单片机基础知识优秀课件.ppt

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1、单片机基础知识第1页，本讲稿共60页第一章 单片机基础知识n n 电脑、计算机、甚至是单片机，都已经成为我们日常生活中耳熟能详的词语了。然而，单片机与计算机究竟是什么关系？单片机究竟为何物？单片机与嵌入式系统又是什么关系？另外，电脑最为神奇作用是能处理各种各样信息，那么它是如何来表达这些信息的呢？这些问题是学习本书内容的基础，也正是本章要回答的问题。第2页，本讲稿共60页第一章 单片机基础知识n n1.1 引言引言n n1.2 常用数制和码制常用数制和码制n n1.3 单片机内部结构概论单片机内部结构概论n n1.4 单片机产品概论单片机产品概论n n1.5 本章小结本章小结第3页，本讲稿共6

2、0页1.1 引言引言n n1.1.1 计算机计算机n n1.1.2 微型机微型机n n1.1.3 单片机与嵌入式计算机单片机与嵌入式计算机第4页，本讲稿共60页1.1.1计算机计算机n n 计算机，俗称电脑，它诞生于二十世纪计算机，俗称电脑，它诞生于二十世纪4040年代，它年代，它的功能从原来的计算，不断地向控制、信息处理和通讯等的功能从原来的计算，不断地向控制、信息处理和通讯等各个领域延伸。它的发展是随着电子技术的发展而发展，各个领域延伸。它的发展是随着电子技术的发展而发展，其中经历了电子管时代、晶体管时代、大规模集成电路和其中经历了电子管时代、晶体管时代、大规模集成电路和超大规模集成电路时

3、代。计算机家族也从小型机、大型机，超大规模集成电路时代。计算机家族也从小型机、大型机，发展到巨型机和微型机。发展到巨型机和微型机。第5页，本讲稿共60页1.1.1计算机计算机n n计算机的内部结构（组成）计算机的内部结构（组成）冯冯.诺依曼发明的计算机内部结构是由五大部件组成，如诺依曼发明的计算机内部结构是由五大部件组成，如图所示：图所示：第6页，本讲稿共60页1.1.1计算机计算机n n1 1、运算器、运算器、运算器、运算器 运算器是计算机的中心，其功能就是进行数据运算，计算运算器是计算机的中心，其功能就是进行数据运算，计算机也正是因此而被命名为机也正是因此而被命名为“计算机计算机”。由于运

4、算器处在计算机的。由于运算器处在计算机的中心位置，早期计算机的一些数据传送需经过运算器。中心位置，早期计算机的一些数据传送需经过运算器。n n2 2、控制器、控制器、控制器、控制器 控制器是执行指令的部件，它向系统中其他部件发出控制控制器是执行指令的部件，它向系统中其他部件发出控制信号，协调各部件工作。计算机通过它来实现本身运行过程的信号，协调各部件工作。计算机通过它来实现本身运行过程的自动化。自动化。n n3 3、存储器、存储器、存储器、存储器 存储器是存放程序和数据的部件，正是因为事先将程序存储器是存放程序和数据的部件，正是因为事先将程序储存在存储器中，控制器才能自动地完成计算机交给的任务

5、。储存在存储器中，控制器才能自动地完成计算机交给的任务。第7页，本讲稿共60页1.1.1计算机计算机n n4 4、输入设备、输入设备、输入设备、输入设备 输入设备是输入信息的的部件，输入的信息有原输入设备是输入信息的的部件，输入的信息有原始的程序、数据，以及计算机操作命令等，常用的输始的程序、数据，以及计算机操作命令等，常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。n n5 5、输出设备、输出设备、输出设备、输出设备 输出设备是输出信息的部件，输出的信息有计输出设备是输出信息的部件，输出的信息有计算结果、绘制的图片表格，以及计算机操作提示信算结果、绘制的图片表格，以及计算

6、机操作提示信息等，常用的设备有显示器、打印机等。息等，常用的设备有显示器、打印机等。第8页，本讲稿共60页1.1.1计算机计算机n n计算机工作过程计算机工作过程计算机工作过程计算机工作过程 执行程序的过程，就是逐条执行指令的过程。执行程序的过程，就是逐条执行指令的过程。指令执行的过程还可以细分为：取指令（指令执行的过程还可以细分为：取指令（PC/IRPC/IR及及存储器存储器)，分析指令，分析指令(ID/(ID/微操作部件），执行指令微操作部件），执行指令（ALUALU等）三步曲。等）三步曲。第9页，本讲稿共60页1.1.1计算机计算机n n计算机系统计算机系统计算机系统计算机系统第10页，

