建电2010微机教案绪论.ppt

1、同学们，上午好！,单片机原理及应用 徐春辉主讲,绪论,一、本课程的性质和学习意义 已经学习了很多与计算机相关的课程了（列举？） 为什么还要学习 单片机原理及应用 这门课？,一个应用实例：,智能建筑中的应用实例 也是数不胜数,是一门非常重要的学科基础课,二、与主要先修课程和后续课程的关系 主要先修课程：数字电子技术、程序设计； 主要后续课程：微机控制、可编程序控制器原理及应用、DSP原理及应用等多门专业及专业基础课 尤其是毕业设计中将会较多的用到,三、本门课程的主要内容 （学习本门课程要达到的目的） 1、了解微型计算机的基本结构和工作原理,2、重点掌握MCS-51系列单片机的原理及应用 (1)、

2、 MCS-51系列单片机的硬件结构与工作原理（包括内部结构与外部引脚） (2)、 MCS-51系列单片机的指令系统 (3)、 MCS-51系列单片机的程序设计 (4)、 MCS-51系列单片机的系统扩展与接口设 计 (5)、单片机系统的设计与调试（课程设计）,四、本课程的特点及学习方法 内容较多，既牵扯到硬件又牵扯到软件。许多数据、信号等只在单片机内部传输，比较抽象，而且有些知识前面介绍了要到后面才会 具体用到。因此要求 （1）预习 （2）认真听讲勤于思考 （3）课后要复习，学习要反复 （4）多看参考书 （5）多实践,五、教材与教学参考书及网络教学资源 教材：单片微型计算机原理及应用 姜志海、

3、刘连鑫、王蕾编著 参考书：MCS-51单片机原理及应用秦实宏徐春辉主编 单片机原理及其接口技术(第二版) 胡汉才编著 微型计算机（MCS-51系列）原理、接口及应用张慰兮主编 微型计算机原理应用郑学坚等编 网络教学资源：华东交大网络教学平台 校精品课程：微机应用原理与接口技术,六、考核问题 考试课（闭卷考试） 成绩构成：考试成绩占70%，平时成绩占30% 平时成绩包括： 课堂提问与答疑 实验 作业 考勤 （不旷课、有事先请假，尽量不请事假，病假以医院假条为准。旷课三次，此项目为零，（按校规，旷课超过三次（总学时的10分之一）或事假，病假合计超过次（总学时的三分之一）取消考试资格，）,七、课时安

4、排 总共计划学时，其中上机实验6学时，实验室实验4学时。,答疑与辅导： 时间：星期四7、8节课 地点：1056,我的三个目标： 第一、和大家交朋友（一种缘份） 第二、帮助大家实现各自的目标 第三、成为大家都喜爱的好老师. Email: 电话沟通渠道全方位开放，提倡有话当面直说，有问题直接解决。,第一章微型计算机基础,1.1 微型计算机概述 1.2 计算机中的数和编码 1.3 微型计算机运算基础 1.4 微型计算机基本结构 1.5 单片微型计算机概述,返回目录页,第一节微型计算机概述,1.1.1 电子计算机的问世及其经典结构,1946年2月15日，在美国的宾夕法尼亚大学

5、，第一台电子数字计算机ENIAC问世，这标志着计算机时代的到来。 （CALCULATOR）,ENIAC是电子管计算机，时钟频率仅有100 KHz，但能在1秒钟的时间内完成5000次加法运算。(现在是 数百万亿次/秒浮点运算） 与现代的计算机相比，有许多不足，但它的问世开创了计算机科学技术的新纪元，对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响 。,21,匈牙利籍数学家冯诺依曼在方案的设计上做出了重要的贡献。1946年6月，他又提出了“程序存储”和“二进制运算”的思想，进一步构建了计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成这一计算机的经典结构。,电子计算机技术的发展，相继经历了五个时代： 电

6、子管计算机； 晶体管计算机； 集成电路计算机； 大规模集成电路计算机； 超大规模集成电路计算机。 计算机的结构仍然没有突破冯诺依曼提出的计算机的经典结构框架。,返回本章首页,自1946年世界上第一台数字计算机ENIAC问世以来，至今的60多年里得到了迅速的发展和普及。1971年进入了第四代，这一代的电子计算机通常可分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机五类。微型机是其中应用最广、发展最快的一类，它与其他几类计算机在基本结构和工作原理上没有本质差别，只是在体积、性能和应用方面 有所不同。第五代计算机正在研究之中。,1.1.2 微型计算机的组成及其应用形态 一、微型计算机的组成,1971年1月

