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1、微机原理及接口技术微机原理及接口技术刘忠国：刘忠国：电话电话:18764171197:18764171197 微信号微信号:jnliuzhgjnliuzhg山东大学生物医学工程山东大学生物医学工程任课教师:刘忠国刘忠国电话电话:18764171197:18764171197;微信号微信号:jnliuzhgjnliuzhgEmail:教材:陈桂友陈桂友.单片微型计算机原理及接口技单片微型计算机原理及接口技术术(第第2 2版版),),高等教育出版社高等教育出版社,2017,2017网站：山大课程中心“微机原理及单片机接口技术”http:/ 宏晶科技 http:/ vision软件 http:/ 课
2、程性质课程性质:专业基础课专业基础课后续课程后续课程:DSP:DSP原理与应用、生物医学智能仪器原理与应用、生物医学智能仪器应应用用:大大学学生生科科技技创创新新项项目目,“宏宏晶晶杯杯”单单片片机机大大奖奖赛赛,中中国国机机器器人人大大奖奖赛赛,飞飞思思卡卡尔尔杯杯-全全国国大大学学生生智智能能车车竞竞赛赛,节节能能减减排排社社会会实实践践与与科科技竞赛技竞赛 选用教材选用教材:陈桂友陈桂友.单片微型计算机原理及接口技术单片微型计算机原理及接口技术(第第2版版)4 课程特点内容多内容多需要加需要加强理解理解更重要的是需要加更重要的是需要加强实践践动手能力的培养手能力的培养 学习方法注重理解，
3、加注重理解，加强软件、硬件件、硬件实验锻炼充分利用网充分利用网络，提高自学能力，提高自学能力相互交流，共同提高相互交流，共同提高5 课程主要内容微型计算机基础知识微型计算机基础知识 (第第2 2章章)计算机系统的组成及工作原理计算机系统的组成及工作原理(第第1 1章章 微型计算机微型计算机概述概述,第第3 3章章 IAP15W4K58S4IAP15W4K58S4单片机的硬件结构单片机的硬件结构)指令系统及汇编语言程序设计指令系统及汇编语言程序设计 (第第4 4章章)C C语言程序设计及仿真调试语言程序设计及仿真调试 (第第5 5章章)中断中断 (第第6 6章章)定时计数器定时计数器 (第第7
4、7章章)数据通信数据通信 (第第8 8章章)模数转换器与数模转换器模数转换器与数模转换器 (第第9 9章章)人机交互接口人机交互接口(第第1111章章)6刘忠国：刘忠国：刘忠国：刘忠国：电话电话电话电话:18764171197:18764171197:18764171197:18764171197山东大学生物医学工程山东大学生物医学工程山东大学生物医学工程山东大学生物医学工程微机原理及单片机接口技术微机原理及单片机接口技术第一章第一章微型计算机概述微型计算机概述第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述本章学本章学习目目标了解微型了解微型计算机算机发展概况展概况(单片片)微型微型计算机的基本构
5、成算机的基本构成了解微型了解微型计算机的算机的应用用81 微型计算机发展概况1.1.1微型微型处理器和微型理器和微型计算机算机1、第一台通用数字、第一台通用数字电子子计算机算机ENIAC占地面积占地面积170平方米平方米重达重达30吨吨耗电量耗电量150千瓦千瓦造价造价48万美元万美元使用使用18000多个电子管多个电子管70000多个电阻多个电阻10000多个电容多个电容1500多个继电器多个继电器6000多个开关多个开关图图1-1第一台电子计算机第一台电子计算机9诞生于诞生于1946年年2月月14日日美国宾夕法尼亚大学美国宾夕法尼亚大学(Electronic Numerical Integ
