第1章_微型计算机

1、1单片微型计算机原理单片微型计算机原理及接口技术及接口技术2任课教师: 陈桂友联系方式 办公电话：88392957808 Email: 网站：http:/ http:/ 课程描述 课程性质：专业基础课课程性质：专业基础课后续课程：后续课程： 嵌入式系统、计算机控制技术嵌入式系统、计算机控制技术选用教材选用教材单片微型计算机原理及接口技术单片微型计算机原理及接口技术 陈桂友陈桂友 主编主编4 课程特点内容多内容多需要加强理解需要加强理解更重要的是需要加强实践动手能力的更重要的是需要加强实践动手能力的培养培养5 学习方法注重理解，加强软件、硬件实验锻炼注重理解，加强软件、硬件实验锻炼充分利用网络，

2、提高自学能力充分利用网络，提高自学能力相互交流，共同提高相互交流，共同提高6 课程主要内容本课程主要内容：本课程主要内容：u 微型计算机基础知识微型计算机基础知识u 计算机系统的组成及工作原理计算机系统的组成及工作原理u 指令系统及汇编语言程序设计指令系统及汇编语言程序设计u C C语言程序设计及仿真调试语言程序设计及仿真调试u 中断中断u 定时计数器与可编程计数器阵列定时计数器与可编程计数器阵列u 数据通信数据通信u 模数转换器与数模转换器模数转换器与数模转换器u 人机交互接口人机交互接口u 复位时钟和省电方式控制复位时钟和省电方式控制7第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述本章学习目标

3、本章学习目标了解微型计算机发展概况了解微型计算机发展概况了解微型计算机的应用了解微型计算机的应用81 微型计算机发展概况一、微型处理器和微型计算机一、微型处理器和微型计算机1 1、第一台通用数字电子计算机、第一台通用数字电子计算机ENIAC ENIAC 占地面积占地面积170平方米平方米重达重达30吨吨耗电量耗电量150千瓦千瓦造价造价48万美元万美元使用使用18000多个电子管多个电子管70000多个电阻多个电阻10000多个电容多个电容1500多个继电器多个继电器6000多个开关多个开关图图1-1 第一台电子计算机第一台电子计算机92、微型机的发展、微型机的发展取决于微处理器取决于微处理器

4、l1971年，美国年，美国Intel公司生产出第一片微处公司生产出第一片微处理器理器4004。l1976年，相继推出了高档微处理器，如：年，相继推出了高档微处理器，如：Intel公司的公司的8085、Zilog公司的公司的Z80等。等。 10l1978年，推出了性能与中档年，推出了性能与中档16位小型机相位小型机相当的微处理器，代表性产品是当的微处理器，代表性产品是Intel 8086。 地址线：地址线：20位位 时钟频率：时钟频率：48MHz。 l进入进入21世纪，不断推出新型的计算机，在世纪，不断推出新型的计算机，在速度、性能、价格等诸方面不断适应各种速度、性能、价格等诸方面不断适应各种人

5、群的使用。到人群的使用。到2009年，奔腾双核机的主年，奔腾双核机的主频已经达到频已经达到2.6GHz以上。以上。 11l 新一代计算机：新一代计算机： 采用人工智能技术及新型软件，硬件采用新的采用人工智能技术及新型软件，硬件采用新的体系结构和超导集成电路，分为问题解决与推理机、体系结构和超导集成电路，分为问题解决与推理机、知识数据库管理机、智能接口计算机等。具有以下知识数据库管理机、智能接口计算机等。具有以下特点：特点：在在CPU上集成存储管理部件上集成存储管理部件采用指令和数据高速缓存采用指令和数据高速缓存采用流水线结构以提高系统的并行性采用流水线结构以提高系统的并行性采用大量的寄存器组成

