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1、第01章_微型计算机基础知识1第1页，共44页，编辑于2022年，星期日本课程主要内容本课程主要内容第一章第一章 微型计算机基础知识微型计算机基础知识第二章第二章 微型计算机的存储器微型计算机的存储器第三章第三章 MCS-51单片机结构和原理单片机结构和原理第四章第四章 MCS-51单片机指令系统单片机指令系统第五章第五章 汇编语言程序设计汇编语言程序设计第六章第六章 微型计算机的输入微型计算机的输入/输出输出第七章第七章 MCS-51中断和中断接口中断和中断接口第八章第八章 MCS-51并行接口并行接口第九章第九章 单片机与数模及模数转换器的接口单片机与数模及模数转换器的接口第十章第十章 M
2、CS-51串行接口串行接口 其它其它2第2页，共44页，编辑于2022年，星期日第一章第一章 微型计算机基础知识微型计算机基础知识1.计算机的两种基本结构n冯冯 诺依曼结构诺依曼结构3第3页，共44页，编辑于2022年，星期日冯冯诺依曼设计思想的要点诺依曼设计思想的要点1.计算机包括五个基本部分；2.计算机的指令和数据采用二进制表示；3.采用存储程序存储程序方式。编好的程序送入内存，然后启动计算机工作，计算机自动逐条取出指令和执行指令。4第4页，共44页，编辑于2022年，星期日特点特点 在通用微机上，指令和数据混合存储。结构上简单，成本低。但是，指令和操作数共享同一总线的结构，影响了计算机速
3、度的进一步提高。5第5页，共44页，编辑于2022年，星期日计算机的两种基本结构计算机的两种基本结构n哈佛结构哈佛结构使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块不允许指令和数据并存；使用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用信息通道，两条总线之间相互不关联。单片机和DSP芯片一般采用哈佛结构。6第6页，共44页，编辑于2022年，星期日计算机的两种基本结构计算机的两种基本结构哈佛结构哈佛结构程序存取总线程序存取总线数据存取总线数据存取总线7第7页，共44页，编辑于2022年，星期日特点特点 程序和数据空间独立的体系结构此结构的微处理器通常有较高的执行效率；数据吞吐
4、率提高；指令和数据可以有不同的数据宽度；缺点是结构复杂。8第8页，共44页，编辑于2022年，星期日指令系统的两种基本类型指令系统的两种基本类型 复杂指令集计算机CISC 指令比较复杂，每条指令的字节长度不一定相同，指令种类比较多，相应的微处理器结构比较复杂。这类芯片主要以Intelx86系列、AMD和VIA为代表。9第9页，共44页，编辑于2022年，星期日复杂指令集计算机复杂指令集计算机CISC的特点的特点优点：能有效缩短新指令微代码设计时间，允许设计师实现CISC体系机器向上兼容。另外，微程序指令的格式与高级语言相匹配，编译器并不一定要重新编写。缺点：指令集以及芯片的设计比上一代产品更复
5、杂，不同的指令，需要不同的时钟周期来完成，执行较慢的指令影响整台机器的执行效率。10第10页，共44页，编辑于2022年，星期日指令系统的两种基本类型指令系统的两种基本类型 精简指令集计算机RISC 指令集比较简单，指令种类也比较少，且每条指令的执行时间相当短。往往通过几条简单的指令来实现复杂的功能。典型处理器有：PowerPC(IBM、Apple、Motorola)、SPARC(SUN、TI)、PA-RISC(HP)和Alpha。PIC系列单片机采用了精简指令集。11第11页，共44页，编辑于2022年，星期日精简指令集计算机精简指令集计算机RISC的特点的特点优点：使用相同芯片技术和运行时
6、钟，RISC系统的运行速度一般是CISC速度的24倍。RISC处理器的内存管理单元、浮点单元等能设计在同一块芯片上。RISC处理器比CISC处理器设计更简单，所需时间更短，可以比CISC处理器应用更多的先进技术，开发更快的下一代处理器。12第12页，共44页，编辑于2022年，星期日精简指令集计算机精简指令集计算机RISC的特点的特点缺点：多指令的操作使得程序开发者必须小心选用合适的编译器，程序编写的代码量会比较大。另外，RISC体系处理器需要更高速内存，即L1 Cache（一级缓存）。13第13页，共44页，编辑于2022年，星期日指令系统的两种基本类型指令系统的两种基本类型 RISC和CI