7、本讲稿共60页1.1.2微型机微型机n n微型机（微型计算机）微型机（微型计算机）微型机的内部结构微型机的内部结构第11页，本讲稿共60页1.1.2 微型机微型机n n微处理器微处理器微处理器微处理器 微处理器是将控制器、运算器、寄存器集成在一块芯微处理器是将控制器、运算器、寄存器集成在一块芯片上的系统，称为片上的系统，称为MPUMPU（Micro Processor UnitMicro Processor Unit），俗），俗称称CPUCPU。n n微型计算机微型计算机微型计算机微型计算机 以以CPUCPU为中心，配上存储器、接口，用系统总线将为中心，配上存储器、接口，用系统总线将三者连接起

8、来的系统，称为三者连接起来的系统，称为MC(Micro Computer)MC(Micro Computer)。n n微型计算机系统微型计算机系统 以以MCMC为中心，配上输入为中心，配上输入/输出设备、系统软件组输出设备、系统软件组成的系统，称为成的系统，称为MCS(Micro Computer System)MCS(Micro Computer System)，俗称电脑、，俗称电脑、“计算机计算机”或或“微机微机”。第12页，本讲稿共60页1.1.3 单片机与嵌入式计算机单片机与嵌入式计算机n n单片机单片机 什么是单片机呢？说得简洁点，就是将上一节提到的什么是单片机呢？说得简洁点，就是将

9、上一节提到的微型计算机（微型计算机（MCMC）集成在一块芯片上，即将图）集成在一块芯片上，即将图1313中的中的CPUCPU、存储器、接口电路等部件集成在一块芯片上的系统、存储器、接口电路等部件集成在一块芯片上的系统称为单片机称为单片机SCM(Single Chip Microcompute)SCM(Single Chip Microcompute)。这是。这是一个富有深远意义的创新。一个富有深远意义的创新。第13页，本讲稿共60页1.1.3 单片机与嵌入式计算机单片机与嵌入式计算机n n嵌入式计算机嵌入式计算机 嵌入式计算机（嵌入式计算机（The embedded systemThe emb

10、edded system、The The embedded Controllerembedded Controller、The embedded ChipsThe embedded Chips）就是）就是“嵌入到对象体系中的专用计算机系统嵌入到对象体系中的专用计算机系统”单片机与嵌入式计算机是没有区别的，仅仅是单片机与嵌入式计算机是没有区别的，仅仅是一样东西被冠以不同的名称而已。其中，单片机是一样东西被冠以不同的名称而已。其中，单片机是以计算机的特殊构成形式命名，嵌入式计算机是以以计算机的特殊构成形式命名，嵌入式计算机是以应用形态命名。应用形态命名。第14页，本讲稿共60页1.2常用数制和码制

11、常用数制和码制n n1.2.1常用的数制及其转换常用的数制及其转换n n1.2.2常用的码制常用的码制第15页，本讲稿共60页1.2.1常用的数制及其转换常用的数制及其转换n n常用数制及转换常用数制及转换 由于在前期的有关课程中已讨论过数制和不同由于在前期的有关课程中已讨论过数制和不同数制间的转换方法，所以本课程不再重复这些内容，数制间的转换方法，所以本课程不再重复这些内容，但仍然希望同学们熟练掌握。但仍然希望同学们熟练掌握。需掌握的数制有：二进制、八进制、十进制、需掌握的数制有：二进制、八进制、十进制、十六进制，以及这些进制之间的转换方法，同时要十六进制，以及这些进制之间的转换方法，同时要

12、牢记二、八、十六进制的牢记二、八、十六进制的015015值表示形式。值表示形式。第16页，本讲稿共60页1.2.2常用的码制常用的码制n n机器数与真值机器数与真值 一个数在机器中的表示形式称为机器数，而这个数的本身称一个数在机器中的表示形式称为机器数，而这个数的本身称为真值。为真值。一般真值用一般真值用X X、Y Y来表示。来表示。例例1.11 1.11 X=1000100X=1000100，Y=1010000Y=1010000，在在这这里里Y Y显显然然不不是是机机器器数，因为机器数是没有数，因为机器数是没有“”“”这个符号的，只有这个符号的，只有“1”“1”和和“0”“0”这两个符号。这