7、，INTEL公司的特德霍夫在与日本商业通讯公司合作研制台式计算器时，将原始方案的十几个芯片压缩成三个集成电路芯片。其中的两个芯片分别用于存储程序和数据，另一芯片集成了运算器和控制器及一些寄存器，称为微处理器（即Intel 4004）。,微处理器、存储器加上I/O接口电路组成微型计算机。各部分通过地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）相连。,(一)微处理器、微型计算机、微型计算机系统 随着大规模集成电路的发展，一块集成电路芯片可以包含几十万到几百万个晶体管电路，计算机的大部分功能电路都可以集成在一个芯片内，这就出现了所谓的微处理器芯片。以微处理器芯片为核心构成的计算机就是微型计算机

8、。,1微处理器 微处理器(Microprocessor)，简称为MPU，是一个由算术逻辑运算单元、控制器单元、寄存器组及内部系统总线等单元组成的大规模集成电路芯片。它不仅是构成微型计算机、微型计算机系统的核心部件，也是构成多微处理器系统和现代并行结构计算机的基础,2微型计算机 微型计算机又简称为微型机。它是以微处理器芯片为核心，配上内存储器芯片、IO (InputOutput)接口电路芯片以及相应的辅助电路构成的装置。,3微型计算机系统 微型计算机系统是以微型计算机为主体，配上输入设备、输出设备，外存储设备、电源机箱以及基本系统软件组成的系统,(二)微型计算机的分类 微型计算机可以从不同角度分

9、类如下。 1按组装形式和系统规模分类,(1)单片微型计算机(Single Chip Microcomputer) 单片微型计算机又称为单片机，它是一种将CPU单元、部分存储器单元、部分IO接口单元以及内部系统总线等集成在一片大规模集成电路芯片内的计算机。它具有完整的微型计算机的功能。单片机具有体积小、可靠性高、成本低等特点，广泛应用于仪器、仪表、家电、工业控制等领域。,(2)单板微型计算机(Single Board Microcomputer) 单扳微型计算机即单扳机，它是一种将微处理器，存储器、IO接口电路简单外设(键盘 数码显示器)以及监控程序等安装在同一块印刷电路板上构成的计算机。,单板

10、机的I/O设备简单，软件资源少，使用不方便。早期主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统，现在已很少使用,(3) 多板机（系统机） 将CPU、存储器、I/O接口电路和总线接口等组装在一块主机板（即微机主板）上，再通过系统总线和其它多块外设适配板卡连接键盘、显示器、打印机、软/硬盘驱动器及光驱等设备。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软/硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机）。 PC机 就属于典型的多板机。 工业PC机 （工控机）也属于多板机。,微型计算机的应用形态,系统机（桌面应用）属于通用计算机，主要应用于数据处理、办公自

11、动化及辅助设计。 单片机（嵌入式应用）属于专用计算机，主要应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统。 单片机体积小、价格低、可靠性高，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。,2按微处理器位数分类 微处理器的位数是由运算器能并行处理的二进制位数所决定的。具有不同处理位数的微处理器，其性能不同，处理器位数越多，性能就越强。,(1)8位微机 以8位微处理器为核心的微机。如早期的z80单板机、IBM PC机、MCS5l系列单片机等。 8位微机主要应用于字符信息处理、简单的工业控制领域， 但8位微机无法胜任高速运算和大容量的数据处器。,(2)

12、16位微机 以16位微处理器为核心的微机。如PCAT个人计算机、MCS96单片机等 16位微机比 8位微机具有更高的运算速度，更强的处理功能，并可用于实时的多任务处理，因而应用领域更加广泛,(3)32位微机 以32位微处理器为核心的微机。如386、486等个人计算机。目前，32位微机的功能已达到并超过早期的小型机，它能综合处理数字、图形、图像、声音等多媒体信息。 广泛应用于数据处理、科学计算、CADCAM、实时控制。多媒体等多个领域.,(4)64位微机 以64位微处理器为核心的微机，如DEC的Alpha21164等。由这类微处理器组成的微机是迄今速度最快、功能最强的微机。,1.1.3微型计算机

13、系统的主要性能指标 评价计算机的性能指标是一个复杂的问题，早期只局限于字长、运算速度和存储容量三大指标实际上，只考虑这三大指标是很不够的，目前应该考虑的因素有系统结构、硬件组成、系统总线、外部设备以及软件配置等。具体有以下几个技术指标。,1主频(或时钟周期)和指令执行时间 主频是微型计算机的主要性能指标之一，主频很大程度上决定了微型机的运算速度，主频的单位是兆赫兹(MHz)。 指令执行时间是指计算机执行一条指令所需的平均时间，其长短反映了计算机运行速度的快慢。它一方面取决于微处理器的时钟频率(主频)，另一方又取决于计算机指令系统的设计、CPU的体系结构等。微处理器指令执行速度表示为每秒运行多少