6、寄存器堆以提高处理速度采用大量的寄存器组成寄存器堆以提高处理速度具有完善的协处理器接口，提高数据处理能力具有完善的协处理器接口，提高数据处理能力在系统设计上引入兼容性，实现高、低档微机间的兼容。在系统设计上引入兼容性，实现高、低档微机间的兼容。12二、微型计算机的基本构成二、微型计算机的基本构成 典型的微型计算机的基本结构包括：典型的微型计算机的基本结构包括： l微处理器（微处理器（CPUCPU）l存储器存储器l输入输入/ /输出接口（输出接口（I/OI/O接口）接口）l外部设备外部设备l系统总线系统总线13存存储储器器I I/ /O O 接接口口地地址址总总线线A AB B数数据据总总线线D

7、 DB B控控制制总总线线C CB BC CP PU U运算器ALU控制器输输出出设设备备输输入入设设备备图图1-2 微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构141 1、系统总线、系统总线 定义：连接多个功能部件的一组公共定义：连接多个功能部件的一组公共信号线。各功能部件之间通过总线传输信信号线。各功能部件之间通过总线传输信息。息。 系统总线分为系统总线分为 地址总线地址总线ABAB（Address BusAddress Bus） 数据总线数据总线DBDB（Data BusData Bus） 控制总线控制总线CBCB（Control BusControl Bus） -典型的三总线结构典型的三总

8、线结构 15地址总线地址总线AB AB 单向单向 输出输出CPUCPU的地址信号的地址信号输出将要访问的内存单元或输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址端口的地址地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围 例，例，Intel 8086 CPU共有共有20条地址线，分别用条地址线，分别用A19A0表示，其中表示，其中A0为最低位。为最低位。 20位地址线可以确定位地址线可以确定220=1024 1024个不同的个不同的地址（称为地址（称为1MB内存单元）。内存单元）。 2 0 位 地 址 用位 地 址 用 1 6 进 制 数 表 示 时 ， 范 围 为

9、 ：进 制 数 表 示 时 ， 范 围 为 ：00000HFFFFFH。16数据总线数据总线DB 双向双向 数据在数据在CPU与存储器与存储器（或（或I/O接口）间的传送接口）间的传送 CPU读操作时，外部数据读操作时，外部数据CPU写操作时，写操作时，CPU数据数据数据线的多少决定了一次能够传送数据的位数数据线的多少决定了一次能够传送数据的位数CPU通过不同的地址与存储器（或通过不同的地址与存储器（或I/O接口）进接口）进行数据传输行数据传输数据总线数据总线数据总线数据总线 CPU 外部外部17控制总线控制总线CB 双向双向 CPU对存储器、对存储器、I/O接接口进行控制和联络。口进行控制和

10、联络。输出控制信号：输出控制信号：CPU发给存储器或发给存储器或I/O接口的控接口的控制信号。如，微处理器的读信号制信号。如，微处理器的读信号RD、写信号、写信号WR等。等。输入控制信号：输入控制信号：CPU通过接口接受的外设发来通过接口接受的外设发来的信号。如，外部中断请求信号的信号。如，外部中断请求信号INTR、非屏蔽、非屏蔽中断请求输入信号中断请求输入信号NMI等。等。 控制信号间相互独立，表示方法采用能表明含控制信号间相互独立，表示方法采用能表明含义的缩写英文字母符号。按照一般惯例，若符义的缩写英文字母符号。按照一般惯例，若符号上有一横线，则表示该信号为低电平有效，号上有一横线，则表示

11、该信号为低电平有效，否则为高电平有效。否则为高电平有效。 18注意：注意： 在连接系统总线的设备中，某时刻只能在连接系统总线的设备中，某时刻只能有一个发送者向总线发送信号；但可以有多有一个发送者向总线发送信号；但可以有多个设备从总线上同时获取信号。个设备从总线上同时获取信号。192、微处理器、微处理器 简称简称MP(Micro Processor)，也称，也称P，是微型机的核心部件。通常称为中央处理单是微型机的核心部件。通常称为中央处理单元元CPU(Central Processing Unit)，包括：，包括：l运算器运算器ALU(Arithmetic Logic Unit)l控制器控制器C

