单片微机原理系统设计与应用：第1章 微型机的基本知识

目录第1章微型机的基本知识第2章MCS-51单片机硬件结构第3章MCS-51指令系统第4章汇编语言程序设计第5章存储器系统设计第6章MCS-51定时/计数器、串行口及中断系统下页上页第7章I/O接口扩展设计及应用第8章数/模、模/数转换器接口第1章微型机的基本知识下页回目录上页1.1微处理器、微型机和单片机的概念

1.2微型机模型的组成上页下页回目录1.3微机系统1.4单片微型计算机单片机=CPU+M+I/O1.1微处理器、微型机和单片机的概念

1．微处理器2．微型机3．微机系统上页下页回目录外部设备地址总线AB图1-1微型计算机组成DB数据总线

CPU微处理器

M存储器I/O接口电路

控制总线CBCentralProcessingUnitMicroprocessorMicrocomputerMicrocomputerSystem4.单片机SingelChipMicrocomputerOneChipMicrocomputerMicrocontrollerElectronicControlUnit（ECU）1.2微型机模型的组成上页下页回目录P5

一、CPU的内部结构

运算器由

算术逻辑单元ALU（ArithmeticLogicUnit）

累加器A（Accumulator）

标志寄存器F（Flag)

寄存器组R（Registers）

相互之间通过内部总线连接而成。它的主要作用是进行数据处理与加工

1.运算器上页下页回目录见P5

图1-2CU（ControlUnit）由

程序计数器PC（ProgramCounter）

指令寄存器IR（InstructionRegister）

指令译码器ID（InstructionDecoder）

操作控制部件或称为组合逻辑阵列

PLA（

ProgrammedLogicArray）

时序发生器（图1-2中略）等电路组成2.控制器

控制器的主要作用有：

解题程序与原始数据的输入

从内存中取出指令并译码

控制运算器对数据信息进行传送与加工

运算结果的输出

外部设备与主机之间的信息交换

计算机系统中随机事件的自动处理等上页下页回目录见P5

图1-2“+1”计数3.CPU中的主要寄存器

上页下页（1）累加器A（2）数据寄存器DR（DataRegister）（3）寄存器组R（4）指令寄存器IR、指令译码器ID操作控制部件PLA

（5）程序计数器PC（6）地址寄存器AR（AddressRegister）

回目录***

4.标志寄存器F

标志寄存器F也称程序状态字PSW（ProgramStateWord），是用来存放ALU运算结果的各种特征状态的，如运算有无进（借）位、有无溢出、结果是否为零等

5.堆栈与堆栈指示器SP（StackPointer）

（1）按照先进后出FILO（FirstInLastOut）

顺序向堆栈读/写数据；（2）SP始终指向栈顶；（3）堆栈的两种操作压入（PUSH）和弹出（POP）

它有三个主要特点：上页下页回目录二、存储器M（Memory）

存储器RAM基本结构一般由四个部分组成：

存储矩阵、地址译码器读写控制电路、三态双向缓冲器。上页下页回目录××自CPU来的CB来自CPU的地址AB往返于CPU的DB地址译码器控制00H01H02H03H...FEHFFH256×8存储矩阵三态双向缓冲器地址译码器地址译码器02H02H“读”××××××××××三态双向缓冲器02H按地址访问的一维线性空间

三、I/O接口和外设

四、模型机的工作过程

1.指令和指令系统（1）指令的格式输入操作“读”操作输出操作“写”操作操作码操作数或地址上页下页回目录*程序的存储与执行程序PCPCPCPCPCPC指令1指令2指令3……指令nM指令地址

“+1”（2）指令的执行过程

指令执行的两个阶段，取指阶段与执指阶段

上页下页回目录一个CPU周期一个CPU周期一个CPU周期一个指令周期下一个指令周a)取指阶段b)执指阶段开始取指令PC+1操作译码取操作数地址PC+1地址译码取操作数执行操作取下条指令PC+1以直接寻址的指令为例开始取指令PC+1操作译码取操作数地址PC+1地址译码取操作数执行操作取下条指令PC+1操作码操作数地址

