[信息与通信]第1章单片机.ppt

目 录 1、单片微型计算机概述 4、汇编语言程序设计 2、单片机组成与工作原理 3、单片机的指令系统 5、单片机系统的扩展 8、单片机应用系统设计与仿真实例 6、C语言编程与应用 7、单片机人机接口与应用 附录A：ASCII表 附录B MCS51指令速查表 Proteus软件 Keil软件 授课教师：项慧慧 联系方式办公地点：怀德楼A412 E-mail: 先修课程： 电路、模拟电路、数字电路 计算机组成原理 汇编语言程序设计 C语言程序设计 课程性质：应用型课程 第1章 单片微型计算机概述 概述1.1 单片机的发展概述1.5 微型计算机基础1.2 单片机的特点和应用领域 1.6 计算机中数和编码1.3 首 页 微型计算机系统的工作过程 1.4 本章重点 1. 微型计算机的三总线结构 3. 计算机中数的表示方法和编码 l 重点： 2. 微处理器的基本结构 返 回 单片机原理及应用（YCIT） 1.1.1 电子计算机 电子计算机（英语：Computer）是一种利用电子学 原理根据一系列指令来对数据进行处理的机器。 在现代，机械计算机的应用已经完全被电子计算机 所取代，因此电子计算机通常也直接简称为计算机。 1.1 概 述 单片机原理及应用技术教材编写组 u早期的计算设备可以追溯到公元前87年的被古希腊 人用于计算行星移动的按提基特拉机械。 u随着中世纪末期欧洲数学与工程学的再次繁荣， 1623年德国博学家Wilhelm Schickard率先研制出了欧 洲第一部计算设备。 u1642年，法国数学家布莱士帕斯卡在英国数学家 William Oughtred所制作的“计算尺”的基础上，将其加 以改进，能进行八位计算。 u1801年，法国人约瑟夫玛丽雅卡尔（Joseph Marie Jacquard）对织布机的设计进行改进，使用 一系列打孔的纸卡片来作为编制复杂图案的程序 。 u1820年，查尔斯巴比奇（Charles Babbage）构想 和设计了第一部完全可编程计算机。 u19世纪晚期，出现了许多后来被证明对计算机科 学有着重大意义的技术，例如打孔卡片及真空管 。 单片机原理及应用技术教材编写组 u在20世纪前半叶，为了迎合科学计算的需要，许多专门用途 的、复杂度不断增长的模拟计算机被研制出来。这些计算机都 是用它们所针对的特定问题的机械或电子模型作为计算基础。 u20世纪3,40年代，计算机的性能逐渐强大并且通用性得到提 升，现代计算机的关键特色被不断地加入进来。 u1937年，克劳德香农（Claude Shannon）首次提及了数字电 子技术的应用，向人们展示了如何使用开关来实现逻辑和数学 运算。 单片机原理及应用技术教材编写组 u1941年，德国工程师Konrad Zuse完成了他的图灵完全机电 一体计算机“Z3”，这是第一部具有自动二进制数学计算以及可 行的编程功能的计算机，但还不是“电子”计算机。 u1941年，出现了世界上第一部电子计算机：采用了真空管计 算器，二进制数值，可复用内存。 u20世纪40年代的第二次世界大战中，为训练轰炸机飞行员， 美国海军曾向MIT探询，是否能够开发出一款可以控制飞行模 拟器的计算机。冯诺依曼结构（程序存储体系结构）。 u20世纪40年代中晚期，大批基于此一体系的计算机开始被研 制，其中以英国最早。 u1946年，世界上出现了第一台电子数字计算机“ENIAC”，用 于计算弹道。 单片机原理及应用技术教材编写组 u在整个20世纪50年代，真空管计算机居于统治地位。 u1958年，之后的英特尔创始人Robert Noyce的领导下，发明 了集成电路。不久之后又推出了微处理器。 u1956年的晶体管电子计算机的诞生，标志着第二代电子计算 机的开始。1959年到1964年间设计的计算机一般被称为第二代 计算机。 u20世纪60年代，晶体管计算机取而代之。1964年到1972年的 计算机一般被称为第三代计算机，大量使用集成电路。（IBM 360系列） u20世纪70年代，计算机开始走向千家万户。1972年以后的计 算机习惯上被称为第四代计算机，基于大规模集成电路或超大 规模集成电路。 