第1章微型計算機的基本概念

單片微機原理及應用2023/2/31教材書名：《單片微機原理及應用》第3版出版社：機械工業(yè)出版社作者：丁元杰2023/2/32課程目的和基本要求

理解微型計算機的基本概念掌握MCS-51系列單片機的硬件結(jié)構(gòu)MCS-51系列單片機的部件了解其工作方式掌握MCS-51系列單片機的指令系統(tǒng)掌握MCS-51系列單片機系統(tǒng)的擴展方法掌握MCS-51系列單片機系統(tǒng)的接口方式2023/2/33成績評定

開卷考試(帶教材與手寫筆記)筆試(60)+平時成績(10)+上機考試(20)+實驗報告(10)2023/2/34緒論問題引入假設要設計一個電力監(jiān)測的信息采集與傳輸終端，實現(xiàn)以下功能:(1)多種信號的數(shù)據(jù)采集(2)數(shù)據(jù)效驗，幀結(jié)構(gòu)制定(3)本地存儲(4)液晶（LCD）屏顯示相關(guān)信息(5)通過3G/GPRS網(wǎng)絡與后臺主機通信(6)按鍵實現(xiàn)人機交互2023/2/35緒論如何實現(xiàn)？2023/2/36緒論最簡單的方法是，我們需要一個器件，該器件支持以下功能：(1)內(nèi)含微處理器，有自己的機器語言，可以按需編程(2)有并行接口，可以外接數(shù)據(jù)輸入、存儲器、液晶顯示模塊等(3)有串口，可以連接GPRS/3G模塊(4)有外部中斷輸入接口(5)內(nèi)置定時/計數(shù)器(6)內(nèi)部擁有程序運行所需的寄存器與存儲器這個器件可由單片機承擔2023/2/37緒論單片微型計算機：計算機

體積小、價格低、使用方便

微型計算機

微型計算機

主要部件集成在一塊芯片上

單片微型計算機單片微型計算機又稱為單片微機、單片機、微控制器

2023/2/38緒論 CPU

存儲器RAM單片機ROM I／O接口

定時器／計數(shù)器、中斷系統(tǒng)

功能部件

A／D、D／A、DMA

2023/2/39第1章

微型計算機的基本概念

§1概述§2微處理器§3存儲器§4I/O接口電路

2023/2/310§1概述1－1計算機的組成計算機結(jié)構(gòu)2023/2/311§1概述1－1計算機的組成2.尋址能力

尋址能力指CPU對內(nèi)存訪問的空間的大小，它取決于地址總線的寬度。10位10241K20位1024K1M30位1024M1G40位1024G1T50位1024T 1P60位1024P1E2023/2/312§1概述1－1計算機的組成3.字長:機內(nèi)的所有信息均用二進制表示

計算機所用二進制代碼的位數(shù)稱為該計算機的字長8位

字節(jié)byte16位

字word32位

雙字doubleword

PC／XT286386486586數(shù)據(jù)線（字長）816323232（64）地址線2024323232最大物理內(nèi)存1M16M4G4G4G

2023/2/313§1概述1－1計算機的組成4.微型計算機結(jié)構(gòu)

在大規(guī)模集成電路技術(shù)的支撐下，計算機可做到體積小，重量輕，使用方便，功能完備，形成微型計算機。

2023/2/314§1概述1－1計算機的組成4.微型計算機結(jié)構(gòu)CPU(中央處理單元

微處理器)

CPU是微型計算機的核心，它包含：ALU：對輸入CPU的數(shù)據(jù)進行運算（算術(shù)及邏輯運算）控制器：完成同步定時（時鐘電路）及產(chǎn)生控制信號（控制電路）工作寄存器：存放操作數(shù)及中間結(jié)果2023/2/315§1概述1－1計算機的組成4.微型計算機結(jié)構(gòu)存儲器memory：

