intel公司的MCS-48、MCS-51、MCS-96系列單片機(jī)。MCS-51系列單片機(jī)既包括三個(gè)基本型8031、8051、8751，也包括對(duì)應(yīng)的低功耗型80C31、80C51、87C51。 20世紀(jì)80年代中期以后，Intel公司以專利轉(zhuǎn)讓的形式把8051內(nèi)核技術(shù)轉(zhuǎn)讓給許多半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)廠家，如ATMEL、PHILIPS、ANALLOG、DALLAS等。這些廠家生產(chǎn)的芯片是MCS-51系列的兼容產(chǎn)品，準(zhǔn)確地說是與MCS-51指令系統(tǒng)兼容的單片機(jī)。這些兼容機(jī)與8051的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（主要是指令系統(tǒng)）相同，采用CMOS工藝，因而，常用80C51系列來稱呼所有具有8051指令系統(tǒng)的

13、單片機(jī)，它們對(duì)8051單片機(jī)一般都做了一些擴(kuò)充，其功能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)。 第1章 微機(jī)基本原理1基本型基本型（典型產(chǎn)品：8031/8051/8751） 8031內(nèi)部包括一個(gè)8位CPU、128個(gè)字節(jié)RAM、21個(gè)特殊功能寄存器（SFR）、4個(gè)8位并行I/O口、1個(gè)全雙工串行口、2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，但片內(nèi)無程序寄存器，需外擴(kuò)EPROM芯片。 8051是在8031的基礎(chǔ)上，片內(nèi)集成了4K ROM，作為程序存儲(chǔ)器，是一個(gè)程序不超過4KB字節(jié)的小系統(tǒng)。ROM內(nèi)的程序是公司制作芯片時(shí)，代為用戶燒制的，出廠的8051都是含有特殊用途的單片機(jī)。所以8051適合于應(yīng)用在程序已定、且批量較大的單片機(jī)產(chǎn)品中。

14、 8751是在8031的基礎(chǔ)上，增加了4K字節(jié)的EPROM，它構(gòu)成了一個(gè)程序小于4KB的小系統(tǒng)。用戶可以將程序固化在EPROM中，可以反復(fù)修改程序。8031外擴(kuò)一片4KB EPROM就相當(dāng)于8751。 第1章 微機(jī)基本原理2增強(qiáng)型增強(qiáng)型 Intel公司在MCS-51系列三種基本型產(chǎn)品基礎(chǔ)上，又推出增強(qiáng)型系列產(chǎn)品，即52子系列，典型產(chǎn)品為8032/8052/8752。它們的內(nèi)部RAM增到256字節(jié)，8052、8752的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展到8KB，16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器增至3個(gè)，6個(gè)中斷源，串行口通信速率提高5倍。3低功耗型低功耗型 代表性產(chǎn)品為80C31BH/87C51/80C51。均采用CHMO

15、S工藝，功耗很低。例如，8051的功耗為630mW，而80C51的功耗只有120mW，它們主要用于低功耗的便攜式產(chǎn)品或航天技術(shù)中。 此類單片機(jī)有兩種掉電工作方式。一種掉電工作方式是CPU停止工作，其它部分仍繼續(xù)工作；另一種掉電工作方式是，除片內(nèi)RAM繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)外，其它部分都停止工作。此類單片機(jī)的功耗低，非常適于電池供電或其它要求低功耗的場(chǎng)合。第1章 微機(jī)基本原理4專用型專用型 如Intel公司的8044/8744，它們?cè)?051的基礎(chǔ)上，又增加一個(gè)串行接口部件，主要用于利用串行口進(jìn)行通訊的總線分布式控制系統(tǒng)。 再如美國(guó)Cypress公司推出的EZU SR-2100單片機(jī)，它是在8051單片機(jī)

16、內(nèi)核的基礎(chǔ)上，又增加了USB接口電路，可專門用于USB串行接口通訊。5超超8位型位型 在8052的基礎(chǔ)上，采用CHMOS工藝，并將MCS-96系列（16位單片機(jī)）中的一些I/O部件，如高速輸入/輸出、A/D轉(zhuǎn)換器、脈沖寬度調(diào)制（PWM）、看門狗定時(shí)器（WATCHDOG）等移植進(jìn)來構(gòu)成新一代MCS-51產(chǎn)品，性能介于MCS-51和MCS-96之間。PHILIPS公司生產(chǎn)的80C552/87C552/83C552系列即為此類產(chǎn)品。第1章 微機(jī)基本原理6片內(nèi)閃爍存儲(chǔ)型片內(nèi)閃爍存儲(chǔ)型 隨著半導(dǎo)體存儲(chǔ)器制造技術(shù)和大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，片內(nèi)帶有閃爍（Flash）存儲(chǔ)器的單片機(jī)已得到廣泛的應(yīng)用。 最

