第1章微型计算机的基本概念

单片微机原理及应用2023/2/31教材书名：《单片微机原理及应用》第3版出版社：机械工业出版社作者：丁元杰2023/2/32课程目的和基本要求

理解微型计算机的基本概念掌握MCS-51系列单片机的硬件结构MCS-51系列单片机的部件了解其工作方式掌握MCS-51系列单片机的指令系统掌握MCS-51系列单片机系统的扩展方法掌握MCS-51系列单片机系统的接口方式2023/2/33成绩评定

开卷考试(带教材与手写笔记)笔试(60)+平时成绩(10)+上机考试(20)+实验报告(10)2023/2/34绪论问题引入假设要设计一个电力监测的信息采集与传输终端，实现以下功能:(1)多种信号的数据采集(2)数据效验，帧结构制定(3)本地存储(4)液晶（LCD）屏显示相关信息(5)通过3G/GPRS网络与后台主机通信(6)按键实现人机交互2023/2/35绪论如何实现？2023/2/36绪论最简单的方法是，我们需要一个器件，该器件支持以下功能：(1)内含微处理器，有自己的机器语言，可以按需编程(2)有并行接口，可以外接数据输入、存储器、液晶显示模块等(3)有串口，可以连接GPRS/3G模块(4)有外部中断输入接口(5)内置定时/计数器(6)内部拥有程序运行所需的寄存器与存储器这个器件可由单片机承担2023/2/37绪论单片微型计算机：计算机

体积小、价格低、使用方便

微型计算机

微型计算机

主要部件集成在一块芯片上

单片微型计算机单片微型计算机又称为单片微机、单片机、微控制器

2023/2/38绪论 CPU

存储器RAM单片机ROM I／O接口

定时器／计数器、中断系统

功能部件

A／D、D／A、DMA

2023/2/39第1章

微型计算机的基本概念

§1概述§2微处理器§3存储器§4I/O接口电路

2023/2/310§1概述1－1计算机的组成计算机结构2023/2/311§1概述1－1计算机的组成2.寻址能力

寻址能力指CPU对内存访问的空间的大小，它取决于地址总线的宽度。10位10241K20位1024K1M30位1024M1G40位1024G1T50位1024T 1P60位1024P1E2023/2/312§1概述1－1计算机的组成3.字长:机内的所有信息均用二进制表示

计算机所用二进制代码的位数称为该计算机的字长8位

字节byte16位

字word32位

双字doubleword

PC／XT286386486586数据线（字长）816323232（64）地址线2024323232最大物理内存1M16M4G4G4G

2023/2/313§1概述1－1计算机的组成4.微型计算机结构

在大规模集成电路技术的支撑下，计算机可做到体积小，重量轻，使用方便，功能完备，形成微型计算机。

2023/2/314§1概述1－1计算机的组成4.微型计算机结构CPU(中央处理单元

微处理器)

CPU是微型计算机的核心，它包含：ALU：对输入CPU的数据进行运算（算术及逻辑运算）控制器：完成同步定时（时钟电路）及产生控制信号（控制电路）工作寄存器：存放操作数及中间结果2023/2/315§1概述1－1计算机的组成4.微型计算机结构存储器memory：

完成记忆功能，用于存储数据，由多个存储单元构成。存储单元：具有特定地址的存储单位，存储信息分为若干二进制位，8位机为8位（bit）,即1byte，16位机为16位，即1个字（word）。地址：访问某存储单元的特定位置编号（例如，要在教室找某一个人，要知道他在几排第几位），地址由二进制码构成，二进制位数决定了单元多少。2023/2/316§1概述1－1计算机的组成4.微型计算机结构存储容量：存储容量与地址位数相关8位地址28为256个存储单元16位地址216为64K20位地址220

为1M存储器读：CPU从存储器中取数据的过程，读数 据不影响原存储单元内容。存储器写：CPU将数码写入存储器的过程，写入 的新数据取代原数据。2023/2/317§1概述1－1计算机的组成4.微型计算机结构I／O接口电路：CPU与外设之间的桥梁，完成速度匹配，数据格式转换（串并转换，位数转换），信号转换等功能。

2023/2/318§1概述1－1计算机的组成4.微型计算机结构

总线：微型计算机的各芯片间或芯片内部各部件之间的一组公共通信线。总线分DB（databus）AB（addressbus）CB（controlbus）总线结构大大减少了连线数量，但必须使用缓冲器，并分时传送。2023/2/319§1概述1－1计算机的组成4.微型计算机结构2023/2/320§1概述1-2微型计算机的软件

软件是使微机自动工作的必要条件。

软件是控制及管理计算机的多种program，而program是由各种微机可识别的instruction构成。指令：是控制计算机的各种操作命令，特定的微机有特定的指令系统（指令译码器），指令分操作码及操作数。MOVA，#20H

操作码

目的操作数

源操作数程序：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微型计算机的软件机器语言、汇编语言、高级语言机器语言：机器可执行的二进制代码。汇编语言：由微机特定指令系统形成的编程语言，速度快，适用于精确控制，但编程复杂，不可通用。高级语言：独立于机器的语言，易学易用。无论汇编语言，还是高级语言，最后都要转换成机器语言才能执行。