2.程序的执行过程表1-1“15H+30H”程序执行过程上页下页回目录

注释

地址00H01H02H03H04H05H06H…

内容011101000001010100100100001100001000000011111110…………

助记符

MOVA，#15H

ADDA，#30H

SJMP$

……取数指令，第一字节是操作码第二字节就是指令的操作数加法指令，第一字节是操作码第二字节也是指令的操作数两字节指令，执行原地踏步操作（暂停）

PCPCPCPCPCPCPCPCPCPCPCP10图1-5，P11图1-6演示了程序的操作过程1.3微机系统上页下页回目录P12一、微机硬件组成上页下页回目录CPU微处理器RAMI/OROM外设辅助电路CBUSDBUSABUSCBUS：控制总线，不确定DBUS：数据总线，双向三态ABUS：地址总线，单向三态I/O三态数据缓冲器RAM三态数据缓冲器ROM三态数据缓冲器E1E2E3111000CPUD0

D7数据总线单向缓冲器双向缓冲器双向缓冲器１.总线

在CPU与其它部件之间信息传送的公共通道（1）数据总线“双向三态”（2）地址总线“单向三态”（3）控制总线视具体情况而定“多选一”地址译码片选信号上页下页回目录上页下页二、软件系统1.程序设计语言

（2）汇编语言

（3）高级语言（1）机器语言2.系统软件3.应用软件回目录三、衡量计算机性能的主要技术指标1、字长3、指令系统2、存储容量4、指令的执行时间5.外设扩展能力及配置上页下页回目录§

1.4单片微型计算机单片机·SingleChipMicrocomputer·Microcontrollor·ElectronicControlUnit（ECU）

定义：是将微机的CPU、存储器M、I/O接口和总线制作在一块芯片上的超大规模集成电路。上页下页回目录三维图形处理器单片机分类根据CPU字长来划分1位机4位机用于玩具、家用电器、计算器等8位机16位机工业控制器、智能仪表、计算机外设、通用测控单元、通讯设备32位机高性能图形工作站、高级机器人等上页下页回目录如：i808601.2亿次/秒32位定点64位浮点§

1.4

.1单片机的发展史第一阶段（1974~1976）：单片机的初级阶段例如：8位单片机F8特点：采用双片组成结构：F8CPU64BRAM2个I/O38511KROM1个T/C2个I/O完整的单片机上页下页回目录RandomAccessMemoryReadOnlyMemoryTimer/Counter存放数据存放程序第二阶段（1976~1979）：低性能单片机阶段例如：MCS–48系列特点：小而全结构：MCS–488位CPURAMI/OROMT/C上页下页回目录第三阶段（1979~1982）：高性能单片机阶段例如：MCS–51系列特点：系列化、功能强结构：MCS–518位CPURAMI/OROMUARTINT上页下页回目录UART——UniversalAsynchronousReceiver/TransmitterINT——InterruptSystem通用异步收/发器——串行口T/C第四阶段（1982~）：16位、32位单片机阶段例如：MCS–96系列特点：增加了内部资源、实时处理能力更强、

除了具有16位CPU和存储器外又增加了部分内部资源，如：MCS–9610位A/D转换器高速输入输出HSIO脉宽调制输出装置PWM8XC196增强型之后又推出：上页下页回目录MCS-51系列单片机已被国内用户广泛采用例如：ATMEL公司的AT89系列Philips公司的80C51系列ADI公司的ADuC系列ADuC812:多通道12位A/D转换器ADuC816:多通道16位A/D转换器ADuC824:多通道24位A/D转换器上页下页回目录§

1.4

.2单片机的发展趋势1、高档单片机性能不断提高速度：是原来单片机的5~15倍精度：CPU字长增加，16位、32位单片机问世指令系统丰富、效率高⑵内部资源的增加程序存储器：ROM、EPROM、E2PROM或FLASH达几十KB⑴CPU功能的增强上页下页回目录ErasalbleProgrammableROMElectricallyEPROM闪速存储器数据存储器：RAM达几KBI/O口：并口串口串行扩展口定时/计数器（T/C）：定时输出捕捉输入监视器WatchdogA/D转换器：8位、12位、16位、24位，多通道输入脉宽调制输出PWM，可代替D/A输出⑶寻址范围的增加上页下页回目录2、超小型、低功耗、价廉3、微巨机单片化

如:ATMEL公司的89C1051/205120引脚，工作电压（2~6V），电流仅几个mA上页下页回目录如：Microchip公司的PIC16/17系列18引脚、20引脚、28引脚，有的仅5个引脚工作电压（2~6V），电流仅2个mA时钟电路§

1.4

.3单片机内部结构CPUROMRAM串行I/O定时器并行I/O中断系统GNDVcc图1-13单片机的内部结构上页下页回目录内部总线1、中央处理器CPU2、存储器⑴数据存储器RAM