17、具代表性的產(chǎn)品是美國(guó)的ATMEL公司推出的AT89C51，是一個(gè)低功耗、高性能的含有4KB字節(jié)閃爍存儲(chǔ)器的8位CMOS單片機(jī)，時(shí)鐘頻率高達(dá)20MHz，與8031的指令系統(tǒng)和引腳完全兼容。閃爍存儲(chǔ)器允許在線（+5V）電擦除、電寫入或使用通用編程器對(duì)其重復(fù)編程。此外，89C51還支持由軟件選擇的兩種掉電工作方式，非常適于電池供電或其它要求低功耗的場(chǎng)合。由于89C51芯片內(nèi)的4KB閃爍存儲(chǔ)器可在線編程或使用編程器重復(fù)編程，且價(jià)格較低，因此89C51受到了用戶的歡迎。 另外，還有一些簡(jiǎn)裝的5l產(chǎn)品，如ATMEL公司的AT89C1051、AT89C2051、AT89C405l等（閃爍存儲(chǔ)器分別為1K、2

18、K、4K等，但不能外接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器)，指令系統(tǒng)與AT89C5l完全兼容，但引腳均為20腳，體積小，價(jià)格低廉。 第1章 微機(jī)基本原理1.2.3其它類型單片機(jī)其它類型單片機(jī)1PIC系列單片機(jī)系列單片機(jī) PIC系列單片機(jī)是美國(guó)Microchip公司生產(chǎn)的低功耗、低價(jià)格、小體積、片內(nèi)帶EPROM的CMOS單片機(jī)。它的指令速度比同類單片機(jī)高五倍左右，程序存儲(chǔ)器可節(jié)約一半。具有易學(xué)易用的精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，可大大縮短開發(fā)周期，PIC系列有多種型號(hào)，在國(guó)內(nèi)得到普遍使用。 （1）低檔8位單片機(jī)（PIC12C5/ PIC16C5系列）：12位指令寬度。 PIC16C5系列是最早在市場(chǎng)上得到發(fā)展的系列，因其

19、價(jià)格較低，且有較完善的開發(fā)手段，因此在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛；而PIC12C5是世界第一個(gè)八腳低價(jià)位單片機(jī)，可用于簡(jiǎn)單的智能控制等一些對(duì)單片機(jī)體積要求較高的地方。第1章 微機(jī)基本原理（2）中檔8位單片機(jī)（PIC16F7/ PIC16F87A系列）：14位指令寬度。 PIC中檔產(chǎn)品是Microchip近年來重點(diǎn)發(fā)展的系列產(chǎn)品，品種最為豐富，其性能比低檔產(chǎn)品有所提高，增加了中斷功能，指令周期可達(dá)到 200ns，帶A/D、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，具有雙時(shí)鐘工作、比較輸出、捕捉輸入、PWM輸出、I2C和SPI接口、異步串行通訊、模擬電壓比較器及LCD驅(qū)動(dòng)等功能，其封裝從8腳到68腳，可用于高、中、低檔的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)

20、中，價(jià)格適中，廣泛應(yīng)用在各類電子產(chǎn)品中。 （3）高檔8位單片機(jī)（PIC18系列）：16位指令寬度。PIC18系列是適合高級(jí)復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)的系列產(chǎn)品，其性能在中檔位單片機(jī)的基礎(chǔ)上有了很大提高，最高指令流可達(dá)10MIPS（單條指令執(zhí)行時(shí)間為100ns）,一般用于開發(fā)高端產(chǎn)品。第1章 微機(jī)基本原理2AVR系列單片機(jī)系列單片機(jī) AVR系列單片機(jī)是ATMEL公司的產(chǎn)品，該系列單片機(jī)吸收了PIC系列單片機(jī)與MCS-51系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，是增強(qiáng)型RISC內(nèi)載Flash的單片機(jī)，芯片上的Flash存儲(chǔ)器附在用戶的產(chǎn)品中，可隨時(shí)編程、再編程，用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)容易，更新?lián)Q代方便。AVR單片機(jī)采用增強(qiáng)的RISC結(jié)構(gòu)，使