12、U(Control Unit)l寄存器阵列寄存器阵列R(Registers)l内部总线等电路内部总线等电路 -集成在一片硅片上集成在一片硅片上203、存储器、存储器 分为分为程序存储器程序存储器和和数据存储器数据存储器两类。两类。 程序包括系统程序和用户程序。程序存储程序包括系统程序和用户程序。程序存储器主要是硬盘；数据存储器器主要是硬盘；数据存储器内存条。内存条。4、I/O接口接口 主要用于主要用于CPU和外部设备之间交换数据。和外部设备之间交换数据。 并行口并行口 串行口串行口 USB口等口等215 5、关于微机需要区别的概念、关于微机需要区别的概念 （1 1）微处理器即）微处理器即CPU

13、CPU 计算机的核心部件计算机的核心部件 将运算器、控制器集成在一片芯片上。其功能如下：将运算器、控制器集成在一片芯片上。其功能如下： 对指令译码并执行规定动作；对指令译码并执行规定动作； 能与存储器及外设交换数据；能与存储器及外设交换数据； 可响应其它部件的中断请求；可响应其它部件的中断请求； 提供系统所需的定时和控制。提供系统所需的定时和控制。 （2 2）微型计算机）微型计算机 在在CPUCPU的基础上配置存储器、的基础上配置存储器、I/OI/O接口电路、系统总线。接口电路、系统总线。 （3 3）微型计算机系统）微型计算机系统 以微机为主体，配置系统软件和外设。软件部分包括系以微机为主体，

14、配置系统软件和外设。软件部分包括系统软件（如操作系统）和应用软件（如字处理软件）。统软件（如操作系统）和应用软件（如字处理软件）。22运算器运算器 控制器控制器 寄存器阵列寄存器阵列 存储器存储器 总线总线 输入输出输入输出 接口电路接口电路外部设备外部设备 软件软件微处理器微处理器微型计算机微型计算机微型计算机系统微型计算机系统区别区别3个概念个概念图图1-3 微处理器、微型计算机和微型计算机系统关系图微处理器、微型计算机和微型计算机系统关系图23三、单片微型计算机简介三、单片微型计算机简介 计算机的核心部分：计算机的核心部分：l中央处理器中央处理器CPUCPUl存储器存储器l通用通用I/O

15、I/O接口接口l典型外设典型外设 -集成在一块芯片上的计算机集成在一块芯片上的计算机24 1 1、单片机的基本定义、单片机的基本定义 在一块芯片上集成了中央处理单元（在一块芯片上集成了中央处理单元（CPUCPU）、）、存储器（存储器（RAM/ROMRAM/ROM等）、定时等）、定时/ /计数器以及多种输计数器以及多种输入入/ /输出（输出（I/OI/O）接口的比较完整的数字处理系统。）接口的比较完整的数字处理系统。 25内部总线CPU单片机工作支撑模块数据存储器程序存储器定时/计数器模块串行通讯接口A/D转换模块D/A转换模块其他I/O模块其他模块图图1-4 一个典型的单片机的组成框图一个典型

16、的单片机的组成框图262、单片机名称的来源、单片机名称的来源早 期 的 英 文 名 称 是早 期 的 英 文 名 称 是 S i n g l e - c h i p Microcomputer，即单片微型计算机，简称，即单片微型计算机，简称单片机。单片机。后来称之为后来称之为微控制器微控制器（Microcontroller），），这也是目前比较正规的名称。这也是目前比较正规的名称。我国学者或技术人员一般使用我国学者或技术人员一般使用“单片机单片机”一词。一词。273、单片机的发展过程、单片机的发展过程单片机的问世单片机的问世1975年美国年美国TEXAS公司公司推出推出4位单片机。位单片机。1

