单片机原理及应用教学课件

1、 单片微机原理及应用单片微机原理及应用 教学课件教学课件 任课教师：郭任课教师：郭*主要参考书主要参考书 1、胡汉才、胡汉才.单片机原理及其接口技术单片机原理及其接口技术.清华大学出版社清华大学出版社 2、张友德、张友德,赵志英赵志英, 涂时亮涂时亮.单片微型单片微型机原理应用与实验机原理应用与实验.复旦大学出版社复旦大学出版社 3、徐淑华、徐淑华,程退安程退安,姚万生姚万生.单片微型机单片微型机原理及应用原理及应用.哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社 单片微机原理及应用单片微机原理及应用第一章第一章 微型计算机的基本概念微型计算机的基本概念第二章第二章 MCS-51系列单片机的硬件结构

2、系列单片机的硬件结构第三章第三章 MCS-51系列单片机的指令系统和系列单片机的指令系统和 汇编语言程序示例汇编语言程序示例第四章第四章 MCS-51系列单片机的扩展系列单片机的扩展第五章第五章 MCS-51系列单片机的接口与应用系列单片机的接口与应用 单片机应用系统的开发单片机应用系统的开发绪绪 论论1.1 1.1 单片微机的发展单片微机的发展 1.1.11.1.1单片微机的概念单片微机的概念单片微机是单片微型计算机单片微机是单片微型计算机SCMC（SingleChipMicroComputer）的译名简称，在国内也常的译名简称，在国内也常简称为简称为“单片微机单片微机”或或“单片机单片机”

3、。它包括中央处。它包括中央处理器理器CPU、随机存储器随机存储器RAM、只读存储器只读存储器ROM、中中断系统、定时器断系统、定时器/计数器、串行口和计数器、串行口和I/O等等。等等。除了工业控制领域，单片微机在家用电器、电除了工业控制领域，单片微机在家用电器、电子玩具、通信、高级音响、图形处理、语言设备、子玩具、通信、高级音响、图形处理、语言设备、机器人、计算机等各个领域迅速发展。目前单片微机器人、计算机等各个领域迅速发展。目前单片微机的世界年产量已达机的世界年产量已达100亿片，而在中国大陆地区单亿片，而在中国大陆地区单片微机的年应用量已达片微机的年应用量已达6亿片左右，截止亿片左右，截止

4、2001年年4月，月，由中国大陆地区自行设计和生产的单片微机也已达由中国大陆地区自行设计和生产的单片微机也已达到到2000万片。万片。1970年微型计算机研制成功之后，随着大规模集成年微型计算机研制成功之后，随着大规模集成电路的发展又出现了单片微机，并且按照不同的发展要求，电路的发展又出现了单片微机，并且按照不同的发展要求，形成了二个独立发展的分支。美国形成了二个独立发展的分支。美国Intel公司公司1971年生产的年生产的4位单片微机位单片微机4004和和1972年生产的年生产的8位单片微机位单片微机8008，特别，特别是是1976年年MCS-48单片微机问世以来，在短短的二十几年单片微机问

5、世以来，在短短的二十几年间，经历了四次更新换代，其发展速度大约每二三年要更间，经历了四次更新换代，其发展速度大约每二三年要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番。发展速度之快、新一代、集成度增加一倍、功能翻一番。发展速度之快、应用范围之广，已达到了惊人的地步。它已渗透到生产和应用范围之广，已达到了惊人的地步。它已渗透到生产和生活的诸领域，可谓生活的诸领域，可谓“无孔不入无孔不入”。1976年年Intel公司首先推出公司首先推出MCS48系列单片微型计系列单片微型计算机。它包括计算机的三个基本单元，已成为真正意义的算机。它包括计算机的三个基本单元，已成为真正意义的单片微机，为单片微机的发展奠定了基

6、础，成为单片微机单片微机，为单片微机的发展奠定了基础，成为单片微机发展进程中的一个重要阶段。发展进程中的一个重要阶段。许多半导体公司和计算机公司争相研制和发许多半导体公司和计算机公司争相研制和发展自己的单片微机系列，有展自己的单片微机系列，有Motorola公司的公司的6801、6802，Zilog公司的公司的Z8系列，系列，Rockwell公司的公司的6501、6502等，此外，日本的等，此外，日本的NEC公司、日立公公司、日立公司及司及EPSON公司等，也都相继推出了各具特色的公司等，也都相继推出了各具特色的单片微机品种。单片微机品种。最具典型性的属最具典型性的属Intel公司的公司的MC

7、S51系列单系列单片微机，它具有品种全、兼容性强、软硬件资料片微机，它具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。直到现在丰富等特点。直到现在MCS51仍不失为单片微仍不失为单片微机中的主流机型。由于机中的主流机型。由于8位单片微机的高性能价格位单片微机的高性能价格比，估计近十年内，比，估计近十年内，8位单片微机将仍是单片微机位单片微机将仍是单片微机中的主流机型。中的主流机型。在在8位单片微机之后，位单片微机之后，16位单片微机也有很大发展。位单片微机也有很大发展。1983年年Intel公司推出的公司推出的MCS96系列单片微机。与系列单片微机。与MCS51相比，相比，MCS96不但字长增加一