21、其具有高速處理能力，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可執(zhí)行復(fù)雜的指令，可實(shí)現(xiàn)1MIPS/MHz的處理能力。工作電壓為2.76.0V，可以實(shí)現(xiàn)耗電最優(yōu)化。AVR的單片機(jī)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器、宇航設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域。 AT90系列有AT90S1200、AT90S2313、AT90S4414、AT90S8515、AT90S2323、AT90S2343、AT90SMEG403、AT90SMEG103、AT90S4434、AT90S8535 等多種型號(hào)第1章 微機(jī)基本原理3Motorola單片機(jī)單片機(jī) Motorola是世界上最大的單片機(jī)廠商。從M6800開始，開發(fā)了許多品種

22、，4位、8位、16位、32位的單片機(jī)都能生產(chǎn)，其中典型的代表有：8位機(jī)M6805、 M68HC05系列，8位增強(qiáng)型M68HC11、M68HC12，16位機(jī)M68HC16，32位機(jī)M683。Motorola單片機(jī)的特點(diǎn)之一是在同樣的速度下所用的時(shí)鐘頻率較Intel類單片機(jī)低得多，因而使得高頻噪聲低，抗干擾能力強(qiáng)，更適合于工控領(lǐng)域及惡劣的環(huán)境。第1章 微機(jī)基本原理4凌陽(yáng)單片機(jī)凌陽(yáng)單片機(jī) 凌陽(yáng)單片機(jī)的CPU內(nèi)核采用凌陽(yáng)的16位微機(jī)處理器芯片，特點(diǎn)為體積小、集成度高、可靠性好，易于擴(kuò)展。各功能部件模塊化地集成在一個(gè)芯片里，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，中斷系統(tǒng)支持10個(gè)中斷向量及10余個(gè)中斷源，片內(nèi)帶有高尋址能力

23、的ROM、靜態(tài)RAM和多功能的I/O口。指令系統(tǒng)提供了具有較高運(yùn)算速度的16位16位的乘法運(yùn)算指令和內(nèi)積運(yùn)算指令，添加了DSP功能，提供了對(duì)高級(jí)語(yǔ)言的支持。 凌陽(yáng)單片機(jī)采用CMOS制造工藝，低功耗、低電壓，增加了軟件激發(fā)的弱振方式、空閑方式和掉電方式，極大地降低了其功耗，同時(shí)工作電壓范圍大，能在低電壓供電時(shí)正常工作，能用電池供電，適合于在野外作業(yè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用。另外，凌陽(yáng)單片機(jī)支持語(yǔ)音識(shí)別，能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的產(chǎn)生，利用凌陽(yáng)公司提供的開發(fā)板和軟件包，用戶可以方便地通過修改快速地建立自己的應(yīng)用系統(tǒng)。第1章 微機(jī)基本原理5ARM單片機(jī)單片機(jī) ARM（Advanced RISC Machines），既可以認(rèn)

24、為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。 （1）ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域 1991年ARM公司成立于英國(guó)劍橋，主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。目前，采用ARM技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）核的微處理器，即我們通常所說的ARM微處理器，已遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場(chǎng)，基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75以上的市場(chǎng)份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面。第1章 微機(jī)基本原理 （2）ARM微處理器系列 ARM微處理器目前包括下面幾個(gè)系列，每一個(gè)系列的ARM微處理器都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。其中

25、，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10為4個(gè)通用處理器系列，每一個(gè)系列提供一套相對(duì)獨(dú)特的性能來滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，SecurCore系列專門為安全要求較高的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。 ARM7系列。ARM7系列微處理器為低功耗的32位RISC處理器，適用于對(duì)價(jià)位和功耗要求較高的消費(fèi)類應(yīng)用。ARM7微處理器系列具有嵌入式ICE-RT邏輯，調(diào)試開發(fā)方便；極低的功耗，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用，如便攜式產(chǎn)品；能夠提供0.9MIPS/MHz的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)；主頻最高可達(dá)130MIPS，高速的運(yùn)算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復(fù)雜應(yīng)用。 ARM9系列。ARM9系列微處理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有