u1982年，微型计算机开始普及，大量进入学校和家庭。 u1990年11月，微软发布了第一代MPC（Multimedia PC，多 媒体个人计算机标准）：处理器至少为80286/12MHz（后 来增加到80386SX/16MHz），有光驱，传输率不少于 150KB/sec。 u1994年10月10日Intel发布了75MHz Pentinum处理器。 单片机原理及应用技术教材编写组 1.1.2 微型计算机 微型计算机MC是第四代计算机向微型化方向发展的一个非常 重要的分支，它的发展是以微处理器MPU的发展为标志的。 自从1971年美国Intel公司研制成功以Intel4004微处理器为核 心的4位数计算机以来，微型计算机技术获得了飞速发展。 微处理器的集成度差不多每两年翻一番，且性能增长了一个 数量级。 第一代：（1971年至1972年）第一代微处理器是以INTEL公 司19711972年推出的40048008作为典型代表。 第二代：（1973年至1977年）第二代微处理器的代表产品 是美国INTEL公司的80808085，Motorola公司的6800和 Zilog公司研制的Z80。 第三代：（1978年至1981年）代表产品是美国INTEL公司的 80868088、Motorola公司的68000，是16位微处理器，又 称为第一代超大规模集成电路的微处理器。 第四代：（1981年以后）80年代以后，微处理器进入第四 代产品，INTEL公司相继推出的80386和80486微处理器， 又称为超级微处理器。 进入20世纪90年代以来，Intel公司在开发新 一代微处理器技术方面继续领先。 1993年3月，Intel发布了Pentinum。 MC的特点：体积小，可靠性高，通用性强 ，功耗低以及研制周期短。 单片机原理及应用技术教材编写组 1.1.3 微型计算机系统 微型计算机是指由微处理器 加上采用大规模集成电路制 成的程序存储器和数据存储 器，以及与输入/输出设备 相连接的I/O接口电路组成 的设备。（MC，简称微机 ） 微型计算机硬件基本组成：运算器、控制器、存储器、输入/输 出设备及接口。 CPU：运算器，控制器 总线：A-BUS,D-BUS,C-Bus 存储器：ROM，RAM I/O接口、外部设备 单片机原理及应用技术教材编写组 1.1.3 微型计算机系统 微型计算机软件是计算机上运行的程序，是计算机 系统的逻辑部件而不是物理部件。 中央处理器Central Processing Unit-CPU 负责取指，执指，实现操作的核心部件，包括运算 器和控制器两大组成部分 返 回 单片机原理及应用技术教材编写组 1.2 微型计算机基础 1.2.1 微型计算机的分类 1. 单板机：将微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路以及简单 的输入/输出设备组装在一块印刷电路板上，称其为单板微型 计算机，简称单板机。 2. 单片机：将微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路和相应实 时控制器件集成在一块芯片上，称其为单片微型计算机，简 称单片机。 3. 微型计算机：微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路由总线 有机地连接在一起的整体，称为微型计算机。 4. 微型计算机系统：微型计算机与外围设备、电源、系统软件 一起构成的系统，称为微型计算机系统。 单片机原理及应用技术教材编写组 1.2.2 微机的三总线结构 总线是微机系统中各部件 和模块之间用于传送信息 的一组公用导线，一般包 括CB，DB，AB。 微处理器数据总线的条数 决定CPU和存储器或I/O设 备一次能交换数据的位数 ，是区分微处理器是多少 位的依据。 8086；8080 单片机原理及应用技术教材编写组 1.2.2 微机的三总线结构 1. 数据总线（DB）： 传送数据，双向，CPU的 位数和外部数据总线的位 数一致。 