8、倍，而且还具有不但字长增加一倍，而且还具有4路路或或8路的路的10位位A/D转换功能，此外，在其它性能方面也有转换功能，此外，在其它性能方面也有一定的提高。一定的提高。飞利浦公司推出了与飞利浦公司推出了与80C51在源码级兼容性的在源码级兼容性的16位单片微位单片微机，即机，即80C51XA(每一条每一条80C51指令可以指令可以1 1地被翻译成地被翻译成一条一条XA指令，仅指令，仅XCHD指令除外指令除外)，用户不需投入很大的，用户不需投入很大的软件开销和人员就能较大的提高产品性能。软件开销和人员就能较大的提高产品性能。80C51XA具具有的高性能包括：执行速度快、支持高级语言有的高性能包括

9、：执行速度快、支持高级语言(比如比如C语语言言)、支持实时多任务执行、易于形成派生系列产品、地、支持实时多任务执行、易于形成派生系列产品、地址宽度可变址宽度可变(用户可以方便地将外部地址线宽度选定为用户可以方便地将外部地址线宽度选定为12位、位、16位、位、20位、位、24位等等。在工业控制产品、高档智能位等等。在工业控制产品、高档智能仪表、彩色复印机、录像机等应用领域，仪表、彩色复印机、录像机等应用领域，单片微机正朝多功能、多选择、高速度、低功耗、低价单片微机正朝多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强格、扩大存储容量和加强I/O功能及结构兼容方向发展。功能及结构兼容方向发

10、展。多功能多功能在单片微机中尽可能多的把应用系统中所需在单片微机中尽可能多的把应用系统中所需要的存储器、各种功能的要的存储器、各种功能的I/O口都集成在一块芯片内，口都集成在一块芯片内，即外围器件内装化，如把即外围器件内装化，如把LED、LCD或或VFD显示驱动显示驱动器集成在器集成在8位单片微机中，如把位单片微机中，如把A/D、D/A、乃至多路模乃至多路模拟开关和采样拟开关和采样/保持器也集成在单片微机芯片中，从而保持器也集成在单片微机芯片中，从而成为名副其实的单片微机。成为名副其实的单片微机。高性能高性能为了提高速度和执行效率，在单片微机中开为了提高速度和执行效率，在单片微机中开始使用始使

11、用RISC体系结构、并行流水线操作和体系结构、并行流水线操作和DSP等的设等的设计技术，使单片微机的指令运行速度得到大大提高，其计技术，使单片微机的指令运行速度得到大大提高，其电磁兼容等性能明显地优于同类型的微处理器。电磁兼容等性能明显地优于同类型的微处理器。全盘全盘CMOS化趋势化趋势单片微机采用二种半导体工艺生产，单片微机采用二种半导体工艺生产，HMOS工艺即工艺即高密度短沟道高密度短沟道MOS工艺，具有高速度和高密度；工艺，具有高速度和高密度；CHMOS工艺即互补金属氧化物的工艺即互补金属氧化物的HMOS工艺，除具有工艺，除具有HMOS的的优点外，还具有优点外，还具有CMOS工艺的低功耗

12、特点。如工艺的低功耗特点。如8051的功耗的功耗为为630mw，而而80C51的功耗仅的功耗仅120mw。从第三代单片微机起开始淘汰非从第三代单片微机起开始淘汰非CMOS工艺。工艺。推行串行扩展总线推行串行扩展总线推行串行扩展总线可以显著减少引脚数量，简化系推行串行扩展总线可以显著减少引脚数量，简化系统结构。随着外围器件串行接口的发展，单片微机的串行统结构。随着外围器件串行接口的发展，单片微机的串行接口的普遍化、高速化，使得并行扩展接口技术日渐衰退。接口的普遍化、高速化，使得并行扩展接口技术日渐衰退。推出了删去了并行总线的非总线单片微机，推出了删去了并行总线的非总线单片微机，需要外扩器件需要外

13、扩器件(存储器、存储器、I/O等等)时，采用串行时，采用串行扩展总线，甚至用软件虚拟串行总线来实现。扩展总线，甚至用软件虚拟串行总线来实现。由于集成度的进一步提高，有的单片微机由于集成度的进一步提高，有的单片微机的寻址能力已突破的寻址能力已突破64KB的限制，的限制，8位、位、16位的位的单片微机有的寻址能力已达到单片微机有的寻址能力已达到1MB和和16MB。片内片内ROM的容量可达的容量可达62KB，RAM的容量可的容量可达达2KB。1.2 801.2 80C51C51系列单片微机系列单片微机 8051是美是美INTEL公司在公司在1980年推出的年推出的MCS-51系列系列的第一个成员，的

14、第一个成员，MCS是是INTEL公司的注册商标。其它公司的注册商标。其它公司生产的以公司生产的以8051为核心单元的其它派生单片微机却不为核心单元的其它派生单片微机却不能称为能称为MCS-51系列，只能称为系列，只能称为8051系列。系列。8051系列泛系列泛指所有公司（也包括指所有公司（也包括INTEL公司）生产的以公司）生产的以8051为核心为核心单元的所有单片微机。单元的所有单片微机。80C51系列包括系列包括Intel公司的公司的MCS-51，又包括了以，又包括了以8051为核心为核心世界许多公司生产的单片微机，比如世界许多公司生产的单片微机，比如PHILIPS(飞利浦公司飞利浦公司)

15、的的83C552及及51LPC系列等、系列等、SIEMENS(西门子公司西门子公司)的的SAB80512等、等、AMD(先进微先进微器件公司器件公司)的的8053等、等、OKI(日本冲电气公司日本冲电气公司)的的MSM80C154等、等、ATMEL公司的公司的Flash单片微机单片微机89C51等、等、DALLAS公司的公司的DS5000/DS5001等、华邦公司的等、华邦公司的W78C51及及W77C51等。等。从从MCS48单片微机发展到如今的新一代单片单片微机发展到如今的新一代单片微机，大致经历了三代。如以微机，大致经历了三代。如以Intel8位单片微机为例，位单片微机为例，第一代：以第