26、5級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高；提供1.1MIPS/MHz的哈佛結(jié)構(gòu)；支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集；支持32位的高速AMBA總線接口；支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。第1章 微機(jī)基本原理 ARM9E系列。ARM9E系列微處理器為可綜合處理器，使用單一的處理器內(nèi)核提供了微控制器、DSP、Java應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案，極大地減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復(fù)雜程度。ARM9E系列微處理器提供了增強(qiáng)的DSP處理能力，很適合于那些需要同時(shí)使用DSP和微控制器的應(yīng)用場(chǎng)合。 ARM10E系列。ARM10E系列微處理器具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，由于采用了新的體系結(jié)

27、構(gòu)，與同等的ARM9器件相比較，在同樣的時(shí)鐘頻率下，性能提高了近50%，同時(shí)，ARM10E系列微處理器采用了兩種先進(jìn)的節(jié)能方式，使其功耗極低。 SecurCore系列。SecurCore系列微處理器專為安全需要而設(shè)計(jì)，提供了完善的32位RISC技術(shù)的安全解決方案，因此，SecurCore系列微處理器除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的低功耗、高性能的特點(diǎn)外，還具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，即提供了對(duì)安全解決方案的支持。第1章 微機(jī)基本原理 Intel的Xscale。Xscale 處理器是基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的解決方案，是一款全性能、高性價(jià)比、低功耗的處理器。它支持16位的Thumb指令和DSP指令集，已使用在數(shù)

28、字移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等場(chǎng)合。Xscale 處理器是Intel目前主要推廣的一款A(yù)RM微處理器。 Cortex系列。ARMv7架構(gòu)的ARM Cortex系列處理器擁有三個(gè)系列：A系列面向復(fù)雜的高端應(yīng)用程序，用于運(yùn)行開放式的復(fù)雜操作系統(tǒng)；R系列針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)；M系列主要是應(yīng)用于工業(yè)控制。Cortex-M3處理器是Cortex系列的第一款A(yù)RM處理器，是一種低功耗、低成本的32位處理器，可以在對(duì)功能和成本敏感的嵌入式應(yīng)用（例如微控制器、汽車車身系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)及無線網(wǎng)絡(luò)）中實(shí)現(xiàn)較高的系統(tǒng)性能，它是專門針對(duì)快速簡(jiǎn)單的編程而設(shè)計(jì)，用戶無需深厚的架構(gòu)知識(shí)或編寫任何匯編代碼就可以建立簡(jiǎn)單的應(yīng)用

29、程序，使ARM架構(gòu)成為各種應(yīng)用方案的上佳選擇。 針對(duì)Cortex-M核心的芯片，如TI的LM3S，ST的STM32F，NXP的LPC17、LPC21等。第1章 微機(jī)基本原理1.3計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) 計(jì)算機(jī)是用于處理數(shù)字信息的，單片機(jī)也如此。各種數(shù)據(jù)及非數(shù)據(jù)信息在進(jìn)入計(jì)算機(jī)前必須轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制或二進(jìn)制編碼。下面介紹計(jì)算機(jī)中常用數(shù)制和編碼以及數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示方法。第1章 微機(jī)基本原理1.2.1數(shù)制及數(shù)制間轉(zhuǎn)換數(shù)制及數(shù)制間轉(zhuǎn)換一、數(shù)制計(jì)數(shù)的進(jìn)位制單片機(jī)中常用的有3種數(shù)：二進(jìn)制、十進(jìn)制和十六進(jìn)制。其中只有二進(jìn)制數(shù)是計(jì)算機(jī)能直接處理的；但是二進(jìn)制數(shù)表達(dá)過于繁雜，所以引入十六進(jìn)制數(shù)；十進(jìn)制是人

30、們最熟悉的數(shù)制。這3種數(shù)制在單片機(jī)種都是經(jīng)常使用的。第1章 微機(jī)基本原理 1、十進(jìn)制（、十進(jìn)制（Decimal，用，用D表示）表示）大約在公元400年左右，印度數(shù)學(xué)家首先發(fā)明了用十進(jìn)制計(jì)數(shù)，這可能是由于人有十個(gè)手指和十個(gè)腳趾的緣故吧。約在公元800年，阿拉伯人開始使用它，所以又稱它為阿拉伯?dāng)?shù)制，以后傳到了歐洲，才被命名為“十進(jìn)制數(shù)制”。十進(jìn)制用0，1，2，3，4，5，6，7，8，9十個(gè)數(shù)字來表示數(shù)。十進(jìn)制數(shù)的基數(shù)是10，當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)，每一位計(jì)到十就往上進(jìn)一位，也就是逢十進(jìn)一；或者說，上一位的數(shù)是下一位的十倍。 第1章 微機(jī)基本原理如果用a表示任何一個(gè)十進(jìn)制數(shù)字，那么一個(gè)含有n位整數(shù)、m位小數(shù)的十進(jìn)