17、976年，年，Intel公司推出公司推出MCS-48系列系列8位单位单片机，其代表型号是片机，其代表型号是8048。 特点特点：8位字长，片内位字长，片内ROM为为1K字节，片字节，片内内RAM 为为64字节，字节，27根根I/O口线，口线，1个个8位位定时定时/计数器，两个中断源。计数器，两个中断源。281980年以后，年以后，Intel公司推出公司推出MCS-51系列单系列单片机，其代表型号是片机，其代表型号是8051。 特点特点：8位字长，片内位字长，片内ROM为为4K字节，片字节，片内内RAM为为128字节，字节，32根根I/O口线，口线，2个个16位位定时定时/计数器，计数器，5个中

18、断源。个中断源。29目前，微型计算机正朝两个方向发展目前，微型计算机正朝两个方向发展高性能多功能的方向发展高性能多功能的方向发展 以个人计算机以个人计算机PC(Persnal Computer)为标志，为标志，具有强大的操作系统，并且支持多种软件运行。具有强大的操作系统，并且支持多种软件运行。价格低廉价格低廉片上系统片上系统(System On Chip，SOC)的方向发展的方向发展 将将CPU、存储器、接口电路、内部总线等部、存储器、接口电路、内部总线等部件全部集成在同一个芯片上的单片微机又称为件全部集成在同一个芯片上的单片微机又称为微控制器微控制器（Microcontrolor），），也称

19、为单片机。也称为单片机。 304 4、单片机的产品、单片机的产品80518051内核单片机内核单片机非非80518051内核单片机内核单片机318051内核单片机内核单片机 生产生产8051内核单片机的公司及典型产品有：内核单片机的公司及典型产品有：宏晶科技有限公司的宏晶科技有限公司的STC系列系列Atmel公司的公司的AT89系列系列NXP半导体公司（原半导体公司（原PHILIPS半导体公司，半导体公司，2007年更名为年更名为NXP半导体公司）的半导体公司）的8051内核内核单片机单片机ST公司的增强型公司的增强型8051内核单片机等内核单片机等32非非8051内核单片机内核单片机Free

20、scale公司公司 (2004年从年从Motorola公司分离出来的半导体公司公司分离出来的半导体公司)的的MC68系列单片机、系列单片机、MC9S08系列单片机系列单片机(8位位单片机单片机)、MC9S12系列单片机系列单片机(16位单片机位单片机)以以及及32位单片机位单片机Microchip公司的公司的PIC系列单片机系列单片机Ti公司的公司的MSP430系列系列16位单片机位单片机335、单片机的特点、单片机的特点 集成度高集成度高 体积小体积小 功耗低功耗低 可靠性高可靠性高 使用灵活方便使用灵活方便 控制功能强控制功能强 编程保密化编程保密化 价格低廉等。价格低廉等。346、单片机

21、的应用、单片机的应用工业生产控制工业生产控制数据采集和处理数据采集和处理设备控制设备控制智能化仪器仪表智能化仪器仪表日常生活等。日常生活等。357、单片机的选择、单片机的选择 当前，出现了当前，出现了16位、位、32位的单片机。单位的单片机。单片机在集成度、运算速度、接口性能等方面片机在集成度、运算速度、接口性能等方面都在不断创新。但是，到目前为止，在工业都在不断创新。但是，到目前为止，在工业控制、测量检测、仪器仪表等方面，控制、测量检测、仪器仪表等方面， 8位单片机仍然是主流单片机位单片机仍然是主流单片机36教学机型的演变：教学机型的演变：上世纪上世纪80年代年代Z80上世纪上世纪90年代中

22、期年代中期Intel 8086近年来，近年来，PC机作为通用机型，其底层结构的控制机作为通用机型，其底层结构的控制系统的设计、汇编语言的编程等优势逐渐让位于系统的设计、汇编语言的编程等优势逐渐让位于单片机；单片机；单片机的技术和性能不断提高，开发手段、控制单片机的技术和性能不断提高，开发手段、控制功能等功能不断完善，单片机更适于面向控制对功能等功能不断完善，单片机更适于面向控制对象的设计和编程，从单片机入手学习微型计算机象的设计和编程，从单片机入手学习微型计算机原理，正在逐步成为学习计算机原理的更好途径。原理，正在逐步成为学习计算机原理的更好途径。37四、微型计算机的软件系统四、微型计算机的软