16、一代：以MCS48系列单片微机为代表。属系列单片微机为代表。属于低性能单片微机阶段。于低性能单片微机阶段。第二代：以第二代：以MCS5l系列的系列的8051、8052单片微单片微机为代表。机为代表。主要的技术特征是为单片微机配置了完善的外主要的技术特征是为单片微机配置了完善的外部并行总线（部并行总线（AB、DB、CB）和具有多机识别功能的和具有多机识别功能的串行通信接口（串行通信接口（UART），），规范了功能单元的特殊功规范了功能单元的特殊功能寄存器（能寄存器（SFR）控制模式及适应控制器特点的布尔控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统，为发展具有良好兼容性的新一处理系统和指令系统

17、，为发展具有良好兼容性的新一代单片微机奠定了良好的基础。代单片微机奠定了良好的基础。第三代：以第三代：以80C51系列单片微机为代表。系列单片微机为代表。它包括了它包括了Intel公司发展公司发展MCS51系列的新一代系列的新一代产品，如产品，如8XC152、80C51FA/FB、80C5lGA/GB石石XC451、8XC452，还包括了还包括了Phlips、Siemens、ADM、Fujutsu、OKI、ATMEL等公司以等公司以80C51为核心推出的为核心推出的大量各具特色、与大量各具特色、与MCS51兼容的单片微机。兼容的单片微机。部分厂家所生产的部分厂家所生产的80C51系列或与之相兼

18、容的单系列或与之相兼容的单片微机的特点列于表片微机的特点列于表1l、表表1一一2及表及表1一一3中。中。80C51系列单片微机保留了系列单片微机保留了MCS51的所有特性，的所有特性，内部内部87C51是是80C51含含EPROM的产品，的产品，89C51是是80C51含含EEPROM的产品。新一代的的产品。新一代的80C51系列除了上述的结系列除了上述的结构特性外，还向外部电路扩展，有的公司型号配备了串行构特性外，还向外部电路扩展，有的公司型号配备了串行扩展线，比如芯片间的总线扩展线，比如芯片间的总线(飞利浦公司的飞利浦公司的I2C总线总线)、设、设备间网络系统总线备间网络系统总线(CAN总

19、线总线)等，为外部提供了完善的总等，为外部提供了完善的总线结构。采用总线线结构。采用总线方式的应用系统多属较复杂的工控系方式的应用系统多属较复杂的工控系统、智能仪表、监测系统，或满足这些应用而构成的多机统、智能仪表、监测系统，或满足这些应用而构成的多机与网络系统。总线方式的单片微机在不使用外部并行总线与网络系统。总线方式的单片微机在不使用外部并行总线时，外部并行总线引脚可作为时，外部并行总线引脚可作为I/O口用。在掩膜用户程序口用。在掩膜用户程序时，还可要求将这些时，还可要求将这些I/O口改造成具有各种驱动能力的口改造成具有各种驱动能力的I/O口。根据应用的需要，部分产品对总线结构作了重大口。

20、根据应用的需要，部分产品对总线结构作了重大改进，推出了非总线型单片微机，其对外部不存在并行三改进，推出了非总线型单片微机，其对外部不存在并行三总线总线(AB、DB、CB)，必要时可以通过串行总线进行扩展。必要时可以通过串行总线进行扩展。1.31.3单片微机的应用单片微机的应用 按照所使用单片微机的类型不同，单片微机应按照所使用单片微机的类型不同，单片微机应用系统结构可分成总线方式和非总线方式。用系统结构可分成总线方式和非总线方式。在总线方式的应用系统中，单片微机具有完善在总线方式的应用系统中，单片微机具有完善的外部扩展总线，如并行总线（的外部扩展总线，如并行总线（AB、DB、CB）、）、串串行

21、通信总线（如行通信总线（如UART），），通过这些总线可方便地扩通过这些总线可方便地扩展外围单元、外设接口等。总线方式的单片微机在不展外围单元、外设接口等。总线方式的单片微机在不使用外部并行总线时，外部并行总线引脚可作为使用外部并行总线时，外部并行总线引脚可作为I/O口用。口用。非总线方式的应用系统（如非总线方式的应用系统（如80C51系列中的系列中的83C751、87C751，83C752、WC752，Motorola的的MC68HC05系列中的许多产品）省去了外部并行总线，系列中的许多产品）省去了外部并行总线，可构成各种小封装芯片，有限的引脚可提供更多的用可构成各种小封装芯片，有限的引脚可

22、提供更多的用户户I/O口。口。l家用电器领域家用电器领域国内各种家用电器已普遍采用单片微机控制取代国内各种家用电器已普遍采用单片微机控制取代传统的控制电路，做成单片微机控制系统，如洗衣机、传统的控制电路，做成单片微机控制系统，如洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电饭堡、电视机、录像机电冰箱、空调机、微波炉、电饭堡、电视机、录像机及其它视频音像设备的控制器。及其它视频音像设备的控制器。2办公自动化领域办公自动化领域比如一台比如一台PC机可能嵌入了机可能嵌入了10个单片微机，如控个单片微机，如控制键盘、鼠标、显示器、制键盘、鼠标、显示器、CD-ROM、声卡、打印机、声卡、打印机、软软/硬盘驱动器、调