完成記憶功能，用于存儲數(shù)據(jù)，由多個存儲單元構(gòu)成。存儲單元：具有特定地址的存儲單位，存儲信息分為若干二進制位，8位機為8位（bit）,即1byte，16位機為16位，即1個字（word）。地址：訪問某存儲單元的特定位置編號（例如，要在教室找某一個人，要知道他在幾排第幾位），地址由二進制碼構(gòu)成，二進制位數(shù)決定了單元多少。2023/2/316§1概述1－1計算機的組成4.微型計算機結(jié)構(gòu)存儲容量：存儲容量與地址位數(shù)相關(guān)8位地址28為256個存儲單元16位地址216為64K20位地址220

為1M存儲器讀：CPU從存儲器中取數(shù)據(jù)的過程，讀數(shù) 據(jù)不影響原存儲單元內(nèi)容。存儲器寫：CPU將數(shù)碼寫入存儲器的過程，寫入 的新數(shù)據(jù)取代原數(shù)據(jù)。2023/2/317§1概述1－1計算機的組成4.微型計算機結(jié)構(gòu)I／O接口電路：CPU與外設之間的橋梁，完成速度匹配，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換（串并轉(zhuǎn)換，位數(shù)轉(zhuǎn)換），信號轉(zhuǎn)換等功能。

2023/2/318§1概述1－1計算機的組成4.微型計算機結(jié)構(gòu)

總線：微型計算機的各芯片間或芯片內(nèi)部各部件之間的一組公共通信線?？偩€分DB（databus）AB（addressbus）CB（controlbus）總線結(jié)構(gòu)大大減少了連線數(shù)量，但必須使用緩沖器，并分時傳送。2023/2/319§1概述1－1計算機的組成4.微型計算機結(jié)構(gòu)2023/2/320§1概述1-2微型計算機的軟件

軟件是使微機自動工作的必要條件。

軟件是控制及管理計算機的多種program，而program是由各種微機可識別的instruction構(gòu)成。指令：是控制計算機的各種操作命令，特定的微機有特定的指令系統(tǒng)（指令譯碼器），指令分操作碼及操作數(shù)。MOVA，#20H

操作碼

目的操作數(shù)

源操作數(shù)程序：完成特定功能的一系列指令的有序集合。

2023/2/321§1概述1-2微型計算機的軟件機器語言、匯編語言、高級語言機器語言：機器可執(zhí)行的二進制代碼。匯編語言：由微機特定指令系統(tǒng)形成的編程語言，速度快，適用于精確控制，但編程復雜，不可通用。高級語言：獨立于機器的語言，易學易用。無論匯編語言，還是高級語言，最后都要轉(zhuǎn)換成機器語言才能執(zhí)行。

2023/2/322§1概述1-2微型計算機的軟件機器語言、匯編語言、高級語言

匯編語言程序查表（一一對應）機器語言程序匯編程序

編譯程序高級語言程序機器語言程序解釋程序源程序目標程序2023/2/323§1概述1-3計算機中的數(shù)（1）進位制：數(shù)值按不同的進位方法，常分為二進制（B）、十進制（D）、十六進制（H）。*二進制：計算機中使用的計數(shù)制，只有0、1兩個符號，逢2進1。1100．101

*十六進制數(shù)

可認為是對二進制數(shù)的簡化表現(xiàn)形式，它與二進制數(shù)有明顯的對應關(guān)系。

包含0、1…9、A、B、C、D、E、F16個符號，逢16十六進1

2023/2/324§2微處理器

由于前面已講，微機由CPU（微處理器）、存儲器、I/O接口電路組成，以下分別講這些內(nèi)容。微處理器由運算器、控制器、工作寄存器三部分組成。微處理器外部有三總線，內(nèi)部為單總線結(jié)構(gòu)，如圖