6、rator And Calculator)每秒可每秒可进行行5000次加法次加法或或400次乘法次乘法运算运算2、微型机的、微型机的发展展取决于微取决于微处理器理器l1971年，美国年，美国Intel公司生公司生产出第一片微出第一片微处理器理器4004。l1976年，相年，相继推出了高档微推出了高档微处理器，如：理器，如：Intel公司公司的的8085、Zilog公司的公司的Z80等。等。1978年，推出了性能与中档年，推出了性能与中档16位小型机相当的微位小型机相当的微处理器，代表性理器，代表性产品是品是Intel8086。地址地址线：20位位时钟频率：率：48MHz。进入入21世世纪,不断
7、推出新型的不断推出新型的计算机算机,在速度、性能、在速度、性能、价格等价格等诸方面不断适方面不断适应各种人群的使用。到各种人群的使用。到2009年，年，奔奔腾双核机的主双核机的主频已已经达到达到2.6GHz以上。以上。2016年，年，Intel推出至推出至强XeonE5-2602V4处理器主理器主频5.1GHz。101.1.2微型微型计算机的基本构成算机的基本构成 典型的微型典型的微型计算机（系算机（系统）的基本）的基本结构包括：构包括：l微微处理器（理器（CPU）l存存储器器l输入入/输出接口（出接口（I/O接口）接口）l外部外部设备(输入入输出出设备)l系系统总线121.1.2微型微型计算
8、机的基本构成算机的基本构成 图图1-2微型计算机（系统）的基本结构微型计算机（系统）的基本结构131、系、系统总线定定义：连接多个功能部件的接多个功能部件的一一组公共信号公共信号线。各功。各功能部件之能部件之间通通过总线传输信息。信息。系系统总线分分为地址地址总线AB（AddressBus）数据数据总线DB（DataBus）控制控制总线CB（ControlBus）-典型的三典型的三总线结构构 141、系、系统总线地址地址总线AB:单向向,CPU输出的地址信号；出的地址信号；输出将要访问的内存单元或输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址。端口的地址。地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围。
9、地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围。例例,Intel8086CPU共有共有20条地址条地址线,分分别用用A19A0表表示示,其中其中A0为最低位。最低位。20位地址位地址线可以确定可以确定220=1024 1024个不同的地址个不同的地址（称（称为1MB内存内存单元）。元）。20位地址用位地址用16进制数表示其范制数表示其范围:00000HFFFFFH。151、系、系统总线数据数据总线DB:双向双向,数据在数据在CPU与存与存储器器(或或I/O接口接口)间传送送;CPU读操作时，外部数据读操作时，外部数据CPU写操作时，写操作时，CPU数据数据数据线的多少决定了一次能够传送数据的位数数
10、据线的多少决定了一次能够传送数据的位数(8,16,32,64);CPU通过通过AB上不同的地址确定读写的存储上不同的地址确定读写的存储(接口接口)单元单元,经由经由DB与存储器与存储器(或或I/O接口接口)进行数据传输。进行数据传输。数据总线数据总线数据总线数据总线 CPU;外部外部;161、系、系统总线控制控制总线CB:双向双向,CPU对存存储器、器、I/O接口接口进行行控制和控制和联络。输出控制信号输出控制信号:CPU发给存储器或发给存储器或I/O接口的控制信接口的控制信号。如号。如,微处理器的读信号微处理器的读信号RD,写信号写信号WR等。等。输入控制信号输入控制信号:CPU通过接口接受
11、的外设发来的信通过接口接受的外设发来的信号。如号。如,外部中断请求信号外部中断请求信号INTR、非屏蔽中断请求、非屏蔽中断请求输入信号输入信号NMI等。等。控制信号间相互独立控制信号间相互独立,表示方法表示方法:采用能表明含义的采用能表明含义的缩写英文字母符号。按照惯例缩写英文字母符号。按照惯例,若符号上有一横线若符号上有一横线,则表示该信号为低电平有效则表示该信号为低电平有效,否则为高电平有效否则为高电平有效。171、系、系统总线注意：注意：在在连接系接系统总线的的设备中，中，某某时刻只能有刻只能有一个一个发送者向送者向总线发送信号送信号；但可以有多个；但可以有多个设备从从总线上同上同时获取