13、两个符号。第17页，本讲稿共60页1.2.2常用的码制常用的码制n n定点数定点数 小数点在数中位置固定不变的数称为定点数。小数点是小数点在数中位置固定不变的数称为定点数。小数点是隐含约定的，不占用数据位。根据小数点位置的约定，分为隐含约定的，不占用数据位。根据小数点位置的约定，分为定点小数和定点整数。定点小数和定点整数。（1 1）定点小数）定点小数）定点小数）定点小数（2 2）定点整数）定点整数）定点整数）定点整数符号位符号位数值部分（尾数）数值部分（尾数）小数点位置符号位符号位数值部分（尾数）数值部分（尾数）小数点位置第18页，本讲稿共60页1.2.2常用的码制常用的码制n n浮点数浮点数

14、 小数点在数中位置不是固定的数称为浮点数。小数点在数中位置不是固定的数称为浮点数。采用浮点数是为了扩大数的表示范围，其表达方式如采用浮点数是为了扩大数的表示范围，其表达方式如下：下：B=MR B=MRE E 其中其中MM是尾数，一般为定点小数；是尾数，一般为定点小数；R R是底数，因是二进是底数，因是二进制数，故为制数，故为2 2；E E是指数，也称为阶码。是指数，也称为阶码。浮点数的规格化要求是：浮点数的规格化要求是：1/21/2 mm 1 1 即是纯小数即是纯小数阶阶 符符阶阶 码码数数 符符尾尾 数数第19页，本讲稿共60页1.2.2常用的码制常用的码制n n（一）无符号数表示方法（一）

15、无符号数表示方法（一）无符号数表示方法（一）无符号数表示方法 当需要处理的数据是正整数时，可采用无符号数的表示方法，若当需要处理的数据是正整数时，可采用无符号数的表示方法，若计算机的字长是计算机的字长是8 8位，则一个字长的二进制数可表示数的范围是：位，则一个字长的二进制数可表示数的范围是：0 0 N 2 N 28 811。例例例例1-71-7：用：用8 8位无符号二进制数表示位无符号二进制数表示167167、4545，然后将这两，然后将这两数相加。数相加。解：首先将十进制数解：首先将十进制数167167、4545分别转换成分别转换成8 8位无符号二进制位无符号二进制数。数。167=10100

16、111B 167=10100111B，45=00101101B 45=00101101B，然后将以上两数相，然后将以上两数相加。加。167=10100111167=10100111 +）45=00101101 45=00101101 11010100 11010100 212=11010100B=D4H=1316+4=208+4=212212=11010100B=D4H=1316+4=208+4=212第20页，本讲稿共60页1.2.2常用的码制常用的码制n n（二）二（二）二（二）二（二）二-十进制数字编码（十进制数字编码（十进制数字编码（十进制数字编码（BCDBCD码）码）码）码）在计算机

17、中，一般是采用编码的方式来表示数。在计算机中，一般是采用编码的方式来表示数。用四位二进制数编码表示一位十进制数，称为二用四位二进制数编码表示一位十进制数，称为二十进十进制编码制编码BCDBCD码码(Binary Coded Decimal)(Binary Coded Decimal)。它有二进制数。它有二进制数的形式，又有十进制数的特点。的形式，又有十进制数的特点。例例例例1-81-8：已知：已知8421BCD8421BCD码为码为001110000101001110000101，求其代表的，求其代表的十进制数。十进制数。解：解：先将给定的先将给定的BCDBCD码分组，即码分组，即 0011

18、0011，10001000，01010101 则，其代表的十进制数为则，其代表的十进制数为385385。第21页，本讲稿共60页1.2.2常用的码制常用的码制n n（二）二（二）二（二）二（二）二-十进制数字编码（十进制数字编码（十进制数字编码（十进制数字编码（BCDBCD码）码）码）码）由于存储器单元一般是存放由于存储器单元一般是存放8 8位二进制数，所以位二进制数，所以BCDBCD码在存储器码在存储器中的存放形式有两种。中的存放形式有两种。其一，是一个存储器单元放一位其一，是一个存储器单元放一位BCDBCD码，称非压缩码，称非压缩BCDBCD码码 例：例：例：例：38D 00000011B

