《片机组成原理正式》课件

课程简介《片机组成原理》是一门介绍单片机基本结构和工作原理的基础课程。通过系统地学习片机的硬件结构和软件编程,掌握片机的基本应用开发技能,为后续的单片机系统设计打下坚实的理论和实践基础。byhpzqamifhr@什么是微处理器微处理器是一种集成电路芯片,它包含了中央处理单元(CPU)以及其他相关电路,能够执行计算机程序,控制和协调整个计算机系统的运行。它是现代电子设备的核心部件,广泛应用于各种领域,如家用电器、工业设备、通信设备等。微处理器由算术逻辑单元(ALU)、控制单元、寄存器和总线等组成,通过集成大量的电子元件于一片硅晶片上,实现了高度的集成和小型化。它可以根据输入的指令和数据进行运算、逻辑判断和控制,并将运算结果输出。微处理器的基本结构微处理器的基本结构包括中央处理器(CPU)、存储器和输入输出接口三大部分。CPU负责执行指令和处理数据,存储器用于存储指令和数据,输入输出接口负责与外部设备进行数据交换。这三部分通过地址总线、数据总线和控制总线相互连接,实现指令和数据的传输与处理。微处理器的分类1基于技术微处理器可分为8位、16位和32位等不同位宽,根据制造工艺也可分为CISC和RISC架构。2基于应用领域从应用领域来看,微处理器可分为通用型和专用型,专用型如嵌入式微控制器、数字信号处理器等。3基于集成度微处理器可分为单片机、微控制器和微处理器三种,集成度依次提高。微处理器的特点微处理器具有体积小、功耗低、运算速度快、集成度高等特点。它能够执行各种复杂的数字逻辑运算,广泛应用于工业控制、通讯设备、家用电器等领域。微处理器的发展推动了电子技术的飞速进步,极大地提高了自动化和智能化水平。微处理器的发展历程11970年代微处理器技术的开创之始,Intel4004和8008于1971年和1972年分别推出,标志着微处理器时代的开启。21980年代随着技术的不断进步,出现了8位和16位微处理器,如Intel8080和Motorola68000,应用范围不断扩大。31990年代32位微处理器如Intel80386和Pentium系列广泛应用,性能大幅提高,带动了个人计算机的快速发展。微处理器的应用领域微处理器被广泛应用于各行各业,如工业自动化、消费电子、智能交通、医疗设备、智能家居、航空航天等领域。它们集成了CPU、内存和输入输出接口,能够快速处理各类信息,实现智能控制和信息处理功能。微处理器的应用使得这些领域的设备更加智能化、集成化和高性能。引脚和封装引脚微处理器通过引脚与外部设备进行信息交换。引脚数量、类型和布局决定了微处理器的功能和性能。引脚设计必须满足复杂的电气特性要求。封装微处理器的外壳封装决定了器件的尺寸、散热能力和可靠性。不同的封装形式各有优缺点,需要根据具体应用场景进行选择。内部结构微处理器的内部由晶体管、电容、电阻等电子元器件组成。通过精密的制造工艺将这些元器件集成在一块半导体芯片上。地址总线、数据总线和控制总线地址总线地址总线负责在处理器和存储器或输入输出设备之间传输地址信息。它决定了系统可寻址的范围,决定了可使用的存储单元和外围设备的数量。地址总线的宽度决定了处理器的地址总线寻址能力。数据总线数据总线负责在处理器和存储器或输入输出设备之间传输数据信息。它决定了每次数据传输的位数,影响系统的数据处理能力。数据总线的宽度对系统的性能有重要影响。控制总线控制总线负责在处理器和存储器或输入输出设备之间传输控制信息,如读写控制信号、时序控制信号等。它协调各部件之间的工作时序,确保系统正常运行。CPU的工作原理1取指从存储器中取取出指令2译码对取出的指令进行译码3执行执行相应的操作4存储将运算结果写入存储器CPU的工作过程主要包括取指、译码、执行和存储四个基本步骤。