14、百万条指令MIPS(Millions of Instructions Per Second)。,2字长 微型计算机的字长是指微处理器内部一次可以并行处理的二进制代码的位数。它与微处理器内部的寄存器以及CPU内部数据总线是一致的。微机字长有4位、8位、16位、32位、64位等。字长与下述参数有关： 运算精度。字长越长，运算精度越高在完成同样精度的运算时，字长较长的计算机比字长较短的计算机运算速度快。 指令长度。字长决定了指令的信息位长度，指令信息位长度直接影响到指令的处理功能。,3存储容量 存储容量星衡量微型计算机内部存储器能存储二进制信息量大小的一个技术指标。通常把8位二进制代码称为一个字节(

15、byte)，16位二进制代码称为一个字(word),把32位 二进制代码称为一个双字。存储容量一般以字节为最基本的计量单位 一个字节记为1B 1024个字节记为1KB，1024K字节记为1MB，1024M字节记为1GB， 而1024G字节记为1TB。即 1KB1024B( ) 1MB1024KB( ) 1GB1024MB( ) 1TB1024GB( ) 目前，微型计算机内存容量一般配置为几百KB到几百MB，配置的最大内存容量受限于微处理器所能寻址的物理地址空间范围。一个微机系统内存的实际配置根据其用途、成本或价格等多种因素来决定。,4系统总线 系统总线是连接微机系统各功能部件的公共数据通道，其

16、性能直接关系到微机系统的整体性能。 5外部设备配置 在微机系统中，外部设备占据了重要地位。计算机信息的输入、输出、存储等都必须由外设来完成。 6系统软件配置 系统软件也是计算机系统不可缺少的组成部分。软件功能的强弱，是否支持多任务、多用户操作等都是微机硬件系统性能能否得到充分发挥的重要因素。 7性能价格比,1.1.4、微型机计算机的发展概况,1.科学计算 2.数据处理和信息管理 3. CAD、CAM、CAA和CAI 4.过程控制和仪器仪表 5.军事领域中的应用 6.多媒体系统和信息高速公路 7.家用电器和家庭自动化,1.1.5微型计算机的应用,返回本章首页,第二节计算机中的数和编码,1.2.1

17、 计数制 1.2.2 二进制数（用B表示） 1.2.3 十六进制数（用H表示） 1.2.4 不同进制数之间的转换 1.2.5 数制书写约定 1.2.6 计算机中数的表示 1.2.7 计算机常用编码,返回本章首页,1.2.1 计数制,日常生活中广泛使用的数为十进制数，这是一种逢十进一的计数方法。用的数制还有二进制、八进制和十六进制等。 基数小于10的计数制，可用十进制相应的数码作为它的数字符号，一个数一般由多个数码组成。数码在数中的位置不同，其值也不同。,返回本节,1. 2.2 二进制数（用B表示）,以2为基数的数制称为二进位计数制，它只包括0和1两个数码，很容易用电子元件的两种不同的状态来表示

18、，例如，用高电平表示1，用低电平表示0。所以，计算机中通常采用二进制数。 二进制数的计数特征：逢二进一，运算简单。 在加、减、乘、除四则运算中，乘法实质上是做移位加法，除法则是移位减法。,返回本节,1. 2.3 十六进制数（用H表示）,为了书写和阅读方便，经常采用十六进制数作为二进制的缩写形式。十进制数、二进制数、十六进制数的对照表如表1-1所示。 在计数时，逢十六进一，这样书写长度短，且可方便将十六进制数转换为二进制数或将二进制数转换为十六进制数。,表1-1 十进制数、二进制数、十六进制数对照表,返回本节,1. 2.4 不同进制数之间的转换,1二进制转换为十进制 基本方法：将二进制数按权展开

19、式，利用十进制数的运算法则求和，即可得到等值的十进制数。,2十进制到二进制的转换 l 十进制整数转换为二进制整数 l 十进制小数转换为二进制小数 l 带小数的十进制数转换为二进制数,3二进制、十六进制之间的相互转换 将二进制数转换为十六进制数，从低位开始，每四位一组，然后将其转换为对应的十六进制数。如最后一组不足四位，需在左边补0。 用同样方法可将二进制小数转换十六进制小数。只是分组应从小数点右边开始分成四位一组。 十六进制数转换为二进制数，将每位十六进制数直接转换成相应的二进制数。,返回本节,1. 2.5 数制书写约定,在书写计算机程序时，一般不用基数作为下标来区分各种进制，而是用相应的英文

20、字母作后缀来表示各种进制的数。 例如：B（Binary）表示二进制数。 D（Decimal）表示十进制数，一般D可省略，即无后缀的数字为十进制数。 H（Hexadecimal）表示十六进制数。,返回本节,1. 2.6 计算机中数的表示,1原码、反码和补码(机器数与真值) l原码：在符号位中用0表示正、用1表示负的二进制数，称为原码。例如， x1=1110111B， x1原=01110111B x2=1110111B， x2原=11110111B 数0可是0或0。因此，0在原码中形式： 0原=0000 0000B， 0原=1000 0000B,l 反码：正数的反码=原码；负数的反码=原码的符号位