7、SC各有优势，但目前界限并不非常明显。现代CPU往往采用CISC的外围，内部加入RISC的特性。例如，Intel公司从Pentium系列芯片开始引入了明显的RISC设计思想。14第14页，共44页，编辑于2022年，星期日2.微处理器的基本结构微处理器的基本结构(1)算术逻辑部件ALU：核心部件。算术运算算术运算：加、减、比较、加1、减1等；逻辑运算逻辑运算：与、或、异或、反、补等；ALU的核心是一个可控加法/减法器。(2)累加器A或Acc：核心是一个移位寄存器，一般用于存放参与运算的数据和运算结果。15第15页，共44页，编辑于2022年，星期日2.微处理器的基本结构微处理器的基本结构(3)
8、标志寄存器FR(Flag Register):存放运算结果的各种特征：进位标志C或Cy 辅助进位标志Ac 溢出标志OV 零标志Z 符号标志S 奇偶标志P16第16页，共44页，编辑于2022年，星期日微处理器的基本结构微处理器的基本结构(4)寄存器组：有通用寄存器（数据寄存器）和专用寄存器两种。通用寄存器：暂时存放运算数据、中间结果、地址，如ACC等；专用寄存器：专门用途。如堆栈、变址寄存器等。17第17页，共44页，编辑于2022年，星期日微处理器的基本结构微处理器的基本结构(5)程序计数器PC 用来存放下一条要执行指令的地址，自动加1。(6)指令寄存器、指令译码器、控制信号发生器等。18第
9、18页，共44页，编辑于2022年，星期日指令的执行过程指令的执行过程1.控制器送出指令地址值PC，PCPC+1；2.选中相应的指令存储单元；3.控制器发出读命令，读取指令机器码；4.指令进入指令寄存器，经过译码，产生相应的操作信号；5.执行指令。19第19页，共44页，编辑于2022年，星期日什么是单片微型计算机什么是单片微型计算机 单片机(Single Chip Microcomputer)。在一片芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定时/计数器、ADC/DAC、WDT、I/O接口等，由此组成一台完整的微型计算机。20第20页，共44页，编辑于2022年，星期日单片机的主要应用单片机的主要
10、应用 主要作为嵌入式(Embedded System)应用，如：工业控制、数据采集、自动测试、智能仪表、智能接口、功能模块等。单片机也被称为“微控制器”、“微处理器”（Micro-controller,Micro-processor）。21第21页，共44页，编辑于2022年，星期日单片机的主要应用特点单片机的主要应用特点 控制功能强、体积小、成本低、功耗小等。单片机主要有4位、8位、16位和32位等。22第22页，共44页，编辑于2022年，星期日23第23页，共44页，编辑于2022年，星期日单片微型计算机的特点单片微型计算机的特点1.单片机存储器有片内存储器和片外存储器之分。片内与片外存
11、储器的访问方式有区别；2.单片机内的RAM和ROM有严格分工。程序存储器ROM只存放程序指令、常数和数据表格；RAM存放随机数据。24第24页，共44页，编辑于2022年，星期日单片微型计算机的特点单片微型计算机的特点3.单片机有很强的位处理能力。4.单片机的引脚出线一般是多功能的。为解决实际引脚数与所需出线数之间的矛盾，引脚出线一般是多功能的。引脚在某时刻的作用由指令及机器周期的状态来确定。5.单片机功能扩展性强，系列齐全，技术支持完善。25第25页，共44页，编辑于2022年，星期日单片机的主要品种系列单片机的主要品种系列 1974年12月，仙童(Fairchild)公司首先推出8位单片机
12、F8，它采用双片形式，基本构成：8位位CPU+64Bit RAM+2个并行个并行I/O口口+一块一块3851芯片芯片3851：1K ROM+定时器/计数器+2个并行I/O26第26页，共44页，编辑于2022年，星期日单片机的发展经历单片机的发展经历第一代：第一代：19741978年，以Intel公司的MCS-48型8位单片机为典型代表，采用8位CPU、2个 I/O口、8位定时器/计数器、64 Byte RAM/1K ROM、简单中断，寻址小于4K，无串行口。27第27页，共44页，编辑于2022年，星期日单片机的发展经历单片机的发展经历第二代：第二代：19781983年，高档8位单片机，如M
13、CS-51，MC6801，Zilog公司的Z8等。增加功能：串行I/O、多级中断、16定时/计数器、片内RAM/ROM增加，寻址64K，片内带A/D转换器接口。28第28页，共44页，编辑于2022年，星期日单片机的发展经历单片机的发展经历第三代：第三代：198390年代初，出现16位单片机，如MCS-96系列的8096、8098芯片。性能增强：16位CPU，RAM/ROM增大，中断能力增强、A/D、D/A、HSIO等。29第29页，共44页，编辑于2022年，星期日单片机的发展经历单片机的发展经历第四代：第四代：90年代后。出现高档16位及32位产品，如80196，MC8300等，性能、速度