19、38D 00000011B（BCDBCD）03H 03H（HCDHCD）00001000B 00001000B（BCDBCD）08H 08H（HCDHCD）其二，在一个存储器单元中放两位其二，在一个存储器单元中放两位BCDBCD码，称压缩码，称压缩BCDBCD码。码。例：例：例：例：38D 00111000B38D 00111000B（BCDBCD）38H 38H（HCDHCD）第22页，本讲稿共60页1.2.2常用的码制常用的码制n n（二）二（二）二（二）二（二）二-十进制数字编码（十进制数字编码（十进制数字编码（十进制数字编码（BCDBCD码）码）码）码）例例例例1-91-9：若有两个十

20、进制数：若有两个十进制数2727、5858，请将这两数用，请将这两数用8421BCD8421BCD码表示，并求其和。码表示，并求其和。解：先将给定的两数分别用压缩解：先将给定的两数分别用压缩8421BCD8421BCD码表示。码表示。27=0010011127=00100111，48=0100100048=01001000 然后将其相加。然后将其相加。00100111 01101111 00100111 01101111 +）01001000 01001000 +）00000110 00000110 01101111 01110101 75H 01101111 01110101 75H 从相加

21、的结果看，低四位是从相加的结果看，低四位是11111111，这并非是，这并非是8421BCD8421BCD码。出现这码。出现这种情况的原因是，计算机在运算时是按二进制数加法规则运算的。解决种情况的原因是，计算机在运算时是按二进制数加法规则运算的。解决的方法是：当结果大于的方法是：当结果大于9 9或有进位时，结果值再加或有进位时，结果值再加6 6（0110B0110B）第23页，本讲稿共60页1.2.2常用的码制常用的码制n n（三）有符号数的表示（三）有符号数的表示（三）有符号数的表示（三）有符号数的表示-原码原码原码原码 原码的特点是，机器数的最高位是符号位，原码的特点是，机器数的最高位是符

22、号位，“0”“0”表示正，表示正，“1”“1”表表示负，其余位给出数据的绝对值。示负，其余位给出数据的绝对值。原码的定义：设真值为原码的定义：设真值为X X，用，用n n位机器数表示，则：位机器数表示，则：例例例例1-101-10：已知：已知X=1000100X=1000100，求用，求用8 8位二进制数表示的原码。位二进制数表示的原码。解：根据原码的定义，解：根据原码的定义，由于由于X 0X 0，且，且n=8n=8，则，则 X X原原=2=27 7+|X|=10000000+1000100=11000100+|X|=10000000+1000100=11000100第24页，本讲稿共60页1

23、.2.2常用的码制常用的码制n n（三）有符号数的表示（三）有符号数的表示（三）有符号数的表示（三）有符号数的表示-原码原码原码原码 原码的性质：原码的性质：a a、XX原原=符号位符号位+|X|+|X|b b、当、当n=8n=8时，时，数表示的范围：数表示的范围：（2 27 711）X 2 X 27 711，即，即127 X 127 X 127127。c c、原码的零有两种表示法，若、原码的零有两种表示法，若n=8n=8。则。则 00000000 00000000和和1000000010000000均表示零。均表示零。原码表示直观，与真值转换容易。但是，原码进行加减运算原码表示直观，与真值转

24、换容易。但是，原码进行加减运算时，符号位不能同数值位一样参加运算，运算不方便。时，符号位不能同数值位一样参加运算，运算不方便。第25页，本讲稿共60页1.2.2常用的码制常用的码制n n（四）有符号数的表示（四）有符号数的表示（四）有符号数的表示（四）有符号数的表示-反码反码反码反码 反码的特点是，机器数的最高位是符号位，反码的特点是，机器数的最高位是符号位，“0”“0”表示正，表示正，“1”“1”表示负。数值部分若其真值小于零，则将其二进制数真值的绝对表示负。数值部分若其真值小于零，则将其二进制数真值的绝对值按位取反；数值部分若其真值大于零，保持原真值不变。值按位取反；数值部分若其真值大于零

25、，保持原真值不变。反码的定义：设真值为反码的定义：设真值为X X，用，用n n位机器数表示，则：位机器数表示，则：第26页，本讲稿共60页1.2.2常用的码制常用的码制n n（四）有符号数的表示（四）有符号数的表示（四）有符号数的表示（四）有符号数的表示-反码反码反码反码 例例例例1-111-11：已知：已知X=0000100X=0000100，Y=0000010Y=0000010，求用，求用8 8位二进制数位二进制数表示的反码，并求其和。表示的反码，并求其和。解：根据反码的定义，解：根据反码的定义，由于由于X 0X 0Y 0，且，且n=8n=8，则它们的反码分，则它们的反码分别为：别为：XX