23、件系统裸机裸机只有计算机硬件构成的计算机只有计算机硬件构成的计算机没有系统程序的支持，裸机是无法工作的。没有系统程序的支持，裸机是无法工作的。 38PC机的运行过程机的运行过程开机进入系统，执行系统程序，包括开机存储开机进入系统，执行系统程序，包括开机存储器自检、接口自检、外设自检等等。器自检、接口自检、外设自检等等。接受用户通过键盘或者鼠标发出的命令，进一接受用户通过键盘或者鼠标发出的命令，进一步执行用户要执行的程序。步执行用户要执行的程序。系统程序就把要执行的程序从硬盘里面找到，系统程序就把要执行的程序从硬盘里面找到，放进内存，然后运行用户的程序。放进内存，然后运行用户的程序。关闭用户程序

24、时，系统程序会将内存中的信息关闭用户程序时，系统程序会将内存中的信息重新写回到硬盘中保存。重新写回到硬盘中保存。39单片机运行程序的过程单片机运行程序的过程在单片机应用系统中，可以有操作系统（此时在单片机应用系统中，可以有操作系统（此时一般称之为嵌入式操作系统）的支持，也可以一般称之为嵌入式操作系统）的支持，也可以没有操作系统的支持。没有操作系统的支持。无论有没有操作系统，用户所编写的应用程序无论有没有操作系统，用户所编写的应用程序经过编译后都保存在程序存储器中经过编译后都保存在程序存储器中(一般都保存一般都保存在单片机内部集成的在单片机内部集成的FLASH存储器中存储器中)，执行，执行时，由

25、单片机内部的控制器控制程序的执行。时，由单片机内部的控制器控制程序的执行。40对于普通的个人计算机来讲，用户的开发对于普通的个人计算机来讲，用户的开发任务主要集中在程序设计方面，硬件设计任务主要集中在程序设计方面，硬件设计较少。开发应用系统时，一般采用可视化较少。开发应用系统时，一般采用可视化的集成开发环境，常见的有的集成开发环境，常见的有Visual C+，Eclipse，NetBeans，PowerBuilder等。等。41在开发单片机应用系统的过程中，往往需要对硬在开发单片机应用系统的过程中，往往需要对硬件和软件进行反复多次的调试。调试时，使用集件和软件进行反复多次的调试。调试时，使用集

26、成开发环境对用户系统进行仿真运行，根据系统成开发环境对用户系统进行仿真运行，根据系统的仿真运行状态对电路进行硬件和软件的修改调的仿真运行状态对电路进行硬件和软件的修改调试，直到满足用户要求为止。试，直到满足用户要求为止。对硬件电路来说，某些硬件电路的设计缺陷可以在仿对硬件电路来说，某些硬件电路的设计缺陷可以在仿真调试中发现并改正真调试中发现并改正;对软件来说，可以进行某些程序模块的编写和调试。对软件来说，可以进行某些程序模块的编写和调试。特别是可以对那些与硬件关系不大的程序模块进行模特别是可以对那些与硬件关系不大的程序模块进行模拟调试，这对系统的开发带来了很大的方便，可以加拟调试，这对系统的开

27、发带来了很大的方便，可以加快项目的开发过程，如数据运算、逻辑关系测试等。快项目的开发过程，如数据运算、逻辑关系测试等。42目前，许多集成开发环境具有模拟调试功能，目前，许多集成开发环境具有模拟调试功能，如：著名的如：著名的Keil uVision集成环境、飞思卡尔集成环境、飞思卡尔公司的公司的CodeWarrior、IAR Systems公司的公司的IAR集成开发环境。集成开发环境。43设计人员在进行程序设计时应考虑的几个方面：设计人员在进行程序设计时应考虑的几个方面： （1 1）模块化、结构化的程序设计）模块化、结构化的程序设计 根据系统功能要求，将软件分成若干个相根据系统功能要求，将软件分