2023/2/322§1概述1-2微型计算机的软件机器语言、汇编语言、高级语言

汇编语言程序查表（一一对应）机器语言程序汇编程序

编译程序高级语言程序机器语言程序解释程序源程序目标程序2023/2/323§1概述1-3计算机中的数（1）进位制：数值按不同的进位方法，常分为二进制（B）、十进制（D）、十六进制（H）。*二进制：计算机中使用的计数制，只有0、1两个符号，逢2进1。1100．101

*十六进制数

可认为是对二进制数的简化表现形式，它与二进制数有明显的对应关系。

包含0、1…9、A、B、C、D、E、F16个符号，逢16十六进1

2023/2/324§2微处理器

由于前面已讲，微机由CPU（微处理器）、存储器、I/O接口电路组成，以下分别讲这些内容。微处理器由运算器、控制器、工作寄存器三部分组成。微处理器外部有三总线，内部为单总线结构，如图

2023/2/325§2微处理器

2-1运算器

运算器由算术逻辑单元（ALU）、A（Accumulator）,标志寄存器Flag(或PSW),暂存寄存器TR，BCD调整电路组成。（1）ALU、TR与A*ALU完成各种运算操作（算术及逻辑运算）*ALU源数据来自TR或A，其中与A的数据交换是双向的，即ALU既可从A中得到源数据，又可将数据放回A，而从TR得到数据是单向的，由于分时传数，TR起缓冲作用。*数据要经过内部总线传送。（2）Flagregister，亦称PSW由于存放ALU运算结果的特征，（OV、C、AC等）（3）BCD调整用于在BCD码参与运算时，对结果进行调整。2023/2/326§2微处理器2-2控制器

控制器包含了IR、ID及定时与控制电路执行一条指令需要IR、ID与定时/控制电路协同完 成从存储器取回该指令的机器码，送IR寄存，直到执 行完毕。由ID译码，识别该指令功效由定时/控制电路产生一系列控制信号，控制各部 件执行这一指令，定时/控制电路还可接收外部 的控制信号或输出控制信号。2023/2/327§2微处理器

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就是两个重要的特殊功能寄存器。 通用寄存器将在以后介绍，现简介PC及SP。2023/2/328§2微处理器

2-3工作寄存器（1）

PC（programcounter）PC是管理程序执行顺序的特殊功能寄存器（顺序执行及跳转）*复位，复位后PC总为0，故总从0000处开始执行。*计数，取指令时总是根据PC内容为地址，而每取回一字节PC就自动+1，故在执行指令时，PC总是指向下一条指令的地址。如右图，在执行A指令时，PC值为B指令的地址

A指令

B指令*置位，PC值可直接从总线得到，这样可实现跳转 如上图，若A指令为跳转指令，在执行A时，PCB指令 而A指令执行完后，PC值会发生变化。2023/2/329§2微处理器

2-3工作寄存器

（1）

PC（programcounter）例下面语句的执行过程：0000H74H08HMOVA，#08H0002H24H04HADDA，#04H0004H24H05HADDA，#05H0006H02H22H00HLJMP2200H0009H…2200H78H7FHMOVRO，#7FH2023/2/330§2微处理器

2-3工作寄存器

（2）SP（stackpointer）

堆栈是一块内存区域，遵循先进后出原则，用于保留一些参数用PUSH或POP语句访问SP为最后入栈数据的地址 PUSH时，先SP+1，再以SP为地址放数POP时，先按SP为地址取数，再SP-1

2023/2/331§3存储器3-1概述计算机要完成一系列的运算及控制功能，必须有载体存放其程序及数据，这就是存储器。

（1）存贮器分类：外存的数据首先读到内存再参与工作。

2023/2/332§3存储器3-1概述（2）

存贮器结构（内存）存贮器由存贮体、AR、AD（地址译码器）、I/O控制电路组成。存贮体由众多存贮单元构成一种地址线的信号组合称为一个地址,它对应于一个存贮单元一个存贮单元可有一位，四位或八位等总共存贮容量为2N*Mbits其中N为地址线根数，M为存贮单元位数，若M为8，则存贮容量为2NBytes.如图2023/2/333§3存储器3-2RAM（略）3-3ROM（略）3-4堆栈stack堆栈是微型计算机中随机存取存贮器RAM中的一个特殊区域，是一组用先进后出方式暂存信息的一组存贮单元。2023/2/334§3存储器3-4堆栈stack