26、反反=2=28 8 1|X|=10000000010000100=111110111|X|=10000000010000100=11111011YY反反=0+X=00000010=0+X=00000010 它们的和为：它们的和为：X X反反+Y+Y反反=11111011+00000010=11111101=11111011+00000010=11111101 以上运算结果转换成真值为，以上运算结果转换成真值为，11111101 1111110110000010 10000010 0000010 0000010。这与真值运算。这与真值运算 X+Y=0000100+0000010=0000010

27、X+Y=0000100+0000010=0000010的结果是吻合的结果是吻合的。的。第27页，本讲稿共60页1.2.2常用的码制常用的码制n n（四）有符号数的表示（四）有符号数的表示（四）有符号数的表示（四）有符号数的表示-反码反码反码反码 反码的性质：反码的性质：a a、当、当n=8n=8时，数表示的范围：时，数表示的范围：（2 27 711）X 2 X 27 711，即，即127 X 127127 X 127。b b、原码的零有两种表示法，、原码的零有两种表示法，若若n=8n=8。则。则 00000000 00000000和和1111111111111111均表示零。均表示零。c c、

28、对于正数，、对于正数，XX反反=X=X原原；对于负数，符号位为；对于负数，符号位为1 1，将原码的其，将原码的其它位按位取反，即得反码。它位按位取反，即得反码。反码进行加减运算时，虽然符号位能同数值位一样参加运算，但当反码进行加减运算时，虽然符号位能同数值位一样参加运算，但当运算发生最高位进位时，需要对结果加运算发生最高位进位时，需要对结果加1 1修正。读者可自行验算。修正。读者可自行验算。第28页，本讲稿共60页1.2.2常用的码制常用的码制n n（五）有符号数的表示（五）有符号数的表示（五）有符号数的表示（五）有符号数的表示-补码补码补码补码 为了克服反码在运算中缺点，补码就应运而生。为了

29、克服反码在运算中缺点，补码就应运而生。补码的定义：设真值为补码的定义：设真值为X X，用，用n n位机器数表示，则：位机器数表示，则：或者用一个式子表示：或者用一个式子表示：X X补补=2=2n n+XX （Mod 2Mod 2n n）求一个数的补码，可以根据定义式来求，也可以用以下求一个数的补码，可以根据定义式来求，也可以用以下简便的方法来求。最高位是符号位，简便的方法来求。最高位是符号位，“0”“0”代表正，代表正，“1”“1”代表负。代表负。对于正数，补码的数值部分为其真值的数值部分，不变；对对于正数，补码的数值部分为其真值的数值部分，不变；对于负数，补码的数值部分为其真值的数值部分取反

30、，再加于负数，补码的数值部分为其真值的数值部分取反，再加1 1。第29页，本讲稿共60页1.2.2常用的码制常用的码制n n（五）有符号数的表示（五）有符号数的表示（五）有符号数的表示（五）有符号数的表示-补码补码补码补码 例例例例1-121-12：已知：已知X=0000100X=0000100，Y=0001010Y=0001010，求用，求用8 8位二进位二进制数表示补码，并求其和。制数表示补码，并求其和。解：根据补码的定义，解：根据补码的定义，由于由于X 0X 0Y 0，且，且n=8n=8，则它们的补码分别，则它们的补码分别为：为：X X补补=2=28 8+X=100000000 0000

31、100=11111100+X=100000000 0000100=11111100 Y Y补补=0+X=00001010=0+X=00001010 它们的和为：它们的和为：X X补补=11111100=11111100 +）Y Y补补=00001010=00001010 1 100000110 00000110 最高位进位舍去！最高位进位舍去！以上运算结果转换成真值为：以上运算结果转换成真值为：00000110 00000110。这与真值运算这与真值运算 X+Y=0000100+0001010=0000110 X+Y=0000100+0001010=0000110的结果是吻合的。的结果是吻合的

32、。第30页，本讲稿共60页1.2.2常用的码制常用的码制n n（五）有符号数的表示（五）有符号数的表示（五）有符号数的表示（五）有符号数的表示-补码补码补码补码 补码的性质：补码的性质：a a、当、当n=8n=8时，数表示的范围：时，数表示的范围：2 27 7 X 2 X 27 711，即，即 128 X 127 128 X 127。b b、补码的零只有一种表示法，若、补码的零只有一种表示法，若n=8n=8。则为。则为 00000000 00000000。c c、对于正数，、对于正数，XX补补=X=X原原；对于负数，符号位为；对于负数，符号位为1 1，其它位按位，其它位按位取反，再加取反，再加