23、制解调器等。硬盘驱动器、调制解调器等。现代办公室中所使用的大量通信、信息产品，如现代办公室中所使用的大量通信、信息产品，如绘图仪、复印机、电话、传真机等，多数都采用了单绘图仪、复印机、电话、传真机等，多数都采用了单片微机。片微机。3工业自动化领域的在线应用工业自动化领域的在线应用如工业过程控制、过程监测、工业控制器及机如工业过程控制、过程监测、工业控制器及机电一体化控制系统等，许多都是以单片微机为核心的电一体化控制系统等，许多都是以单片微机为核心的单机或多机网络系统。如工业机器人的控制系统是由单机或多机网络系统。如工业机器人的控制系统是由中央控制器、感觉系统、行走系统、擒拿系统等节点中央控制器

24、、感觉系统、行走系统、擒拿系统等节点构成的多机网络系统。而其中每一个小系统都是由单构成的多机网络系统。而其中每一个小系统都是由单片微机进行控制的。片微机进行控制的。4.智能仪器仪表与集成智能传感器领域智能仪器仪表与集成智能传感器领域应用单片微机来对传统的仪器仪表行业的产品应用单片微机来对传统的仪器仪表行业的产品进行进行“更新换代更新换代”，提供了非常理想的的条件。目，提供了非常理想的的条件。目前各种变送器、电气测量仪表普遍采用单片微机应用前各种变送器、电气测量仪表普遍采用单片微机应用系统替代传统的测量系统，使测量系统具有各种智能系统替代传统的测量系统，使测量系统具有各种智能化功能，如存储、数据

25、处理、查找、判断化功能，如存储、数据处理、查找、判断、联网和语联网和语音功能等音功能等。5汽车电子与航空航天电子系统汽车电子与航空航天电子系统通常在这些电子系统中的集中显示系统、动力监通常在这些电子系统中的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驭系统、通信系统以及运行监视测控制系统、自动驾驭系统、通信系统以及运行监视器（黑匣子）等，都要构成冗余的网络系统。比如一器（黑匣子）等，都要构成冗余的网络系统。比如一台台RMW-7系列宝马轿车就用了系列宝马轿车就用了63个单片微机。个单片微机。单片微机的应用正从根本上改变着传统的控制系单片微机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必

26、须由模拟电路或数字统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片微机电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片微机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件，并能提通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。这标志高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。这标志着一种全新概念的建立。着一种全新概念的建立。1.4 1.4 本教程的教学安排本教程的教学安排 本书以本书以MCS-51系列为典型，来介绍单片微机硬系列为典型，来介绍单片微机硬件结构和软件知识。硬件知识则是指件结构和软件知识。硬件知识则是指MCS-51的硬件的硬

27、件资源，如资源，如I/O口、定时器口、定时器/计数器、中断系统等。软件计数器、中断系统等。软件知识是指知识是指MCS-51的寻址方式、指令系统以及程序设的寻址方式、指令系统以及程序设计等。计等。电气自动化专业教程总的参考教学时数为电气自动化专业教程总的参考教学时数为72学时，其学时，其中上课时间为中上课时间为40学时，课程设计时间为学时，课程设计时间为2周（周（32学学时）。时）。外专业教程总的参考教学时数为外专业教程总的参考教学时数为48学时，其中上课时学时，其中上课时间为间为40学时，实验上机时间为学时，实验上机时间为10学时。学时。表表1 11 1 PhilipsPhilips公司公司8

28、080C51C51系列的部分单片微机系列的部分单片微机表表1 12 2 ATMELATMEL公司公司8989C51C51系列的部分单片微机系列的部分单片微机 表表1 13 3 华邦公司华邦公司W78C51W78C51和和W77C51W77C51系列的部分单片系列的部分单片微机微机 第一章第一章 微型计算机的基本概念微型计算机的基本概念第一节第一节 概述概述第二节第二节 微处理器微处理器第三节第三节 存储器存储器第四节第四节 输入输出接口电路输入输出接口电路【返回】【返回】 第一节第一节 概概 述述电子计算机的特点及应用电子计算机的特点及应用单片机的特点及应用单片机的特点及应用计算机的基本结构计

29、算机的基本结构微型计算机结构微型计算机结构微型计算机软件微型计算机软件计算机中的数计算机中的数【返回】【返回】电子计算机的特点及应用电子计算机的特点及应用特点：特点：运算速度快运算速度快 精确度高精确度高 一台计算机所用的二进制一台计算机所用的二进制代码位数为字长，表示计算机的计算精代码位数为字长，表示计算机的计算精度。度。 巨型机或大型机字长巨型机或大型机字长3264位，位，微型机字长一般微型机字长一般416位，也有位，也有32位。位。通常计算机能进行双倍字长或多倍字长通常计算机能进行双倍字长或多倍字长运算。运算。具有记忆能力存贮容量，以字长或字节具有记忆能力存贮容量，以字长或字节为单位，约

30、定以为单位，约定以8位二进制数为一字节。位二进制数为一字节。1K字节字节=1024个字节个字节 具有逻辑判断能力具有逻辑判断能力高度自动化：程序控制的自动化操作高度自动化：程序控制的自动化操作高可靠性高可靠性通用性强通用性强应用应用科学计算、数据处理、实时控制、计科学计算、数据处理、实时控制、计算机辅助设计、仪器仪表智能化等。算机辅助设计、仪器仪表智能化等。单片机单片机的特点及应用的特点及应用特点：特点：体积小、重量轻、价格便宜、耗电体积小、重量轻、价格便宜、耗电少。少。可靠性高，抗干扰性能优于采用一可靠性高，抗干扰性能优于采用一般的般的CPU。控制功能强，运行速度快。控制功能强，运行速度快。