12、信号。取信号。182、微、微处理器理器简称称MP(MicroProcessor)，也称，也称P，是微型机的核心部件。通常称是微型机的核心部件。通常称为中央中央处理理单元元CPU(CentralProcessingUnit)，包括：，包括：l运算器运算器ALU(ArithmeticLogicUnit)l控制器控制器CU(ControlUnit)l寄存器寄存器阵列列R(Registers)l内部内部总线等等电路路-集成在一片硅片上集成在一片硅片上191.1.2微型微型计算机的基本构成算机的基本构成 203、存、存储器器分分为程序存程序存储器器和和数据存数据存储器器两两类。程序包括系程序包括系统程序
13、和用程序和用户程序。程序存程序。程序存储器主要器主要是硬是硬盘；数据存；数据存储器器内存条。内存条。4、I/O接口接口主要用于主要用于CPU和外部和外部设备之之间交交换数据。数据。并行口并行口串行口串行口USB口等口等1Mbit并行并行EEPROM2kbit串行串行EEPROM5、关于微机需要区、关于微机需要区别的概念的概念（1）微）微处理器即理器即CPU计算机的核心部件算机的核心部件将运算器、控制器集成在一片芯片上。功能：指令将运算器、控制器集成在一片芯片上。功能：指令译码，读写数据；响写数据；响应中断中断请求；控制。求；控制。（2）微型）微型计算机算机在在CPU基基础上配置存上配置存储器、
14、器、I/O接口接口电路、系路、系统总线。（3）微型）微型计算机系算机系统以微机以微机为主体主体,配置系配置系统软件和外件和外设。软件部分包件部分包括系括系统软件件(如操作系如操作系统)和和应用用软件件(如字如字处理理软件件)。215、关于微机需要区、关于微机需要区别的概念的概念微型计算机系统微型计算机系统运算器运算器控制器控制器寄存器阵列寄存器阵列存储器存储器总线总线输入输出接口电路输入输出接口电路外部设备外部设备 软件软件微处理器微处理器微型计算机微型计算机区别区别3个概念个概念图图1-3微处理器、微型计算机和微型计算机系统关系图微处理器、微型计算机和微型计算机系统关系图221.1.3单片微
15、型片微型计算机算机简介介单片微型片微型计算机就是将算机就是将计算机的核心部分：算机的核心部分：l中央中央处理器理器CPUl存存储器器l通用通用I/O接口接口(电路路)l典型外典型外设-集成在一集成在一块芯片上的芯片上的计算机算机23内部内部总线1.1.3单片微型片微型计算机算机简介介单片机开片机开发板或学板或学习机机举例：例：241.1.3单片微型片微型计算机算机简介介单片机开片机开发板或学板或学习机机举例：例：251.1.3单片微型片微型计算机算机简介介单片机开片机开发板或学板或学习机机举例：例：26单片机开片机开发板或学板或学习机机举例：例：1.1.3单片微型片微型计算机算机简介介27F:
16、5.5V3.8VL:2.4V3.6VW:2.5V5.5VSTC15W4K58S4核心开核心开发板：板：1.1.3单片微型片微型计算机算机简介介单片机开片机开发板或学板或学习机机举例：例：28STC15F2K60S2核心开核心开发板：板：F:5.5V3.8VL:2.4V3.6VW:2.5V5.5V1.1.3单片微型片微型计算机算机简介介 1、单片机的基本定片机的基本定义 在在一一块芯芯片片上上集集成成了了中中央央处理理单元元(CPU)、存存储器器(RAM/ROM等等)、定定时/计数数器器以以及及多多种种输入入/输出出(I/O)接口的比接口的比较完整的数据完整的数据处理系理系统。2、单片机名称的来