33、1 1即得补码。即得补码。d d、XX补补+Y+Y补补=X+Y=X+Y补补，X X补补 Y Y补补=X=X补补 +Y+Y补补=X Y=X Y补补。这一性质表明，补。这一性质表明，补码运算的结果仍然是补码，体现了补码运算的完备性。而且补码可以码运算的结果仍然是补码，体现了补码运算的完备性。而且补码可以将减法化成加法，这对于化简将减法化成加法，这对于化简CPUCPU中运算器的设计十分有益！中运算器的设计十分有益！第31页，本讲稿共60页1.2.2常用的码制常用的码制n n（五）有符号数的表示（五）有符号数的表示（五）有符号数的表示（五）有符号数的表示-补码补码补码补码 补码的优点非常多，但缺点是补

34、码表示的数值不太直观，这对补码的优点非常多，但缺点是补码表示的数值不太直观，这对于两数运算后是否有溢出（超出数值范围）的判定比较困难。于两数运算后是否有溢出（超出数值范围）的判定比较困难。通过采用变形补码的方法可判定是否有溢出，既在原来补码的通过采用变形补码的方法可判定是否有溢出，既在原来补码的基础上增加一个符号位，形成双符号位的补码。判断溢出的规定基础上增加一个符号位，形成双符号位的补码。判断溢出的规定为：运算结果中，如果两符号位相同，则表示无溢出；如果两符为：运算结果中，如果两符号位相同，则表示无溢出；如果两符号位相异，则表示发生溢出。号位相异，则表示发生溢出。第32页，本讲稿共60页1.

35、2.2常用的码制常用的码制n n（五）有符号数的表示（五）有符号数的表示（五）有符号数的表示（五）有符号数的表示-补码补码补码补码 例例例例1-131-13：已知：已知XX补补=01100010=01100010，YY补补=00110101=00110101。求：给定补码的变形补码，求：给定补码的变形补码，XX补补+Y+Y补补 ，并判断是否溢出。，并判断是否溢出。解：解：1 1）根据变形补码规定，已知两补码的变形补码分别为：）根据变形补码规定，已知两补码的变形补码分别为：X X补变补变=000011000101100010，Y Y补变补变=000001101010110101 2 2）X X补

36、变补变=000011000101100010 +）Y Y补变补变=000001101010110101 =010110101111010111 由于运算结果的两符号位不相同，则判断为运算结果发生溢由于运算结果的两符号位不相同，则判断为运算结果发生溢出！，出！，由真值计算也可得：由真值计算也可得：X X补补=01100010=01100010，X=01100010X=01100010；Y Y补补=00110101=00110101，Y=00110101Y=00110101；X+Y=10010111=128+16+7=151127 X+Y=10010111=128+16+7=151127，超过了超

37、过了8 8位二进数补码表达数的范围。位二进数补码表达数的范围。第33页，本讲稿共60页1.3 单片机内部结构概论n n 单片机内部的典型结构是由单片机内部的典型结构是由CPUCPU、存储器、一般、存储器、一般I/OI/O接口、中断系统、定时器接口、中断系统、定时器/计数器、特殊计数器、特殊I/OI/O接口等接口等组成。组成。第34页，本讲稿共60页1.3 单片机内部结构概论n n1.3.1 中央处理器中央处理器CPU概论概论n n1.3.2 存储器概论存储器概论n n1.3.3 输入输入/输出接口概论输出接口概论第35页，本讲稿共60页1.3.1中央处理器中央处理器CPU概论概论n n CPU

38、 CPU不仅是计算机的核心部件，也是单片机内部的不仅是计算机的核心部件，也是单片机内部的核心部件。说它是核心部件，是因为它掌控着单片机系核心部件。说它是核心部件，是因为它掌控着单片机系统运行，其具体的工作由控制器和运算器来完成。统运行，其具体的工作由控制器和运算器来完成。第36页，本讲稿共60页1.3.1中央处理器中央处理器CPU概论概论n n一、控制器一、控制器一、控制器一、控制器 控制器内部结构如图所示，其功能主要是执行指令和程控制器内部结构如图所示，其功能主要是执行指令和程序，并协调系统各部件的工作。序，并协调系统各部件的工作。第37页，本讲稿共60页1.3.1中央处理器中央处理器CPU