31、制數(shù)的通用表示是： N=an-110n-1an-210n-2a0100a-110-1a-m10-m 或?qū)懗桑篘= 十進(jìn)制是人們習(xí)慣的數(shù)值，但不是唯一的數(shù)值，比如，還有二進(jìn)制、八進(jìn)制、十二進(jìn)制、十六進(jìn)制和六十進(jìn)制等。101inmiia第1章 微機(jī)基本原理an-22n-2a020a-12-1a-(m-1)2-(m-1)a-m2-man-22n-2+an-12n-12、二進(jìn)制數(shù)（Binary,用B表示） 以2為基數(shù)的數(shù)制叫二進(jìn)位計(jì)數(shù)制，計(jì)算機(jī)中采用的是二進(jìn)制數(shù)。它只包括兩個(gè)符號(hào)，即0和1。在一個(gè)二進(jìn)制數(shù)中，前一位的權(quán)是后一位的兩倍，即逢二進(jìn)一。對(duì)于整數(shù)，從右往左各位的權(quán)是1，2，4，8，16，32，

32、；對(duì)于小數(shù)從左往右各位的權(quán)是1/2，1/4，1/8，1/16，1/32。 把十進(jìn)制表示式中的10都換為2就得到二進(jìn)制的表示式： N=第1章 微機(jī)基本原理或簡(jiǎn)寫成為：或簡(jiǎn)寫成為：N= 21inmiia式中：ai是0或1，具體取值由N決定。例如， 二進(jìn)制數(shù)10101101.1011B表示的十進(jìn)制數(shù)值是:127+026+125+024+123+122+021+120+12-1+02-2+12-3+12-4 =128+32+8+4+1+0.5+0.125+0.0625=173.6875日常生活中人們習(xí)慣于十進(jìn)位計(jì)數(shù)制所以感到二進(jìn)位計(jì)數(shù)制很 不方便，那么電子計(jì)算機(jī)為什么還采用二進(jìn)位計(jì)數(shù)制呢？因?yàn)槟壳把芯?/p>

33、與應(yīng)用最成熟的是具有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，且具有記憶功能的電子電路，使用二進(jìn)制能夠很方便又直觀的表示出機(jī)器中雙穩(wěn)態(tài)電路的兩個(gè)穩(wěn)定，并可相互變換的物理狀態(tài)；反過來，一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)電路的0和1兩個(gè)狀態(tài)可以用來表示1位二進(jìn)制數(shù)，幾個(gè)電子器件就可以代表一組多位二進(jìn)制數(shù)。第1章 微機(jī)基本原理3）十六進(jìn)制數(shù)（用H表示） 盡管用二進(jìn)制數(shù)表示計(jì)算機(jī)中信息很方便，但為了便于書寫和閱讀，經(jīng)常采用十六進(jìn)制，即在計(jì)數(shù)時(shí)，逢十六進(jìn)一。這樣，書寫的長(zhǎng)度非常短，且可很方便的將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制或?qū)⒍M(jìn)制轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制。大部分計(jì)算機(jī)所處理的數(shù)據(jù)位長(zhǎng)都是4的整倍數(shù)（如4位、8位、16位、32位等），所以計(jì)算機(jī)經(jīng)常采用十六進(jìn)制。它有以下

34、3個(gè)基本特征： 具有十六個(gè)數(shù)字符號(hào)：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A,B,C,D,E,F; 逢十六進(jìn)一； 一位十六進(jìn)制數(shù)可用4位二進(jìn)制數(shù)表示，他們之間存在直接而又唯一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。第1章 微機(jī)基本原理例如：0011B=3H,1010B=AH。這樣，一個(gè)位數(shù)較多的二進(jìn)制數(shù)可以用位數(shù)較少的十六進(jìn)制數(shù)來數(shù)書寫，既簡(jiǎn)單，又易于轉(zhuǎn)換。再如：（0101101010110111)2=(5AB7)16=5AB7H若十六進(jìn)制數(shù)最高位是AF中的符號(hào)之一，則應(yīng)在前邊加0，說明是數(shù)字而不是文字，例如十六進(jìn)制數(shù)A7CEH應(yīng)寫成0A7CEH。其按權(quán)展開式為：an-116n-1+an-216n-2+a0160+a-