17、源片机名称的来源早期的英文名称是早期的英文名称是Single-chipMicrocomputer，即，即单片微型片微型计算机，算机，简称称单片机。片机。后来称之后来称之为微控制器微控制器（Microcontroller），），这也是目前也是目前比比较正正规的名称。的名称。我国学者或技我国学者或技术人人员一般使用一般使用“单片机片机”一一词。311.1.3单片微型片微型计算机算机简介介图图1-4一个典型的单片机的组成框图一个典型的单片机的组成框图323、单片机的片机的发展展过程程单片机片机问世世:1975年美国年美国TEXAS公司推出公司推出4位位单片机。片机。1976年，年，Intel公司推出
18、公司推出MCS-48系列系列8位位单片机，其代片机，其代表型号是表型号是8048(96条指令条指令)。特点特点：8位字位字长,片内片内ROM为1K字字节,片内片内RAM为64字字节,27根根I/O口口线,1个个8位定位定时/计数器数器,两个中断源。两个中断源。1980年以后年以后,Intel公司推出公司推出MCS-51系列系列单片机片机,其代其代表型号是表型号是8051(111条指令条指令)。特点特点:8位字位字长,片内片内ROM为4K字字节,片内片内RAM为128字字节,32根根I/O口口线,2个个16位定位定时/计数器数器,5个中断源。个中断源。33目前，微型目前，微型计算机正朝两个方向算
19、机正朝两个方向发展展高性能高性能多功能的方向发展多功能的方向发展以个人计算机以个人计算机PC(PersnalComputer)为标志，具有为标志，具有强大的操作系统，并且支持多种软件运行。强大的操作系统，并且支持多种软件运行。价格低廉价格低廉片上系统片上系统(SystemOnChip,SOC)的方向发展的方向发展将将CPU、存储器、接口电路、内部总线等部件全部、存储器、接口电路、内部总线等部件全部集成在同一个芯片上的单片微机又称为集成在同一个芯片上的单片微机又称为微控制器微控制器(Microcontrolor),也称为也称为单片机单片机。344、单片机的片机的产品品8051内核内核单片机片机,
20、非非8051内核内核单片机片机8051内核内核单片机片机生生产8051内核内核单片机的公司及典型片机的公司及典型产品有：品有：宏晶科技有限公司的宏晶科技有限公司的STC系列系列;Atmel公司的公司的AT89系列系列;NXP半导体公司半导体公司(原原PHILIPS半导体公司半导体公司,2007年年更名为更名为NXP半导体公司半导体公司)的的8051内核单片机内核单片机;意法半导体意法半导体(STMicroelectronics)ST公司的增强公司的增强型型8051内核单片机内核单片机,及等。及等。354、单片机的片机的产品品非非8051内核内核单片机片机Freescale公司公司(2004年从
21、年从Motorola公司分离出来公司分离出来的半导体公司的半导体公司)的的MC68系列单片机、系列单片机、MC9S08系列系列单片机单片机(8位单片机位单片机)、MC9S12系列单片机系列单片机(16位单位单片机片机)以及以及32位单片机。位单片机。美国微芯美国微芯Microchip公司的公司的PIC系列单片机。系列单片机。TI(TexasInstruments)公司公司的的MSP430系列系列16位位单片机。单片机。基于基于32位位ARM内核的内核的ST公司的公司的32位位单片机片机STM32。365、单片机的特点片机的特点集成度高集成度高体体积小小功耗低功耗低可靠性高可靠性高使用灵活方便使
22、用灵活方便控制功能控制功能强编程保密化程保密化价格低廉等。价格低廉等。376、单片机的片机的应用用工工业生生产控制控制数据采集和数据采集和处理理设备控制控制智能化智能化仪器器仪表表日常生活等。日常生活等。7、单片机的片机的选择当前当前,出出现了了16位、位、32位位(STM32)的的单片机。片机。单片片机在集成度、运算速度、接口性能等方面都在不断机在集成度、运算速度、接口性能等方面都在不断创新。但是，到目前新。但是，到目前为止，在工止，在工业控制、控制、测量量检测、仪器器仪表等方面，表等方面，8位位单片机仍然是主流片机仍然是主流单片机片机38教学机型的演教学机型的演变：上世上世纪80年代年代Z