39、概论概论n n一、控制器一、控制器一、控制器一、控制器 1 1、程序计数器、程序计数器、程序计数器、程序计数器PCPC 程序计数器（程序计数器（Program CounterProgram Counter）是存放指令地址的部件，）是存放指令地址的部件，程序计数器送出一个地址后自动加程序计数器送出一个地址后自动加1 1，以便形成下一条指令地，以便形成下一条指令地址。址。2 2、指令寄存器、指令寄存器、指令寄存器、指令寄存器IRIR 指令寄存器指令寄存器(Instruction Register)(Instruction Register)就是存放指令代码的就是存放指令代码的部件，控制器从存储器取

40、得的指令代码暂存在这里。部件，控制器从存储器取得的指令代码暂存在这里。3 3、指令译码器、指令译码器、指令译码器、指令译码器IDID 指令译码器指令译码器(Instruction Decoder)(Instruction Decoder)是分析指令的部件，控制是分析指令的部件，控制器通过指令译码器确定指令的功能。器通过指令译码器确定指令的功能。第38页，本讲稿共60页1.3.1中央处理器中央处理器CPU概论概论n n一、控制器一、控制器一、控制器一、控制器 4 4、微操作信号形成部件、微操作信号形成部件、微操作信号形成部件、微操作信号形成部件 微操作信号形成部件就是产生执行指令信号的部件，系统

41、微操作信号形成部件就是产生执行指令信号的部件，系统各部件根据这些信号，完成指令规定的操作。各部件根据这些信号，完成指令规定的操作。5 5、时序电路、时序电路、时序电路、时序电路 时序电路是控制指令执行节奏的部件，它产生的信号与指令译码时序电路是控制指令执行节奏的部件，它产生的信号与指令译码器产生的信号一起加在微操作信号形成部件上，使得微操作信号形成器产生的信号一起加在微操作信号形成部件上，使得微操作信号形成部件产生一系列有序的、精确的微操作控制信号。部件产生一系列有序的、精确的微操作控制信号。6 6、地址形成部件、地址形成部件、地址形成部件、地址形成部件 地址形成部件是产生操作数（数据或地址）

42、地址信息的部件，地址形成部件是产生操作数（数据或地址）地址信息的部件，从而在存储器或寄存器中获取需要处理的数据。从而在存储器或寄存器中获取需要处理的数据。第39页，本讲稿共60页1.3.1中央处理器中央处理器CPU概论概论n n一、控制器一、控制器一、控制器一、控制器 7 7、指令执行过程、指令执行过程、指令执行过程、指令执行过程 1 1）取指令）取指令）取指令）取指令 2 2）分析指令）分析指令）分析指令）分析指令 3 3）执行指令）执行指令）执行指令）执行指令 控制器除了完成指令的执行这一主要功能外，它还担当了控制器除了完成指令的执行这一主要功能外，它还担当了对某些异常情况的处理，比如溢出

43、、校验错误、或内部和外部对某些异常情况的处理，比如溢出、校验错误、或内部和外部的中断请求。的中断请求。程序计数器 地址总线 程序存储器 数据总线指令寄存器指令存放地址信息指令编码信息指令寄存器指令操作码指令译码器微操作信号产生器时序电路译码信号微操作信号产生器各功能执行部件第40页，本讲稿共60页1.3.1中央处理器中央处理器CPU概论概论n n一、控制器一、控制器一、控制器一、控制器 8 8、指令执行的串行方式、指令执行的串行方式、指令执行的串行方式、指令执行的串行方式 9 9、指令执行的并行方式（流水线方式）、指令执行的并行方式（流水线方式）、指令执行的并行方式（流水线方式）、指令执行的并

44、行方式（流水线方式）第41页，本讲稿共60页1.3.1中央处理器中央处理器CPU概论概论n n二、运算器二、运算器二、运算器二、运算器 运算器的主要功能是进行算术运算和逻辑运算。算术运算运算器的主要功能是进行算术运算和逻辑运算。算术运算包括加、减、乘、除。逻辑运算包括与、或、非等。运算器中包括加、减、乘、除。逻辑运算包括与、或、非等。运算器中的核心部件是算术逻辑运算部件的核心部件是算术逻辑运算部件ALU(Arithmetic Logic Unit)ALU(Arithmetic Logic Unit)，其它部件有累加器、标志位寄存器、通用寄存器组等，如所，其它部件有累加器、标志位寄存器、通用寄存