2023/2/325§2微處理器

2-1運算器

運算器由算術(shù)邏輯單元（ALU）、A（Accumulator）,標志寄存器Flag(或PSW),暫存寄存器TR，BCD調(diào)整電路組成。（1）ALU、TR與A*ALU完成各種運算操作（算術(shù)及邏輯運算）*ALU源數(shù)據(jù)來自TR或A，其中與A的數(shù)據(jù)交換是雙向的，即ALU既可從A中得到源數(shù)據(jù)，又可將數(shù)據(jù)放回A，而從TR得到數(shù)據(jù)是單向的，由于分時傳數(shù)，TR起緩沖作用。*數(shù)據(jù)要經(jīng)過內(nèi)部總線傳送。（2）Flagregister，亦稱PSW由于存放ALU運算結(jié)果的特征，（OV、C、AC等）（3）BCD調(diào)整用于在BCD碼參與運算時，對結(jié)果進行調(diào)整。2023/2/326§2微處理器2-2控制器

控制器包含了IR、ID及定時與控制電路執(zhí)行一條指令需要IR、ID與定時/控制電路協(xié)同完 成從存儲器取回該指令的機器碼，送IR寄存，直到執(zhí) 行完畢。由ID譯碼，識別該指令功效由定時/控制電路產(chǎn)生一系列控制信號，控制各部 件執(zhí)行這一指令，定時/控制電路還可接收外部 的控制信號或輸出控制信號。2023/2/327§2微處理器

2-3工作寄存器 CPU中的寄存器很多，分通用寄存器及特殊功能寄 存器。 PC、SP就是兩個重要的特殊功能寄存器。 通用寄存器將在以后介紹，現(xiàn)簡介PC及SP。2023/2/328§2微處理器

2-3工作寄存器（1）

PC（programcounter）PC是管理程序執(zhí)行順序的特殊功能寄存器（順序執(zhí)行及跳轉(zhuǎn)）*復位，復位后PC總為0，故總從0000處開始執(zhí)行。*計數(shù)，取指令時總是根據(jù)PC內(nèi)容為地址，而每取回一字節(jié)PC就自動+1，故在執(zhí)行指令時，PC總是指向下一條指令的地址。如右圖，在執(zhí)行A指令時，PC值為B指令的地址

A指令

B指令*置位，PC值可直接從總線得到，這樣可實現(xiàn)跳轉(zhuǎn) 如上圖，若A指令為跳轉(zhuǎn)指令，在執(zhí)行A時，PCB指令 而A指令執(zhí)行完后，PC值會發(fā)生變化。2023/2/329§2微處理器

2-3工作寄存器

（1）

PC（programcounter）例下面語句的執(zhí)行過程：0000H74H08HMOVA，#08H0002H24H04HADDA，#04H0004H24H05HADDA，#05H0006H02H22H00HLJMP2200H0009H…2200H78H7FHMOVRO，#7FH2023/2/330§2微處理器

2-3工作寄存器

（2）SP（stackpointer）

堆棧是一塊內(nèi)存區(qū)域，遵循先進后出原則，用于保留一些參數(shù)用PUSH或POP語句訪問SP為最后入棧數(shù)據(jù)的地址 PUSH時，先SP+1，再以SP為地址放數(shù)POP時，先按SP為地址取數(shù)，再SP-1

2023/2/331§3存儲器3-1概述計算機要完成一系列的運算及控制功能，必須有載體存放其程序及數(shù)據(jù)，這就是存儲器。

（1）存貯器分類：外存的數(shù)據(jù)首先讀到內(nèi)存再參與工作。

2023/2/332§3存儲器3-1概述（2）

存貯器結(jié)構(gòu)（內(nèi)存）存貯器由存貯體、AR、AD（地址譯碼器）、I/O控制電路組成。存貯體由眾多存貯單元構(gòu)成一種地址線的信號組合稱為一個地址,它對應于一個存貯單元一個存貯單元可有一位，四位或八位等總共存貯容量為2N*Mbits其中N為地址線根數(shù)，M為存貯單元位數(shù)，若M為8，則存貯容量為2NBytes.如圖2023/2/333§3存儲器3-2RAM（略）3-3ROM（略）3-4堆棧stack堆棧是微型計算機中隨機存取存貯器RAM中的一個特殊區(qū)域，是一組用先進后出方式暫存信息的一組存貯單元。2023/2/334§3存儲器3-4堆棧stack