28、成若干个相对独立的模块，实现各功能程序的模块化、对独立的模块，实现各功能程序的模块化、子程序化。子程序化。44（2 2）建立正确的数学模型）建立正确的数学模型 根据功能要求，描述各个输入和输出根据功能要求，描述各个输入和输出变量之间的数学关系变量之间的数学关系这是关系到系统这是关系到系统性能好坏的重要因素。性能好坏的重要因素。45（3 3）绘制程序流程图）绘制程序流程图 绘制程序流程图是程序设计的一个重要绘制程序流程图是程序设计的一个重要组成部分，而且是决定成败的关键部分。组成部分，而且是决定成败的关键部分。 流程图的优势：流程图的优势：从某种意义上讲，恰当从某种意义上讲，恰当的程序流程图将有

29、助于程序的编写和优化，的程序流程图将有助于程序的编写和优化，缩短程序的调试过程。缩短程序的调试过程。46（4）合理分配系统资源）合理分配系统资源 包括包括ROM、RAM、定时、定时/计数器、中断源计数器、中断源等。资源规划好后，应列出一张详细的资等。资源规划好后，应列出一张详细的资源分配表，以方便编程时查阅。源分配表，以方便编程时查阅。（5）注释）注释 在程序的适当位置写上功能注释，提高程在程序的适当位置写上功能注释，提高程序的可读性。序的可读性。47（6）抗干扰设计）抗干扰设计 加强软件抗干扰设计，这是提高计算机应加强软件抗干扰设计，这是提高计算机应用系统可靠性的有力措施。用系统可靠性的有力

30、措施。通过编辑软件编辑出的源程序，必须用编通过编辑软件编辑出的源程序，必须用编译程序汇编后生成目标代码。译程序汇编后生成目标代码。482 微型计算机的应用1、科学计算、科学计算通用微型计算机的重要应用之一通用微型计算机的重要应用之一 。例如，美国例如，美国Seguent公司最早用公司最早用30个个Intel 80386构成构成Symmetry计算机，速度为计算机，速度为120MIPS（Million Instructions Per Second），达到），达到IBM 3090系列中最高档大系列中最高档大型机的性能，价格却不到后者的十分之一。型机的性能，价格却不到后者的十分之一。 491996

31、年，由美国能源部（年，由美国能源部（Department of Energy，DOE）发起和支持、由）发起和支持、由Intel建成建成的的Option Red系统，用系统，用9216个微处理器使个微处理器使系统每秒浮点运算峰值速度达到系统每秒浮点运算峰值速度达到1.8Tflop/s（每秒（每秒1.8万亿次运算），成为世界上第一万亿次运算），成为世界上第一台万亿次计算机。台万亿次计算机。1998年，同样得到年，同样得到DOE支持的由支持的由IBM建成建成的的Blue Pacific内含内含5856个微处理器，峰值个微处理器，峰值速度达到速度达到3.888Tflop/s。502000年，在年，在D

32、OE支持下，支持下，IBM又建成内含又建成内含8192个微处理器的个微处理器的Option White,其系统峰值其系统峰值达到达到12.3Tflop/s。 这些系统尽管是由微处理器架构而成的，这些系统尽管是由微处理器架构而成的，但是无论是从规模还是功能上，都成了超级但是无论是从规模还是功能上，都成了超级计算机。计算机。512、信息处理、信息处理 由于由于Internet的蓬勃发展，使世界进入了的蓬勃发展，使世界进入了崭新的信息时代，对大量信息包括多媒体信崭新的信息时代，对大量信息包括多媒体信息的处理是信息时代的必然要求。连接在息的处理是信息时代的必然要求。连接在Internet上的微型计算机配上相应的软件以后，上的微型计算机配上相应的软件以后，就可以很灵活地对各种信息进行检索、传输、就可以很灵活地对各种信息进行检索、传输、分类、加工、存储和打印。分类、加工、存储和打印。52