首先从内存中取出指令,然后对指令进行译码和分析,接下来执行相应的操作,最后将运算结果写回到内存中。这个循环往复执行,CPU就可以完成各种运算任务。指令的概念指令的定义指令是计算机程序中最基本的组成单元,用于控制计算机执行各种操作和数据处理。指令的功能指令能够实现机器中的运算、数据传送、逻辑判断和程序控制等基本功能,是微处理器工作的基础。指令的格式每条指令由操作码和操作数两部分组成,操作码表示指令要执行的操作,操作数表示指令的参数。指令的格式指令结构指令通常由操作码和地址码两部分组成。操作码指明要执行的操作,而地址码指定操作数的存储位置。二进制编码指令采用二进制编码,每条指令都有一个唯一的二进制编码,CPU通过识别这些编码来执行相应的操作。指令长度指令长度取决于操作码和地址码的长度,通常为8位、16位或32位。更长的指令能够表示更多的操作和地址信息。指令的分类操作码指令的操作码决定了指令的功能,不同的操作码对应不同的操作。地址模式地址模式决定了指令中操作数的位置,如直接寻址、间接寻址等。执行时间指令执行的时间长短根据指令的复杂程度而有所不同。指令的执行过程11.取指令从存储器中获取指令22.译码分析指令内容33.执行执行指令操作44.存储结果将执行结果写回存储器微处理器执行指令的基本过程包括取指令、译码、执行和存储结果四个步骤。首先从存储器中取出指令,然后分析指令内容,执行相应的操作,最后将计算结果保存到存储器中。这个过程会不断循环,使得微处理器能够完成各种复杂的计算和控制任务。存储器的基本概念1定义存储器是用于存储数据和指令的硬件设备,是计算机系统的重要组成部分。它可以短暂或永久地保存信息。2作用存储器能够存储程序代码和数据,并在CPU需要时快速提供。它是连接CPU和外围设备的桥梁。3分类存储器可分为主存储器和辅助存储器,前者包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。4性能指标存储器的主要性能指标包括存储容量、存取速度、功耗和成本等,不同应用场景有不同要求。存储器的分类随机存取存储器(RAM)RAM是一种临时性存储器,可随机读取和写入数据,通常用于存储程序指令和运行数据。它分为静态RAM和动态RAM两种类型。只读存储器(ROM)ROM是一种永久性存储器,其中存储的数据在出厂时就已经固定,不能被用户修改。它通常用于存储系统基本软件和数据。辅助存储器辅助存储器通常指容量较大的外部存储设备,如硬盘驱动器、光驱等,用于存储大量数据和程序。存储器的工作原理地址译码CPU通过地址总线向存储器发送地址信号,地址译码器根据地址编码对存储单元进行选择,确定读取或写入的目标位置。数据读写CPU通过数据总线与存储器进行双向数据传输。读操作从存储单元读取数据,写操作将数据写入存储单元。时序控制存储器工作需要严格的时序控制,由控制总线上的读写时序信号控制数据的读写过程。输入输出接口微处理器通过输入输出接口与外部设备进行数据交换和控制。输入输出接口负责将数据和控制信号在微处理器和外围设备之间进行转换。它为微处理器提供了与外界通信的通道。输入接口将外部设备的模拟或数字信号转换成微处理器可识别的形式,输出接口则将微处理器产生的数字信号转换成外部设备可识别的形式。输入输出接口确保微处理器和其他设备之间的数据交互。输入输出设备数字设备数字设备如键盘、鼠标、触摸屏等,用于向计算机输入数据或控制命令。它们转换人类可读的输入为计算机可处理的电信号。模拟设备模拟设备如扫描仪、数码相机等,将连续变化的实物信息转换为数字信号,供计算机处理和存储。输出设备输出设备如显示器、打印机等,将计算机处理的数字信号转换为人类可感知的形式,如图像、文字或声音。