21、不变而数值按位取反。所谓按位取反，即将各位的1变成0，0变成1。 例如，x1=13， x1反=13原=0 0001101B 。 又如，x2=13， x2原=13原=1 0001101B， x2反=13反=1 1110010B。,l补码：正数的补码=原码；负数的补码=反码1。 例如，x1=1101101B， x1补=13原=0 1101101B 。 又如， x2=1101101B， x2反=10010010B， x2补=10010011B。 在补码表示中，“0”是唯一的。即0补=00000000B,2数的小数点表示方法 l定点表示法：表示小数点的位置是固定不变的。分为纯整数和纯小数两类。,纯整数

22、表示方法,纯小数表示方法,其格式如下所示：,0 110 0100 = +110 0100.,0 110 0100 = +0.110 0100,l 浮点表示法 浮点表示法中小数点的位置是不固定的。 如D= 125 = 0.125103 = 1. 25102 同样，任意二进制数N一般可表示为：N=2PS 如：1101B = 2100B0.1101B 一个浮点数分为阶码和尾数两部分，二者各有表示正负的阶符和数符，常用存储格式：,在微计算机中常用的浮点数表示有： （1）四字节浮点数格式（如图1-2所示），它由一个字节指数（EXP）、三个字节尾数构成，共用四个存储单元。 （2）三字节浮点数格式（如图1-

23、3所示）。,图1-2 四字节浮点数格式,图1-3 三字节浮点数格式,D7 D6 D5D0,返回本节,1. 2.7 计算机常用编码,常见的编码有BCD码、ASCII码等。 1二 十进制编码 是一种用二进制编码的十进制数，称BCD码。BCD码用标准的8421的纯二进制码的十六个状态中的十个（如表1-2所示）。 用BCD码表示十进制数，只要将每位十进制数用适当的四位二进制码代替即可。,表1-2 BCD编码,2字母和符号的编码 微机普遍采用的是ASCII码（如表1-3所示）。ASCII码是一种八位代码，最高位一般用于奇偶校验，其余七位二进制码对128个字符进行编码。,表1-3 ASCII(美国标准信息

24、交换码)表,返回本节,第三节 微型计算机运算基础 一、二进制数的运算 微型计算机中的运算分为两类; 一类是算术运算，包括加、减、乘、除 另一类是逻辑运算，包括逻辑乘、逻辑加、逻辑非和逻辑异或等。,(一)算术运算 1二进制加法 二进制数的加法运算规则如下： 0000+11 1十01 1十10(进位1) 2二进制减法 二进制数的减法运算规则如下： 000101110011(有借位) 3二进制乘法 二进制数的乘法规则如下；,3二进制乘法 二进制数的乘法规则如下；,例110 设有两个4位二进制数 x1101B，y=101lB， 试求,解 二进制数的乘法与十进制数的类似- 被乘数左移和部分积相加的算法（

25、传统）： 被乘数 1101 X) 乘数 1011 1101 第一次部分积 1101 第二次部分积 0000 第三次部分积 1101 第四次部分积 100011l 1 B 这种算法很简单，但实现这种算法的重复性差，所需的硬件开销大，不便于在机器中实现。在计算机中是采用硬件开销不大的算法求积。,下面介绍一种常用的“部分积右移”的乘法算法：,设被乘数，乘数，“部分积右移”的算法如下： (1)开始部分积为0。 (2)检查乘数最低位的状态。如为1，则将部分积加被乘数得新部分积如为0，则新部分积即为原部分积 (3)新部分积及乘数各右移1位(它们的最低位从右边移出，不再参加运算)。 (4)重复2及3的步骤，

26、直到乘数最高位运算完毕。 “部分积右移”的乘法算法的流程如图1-2所示。,4. 二进制除法 除法是乘法的逆运算，二进制除法也可转化为移位与减法来实现。,(二)逻辑运算 1逻辑乘运算 逻辑乘又称逻辑与，常用“”算符表示。逻辑乘运算法则为： 00=0 10= 0 01= 0 11=1 2逻辑或运算 逻辑或运算又称逻辑加，常用算符“V”表示。逻辑或的运算规则为： 0V 0=0 lV0=l 0V1=1 1Vl=1 3逻辑非运算 逻辑非运算又称逻辑取反，常采用“”运算符表示。运算规则为：,4逻辑异或 逻辑异或又称为半加，是不考虑进位的加法，常采用算符表示。逻辑异或的运算规则为：,（三）、补码运算 1.