35、116-1+a-216-2+a-m16-m161inmia第1章 微機(jī)基本原理式中,ai表示十六進(jìn)制數(shù)的第i位，權(quán)為16i, ai從09、A、B、C、D、E、F十六個(gè)數(shù)碼中選用；m 、n為正整數(shù)，n為小數(shù)點(diǎn)右邊的位數(shù)。例如， A4B.CH=10162+4161+11160+1216-1部分?jǐn)?shù)的3種數(shù)制對(duì)照見下表。第1章 微機(jī)基本原理第1章 微機(jī)基本原理2.不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換在使用計(jì)算機(jī)的過程中，經(jīng)常需要在二進(jìn)制、十進(jìn)制和十六進(jìn)制之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。1）二進(jìn)制 十進(jìn)制（1）二進(jìn)制 十進(jìn)制把二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，只要將二進(jìn)制中出現(xiàn)1的數(shù)位權(quán)相加即可，整數(shù)和小數(shù)的位權(quán)如圖1-5所示。第1章 微

36、機(jī)基本原理例如，把二進(jìn)制數(shù)1010轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。因?yàn)?010是整數(shù)，也就是說，小數(shù)點(diǎn)在該數(shù)的右邊。最右邊的一位稱最低位（LSB)，它的為權(quán)最小，為20=1.最左邊的一位稱為最高位（MSB)，因?yàn)樵诖_定數(shù)值時(shí)，它表示的位權(quán)最大。在這個(gè)例子中，它的位權(quán)是23=8。要得到總的數(shù)值，需把二進(jìn)制出現(xiàn)1的位權(quán)值相加，即23與21相加，得到的十進(jìn)制數(shù)是10。二進(jìn)制數(shù) 1 0 1 0位權(quán)值 23 22 21 20 十進(jìn)制數(shù) 8+0+2+0=1010第1章 微機(jī)基本原理為了進(jìn)一步說明這個(gè)轉(zhuǎn)換過程，我們?cè)倥e一例，把二進(jìn)制數(shù)101101.11轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)：二進(jìn)制數(shù) 1 0 1 1 0 1 1 1位權(quán)

37、值 25 2 4 23 22 21 20 2-1 2-2十進(jìn)制數(shù) 32 + 0 + 8 + 4 + 0 + 1 + 0.5 + 0.25=45.75（2）十進(jìn)制 二進(jìn)制把一個(gè)十進(jìn)制的整數(shù)一次除以所需要的底數(shù)，就能夠轉(zhuǎn)換成不同底數(shù)的數(shù)。例如，為了把十進(jìn)制的數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)，只要把十進(jìn)制數(shù)一次除以2并記下每次所得的余數(shù)（余數(shù)總是1或0），所得的余數(shù)倒相排列即為相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。這種方法稱為“除2取余”法。第1章 微機(jī)基本原理（例1-1）把十進(jìn)制數(shù)25轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。解所以，25D=11001B。小數(shù)部分的轉(zhuǎn)換采用“乘2取整”法：乘2取整，直到小數(shù)部分為0或滿足精度要求，整數(shù)部分正的排列。222

38、2212512630余數(shù)10011LSBMSB第1章 微機(jī)基本原理（例1-2）將十進(jìn)制數(shù)0.625轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制。解 0.6252=1.25 整數(shù)為1 MSB0.25 2=0.50 整數(shù)為00.50 2=1.00 整數(shù)為1 LSB所以，0.625D=0.101B。綜上兩例，得25.625D=11001.101B第1章 微機(jī)基本原理2）十六進(jìn)制 十進(jìn)制（1）十六進(jìn)制 十進(jìn)制同樣也是按權(quán)展開后求和。例如， 2BEH=2 162+11 161+14 160 =702D (2)十進(jìn)制 十六進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制時(shí)類似，也分整數(shù)和小數(shù)兩部分進(jìn)行。整數(shù)部分采用“除16取余”法。第1章 微機(jī)基本原理【例1-