23、80上世上世纪90年代中期年代中期Intel8086近年来近年来,PC机作机作为通用机型通用机型,其底其底层结构的控制系构的控制系统的的设计、汇编语言的言的编程等程等优势逐逐渐让位于位于单片机；片机；单片机的技片机的技术和性能不断提高，开和性能不断提高，开发手段、控制功手段、控制功能等功能不断完善能等功能不断完善，单片机更适于面向控制片机更适于面向控制对象的象的设计和和编程，程，从从单片机入手学片机入手学习微型微型计算机原理，正在算机原理，正在逐步成逐步成为学学习计算机原理的更好途径算机原理的更好途径。学好学好8051内核的内核的单片机后再学片机后再学32位位ARM内核的控制内核的控制器会得心
24、器会得心应手。本教材以手。本教材以具有仿真功能的增具有仿真功能的增强型型8051内核的内核的单片机片机IAP15W4K58S4为背景背景讲述述单片机。片机。391.1.4 1.1.4 微型计算机的软件系统微型计算机的软件系统裸机裸机只有只有计算机硬件构成的算机硬件构成的计算机算机没有系没有系统程序的支持，裸机是无法工作的程序的支持，裸机是无法工作的PC机的运行机的运行过程程开机开机进入系入系统，执行系行系统程序，包括开机存程序，包括开机存储器自器自检、接口自、接口自检、外、外设自自检等等。等等。接受用接受用户通通过键盘或者鼠或者鼠标发出的命令，出的命令，进一步一步执行用行用户要要执行的程序。行
25、的程序。系系统程序就把要程序就把要执行的程序从硬行的程序从硬盘里面找到，放里面找到，放进内存，然后运行用内存，然后运行用户的程序。的程序。关关闭用用户程序程序时，系，系统程序会将内存中的信息重新程序会将内存中的信息重新写回到硬写回到硬盘中保存。中保存。40单片机运行程序的过程单片机运行程序的过程单片机片机应用系用系统,可有操作系可有操作系统(此此时一般称之一般称之为嵌嵌入式操作系入式操作系统)的支持的支持,也可没有操作系也可没有操作系统的支持。的支持。无无论有没有操作系有没有操作系统，用用户所所编写的写的应用程序用程序经过编译后都保存在程序存后都保存在程序存储器中器中(一般都保存在一般都保存在
26、单片机片机内部集成的内部集成的FLASH存存储器器中中)，执行行时，由，由单片机内片机内部的控制器控制程序的部的控制器控制程序的执行。行。对普通个人普通个人计算机来算机来讲，用，用户的开的开发任任务主要集中主要集中在程序在程序设计方面，硬件方面，硬件设计较少。开少。开发应用系用系统时，一般用可一般用可视化的集成开化的集成开发环境境,常常见的有的有VisualC+,Eclipse,NetBeans,PowerBuilder等。等。41使用集成开发环境对用户系统进行仿真运行使用集成开发环境对用户系统进行仿真运行使用集成开发环境对用户系统进行仿真运行使用集成开发环境对用户系统进行仿真运行在开在开发单
27、片机片机应用系用系统的的过程中，往往需要程中，往往需要对硬件硬件和和软件件进行反复多次的行反复多次的调试。调试时，使用集成开使用集成开发环境境对用用户系系统进行仿真运行行仿真运行，根据系，根据系统的仿真的仿真运行状运行状态对电路路进行硬件和行硬件和软件的修改件的修改调试，直到，直到满足用足用户要求要求为止。止。42许多集成开发环境具有模拟调试功能，许多集成开发环境具有模拟调试功能，如：著名的如：著名的KeilVision集成环境、集成环境、飞思卡尔公司的飞思卡尔公司的CodeWarrior、IARSystems公司的公司的IAR集成开发环境。集成开发环境。2 微型计算机的应用1、科学、科学计算
28、算通用微型通用微型计算机的重要算机的重要应用之一用之一。例。例,美国美国Seguent公司最早用公司最早用30个个Intel80386构成构成Symmetry计算机算机,速度速度为120MIPS(MillionInstructionsPerSecond),达到达到IBM3090系列中最高档大型机的性能系列中最高档大型机的性能,价格却价格却不到后者的十分之一不到后者的十分之一1996年年,由美国能源部由美国能源部(DOE)发起和支持起和支持,由由Intel建建成的成的OptionRed系系统,用用9216个微个微处理器理器使系使系统每每秒浮点运算峰秒浮点运算峰值速度达到速度达到1.8Tflop/