27、补码的物理定义 （1） 模的概念 首先以日常生活中经常遇到的钟表为例来说明补码的概念。假定现在是北京标准时间2时整，而一只表却指向3时整。为了校正此表，可以采用倒拔和顺拔两种方法。倒拔就是反时针减少1小时(把倒拔视为减法，相当于3-12)，时针指向2。还可将时针顺拔11时，时钟同样也指向2。把顺拔视力加法，相当3+1112(自动丢失)+22。这自动丢失的数(12)就叫做模(mod)，即个系统的量程或此系统所能表示的最大数。上述的加法就称为“按模12的加法”，用数学式可表示为： 3+11=2(mod l2) 因时针转一圈会自动丢失1个数12、故3-2与3+11是等价的。称11和1对模12互补，1

28、1是1对模12的补码。引进补码的概念后，就可将原来的减法3-21转化为加法3+112（mod 12)。,（2）补码的定义 在字长为n的计算机中，数 和0的表示形式一样。若机器中的数以补码表示，则数的补码以 为模。 即： 由式上式可知， 若X为正数，则X补X； 若X为负数，则 即负数X的补码等于模 加上其真值或减其真值的绝对值。,2. 求补码的方法 (1)根据定义求补码 钟表往回拨一格与往前拨十一格是否一样？ (2)根据原码求补码,值得指出，二进制数既然可用十六进制数表示，那么二进制数的补码也可通过十六进制原码计算得到。若X原为8位，则,特别要指出，在计算机中凡是带符号的数一律用补码表示且符号参

29、加运算，其运算结果也是用补码表示。若结果的符号位为“o”，则表示结果为正数，此时可以认为它是以原码形式表示的(正数的补码即为原码)；若结果的符号位为“1”，则表示结果为负数，它是以补码形式表示的。若要用原码来表示该结果，还需要对结果求补(即除符号位以外各位“取反末位加 1”)即,3、补码运算 （1）、补码的加法 设x和Y是两个带符号的补码数，则有： 即两个数和的补码等于两个数补码的和,（2）、补码的减法 两个带符号数相减，有如下基本公式； XYX十(一Y) 即两数差的补码等于被减数的补码及减数相反数的补码之和。也说明了在补码运算中，减法运算可以用加法来代替。,这里关键在于求 。 如果已知 ，那

30、么对于 的每一位(包括符号位)都按位求反，然后再加l，结果即为 。 称 为对 “变补”，即 它有别于 。 已知 ，求 的过程叫求补，已知 ，求 的过程叫变朴。这一概念要清楚。,值得注意的是： 在微型计算机中，带符号数都是以补码形式存放的根据指令，这些数可以进行加法运算，也可以进行减法运算，但在实际机器中只有加法器，减法运算也是通过加法运算来完成的，且运算结果也是用补码表示的。由于计算机的字长有一定范围，所以一个带符号数也是有一定范围的。,由表可以看出，8位二进制数的原码和反码形式所表示的数的范围都是一127一十127，而补码表示的数的范围是一128一+127。 当两个带符号位的一进制数进行补码

31、运算时，若运算结果的绝对值超过了这个范围，数值部分便会占据符号位的位置，从而造成运算错误，这就是溢出。,返回本章首页,回忆一下数字电路中的半加器和全加器的结构和原理是不是以全加器为基础就可以实现这些运算了？ 复杂运算都可由四则运算实现（数值计算课程解决）由此有了运算器的基础 更高级计算机算法由硬件实现,第四节 微型计算机的基本结构 及其工作原理 自从1945年由冯诺依曼(John Von Neumann)提出“存储程序”工作原理以来，迄今为止，不论是巨型机、大型机、中型机、小型机还是微型机都遵循这个原理，存储程序计算机的工作原理可以归纳为三点： （1）计算机是通过执行程序来完成指定的任务； （

32、2）程序在执行之前存放在计算机的存储部件中； （3）程序不需要人工干预而自动执行。,冯诺依曼型计算机的基本组成如下图所示,一、微型计算机基本构成,(一)存储器 这里的存储器是指内存储器。微机的内存储器通常采用半导体存储器。 1随机存取存储器与只读存储器 存储器除了前面所介绍的按存储器的空间位置不同可分为内存和外存外，还可根据其性能分为随机存储器RAM(Random Access Memory)和只读存储器ROM(Read Only Memory)两大类。,2随机存取存储器RAM的组成 3.随机存取存储器的基本操作 RAM的基本操作是读操作和写操作。 注意：存储单元地址与其内容是两类不同的 数据