（1）

堆棧的作用用于交換信息：用PUSH指令把信息壓入堆棧，再用POP指令把信息取出，起到交換信息的作用。在調(diào)用子程序時，用于保留現(xiàn)場信息和斷點地址。

在調(diào)用程序后要恢復執(zhí)行程序，并繼承原有的有關(guān)信息，要用到堆棧。 Pushpop主程序子程序2023/2/335§3存儲器3-4堆棧stack（1）

堆棧的作用保留現(xiàn)場信息用PUSH指令，保留斷點地址在callnn時由硬件自動實現(xiàn)?；謴同F(xiàn)場地址在子程序中由RET指令自動實現(xiàn)，恢復現(xiàn)場信息由POP指令實現(xiàn)。由堆棧先進后出的原則可順序?qū)崿F(xiàn)子程序嵌套2023/2/336§3存儲器3-4堆棧stack(2)堆棧指針（stackpointer）既然堆棧是RAM中的一組特殊的存貯單元，那么必須對其尋址，尋址是靠SP寄存器實現(xiàn)的。由于MCS-51的RAM為128或256bytes,故SP為一個8位寄存器，它的值就是當前棧頂?shù)奈恢茫ǖ刂罚?，即最后一次壓入堆棧的?shù)據(jù)的存放地址。建立堆棧用MOVSP，#data實現(xiàn)，在執(zhí)行PUSH時SPSP+1，（SP）數(shù)據(jù)。在執(zhí)行POP時（SP）單元內(nèi)容SPSP-12023/2/337§3存儲器3-4堆棧stack(2)堆棧指針（stackpointer）例：

l

斷點地址（1234H，5678H）實際是Call指令下一條語句的地址，因為執(zhí)行Call指令時，PC值為下一條語句。l

SP初值為60H，由于SP為棧頂，在放數(shù)入棧時，SP要完成加1，故斷點地址從61H開始存放。l在放地址時，實際是把PC的值入棧，要遵循低字節(jié)先，高字節(jié)后的原則，

RET返回時，則先高后低。2023/2/338§4I/O接口電路4-1概述微型計算機主要包含CPU、存貯器、I/O電路，可見I/O接口電路為其重要組成部分。（1）I/O接口電路主要功能：鎖存：速度匹配，暫存數(shù)據(jù)*數(shù)據(jù)鎖存與緩沖緩沖：數(shù)據(jù)（地址）經(jīng)I/O電路掛入總線格式轉(zhuǎn)換（串并轉(zhuǎn)換）*信息轉(zhuǎn)換A/D、D/A轉(zhuǎn)換電平轉(zhuǎn)換*地址譯碼CPU在掛接多個外設時，要對某個特定外設選通， 需要地址譯碼，見圖。2023/2/339§4I/O接口電路4-1概述(2)計算機與外設之間的信息交換通常計算機與外設間交換多種信息

*數(shù)據(jù)信息：CPU從外設讀取數(shù)據(jù)（如鍵盤）或?qū)?shù)據(jù)寫入外設（打印機）。*狀態(tài)信息，從外設到計算機，如打印機在打印時會遇busy信息到計算機，使計算機暫不發(fā)送數(shù)據(jù)。*控制信息從計算機到外設，如計算機在向打印機發(fā)送數(shù)據(jù)后會發(fā)出控制信息給打印機，告訴它數(shù)據(jù)準備就緒。三種信息或者分端口傳送或者分時傳送。見圖