45、器组等，如所示示第42页，本讲稿共60页1.3.1中央处理器中央处理器CPU概论概论n n二、运算器二、运算器二、运算器二、运算器 运算器的工作也是按步骤进行的。当控制器执行了一条运算器的工作也是按步骤进行的。当控制器执行了一条运算指令后，运算器根据控制器发出的各微操作信号（在上运算指令后，运算器根据控制器发出的各微操作信号（在上述图中被省略），按以下步骤进行：述图中被省略），按以下步骤进行：1 1）第一步：）第一步：）第一步：）第一步：通过内部数据总线将第一个数据送累加器。通过内部数据总线将第一个数据送累加器。2 2）第二步：）第二步：）第二步：）第二步：通过内部数据总线将第二个数据送暂存器

46、，同时通过内部数据总线将第二个数据送暂存器，同时ALUALU部件对已送入的数据按指令要求进行运算。部件对已送入的数据按指令要求进行运算。3 3）第三步：）第三步：）第三步：）第三步：将运算的结果按指令要求进行存放。将运算的结果按指令要求进行存放。第43页，本讲稿共60页1.3.1中央处理器中央处理器CPU概论概论n nCPUCPU性能指标性能指标 1 1、字长、字长、字长、字长 字（字（wordword）长是）长是CPUCPU一次处理的二进制数的位数，可以是一次处理的二进制数的位数，可以是8 8位，位，1616位，位，3232位，位，6464位。位。字长是反映字长是反映CPUCPU一次能处理信

47、息量的一次能处理信息量的一个指标。一个指标。2 2、速度、速度、速度、速度 CPU CPU的速度传统上是以每秒钟能执行的指令条数来衡量的速度传统上是以每秒钟能执行的指令条数来衡量的，如一亿次是指计算机每秒能执行一亿条指令。现在经常的，如一亿次是指计算机每秒能执行一亿条指令。现在经常用用CPUCPU的工作频率来衡量其速度，比如的工作频率来衡量其速度，比如2GHz2GHz，24MHz24MHz等。等。第44页，本讲稿共60页1.3.2存储器概论存储器概论n n一、存储器分类一、存储器分类一、存储器分类一、存储器分类 1 1、按存储器在计算机中的作用和位置分类、按存储器在计算机中的作用和位置分类、按

48、存储器在计算机中的作用和位置分类、按存储器在计算机中的作用和位置分类 按存储器在计算机中的作用和位置可分为主存储器、辅助存储按存储器在计算机中的作用和位置可分为主存储器、辅助存储器和高速缓冲存储器。器和高速缓冲存储器。1 1）主存储器）主存储器）主存储器）主存储器 主存储器就是冯主存储器就是冯.诺依曼所设计的计算机蓝图中的存储器，用于存诺依曼所设计的计算机蓝图中的存储器，用于存放放CPUCPU需要执行的程序代码和数据。电脑中的内存条就是主存储器。需要执行的程序代码和数据。电脑中的内存条就是主存储器。2 2）辅助存储器）辅助存储器）辅助存储器）辅助存储器 辅助存储器又称外部存储器，简称辅存或外存

49、。它用于存放需辅助存储器又称外部存储器，简称辅存或外存。它用于存放需要长期保存的信息。比如硬盘、光盘、尤盘等。要长期保存的信息。比如硬盘、光盘、尤盘等。第45页，本讲稿共60页1.3.2存储器概论存储器概论n n一、存储器分类一、存储器分类一、存储器分类一、存储器分类 2 2、按工作方式分类、按工作方式分类、按工作方式分类、按工作方式分类 按存储器的工作方式可分为随机存储器和只读存储器。按存储器的工作方式可分为随机存储器和只读存储器。1 1）随机存储器）随机存储器）随机存储器）随机存储器 随机存储器（随机存储器（Random Access MemoryRandom Access Memory）

50、是一种）是一种CPUCPU可直可直接存取信息的存储器，简称接存取信息的存储器，简称RAMRAM，也叫读，也叫读/写存储器。其特点是写存储器。其特点是CPUCPU能直接地对其访问，便于能直接地对其访问，便于CPUCPU快速地执行程序和存取数据。快速地执行程序和存取数据。2 2）只读存储器）只读存储器）只读存储器）只读存储器 只读存储器只读存储器(Read Only Memory)(Read Only Memory)是一种是一种CPUCPU只能直接读取只能直接读取其内部的信息、不可直接存入信息的存储器，简称其内部的信息、不可直接存入信息的存储器，简称ROMROM。其特点。其特点是存入的信息不易消失