31、片内存储器的容量不大；片内存储器的容量不大；I/O引脚少。引脚少。但存储器和但存储器和I/O接口都易于扩展。接口都易于扩展。 应用：应用：家用电器、玩具、游戏机、声像设家用电器、玩具、游戏机、声像设备、电子秤、收银机、办公设备、厨备、电子秤、收银机、办公设备、厨房设备等房设备等“电脑型产品电脑型产品”数控机床、缝纫机械、医疗设备、汽数控机床、缝纫机械、医疗设备、汽车等机电一体化产品车等机电一体化产品打印机、绘图仪等许多计算机外围设打印机、绘图仪等许多计算机外围设备备温度控制、液面控制、生产线顺控制温度控制、液面控制、生产线顺控制等各种工业控制等各种工业控制计算机的基本结构计算机的基本结构硬件硬

32、件主机主机CPU：运算器、控制器运算器、控制器主存储器（内存）主存储器（内存）外设外设外存、输入设备、外存、输入设备、输出设备等输出设备等软件软件微型计算机结构微型计算机结构微处理器芯片微处理器芯片存储器芯片存储器芯片输入输入/输出接口电路输出接口电路总线总线 微型计算机微型计算机以以微处理器微处理器为核心，加上中大规模为核心，加上中大规模集成电路制作的集成电路制作的存储器存储器，输入输入/输出接输出接口口电路，通过电路，通过总线总线所组成的计算机称所组成的计算机称为微型计算机。为微型计算机。微处理器芯片微处理器芯片运算部件运算部件ALU工作寄存器组工作寄存器组控制部件控制部件存储器芯片存储器

33、芯片存储器由许多存储单元组成。存储器由许多存储单元组成。8位微机中，每个存储位微机中，每个存储单元存放单元存放8位二位二进制代码，即一个字节。每个存储单元进制代码，即一个字节。每个存储单元地址唯一。地址唯一。地址：二进制位数地址：二进制位数8，存储容量，存储容量28=256字节。字节。二进制位数二进制位数16，存储容量，存储容量216 =64K字节字节输入输入/输出接口电路输出接口电路在在CPU与外设之间起信与外设之间起信息转换与协调作用的电路。息转换与协调作用的电路。保证信息和数据在外设与保证信息和数据在外设与CPU之间正常传送。之间正常传送。在微型计算机各芯片之间或芯片内部在微型计算机各芯

34、片之间或芯片内部各部件之间传输信息的一组公共通信各部件之间传输信息的一组公共通信线。线。串行发送、并行接收串行发送、并行接收优点：优点：可以减少机器中信息传送线可以减少机器中信息传送线的根数，从而提高机器的可靠性的根数，从而提高机器的可靠性 可以方便地对存储器芯片可以方便地对存储器芯片及及I/O接口芯片进行扩展接口芯片进行扩展。总线总线缓冲器缓冲器三总线结构：三总线结构：数据总线数据总线DB：传送数据信息传送数据信息地址总线地址总线AB：传送地址信息传送地址信息控制总线控制总线CB：传送控制命令传送控制命令小结小结 微处理器、微型计算机、微型计算机系统微处理器、微型计算机、微型计算机系统三者关

35、系。三者关系。单板机：将微处理器、存储器、单板机：将微处理器、存储器、I/O接口接口电路及简单的输入电路及简单的输入/输出设备组装在一块印输出设备组装在一块印制电路板上。制电路板上。单片机：将微处理器、存储器和单片机：将微处理器、存储器和I/O接口接口电路以及其他有关部件集成在一块芯片电路以及其他有关部件集成在一块芯片上。上。【返回】【返回】微型计算机软件微型计算机软件指令指令例例MOVA，#29操作码操作码目的操作数目的操作数源操作数源操作数程序程序29+38+63+56=？MOVA，#29ADDA，#38ADDA，#63ADDA，#56机器语言、汇编语言、高级语言机器语言、汇编语言、高级语

36、言源程序源程序汇编语言程序汇编语言程序高级语言程序高级语言程序汇编汇编(人工汇编人工汇编机器汇编机器汇编)）目标程序目标程序机器语言程序机器语言程序计算机中的数计算机中的数 进位计数制：标示符进位计数制：标示符B、H、D二进制数二进制数特点：特点：数字数字0、1；逢二进一逢二进一00000010B=121=21111.111B=231+221+211+201+2-11+2-21+2-31十六进制数十六进制数特点：特点：数字符号数字符号09，AF；逢十六进一逢十六进一例例74H=7161+4160=116不同进制数之间的转换不同进制数之间的转换二、十六进制数转换成十进制数二、十六进制数转换成十进

37、制数方法：按权展开，然后相加。方法：按权展开，然后相加。0F.8H=0161+15160+816-1=15.511111111B=127+126+125+124+123+122+121+120=255二进制数转换成十六进制数二进制数转换成十六进制数方法：方法：4位二进制数用位二进制数用1位十六进制位十六进制数代替数代替11111111B=FFH00111010.11001000B=3A.C8H表表1-3十六进制数转换成二进制数：十六进制数转换成二进制数：方法：方法：1位十六进制数用位十六进制数用4位二进位二进制数代替制数代替FFH=11111111B2.A4H=0010.10100100B 十