14、进一步提高。例如，有些单片机集成了调制解调器、通信控制器、锁相环、DMA、浮点运算单元、LCD控制器等。30第30页，共44页，编辑于2022年，星期日8位单片机的主要生产厂家位单片机的主要生产厂家公司公司典型产品系列典型产品系列IntelMCS-51及增强型系列Philips8XC552及89C66X系列Motorola6801系列和6805系列Atmel与MCS51兼容系列FairchildF8系列和3870系列TITMS7000系列MicrochipPIC16 5X系列31第31页，共44页，编辑于2022年，星期日8位单片机的主要生产厂家位单片机的主要生产厂家公司公司典型产品系列典型产
15、品系列Rockwell6500/1系列RCACDP 180系列NECuCOM87(uPD7800)系列ZilogZ8系列及Super832第32页，共44页，编辑于2022年，星期日单片机的发展趋势单片机的发展趋势 CPU的改进(1)采用双CPU结构；(2)增加数据总线宽度；(3)采用流水线结构，提高运算速度；(4)采用RISC体系结构。33第33页，共44页，编辑于2022年，星期日单片机的发展趋势单片机的发展趋势存储器的发展(1)加大存储容量；(2)片内ROM采用E2PROM和Flash；(3)程序保密功能增强。34第34页，共44页，编辑于2022年，星期日单片机的发展趋势单片机的发展趋
16、势增加口的驱动能力；增强口的逻辑运算能力；配置特殊的串行接口；增强通信及网络功能。改进片内I/O端口35第35页，共44页，编辑于2022年，星期日单片机的发展趋势单片机的发展趋势集成更多的外围电路引脚多功能低功耗专用型单片机加快发展36第36页，共44页，编辑于2022年，星期日8051系列新芯片系列新芯片-C8051FXXX系列系列2004年左右Cygnal公司产品25MIPS 8051CPU；64k字节Flash；4352字节RAM；外部数据存储接口；64个I/O口；5个16位定时器，可编程计数器阵列(PCA)；22个中断源；37第37页，共44页，编辑于2022年，星期日8051系列最
17、新芯片系列最新芯片-C8051FXXX系列系列比较器、电压基准、温度传感器；12位DAC；10位ADC：100ksps；8位ADC：500ksps；2个UART，SPI(串行外围接口)，SMBus/I2C(系统管理总线)；-40到+85、TQFP-100 封装；38第38页，共44页，编辑于2022年，星期日单片机系统的开发过程单片机系统的开发过程应用任务分析；设计并制作硬件：确定部件、端口地址、控制字等；编写软件。文本编缉器编辑源程序、用编译器对源程序文件编译、查错、修改；应用仿真器对系统和软件进行调试，直到程序运行正确为止。39第39页，共44页，编辑于2022年，星期日单片机的开发过程单
18、片机的开发过程运行正确后将程序固化在EPROM等中(写片)。源程序源程序 ORG 0000H LJMP START ORG 0040HSTART：MOV SP，#5FH ;设堆栈设堆栈LOOP：NOP LJMP LOOP；循环；循环 END；结束；结束目标文件目标文件是最终写入是最终写入EPROM等中的文件：等中的文件：02 00 40 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FFFF FF FF FF FF FF FF FFFF FF FF FF FF FF FF FFFF FF FF FF FF FF FF F
19、FFF FF FF FF FF FF FF FFFF FF FF FF FF FF FF FF 75 81 5F 00 02 00 4340第40页，共44页，编辑于2022年，星期日仿真和仿真器仿真和仿真器 仿真是单片机开发过程中非常重要的一个环节，除了一些极简单的任务，一般产品开发过程中都要进行仿真，仿真的主要目的是进行软件调试。另外，借助仿真器，也能进行一些硬件排错。41第41页，共44页，编辑于2022年，星期日仿真和仿真器仿真和仿真器 单片机应用电路板包括：单片机部分和应用电路。电路板仿真利用仿真器代替应用(称目标机)的单片机部份，对其进行测试、调试。仿真分软件模拟仿真和利用仿真器仿真两类。42第42页，共44页，编辑于2022年，星期日仿真和仿真器仿真和仿真器43第43页，共44页，编辑于2022年，星期日仿真和仿真器仿真和仿真器软件模拟仿真软件模拟仿真 是指用仿真软件来模拟单片机运行情况，一般我们学习指令系统时常用这种方式，它不能进行硬件系统的调试和故障诊断。利用仿真器仿真利用仿真器仿真 利用仿真器以及微机可以进行软硬件系统的调试和故障诊断。本章结束本章结束44第44页，共44页，编辑于2022年，星期日