2023/2/340§4I/O接口電路4-1概述（3）端口編址一個計算機可能連接多個I/O設備，必須有一種辦法來選定特定的I/O電路及其設備，因此存在一個I/O接口電路編址的問題。l

把I/O接口電路當成存貯器統(tǒng)一對待，象訪問存貯器一樣的方法訪問接口電路。特點：編程方便，但占用內(nèi)存地址。l

存貯單元與接口電路分別編址，因此接口電路的地址可以與存貯單元相同，但可用指令區(qū)分之。

2023/2/341§4I/O接口電路4-2數(shù)據(jù)傳送方式計算機與外設的數(shù)據(jù)交換，通常有下面4種方式：（1）無條件傳送CPU和外設訪問不用關(guān)心數(shù)據(jù)是否就緒或丟失，按各自需要收、發(fā)數(shù)據(jù)。CPU傳感器（慢變化）不必擔心丟失數(shù)據(jù)（CPU隨時讀數(shù)據(jù)）

CPU顯示（快顯示）不必擔心來不及顯示（CPU隨時發(fā)數(shù)據(jù)）

2023/2/342§4I/O接口電路4-2數(shù)據(jù)傳送方式（2）

查詢方式計算機和外設間需要知道對方狀態(tài)，再進行數(shù)據(jù)交換，以免丟失數(shù)據(jù)或錯誤。查詢方式缺點是：CPU大量時間花在查詢等待上，會降低效率。

2023/2/343§4I/O接口電路4-2數(shù)據(jù)傳送方式（3）中斷方式l

中斷特點 中斷是計算機的一項重要功能，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，實時控制，故障處理等多種功能。 中斷用于處理突發(fā)事件，把CPU從反復的查詢等待中解放出來，不影響CPU的其它工作，大大提高了工作效率。中斷利于處理多種類事務的請求

中斷過程如右圖所示

2023/2/344§4I/O接口電路4-2數(shù)據(jù)傳送方式（3）

中斷方式l

中斷系統(tǒng)實現(xiàn)中斷的軟硬件稱為中斷系統(tǒng)。*中斷請求外設向CPU申請中斷要有兩個條件：1)外設向CPU發(fā)出申請，一般在外設數(shù)據(jù)準備好，請求CPU接收或外設請求CPU發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)出信號；2)CPU要允許中斷，否則就算外設有中斷申請，CPU也不會理會。下面照圖分析中斷邏輯

2023/2/345§4I/O接口電路4-2數(shù)據(jù)傳送方式（3）

中斷方式l

中斷系統(tǒng)*中斷優(yōu)先權(quán)問題：用于解決多個中斷同時出現(xiàn)問題中斷系統(tǒng)可有多中斷源引腳，其優(yōu)先權(quán)在計算機設計制造時就有規(guī)定，無法自行更改。中斷系統(tǒng)可能有多個優(yōu)先級，各中斷源屬于哪一個優(yōu)先級，可由軟件實現(xiàn)。

例可能同一引腳包含多個中斷外設事件，可通過附加電路及軟件實現(xiàn)。

2023/2/346§4I/O接口電路4-2數(shù)據(jù)傳送方式（3）

中斷方式l

中斷系統(tǒng)*中斷優(yōu)先權(quán)問題優(yōu)先權(quán)處理方法：多個中斷源同時中斷申請時，CPU先響應優(yōu)先級高的中斷請求。在處理低優(yōu)先級的中斷時，若遇到高優(yōu)先級的中斷，則CPU暫停當前中斷服務程序，去響應高優(yōu)先級的中斷，待完畢后再繼續(xù)執(zhí)行原中斷服務程序，叫做中斷嵌套。在處理中斷時，若遇同級或級別低的中斷，則繼續(xù)執(zhí)行當前中斷服務程序，待執(zhí)行完返回主程序，對執(zhí)行一條指令后，再轉(zhuǎn)去執(zhí)行別的中斷服務程序。

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