38、十进进制制数数转转换换成成二二进进制制数数、十十六六进进制制数数。 2 25 余余 1 低低 25=11001B 2 12 余余 0 2 6 余余 0 2 3 余余 1 2 1 余余 1 高高 0 16 25 余余 9 25=19H 16 1 余余 1 0整数部分转换方法：整数部分转换方法：十进制数连续被基数十进制数连续被基数2（16）所除，依次记下余数，直到商所除，依次记下余数，直到商0位位止，第一个余数是转换后二进制止，第一个余数是转换后二进制（十六进制数）的最低位，最后一（十六进制数）的最低位，最后一个数是最高位。个数是最高位。小数部分转换方法：小数部分转换方法：十进制数小数连续乘以基十

39、进制数小数连续乘以基数数2（或（或16）依次记下积的整）依次记下积的整数部分，直到积为数部分，直到积为0为止。第为止。第一个数是二（十六）进制数一个数是二（十六）进制数的最高位，最后一个整数是的最高位，最后一个整数是最低位。最低位。 0.6875 2 1.3750 整数部分整数部分 1 0.3750 20.7500 0 2 1.5000 1 0.5000 21.0000 1 0.6875=0.1011B 带符号数的表示带符号数的表示带符号数，最高位带符号数，最高位0正正1负负符号位符号位D6D7D5D4D3D2D1D0数值位数值位图图1-10 8位微机中的带符号数位微机中的带符号数无符号数：0

40、0000000B 0 11111111B 255例：例：11111111B无符号数无符号数255带符号数带符号数-127原码原码正数原码与原值同正数原码与原值同负数原码符号位置负数原码符号位置1，数值，数值位不变位不变46原原=00101110B-46原原=10101110B8位二进制原码表示的数的位二进制原码表示的数的范围：范围：-127+127反码反码正数的反码与原码相同正数的反码与原码相同负数的反码由其绝对值按位负数的反码由其绝对值按位求反后得到。求反后得到。46反反=00101110B-46反反=11010001B8位二进制反码表示的数的范围：位二进制反码表示的数的范围：-127+12

41、7补码：补码：正数补码与原码同正数补码与原码同负数的补码为其反码加负数的补码为其反码加18位二进制补码表示的数的范围位二进制补码表示的数的范围：-128+127对负数补码求反后加对负数补码求反后加1，回复为，回复为该数的绝对值。该数的绝对值。+0补补=-0补补=00000000BA-B=A+-B补补二进制编码的十进制数二进制编码的十进制数二二十进制数：十进制数：BCD码码一个十进制数用四个二进制一个十进制数用四个二进制数表示数表示10=00010000BCD十进制调整指令十进制调整指令DAA若若（A0-3）9或（），或（），则（则（A0-3）（A0-3）06若（若（4-7）9或或（CY）=1，

42、则（则（4-7）（4-7）+06H例：例：48+6948=01001000BCD69=01101001BCD01001000+01101001AC=110110001+01100110100010111117DASCII码码1000011奇校验（奇数个奇校验（奇数个1）01000011偶校验（偶数个偶校验（偶数个1）11000011定点数与浮点数定点数与浮点数定点数定点数 小数点位置固定不变的数小数点位置固定不变的数 小数点定于数值位之后小数点定于数值位之后 小数点定于符号位与小数点定于符号位与 数值位之间数值位之间 符号位符号位 数值位数值位 小数点隐含在此处小数点隐含在此处 符符号号位位

43、数数值值位位 小小数数点点隐隐含含在在此此处处浮点数浮点数N=2P S例例101.11B=1000B 0.10111B=2+11B 0.10111B 阶阶符符 阶阶 码码 尾尾符符 尾尾 数数 P S 尾数尾数S的特征的特征:S为纯小数为纯小数,当当0.5 S 1,称该浮点数称该浮点数为规格化浮点数为规格化浮点数S是有符号数是有符号数,数数N的正或负由的正或负由S来表示来表示S用补码表示用补码表示S所取的位数规定了有效数字的位数所取的位数规定了有效数字的位数阶码阶码P的特征的特征:阶码可正可负，用补码表示阶码可正可负，用补码表示P的位数决定了数的位数决定了数N可表示的范围可表示的范围例例1-2

44、0 某计算机字长某计算机字长16位，其中阶码用五位二位，其中阶码用五位二进制数表示，尾数用九位二进制数表示，阶符、进制数表示，尾数用九位二进制数表示，阶符、尾符各占一位数。试用浮点数形式表示十进制数尾符各占一位数。试用浮点数形式表示十进制数-117.75。-117.75=-1110101.11B =-0.111010111B 2+111B000111B补补=000111B-0111010111B补补=1000101001B其浮点数表示为其浮点数表示为: 0 00111 1 000101001【返回】【返回】第二节第二节微处理器微处理器典型典型8位微处理器结构位微处理器结构：运算器、控：运算器、

45、控制器、工作寄存器组制器、工作寄存器组运算器运算器控制器控制器工作寄存器工作寄存器程序计数器程序计数器【返回】【返回】运算器运算器由由ALU、A、TR、F、二、十进制二、十进制调整电路等组成。调整电路等组成。A（Accumulator）：）：存放操作数；运算存放操作数；运算结果结果TR（TemporaryRegister）：）：暂存操作数，暂存操作数，并送入并送入ALU进行计算。进行计算。v分析指令分析指令ADDA，#24HADDA，R0的执行过程的执行过程F（FlagRegister）Mcs-51中中PSWCACFORS1RS0OVP二、十进制调整电路：二、十进制调整电路：调整二调整二十进制