29、s(每秒每秒1.8万万亿亿次次浮点浮点运算运算),成成为世界上世界上第一台万第一台万亿次次计算机算机。471、科学、科学计算算1998年，同年，同样得到得到DOE支持的由支持的由IBM建成的建成的BluePacific内含内含5856个微个微处理器理器，峰，峰值速度达到速度达到3.888Tflop/s。2000年，在年，在DOE支持下，支持下，IBM又建成内含又建成内含8192个个微微处理器理器的的OptionWhite,其系其系统峰峰值达到达到12.3Tflop/s。这些系些系统尽管是由微尽管是由微处理器架构而成的，但是无理器架构而成的，但是无论是从是从规模模还是功能上，都成了超是功能上，都
30、成了超级计算机。算机。482、信息、信息处理理由于由于Internet的蓬勃的蓬勃发展，使世界展，使世界进入了入了崭新新的信息的信息时代，代，对大量信息包括多媒体信息的大量信息包括多媒体信息的处理是信息理是信息时代的必然要求。代的必然要求。连接在接在Internet上的微型上的微型计算机算机配上相配上相应的的软件以后，就可以很灵活地件以后，就可以很灵活地对各种信息各种信息进行行检索、索、传输、分、分类、加工、存、加工、存储和打印和打印。493、过程控制程控制过程控制是微型程控制是微型计算机算机应用最多、也用最多、也是最有效的方面之一。是最有效的方面之一。在制造工在制造工业和日用品生和日用品生产
31、厂家中的厂家中的微微型型计算机控制的自算机控制的自动化生化生产线，为生生产能力和能力和产品品质量的迅速提高开辟了广量的迅速提高开辟了广阔前景。前景。504、仪器、器、仪表控制表控制用微用微处理器代替理器代替传统分离的分离的电子部件子部件，使，使产品减品减小了体小了体积、降低了价格，而可靠性和功能却得到了、降低了价格，而可靠性和功能却得到了提高。提高。逻辑分析分析仪使使电子工程技子工程技术人人员能能够用以前不可用以前不可能采用的能采用的办法法同同时观察多个信号的波形察多个信号的波形和相互之和相互之间的的时序关系。序关系。在医学在医学领域，出域，出现了用微了用微处理器作理器作为核心控制部核心控制部
32、件的件的CT扫描描仪和超声和超声扫描描仪，加，加强了了对疾病的疾病的诊断手段。断手段。515、家用、家用电器和民用器和民用产品控制品控制洗衣机、冰箱洗衣机、冰箱自自动报时、自、自动控制、自控制、自动报警系警系统娱乐产品将智能融于品将智能融于娱乐中中以微以微处理器理器为核心的盲人核心的盲人阅读器器为盲人盲人带来福音来福音.526、人工智能方面的、人工智能方面的应用用人工智能人工智能(ArtificialIntelligence,AI)是研是研究、开究、开发用于模用于模拟、延伸和、延伸和扩展人的智能的展人的智能的理理论、方法、技、方法、技术及及应用系用系统的一的一门新的技新的技术科学。科学。人工智
33、能是人工智能是计算机科学的一个分支，它通算机科学的一个分支，它通过了解智能的了解智能的实质，生，生产出一种新的能以人出一种新的能以人类智能相似的方式做出反智能相似的方式做出反应的智能机器，的智能机器，该领域的研究包括域的研究包括机器人、机器人、语言言识别、图像像识别、自然自然语言言处理和理和专家系家系统等。等。5355典型的微型计算机（系统）的基本结构包括：微微处理器理器存存储器器系系统总线输入入输出接口（出接口（I/O接口）接口）ABCD提交外部外部设备(输入入输出出设备)E多选题1分56单片机在一个芯片上集成的模块有：微微处理器理器存存储器器键盘输入入输出接口（出接口（I/O接口）接口）ABCD提交定定时/计数器数器E多选题1分第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述习题习题1-1;1-2;1-357*