中断机制中断的定义中断是一种异步的、由外部设备或内部事件引起的信号,用于通知CPU当前正在执行的程序需要暂时中止,转而执行特定的子程序。中断的作用中断机制可以提高CPU的工作效率,让CPU能及时响应并处理外部事件,而无需频繁地进行轮询检查。中断的分类中断可分为软中断和硬中断。软中断由软件控制,硬中断由硬件电路触发。中断的优先级不同中断源具有不同的优先级,优先级高的中断将优先得到响应和处理。中断的分类基于起源分类根据中断源不同可分为内部中断和外部中断。内部中断由CPU内部事件触发，如除零错误；外部中断由CPU外部设备触发，如键盘输入。基于优先级分类根据中断优先级可分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断。可屏蔽中断可被CPU暂时忽略，不可屏蔽中断必须立即响应。基于响应方式分类根据CPU响应方式可分为向量中断和非向量中断。向量中断有固定响应地址，非向量中断需CPU自行判断响应地址。中断的处理过程1中断发生系统检测到中断请求信号2保存现场保存当前任务的状态3响应中断根据中断类型调用相应的中断服务程序4恢复现场任务执行完毕后恢复原来的任务状态5返回任务返回到被中断之前的任务中断处理过程包括五个主要步骤:中断发生、保存现场、响应中断、恢复现场和返回任务。当系统检测到中断请求信号时,会首先保存当前任务的状态,然后根据中断类型调用相应的中断服务程序进行处理。处理完毕后,系统会恢复原来任务的状态,并返回到被中断之前的任务。这一过程确保了系统能够及时响应外部事件,同时又不会影响正在进行的任务。时钟电路微处理器系统需要一个精确的时间基准来调度各种操作。时钟电路就是为此而设计的核心部件。它可生成规律的脉冲信号,为系统提供同步时钟。这些脉冲信号决定了CPU、内存等各个部件的工作节奏,确保它们能够协调一致地完成任务。时钟电路通常由石英晶体谐振器和一些电路组成,可提供各种频率的时钟信号。合理设计时钟电路对于提高系统性能至关重要。定时器/计数器定时器功能定时器能够精确测量时间间隔,广泛应用于测量、控制和调节各种工艺过程。计数器功能计数器能准确统计特定事件发生的次数,在工业自动化中被广泛采用。集成应用微处理器通常集成了多个定时器/计数器外围设备,为系统提供精确的时间和计数功能。模数转换和数模转换1模数转换将模拟信号转换为数字信号的过程。通过采样和量化将连续信号转换为离散信号，以便计算机处理。广泛应用于多媒体设备和测量仪表中。2数模转换将数字信号转换为模拟信号的过程。将离散数字值转换为连续电压或电流信号。用于控制驱动电机、调节音量等场合。3转换精度转换精度由采样频率和量化位数决定。更高的采样频率和位数可提高转换精度,但同时增加了系统复杂度和成本。需要根据应用需求平衡。4应用场景模数转换广泛应用于多媒体、测量仪表等领域,而数模转换则用于电机控制、音频放大等场合。两者在嵌入式系统中密切配合,完成输入输出接口的功能。微处理器的性能指标微处理器的性能指标是衡量其性能水平的重要指标。主要包括处理速度、工作频率、总线带宽、内存容量、能耗等方面。这些指标反映了微处理器的处理能力、响应速度、功耗效率等特性。了解微处理器的性能指标对于选择合适的处理器型号、优化系统性能至关重要。500MHz时钟频率微处理器的工作频率越高,处理速度越快。高频微处理器通常具有更强的计算能力。64位宽微处理器的数据总线和地址总线的位宽决定了其处理的数据量和寻址范围。64位微处理器性能更强。4GB内存容量微处理器所能访问的内存容量越大,性能越高,可支持更复杂的应用程序。微处理器的发展趋势1集成度不断提高微处理器的集成度越来越高,单芯片上可集成数十亿甚至上百亿个晶