33、，不能相混淆。,(二)微处理器 微处理器亦称做处理机，它是微机的中央处理部件。 CPU包括运算器和控制器两部分，其作用是从存储器中取出指令并对其进行分析，产生相应的微操作(最基本而又简单的逻辑功能动作)序列，向存储器或IO设备写入数据或从存储器或I0设备读出数据、执行算术和逻辑操作、处理数据、识别外设的中断请求信号井作出适当的响应,1运算器 运算器用于对二进制数进行算术和逻辑运算，其操作过程是在控制器控制下进行的。运算器由算术逻辑单元ALU，累加器A、通用寄存器R、皙存器TMF和状态寄存器FSW等五部分组成。 累加器A(Accumulator)是一个具有输人输出能力的八位移位寄存器，由八个触发

34、器组成。累加器A在加法前用于存放一个操作数，加法操作后用于存放两数之和，以便再次累加，因此得名 TMP(Temporary Register)为暂存器，也是一个八位寄存器，用于暂存另一操作数。,ALU(Arithmctic And Logical Unit)为算术逻辑单元，主要由加法器，移位电路和判断电路等 组成，用于对累加器A和暂存器TMP中两个操作数进行四则运算和逻辑操作。操作过程中形成的状态，例如：累加器A中的运算结果是否为零、最高位是否有进位或借位、低四位向高四 位是否有进位或借位等等，都可以记录到状态寄存器PSW(Program Status Word)中去。 R0为通用寄存器 GR

35、(General Purpose Register)，用于存放操作数或运算结果。,2控制器 计算机是根据事先存储的程序对全机实行控制的，而程序是指能实现某一功能的指令序列。控制器就是根据指令来对各种逻辑电路发布命令的机构，它是计算机的指挥中心。控制器由指令部件、时序部件和微操作控制部件等三部分组成。 (1)指令部件 指令部件是一种能对指令进行分析、处理和产生控制信号的逻辑部件，也是控制器的核心。通常，指令部件由程序计数器 PC(Program Counter)、指令寄存器IR(1nstruction Register)和指令译码器ID(1nstructionDecodcr)等三部分组成。,指令

36、是一 种能供机器执行的二进制控制代码，有操作码和地址码两部分。指令不同，相应的代码长度也不一样。因此，指令可分为单字节指令、双字节指令和三字节指令等等。指令和数据都是以二进制代码的形式存放在存储单元内的，从存储单元的内容区分不出指令与数据，为此在控制器中设置一个专门寄存器用来存放当前要执行的指令在存储器中的位置信息 (即存储器地址)，以便根据此地址去读取指令，这个寄存器就是程序计数器PC。由于程序在存储器中是按顺序进行存放当顺序执行指令时，每执行一条指令，微操作控制电路输出“加 l”信号，PC就自动加1，为顺序地取下一条指令作好准备，这就使计算机能自动、连续地工作当执行转移类指令时，微操作控制

37、电路不输出“加1”信号，而输出相应的控制信号，将转移地址送人PC中，从而实现程序的转移。在八位微处理器MPU中，程序计数器PC通常为十六位。,指令寄存器IR用来暂时存放从存储器中取出的当前要执行指令的指令码。该指令码在IR中得到寄存和缓冲，被送到指令译码器ID中译码后就知道该指令进行哪种操作，并在时序部件帮助下去推动微操作控制部件完成指令的执行。 指令译码器ID的作用是对指令操作码进行分析，在其输出端产生各种控制电平，以形成相应的微操作，用以实现指令执行过程中所需要的功能控制。,(2)时序部件 由时钟系统和脉冲分配器组成，用于产生微操作控制部件所需的定时脉冲信号。其中，时钟系统(ClockSy

38、stem)产生机器的时钟脉冲序列，脉冲分配器(PluseDistributor)又称节拍发生器，用于产生节拍电位和节拍脉冲。,(3)微操作控制部件 可以为ID输出信号配上节拍电位和节拍脉冲，也可和外部进来的控制信号组合，共同形成相应的徽操作控制序列，按照严格的先后顺序执行指令译码器给出的各种徽操作，以完成规定的操作。,(三)输人输出设备及其接口电路 微机的输入输山设备亦称外部设备，简称I0设备。如键盘、盒式磁带机、软盘驱动器、硬盘驱动器、打印机、纸带阅读机等。为了使这些IO设备能与CPU交换信息，并对它们进行输入输出控制，必须要有输入输出接口电路，简称IO接口电路。微机的IO接口电路都已作成独

39、立的大规模集成电路芯片，常用的IO接口电路芯片有如下4种：,1并行输入输出接口电路 (Parallel Input Output Controller)： 通常做成可编程的8位通用的接口电路，只要编制不同的程序就可适用于不同的场合。例如它既可以作为键盘输入接口又可作为打印机的输出接口电路。,2串行输入输出接口电路 (Serial InputOutput Controller)： 有很多外部设备，由于动作速度较慢，或者离主机较远，往往采用串行数据传送方式，它只需要一对通信线就可传送各种信号。串行接口电路能把计算机的并行信息转变为串行信息发送出去，也能把从通信线上收到的串行信息转变为并行信息提供给