容量：64~256B

构成：静态随机存储器RAM⑵程序存储器ROM

容量：1~64KB

构成：ROM、EPROM、E2ROM或FLASH3、I/O接口并行接口：用于外接输入输出设备串行接口：可实现异步串行通信上页下页回目录§

1.4

.4单片机应用系统1、基本系统单片机复位电路电源输入/输出设备时钟电路图1-14单片机的基本系统结构图上页下页回目录辅助电路控制对象最小系统2、扩展系统上页下页回目录EPROM程序存储器串行接口A/D单片机复位电路时钟电路电源RAM数据存储器并行接口D/A外部扩展总线单片机扩展系统结构图

通过总线来扩展一些部件，以弥补单片机内部资源的不足。这样可满足一些应用系统的特殊需要。§

1.4

.5单片机典型产品8位单片机⑴MCS-48系列型号CPUROMRAMT/CI/O80358位无64B11580398位无128B1158位1KBEPROM874864B1278位2KBEPROM8749128B127上页下页回目录⑵MCS-51系列型号CPUROMRAMT/CI/O80318位无

128B23280518位4KBROM128B2

328位4KBEPROM8751128B2328位8KBROM8052256B332

与MCS-48系列相比MCS-51系列在速度、内部资源、功能等方面增强，且软件丰富，开发装置齐全。特点：上页下页回目录8位8KBEPROM8752256B332内核⑶Philips51系列单片机⑷ATMEL51系列单片机特点：用E2PROM代替ROM，价格低，编程方便⑸ADuC系列单片机特点：用FLASH代替ROM；用ADC进行数据采集；12位DAC两通道电压型输出进行控制，灵活、快捷、方便、且价廉特点：片内具有I2C总线、A/D等丰富的功能部件上页下页回目录

以上所述51增强型单片机，都是以8051/8031为内核，51基本型增加一些功能部件构成的。

51单片机的更新换代主要是通过不断地推出新的增强型系列单片机完成的。§

1.4

.6单片机的应用1、单片机的应用特性⑴体积小

⑵可靠性高

⑶控制功能强

⑷使用方便

⑸性能价格比高

(6)开发应用快捷上页下页回目录2、单片机的应用⑴智能仪表⑵在机电一体化中的应用例：微机控制的铣床、车床、自动点（验）钞机⑶在实时控制中的应用例：测控系统对过程控制参数进行测量、控制⑷在分布式多机系统中的应用⑸家用电器例：全自动洗衣机、热水器、电子游戏机上页回目录温度、压力、流量、速度§1.4.7单片微机应用举例*在机电一体化中的应用（机械零件的制造）可归纳为两个问题：尺寸形状长短、大小直度、锥度、圆度圆柱度、椭圆度等超精密——微米加工盲区解决好上述两个问题，都离不开计算机测量控制上页下页回目录1

m=10-6m例1尺寸控制——0.1µm以下惯性导航系统“陀螺转子”的加工问题地球西东“差之毫厘,谬之千里”关键部件上页下页回目录单片机A/DD/A测放电路驱动电路测控单元——微控制器气动稳压器ei0~500V执行机构压电陶瓷微进给装置20µm工件A超精密加工示意图分辨率<=0.01

µm,

精度达0.1µm

测头vivo气动测量装置工件的尺寸AA

A+

20µm粗加工上页下页回目录例2形状控制——变椭圆“活塞”加工控制系统活塞侧视图

顶视图头部裙部YX大小热膨胀后内孔一定要把活塞加工成一个变椭圆上页下页回目录传统加工方式“硬靠模”——利用杠杆传动（用车床车削）（1）用外汇购靠模，种类多，花费大量外汇弊端（2）有传动误差（3）靠模磨损大间隙！加工精度低,成本高上页下页回目录变椭圆活塞加工系统——“软靠模”刀接触1个同步128个采样微控制器功放纵向同步电子开关弹性刀具高频响伺服机构100µm工件Vout机床主轴夹具主轴尾部装有光电码盘变椭圆活塞加工系统总体框图上页下页回目录变椭圆活塞加工系统——“软靠模”刀接触1个同步128个采样微控制器功放纵向同步电子开关弹性刀具高频响伺服机构100µm工件Vout机床主轴夹具主轴尾部装有光电码盘上页下页回目录例3仪器仪表——刚度测量仪1.测量原理工件AFXA刚度

C=FX上页下页回目录2.测量台架

AdSJ1J2E弹簧上页下页回目录dJ1J2ESF变形量X=S-d上页下页回目录3.求FJ