39、3】將十進(jìn)制數(shù)156轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)。解所以，156D=9CH。小數(shù)部分采用“乘16取整”法。161615690余數(shù)C9LSBMSB第1章 微機(jī)基本原理【例1-4 】將十進(jìn)制數(shù)0.359 375轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)。解 0.359 37516=5.75 整數(shù)為5 MSB 0.7516=12.0 整數(shù)為12 LSB所以，0.359 375=0.5CH。 綜上兩例，得 156.359375D=9C.5CH另外，十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制時(shí)也可將十進(jìn)制先轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制，再將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制。第1章 微機(jī)基本原理3）十六進(jìn)制 二進(jìn)制（1）二進(jìn)制 十六進(jìn)制十六進(jìn)制的每一位都與4位二進(jìn)制數(shù)相對(duì)應(yīng)，要將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換

40、為十六進(jìn)制數(shù)，首先從低位開始，把數(shù)分成4位一組，然后將每4位一組轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)。現(xiàn)將二進(jìn)制數(shù)10101101101轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)。 10101101101B改寫為 MSB LSB 0101 0110 1101得到10101101101B=56DH。第1章 微機(jī)基本原理 二進(jìn)制數(shù)由LSB開始分成4位一組，第3組只有3位，必須在MSB左邊增加一個(gè)0，而它的二進(jìn)制數(shù)值仍然不變；然后將每4位一組轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)。注意：給二進(jìn)制整數(shù)加0時(shí)，0必須加在MSB的左邊。 用同樣的方法也能將二進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制小數(shù)，只是二進(jìn)制各位必須從小數(shù)點(diǎn)右邊MSB開始分成4位一組。例如，將二進(jìn)制小數(shù)0.

41、01011011轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)。 0.01011011B改寫為： MSB LSB 0.0101 1011得到0.01011011B=0.5BH。第1章 微機(jī)基本原理再如，將二進(jìn)制小數(shù)0.1101001101轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)： 0.1101001101B改寫為： MSB LSB 0.1101 0011 0100得到0.1101001101B=0.D34H。此例需在LSB的右邊加兩個(gè)0補(bǔ)足4位。第1章 微機(jī)基本原理（2）十六進(jìn)制 二進(jìn)制十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的過程，恰好是上述轉(zhuǎn)換的逆過程，將每位十六進(jìn)制數(shù)直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的4位二進(jìn)制數(shù)。例如，將十六進(jìn)制數(shù)8F.41轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。 8F.41H

42、得到： MSB LSB 1000 1111.0100 0001改寫為： 10001111.01000001B所以， 8F.41H=10001111.01000001B第1章 微機(jī)基本原理再舉一例，將十六進(jìn)制數(shù)175.4E轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)： 175.4EH得到： MSB LSB 0001 0111 0101 0100 1110改寫為： 101110101.0100111B此例中，MSB前面的3個(gè)0和LSB后面的1個(gè)0是沒有數(shù)值的，應(yīng)再最后結(jié)果中舍去。第1章 微機(jī)基本原理1.2.2 計(jì)算機(jī)中常用編碼計(jì)算機(jī)中常用編碼 由于計(jì)算機(jī)只能識(shí)別0和1兩種狀態(tài)，因而計(jì)算機(jī)處理的任何信息必須以二進(jìn)制形式表示。這些

43、二進(jìn)制形式的代碼即為二進(jìn)制編碼（Encode)。計(jì)算機(jī)中常用的二進(jìn)制編碼有BCD碼和ASC碼等。1.BCD（Binary Coded Decimal)碼-二-十進(jìn)制碼BCD碼是一種二進(jìn)制形式的十進(jìn)制碼，也稱二-十進(jìn)制碼。它用4位二進(jìn)制數(shù)表示1位十進(jìn)制數(shù)，最常用的是8421BCD碼，見表1-2。第1章 微機(jī)基本原理 8421BCD碼用0000H1001H代表十進(jìn)制數(shù)09，運(yùn)算法則是逢十進(jìn)一。8421BCD碼每位的權(quán)分別是8、4、2、1，故得此名。例如，1 649 的BCD碼為0001 0110 0100 1001。表1-1 8421BCD碼表十進(jìn)制數(shù)8421BCD碼二進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù)8421BCD碼二進(jìn)制數(shù)000000000810000000100010001910011001200100010100001 00001010300110011110001 00011011401000100120001 00101100501010101130001 00111101601100110140001 01001110701110111150001 01011111第1章 微機(jī)基本原理2.ASC(American Standard Code for Information Interchange)碼ASC碼是