2. 地址总线（AB）： 传送CPU发出的地址信息 ， 单向，宽度（线数目）决定了CPU的可寻址范围。 3. 控制总线（CB）： 传送使微机协调工作的定时、控制信号，双向，但对于每一条具 体的控制线，都有固定的功能。 单片机原理及应用技术教材编写组 1.2.3 微处理器的基本结构 单片机原理及应用技术教材编写组 1.2.4 存储器及其读写原理 常用术语： （1）1B，1KB，1MB，1GB； （2）字长； （3）内存； （4）外存。 计算机的存储结构：哈佛结构和普林斯顿结构(冯诺依曼结构) 51单片机哈佛结构。 RAM存储器包括存储体、地址译码器和控制电路。 ROM结构类似，区别在于只能作读选通。 注意： （1）对于8位地址，可表示256个单元； （2）每个单元可存放8位二进制数；（1个字节） （3）注意单元内容与地址的区别。 单片机原理及应用技术教材编写组 存储器工作过程如下：CPU地址地址译码器选中单 元由CPU发出的“读”或“写”命令。例如： 读操作：读02H单元内容。 (1) 02H由AB 地址译码 找到02号单元； (2) CPU发出“读”信号； (3)(02H)=A3H（读出的数据） D-BUS； (4) A3H 指定寄存器。 写操作：数据#F7H 03H单元中。 (1) 03H由AB 地址译码 找到03号单元； (2) CPU将F7H送到D-BUS上； (3) CPU发出“写”信号； (4) #F7H （03H）。 单片机原理及应用技术教材编写组 1.2.5 输入/输出设备及其接口 1. I/O设备：简称外设，功能是为微机提供具体的输入输出 手段。标准的I/O设备系指键盘和显示器。 2. I/O接口：由于各种外设的工作速度、驱动方式差别很大 ，无法与CPU直接匹配，而需要一个接口电路来充当它们与 CPU间的桥梁，起转换、协调作用。 返 回 补码 定义： 若X0， 则X补= X反= X原 若X0， 则X补= X反+1 计算机中采用补码的原因 例： 0的补码： +0补= +0原=00000000 -0补= -0反+1=11111111+1 =1 00000000 对8位字长，进位被舍掉 +0补= -0补= 00000000 特殊数10000000 该数在原码中定义为： -0 在反码中定义为： -127 在补码中定义为： -128 对无符号数：(10000000) = 128 返 回 1.4 微型计算机系统的工作过程 计算机采取“存储程序与程序控制“的工作方式，即事先把 程序加载到计算机的存储器中，当启动运行后，计算机便会自 动按照程序的要求进行工作。 为了进一步说明微机的工作过程，我们来具体讨论一个模 型机怎样执行一段简单的程序。例如，计算机如何具体计算 58=？。人们必须要先编写一段程序，以计算机能够理解的语 言告诉它如何一步一步地去做，直到每一个细节都详尽无误， 计算机才能正确地理解与执行。 一条指令的执行过程包括取指和执指两个阶段。指令执行 前，首先要一条指令的地址送到程序计数器PC中，然后开始执 行指令。具体过程如下： 例如：执行指令 MOV A，#05H 机器码为： 第一单元74H（指令码）；第二单元05H（数据码） 1.4.1 执行一条指令的过程 1.4.2 执行程序的过程 程序 指令1 指令2 指令3 指令4 指令n 取指令 指令译码 取操作数 执行指令 存结果 指令周期 操作码 操作数 执行 1 CPU如何知道从哪里取出程序的第一条指令？操作系统 2 CPU如何按程序控制流执行指令？程序计数器 3 CPU如何知道从哪里取操作数？地址、寻址方式 例：计算5+8 汇编语言程序 对应的机器指令 对应的操作 - - - MOV A, 5 01110100 将立即数5传送到累加寄存器A中 00000101 ADD A, 8 00100100 计算两个数的和，结果存放到A中 00001000 HLT 11110100 停机 指令执行过程见下页图 指令执行过程(取指/译码/执行) 累加器A 加法器 数据寄存器DR 指令寄存器IR 指令译码器ID 时序逻辑电路 时序控制信号（控制命令） 0111