（1）

堆栈的作用用于交换信息：用PUSH指令把信息压入堆栈，再用POP指令把信息取出，起到交换信息的作用。在调用子程序时，用于保留现场信息和断点地址。

在调用程序后要恢复执行程序，并继承原有的有关信息，要用到堆栈。 Pushpop主程序子程序2023/2/335§3存储器3-4堆栈stack（1）

堆栈的作用保留现场信息用PUSH指令，保留断点地址在callnn时由硬件自动实现。恢复现场地址在子程序中由RET指令自动实现，恢复现场信息由POP指令实现。由堆栈先进后出的原则可顺序实现子程序嵌套2023/2/336§3存储器3-4堆栈stack(2)堆栈指针（stackpointer）既然堆栈是RAM中的一组特殊的存贮单元，那么必须对其寻址，寻址是靠SP寄存器实现的。由于MCS-51的RAM为128或256bytes,故SP为一个8位寄存器，它的值就是当前栈顶的位置（地址），即最后一次压入堆栈的数据的存放地址。建立堆栈用MOVSP，#data实现，在执行PUSH时SPSP+1，（SP）数据。在执行POP时（SP）单元内容SPSP-12023/2/337§3存储器3-4堆栈stack(2)堆栈指针（stackpointer）例：

l

断点地址（1234H，5678H）实际是Call指令下一条语句的地址，因为执行Call指令时，PC值为下一条语句。l

SP初值为60H，由于SP为栈顶，在放数入栈时，SP要完成加1，故断点地址从61H开始存放。l在放地址时，实际是把PC的值入栈，要遵循低字节先，高字节后的原则，

RET返回时，则先高后低。2023/2/338§4I/O接口电路4-1概述微型计算机主要包含CPU、存贮器、I/O电路，可见I/O接口电路为其重要组成部分。（1）I/O接口电路主要功能：锁存：速度匹配，暂存数据*数据锁存与缓冲缓冲：数据（地址）经I/O电路挂入总线格式转换（串并转换）*信息转换A/D、D/A转换电平转换*地址译码CPU在挂接多个外设时，要对某个特定外设选通， 需要地址译码，见图。2023/2/339§4I/O接口电路4-1概述(2)计算机与外设之间的信息交换通常计算机与外设间交换多种信息

*数据信息：CPU从外设读取数据（如键盘）或将数据写入外设（打印机）。*状态信息，从外设到计算机，如打印机在打印时会遇busy信息到计算机，使计算机暂不发送数据。*控制信息从计算机到外设，如计算机在向打印机发送数据后会发出控制信息给打印机，告诉它数据准备就绪。三种信息或者分端口传送或者分时传送。见图

2023/2/340§4I/O接口电路4-1概述（3）端口编址一个计算机可能连接多个I/O设备，必须有一种办法来选定特定的I/O电路及其设备，因此存在一个I/O接口电路编址的问题。l

把I/O接口电路当成存贮器统一对待，象访问存贮器一样的方法访问接口电路。特点：编程方便，但占用内存地址。l

存贮单元与接口电路分别编址，因此接口电路的地址可以与存贮单元相同，但可用指令区分之。

2023/2/341§4I/O接口电路4-2数据传送方式计算机与外设的数据交换，通常有下面4种方式：（1）无条件传送CPU和外设访问不用关心数据是否就绪或丢失，按各自需要收、发数据。CPU传感器（慢变化）不必担心丢失数据（CPU随时读数据）

CPU显示（快显示）不必担心来不及显示（CPU随时发数据）

2023/2/342§4I/O接口电路4-2数据传送方式（2）

查询方式计算机和外设间需要知道对方状态，再进行数据交换，以免丢失数据或错误。查询方式缺点是：CPU大量时间花在查询等待上，会降低效率。

2023/2/343§4I/O接口电路4-2数据传送方式（3）中断方式l

中断特点 中断是计算机的一项重要功能，用于实现数据传输，实时控制，故障处理等多种功能。 中断用于处理突发事件，把CPU从反复的查询等待中解放出来，不影响CPU的其它工作，大大提高了工作效率。中断利于处理多种类事务的请求

中断过程如右图所示

2023/2/344§4I/O接口电路4-2数据传送方式（3）

中断方式l

中断系统实现中断的软硬件称为中断系统。*中断请求外设向CPU申请中断要有两个条件：1)外设向CPU发出申请，一般在外设数据准备好，请求CPU接收或外设请求CPU发送数据时，发出信号；2)CPU要允许中断，否则就算外设有中断申请，CPU也不会理会。下面照图分析中断逻辑

2023/2/345§4I/O接口电路4-2数据传送方式（3）

中断方式l

中断系统*中断优先权问题：用于解决多个中断同时出现问题中断系统可有多中断源引脚，其优先权在计算机设计制造时就有规定，无法自行更改。中断系统可能有多个优先级，各中断源属于哪一个优先级，可由软件实现。

例可能同一引脚包含多个中断外设事件，可通过附加电路及软件实现。

2023/2/346§4I/O接口电路4-2数据传送方式（3）

中断方式l

中断系统*中断优先权问题优先权处理方法：多个中断源同时中断申请时，CPU先响应优先级高的中断请求。在处理低优先级的中断时，若遇到高优先级的中断，则CPU暂停当前中断服务程序，去响应高优先级的中断，待完毕后再继续执行原中断服务程序，叫做中断嵌套。在处理中断时，若遇同级或级别低的中断，则继续执行当前中断服务程序，待执行完返回主程序，对执行一条指令后，再转去执行别的中断服务程序。

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