40、计算机。,3计数定时电路(Counter TimerCircuit)；通常也做成可编程序的接口电路，可用程序设定的方法实现计数及定时功能。 4直接存储器存取接口电路(DirectMemoryAccess）：它提供存储器和I / O设备间不经CPU控制而直接传送数据的功能。,(四)地址总线、数据总线和控制总线 微型机在结构形式上采用了总线结构所有的部件都通过一组公共的、具有逻辑控制功能的信号线联系起来，各部件之间的数据和信号都通过此信号线传送。通常将多个装置或部件连接起来并传送信息的公共通道称为总线(Bus)。总线实际上是印刷电路板上的组传输信号的短路线，这组线的数目则取决于微处理器本身的结构,

41、总线结构的信息传输,总线结构符号图,总线通常有三种类型： 1数据总线(Data Bus，简称DB) 用来在微处理器和存储器以及输入输出接口之间传送数据，例如；从存储器中取数据到CPU，把运算结果从CPU送到外部输出设备等通常微处理器的位数和外部数据总线的位数一致。数据总线是双向的，即数据可从CPU传出，也可以从外部送入CPU。,2.地址总线(AddressBus，简称AB) AB也叫地址母线，因其上仅传送MPU的地址码而得名。当微处理器MPU和存储器或 外部设备交换信息时，必须指明要和哪个存储单元或哪个外部设备交换因此，地址总线AB必须和所有存储器的地址线对应相连，也必须和所有I0接口设备码线

42、相连。这样，当微处理器MPU对存储器或外设读写数据时，只要把存储单元地址码或外设的设备码送到地址总线上便可选中工作。地址总线由所选CPU型号决定，地址总线的数目决定了CPU可以直接访问的内存储器的单元数目。地址总线是单向的，即数据从CPU传出到存储器或外设，在八位机中，它通常为16根，CPU可直接访问的内存储器的单元数目为64KB(字节)。,3控制总线(Control Bus，或CB) 控制总线可以传送CPU送出的控制信号，也可以传送其他部件输入到微处理器的信号。对于每一条具体的控制线，信号的传送方向则是固定的，不是输入到CPU就是从CPU输出。控制总线的数目与微处理器的位数没有直接关系，一般

43、受引脚的限制，控制总线的数目不会太多。 微型计算机采用总线结构，使之在系统结构上简单、规则，易于扩展，其他的功能部件只要符合总线的规范，就可以接人系统，从而扩展系统的功能。但采用总线结构后，在每一时刻，一种总线上只能有一组信号，这对提高计算机的运行速度不利。 微型计算机的外部结构特点是三总线结构，所有部件都通过三组总线分别传送各类信息。 而CPU的内部结构特点是单总线结构，即CPU内部的所有部件都通过一组总线来传送各种信息。,二、指令执行过程 (一)指令和指令格式 程序就是一系列按一定顺序排列的指令 指令就是指挥机器工作的指示和命令，计算机中的控制器靠指令指挥机器工作，人则用指令表达自己的意图

44、。 指令系统：一台计算机所能执行的各种不同指令的集合叫做计算机的指令系统。每一台计算机均有白己特定的指令系统。这个系统反映厂计算机的基本功能，是在设计计算机时规定下来的。,一条指令通常包括两方面的内容：一是指出机器执行什么样的操作，二是指出操作数在存储器或通用寄存器组的地址，即给出操作数地址。在计算机中，操作数和操作数地址都是用二 进制数码表示的，分别称为择作码和地址码即一条指令的基本格式如下： 整条指令以二进制编码的形式存放在存储器中，此条指令的二进制编码称为指令的机器代码或简称指令码,(二)指令执行过程 为弄清微型计算机指令的执行过程，现以如下的 x2+3求和程序来说明。 7402H MO

45、V A，#02H；A 2 2403H ADD A，#03H；A 3+2,1第一条指令的执行讨程,三、微型计算机系统的组成,返回本章首页,第五节 单片微型计算机概述 在微型计算机发展的同时，1974年出现了位片式(BitSlice)微处理器和单片微型计算机，即单片机。它是一种将CPU单元、部分存储器单元、部分IO接口单元及内部系统总线集成在同一片大规模集成电路芯片内的计算机，由于它的结构和指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又叫微控制器(Microcontroller)。它的出现为智能化仪器仪表开辟了广阔道路。对于运算不太复杂，数据量不大的应用，往往用一片单片机再加适当的软件和外部设备就能满足