46、十进制运算的计算结果运算的计算结果控制器控制器指令寄存器指令寄存器IR（InstructionRegister）指令译码器指令译码器ID（InstructionDecoder）控制电路控制电路指令的执行阶段：指令的执行阶段：取指令取指令执行指令执行指令 工作寄存器工作寄存器提高计算机工作速度，简化指令的机器代码。提高计算机工作速度，简化指令的机器代码。 程序计数器程序计数器PC（ProgramCounter）专门用来控制指令执行顺序，字长专门用来控制指令执行顺序，字长16位位上电（复位）时上电（复位）时PC自动装入自动装入0000H一般单片机每取一次机器码，一般单片机每取一次机器码，PC自动加

47、自动加1PC的内容可用指令改写。的内容可用指令改写。例：下列程序存放在例：下列程序存放在64K8位的位的EPROM中，中，(000FH)0000H7408HMOVA，#08H(0011H)0002H75F076MOVB，#76H(0014H)0005H25E0ADDA，A(0016H)0007H25F0ADDA，B(0018H)0009H022000LJMP2000H(001BH)000CH要求：要求：1、指令执行过程（、指令执行过程（PC管理程序执行次序管理程序执行次序)2、写出每条指令首址（、写出每条指令首址（000FH开始）开始）3、该程序段共占用内存单元数。、该程序段共占用内存单元数。

48、4、执行、执行ADDA，A时，时，PC内容？内容？5、执行执行ADDA，B后，后，A，B，PC的内的内容？容？6、CPU取回指令取回指令LJMP2000H并执行该并执行该指令时，（指令时，（PC）=？执行后执行后（PC）=？【返回】【返回】作业作业:1.2.18 1.2.23 1.2.43:1.2.18 1.2.23 1.2.43第三节第三节存储器存储器存放信息（程序、数据）存放信息（程序、数据）主要指标：存贮容量；存取速度主要指标：存贮容量；存取速度存储器分类存储器分类存储器结构存储器结构堆栈堆栈【返回】【返回】存储器分类存储器分类RAM：又称读写存储器，数据存储器又称读写存储器，数据存储器

49、特点：掉电后存放的信息将丢失。特点：掉电后存放的信息将丢失。ROM：又称程序存储器又称程序存储器特点：掉电后存放的信息不会丢失。特点：掉电后存放的信息不会丢失。典型典型RAM芯片芯片2114（1KBX4位）位）6116（2KBX8位）位）6264（8KBX8位）位）典型的典型的EPROM芯片芯片2716（2KBX8位）位）2732（4KBX8位）位）2764（8KBX8位）位）27128（16KBX8位）位）存储器结构：存储器结构：由存储体、地址寄存器、由存储体、地址寄存器、地址译码器、存储器输入地址译码器、存储器输入/输输出控制电路等部分组成。出控制电路等部分组成。分析：若某存储器芯片有分析

50、：若某存储器芯片有12根地根地址线、址线、8根数据线，根数据线，那么那么1）该芯片有多少个存储单）该芯片有多少个存储单元？元？2）每个存储单元存放多少）每个存储单元存放多少位二进制数？位二进制数？3）用十六进制数写出它的）用十六进制数写出它的首地址和末地址。首地址和末地址。 堆栈堆栈是是RAM中的一个特殊的区域，是一组按照中的一个特殊的区域，是一组按照“先进先进后出后出”的方式工作的，用于暂存信息的存储单元。的方式工作的，用于暂存信息的存储单元。设置堆栈的目的：设置堆栈的目的：保存断点地址和现场信息保存断点地址和现场信息例：例：0123HACALLSUB0125HMOVA，RO0345HSUB

51、：MOVR3，A断点地址：断点地址：0125H现场信息：现场信息：A，工作寄存器及标志寄存器中的信息工作寄存器及标志寄存器中的信息堆栈操作方式堆栈操作方式进栈进栈PUSHX;(SP)(SP)+1(SP)(X)出栈出栈POPX;(X)(SP)(SP)(SP)-1堆栈指针堆栈指针SP：专用地址寄存器，指明栈专用地址寄存器，指明栈顶位置，管理堆栈。顶位置，管理堆栈。例：例：MOVSP，#60H；建立堆栈建立堆栈PUSHAPUSHBMCS-51单片机堆栈的工作过程单片机堆栈的工作过程MOVSP，#0E0H；建立堆栈建立堆栈E3HMOVA，#24HE2HMOVB，#0F1HE1HPUSHAE0HPUSH

52、B堆栈的工作过程堆栈的工作过程【返回】【返回】作业作业:1.1.:1.1.38 1.1.4038 1.1.40第四节第四节输入输出接口电路输入输出接口电路 输入输出接口电路的功能输入输出接口电路的功能计算机与外围设备间传送的信息计算机与外围设备间传送的信息I/O电路的端口编址方法电路的端口编址方法数据传送方式数据传送方式 【返回】【返回】输入输出接口电路的功能输入输出接口电路的功能-输入输出设备与CPU的连接锁存（数据）作用锁存（数据）作用变换作用变换作用:信息转换信息转换、电平转换电平转换缓冲缓冲地址译码地址译码联络作用联络作用计算机与外围设备间传送的信息计算机与外围设备间传送的信息数据信息

53、数据信息状态信息状态信息控制信息控制信息I/O电路的端口编址方法电路的端口编址方法 存储器单元与接口电路端口统一编址。存储器单元与接口电路端口统一编址。 MCS-51采用此编址方法采用此编址方法 存储器单元与接口电路端口分别编址。存储器单元与接口电路端口分别编址。数据传送方式数据传送方式无条件传送方式：接口电路与外无条件传送方式：接口电路与外设之间只传送数据信息。设之间只传送数据信息。最简单，所配置的硬件和软件最少最简单，所配置的硬件和软件最少查询传送方式：交换数据、状态、查询传送方式：交换数据、状态、控制三种信息。控制三种信息。CPU利用受影响；不能处理掉电、利用受影响；不能处理掉电、设备故

54、障等突发事件。设备故障等突发事件。直接数据通道传送方式直接数据通道传送方式利用硬件（利用硬件（DMA控制器），使数据控制器），使数据在高速的外设与内存之间直接进行在高速的外设与内存之间直接进行批量传批量传送，不通过送，不通过CPU。优点：传送速度快，优点：传送速度快，约约1s/字节字节缺点：需缺点：需DMA控制器，电路复杂，成本控制器，电路复杂，成本高。高。中断传送方式中断传送方式最常用的数据传送方式最常用的数据传送方式中断中断：是指当机器正在执行程序的过程中，是指当机器正在执行程序的过程中，一旦遇到异常情况或特殊请求时，就暂时停一旦遇到异常情况或特殊请求时，就暂时停止正在执行的程序，而转入必

55、要的处理（称止正在执行的程序，而转入必要的处理（称为中断处理或中断服务），并且在处理完毕为中断处理或中断服务），并且在处理完毕后，立即回到原来被停止程序的间断处（称后，立即回到原来被停止程序的间断处（称为断点）继续执行。为断点）继续执行。中断的用途：中断的用途：传送数据、实时控制、故障自传送数据、实时控制、故障自动处理、实现人机联系等。动处理、实现人机联系等。中断的优越性：中断的优越性：提高了提高了CPU工作效率并且使工作效率并且使其可以同时为多个外设服务；实现实时控制；其可以同时为多个外设服务；实现实时控制；可以处理设备故障、掉电等突发事件。可以处理设备故障、掉电等突发事件。外设向外设向CP

56、U发出中断请求信号的条件发出中断请求信号的条件：A、外设本身的工作已完成。外设本身的工作已完成。B、计算机系统允许该外设发中断请求信号。计算机系统允许该外设发中断请求信号。CPU响应中断的条件：响应中断的条件：接口电路和接口电路和CPU处处在允许中断状态。在允许中断状态。中断源和中断优先权中断源和中断优先权中断源：能发出中断请示的各种来源。中断源：能发出中断请示的各种来源。中断优先权中断优先权A、多个中断源同时申请中断时，多个中断源同时申请中断时，CPU先响先响应优先权高的。应优先权高的。B、可以中断嵌套，即若有级别高的中断请可以中断嵌套，即若有级别高的中断请示则示则CPU暂时中断已在进行的级

57、别低的中断服暂时中断已在进行的级别低的中断服务程序，响应高级别中断请求执行完后再返回务程序，响应高级别中断请求执行完后再返回原低级别中断服务程序继续执行。原低级别中断服务程序继续执行。C、同或低级中断请求，同或低级中断请求，CPU要在处理的中要在处理的中断服务程序执行完毕返回主程序，并执行了主断服务程序执行完毕返回主程序，并执行了主程序一条指令后才响应。程序一条指令后才响应。中断服务程序流程图中断服务程序流程图【返回】【返回】作业:1.1.21.1.28 8输入设备输入设备控制器控制器输出设备输出设备存储器存储器运算器运算器数据数据数据数据数据数据输出指令输出指令输入指令输入指令外围设备外围设

58、备接口接口CPU内存内存存取命令存取命令指令指令操作命令操作命令主机主机 图图1-1 计算机结构计算机结构【返回】【返回】图图 1-2 微型计算机结构微型计算机结构微处理器微处理器存储器存储器接口接口I/O外外设设地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线【返回】【返回】 0000 0000 0000 0001 0000 0010 0000 0011 0000 0100 1111 1110 1111 1111图图1-3存储器示意图存储器示意图 0011 1100 1010 0011 1110 0101 . . .缓冲器缓冲器缓冲器缓冲器缓冲器缓冲器芯芯片片芯芯片片芯芯片片12N图图1-4

59、8位总线位总线【返回】12ABC1C2图图1-6双向三态门双向三态门【返回】微型微型计算计算机系机系统统硬硬件件微型计微型计算机算机微处理器微处理器存储器存储器总线总线电源电源外围设备外围设备软件软件图图 1-7 微形计算机系统微形计算机系统【返回】【返回】I/O接口电路接口电路0111010000100100000001000010010000111000001001000010010000111111第四条指令第四条指令第三条指令第三条指令第二条指令第二条指令第一条指令第一条指令00000000.图图1-8 存储器中的程序存储器中的程序【返回】00000001000000100000001

60、1000001000000010100000110000001110000100000001001缓冲器缓冲器PC缓冲锁存缓冲锁存工作工作寄存器组寄存器组SP地址总线地址总线 数据总线数据总线ATRFIRID内部总线内部总线BCD调整调整定时定时与控制与控制:内部控制线内部控制线控制总线控制总线【返回】【返回】图图114 典型微处理器结构框图典型微处理器结构框图ALU存储器存储器内存储器内存储器RAMROM静态静态RAM动态动态RAM掩模式掩模式ROMPROMEPROMEEPROM外存储器外存储器磁带磁带磁盘磁盘图图1-15 存储器分类存储器分类【返回】【返回】图图1-16 存储器结构框图存储器结构框图【返回】V1V2V5