46、控制或测量的要求，从而使硬件电路更为简化，造价更为低廉。因此，它也是一种应用广泛、生命力强大的机种。,一、单片机的发展历史 单片机的发展与微机的发展大体上同步，主要经历了以下几个阶段： 第一阶段(1974年1976年)为单片机的初级阶段，因受工艺和集成度的限制，单片机采用双片形式。 第二阶段(1976年一1978年)为低性能的8位单片机阶段。 以Intel公司于1976年生产的MCS 48为代表 第三阶段(1978年一1983年)为高性能8位单片机阶段。 以Intel公司的MCS51系列为代表 第四阶段(1983年)为8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。此阶段的主要特征是 一方面发展16

47、位单片机(如Intel公司的MCS96)及专用单片机；另一方面不断完善高档8位片机，改善其结构，以满足不同的用户需求。,二、单片机的发展趋势 近几年来，单片机的发展速度很快，纵观各个系列的单片机产品的特性，可以看出单片机正朝着高性能、多品种的方向发展。 1CPU功能增强 2内部资源增多 所谓单片机内部资源是指它内部的存储器容量和常用IO电路的种类和数量。目前，单片机内部的ROM容量已达32KB，RAM已达1KB，还有掉电后信息能保护的E2PROM存储器，同时还将一些常用的IO接口电路集成到单片机内部，如并行和串行口、AD和DA转换器、DMA通道等。这样便大大减少了单片机的外接电路，使大多数单片

48、机应用系统体积小可靠。,3使用多功能引脚 随着单片机内部资源的增多，所需的引脚也相应增加。为了减少引脚数量，提高应用的灵活性，单片机中普遍使用多功能引脚，即一个引脚有多种功能供用户选择。 4寻址范围大 许多高性能的单片机不但内部存储器容量增大了，而且扩大了CPU的寻址范围，存储空间达64KB一16MB，从而提高了系统的扩展能力。 5低功耗和低电压 普遍采用CHMOS制造工艺，同时增加空闲等待方式和掉电(停机)方式，极大地降低了 单片机的功耗。,三、单片机的内部结构 单片机内部包括计算机的基本功能部件，典型的单片机内部结构如图110所示。,四、典型单片机产品 目前，单片机的制造商很多，主要有美国

49、的Intel、Motorola和荷兰Philip公司等。现对Intel公司和Motorola公司的典型产品作一介绍。 (一)Intel单片机 ， Intel公司的单片机产品主要有MCS48、MCS51和MCS96系列。,(二)Motorola公司单片机 Motorola公司生产8位和16位单片机，该公司的单片机自成体系，产品的种类很多。其中，高档八位单片机系列(MC68HC05系列)是最常用的，它采用HCMOS工艺制成，指令系统的功能很强，内部资源也很丰富。表17列出了一些主要产品。,20世纪80年代中期以后，Intel公司已把精力集中在CPU芯片的开发、研制上，并逐渐放弃了单片机芯片的生产。

50、 但是以MCS-51为技术核心和主导的单片机已经成为许多厂家、电气公司竞相选用的对象，以此为基核。以专利或技术交换的形式把8051内核技术转让给各厂家。如：AMTEL、PHILIPS、ANALOG DEVICES、DALLAS公司。 这些厂家的兼容单片机，与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺- 80C51系列。 80C51系列：所有具有8051指令系统的单片机，不应直接称为MCS-51系列单片机，MCS只是Intel公司专用的单片机系列符号,(三）关于AT89C5x系列单片机,习惯把兼容机等衍生产品统称为51系列单片机或51单片机。 在8051的基础上又进行了一些扩充,

51、称为增强型、扩展型，如52子系列单片机，功能和市场竞争力更强。 世界单片机芯片生产厂商推出的与8051（80C51）兼容的主要产品如下表,众多的MCS-51单片机及其各种增强型、扩展型衍生品种，ATMEL公司推出的AT89C5x系列，尤其是该系列中的AT89C51单片机在8位单片机应用中占有相当大的市场份额。 ATMEL公司以E2PROM技术与Intel公司的80C51内核的使用权进行交换。该公司技术优势是其闪烁（Flash）存储器技术，将Flash存储器与80C51内核相结合，形成了AT89C5x系列。 与MCS-51系列单片机在功能、引脚及指令系统方面完全兼容。又增加了一些新的功能，如看门狗定时器WDT、ISP及SPI串行接口等，,是取代MCS-51系列单片机的主流芯片之一 。 表1-3为ATMEL公司生产的AT89系列单片机的主要产品的片内硬件资源。,尽管AT89C5x系列单片机有多种机型，但是掌握好基本型AT89C51是十分重要的，是具有8051内核的各种型号单片机的基础，具有典型性、代表性，也是各种增强型、扩展型等衍生品种的基础。 因此，以AT89C51为51单片机的代表机型来介绍，并简写为89C51。 除了8位单片机得到广泛应用外，一些厂家的16位单片机也得到