嵌入式系統基礎 單片微型計算機原理及應用 前言 一、為什么要開這門課 ? 二、為什么選擇 MCS-51單片機 ? 三、單片機和其他課程的關系 四、如何學好本課程 ? 五、課程內容 六、要求 一、為什么要開這門課 ? 電專業的專業基礎課。 廣泛的應用： 在控制與檢測方面 ,是一個重要的分支（單片機與 PLC） 作為開發新產品和改造老產品的首選微機系統 作為 高級工程技術人員 必須掌握。 二、為什么選擇 MCS-51單片機 ? 歷史長、應用廣、技術成熟 兼容性好 現在的單片機集成度高，主要是軟件編程 作為檢測與控制， 8位機是主流 三、和其他課程的關系 電路 電子 -數字與模擬 （后續課程的基礎） 控制與檢測技術 （專業課） 四、如何學好本課程 ? 熱愛 關鍵 基礎 保證 關注與交流 加快 實驗 重要的一步 動手 掌握應用技術的前提 五、課程內容 共分 12章內容： 微型計算機基礎、半導體存儲器基礎 輸入 /輸出接口基礎、單片機基礎 程序設計、單片機應用、存儲器擴展、I/O口擴展、系統設計、單片機的 C語言設計 六、要求： 認真： 上課認真 作業認真 交流： 和老師的交流 同學之間的交流 第 1章 微型計算機基礎 主要介紹 微型計算機 的基本問題 （ Micro Computer-MC) 1 1 微型計算機概述 1 2 微型計算機系統 1 3 數字電路基礎 1 4 計算機中的數制和編碼 1946年 2月 15日 ，第一臺電子數字計算機問世，標志著計算機時代的到來。 ENIAC（ “埃尼阿克” ） 匈牙利籍數學家 馮 諾依曼 在 1946年提出了 “ 程序存儲 ” 和 “ 二進制運算 ” 的思想 ， 進一步構建了 計算機由運算器 、 控制器 、 存儲器 、 輸入設備和輸出設備組成 這一計算機的經典結構 。 （ EDVAC-ELECTRONIC DISCRETE VARIABLE AUTOMATIC COMPUTER） 存 儲 器輸 出 設 備輸 入 設 備控 制 器運 算 器電子計算機技術的發展 ， 相繼經歷了五個時代： 電子管計算機； 晶體管計算機； 集成電路計算機； 大規模集成電路計算機； 超大規模集成電路計算機 。 計算機的結構仍然沒有突破馮 諾依曼提出的計算機的經典結構框架 。 1 1 微型計算機概述 一、發展 二、分類 三、特點 四、應用 五、發展趨勢 一、微型計算機的發展 六個時期： 第一時期（ 1971 1973年） 4位或 8位 低檔微處理器和微機； 第二時期（ 1973 1977年） 8位 中高檔微處理器和微機； 第三時期（ 1978 1984年） 16位 微處理器和微機； 第四時期（ 1985 1992年） 32位 微處理器和微機； 第五時期（ 1993 1999年） 超級 32位 Pentium微處理器和微機 第六時期（ 2000年以后） 新一代 64位 微處理器 Merecd和微機 二、 MC的分類 共有 4種分類方法。 1 按微處理器的位數（字長）分 4位機、 8位機、 16位機、 32位機、64位機 2 按微型計算機的用途分 通用機和專用機兩類 3、按微型計算機的檔次分 低檔機、中檔機和高檔機 4、按微型計算機的組裝形式和系統規模分 單片機、單板機、個人計算機 從應用形態上，微機可以分成三種： 多板機（系統機） 將 CPU、存儲器、 I/O接口電路和總線接口等組裝在一塊主機板（即微機主板）。各種適配板卡插在主機板的擴展槽上并與電源、軟 /硬盤驅動器及光驅等裝在同一機箱內，再配上系統軟件，就構成了一臺完整的微型計算機系統（簡稱系統機）。 工業 PC機 也屬于多板機。 單板機 將 CPU芯片、 存儲器 芯片、 I/O接口 芯片和簡單的 I/O設備 （小鍵盤、 LED顯示器）等裝配在一塊印刷電路板上，再配上 監控程序 （固化在 ROM中），就構成了一臺單板微型計算機（簡稱單板機）。 單板機 單片機是將中央處理器（ CPU） ,隨機存儲器（ RAM），只讀存儲器（ ROM或 EPROM） ,定時器 /計數器芯片和一些輸入 /輸出接口電路集成在一個芯片上的微型計算機，有的甚至包含 A/D、 D/A轉換器。總而言之，一塊單片機芯片，就相當于一臺微型計算機。又稱為微控制器（ Microcontroller）。 它是專為工業控制和智能儀器設計的一種集成度很高的微型計算機。 單片機 三種應用形態的比較 ： 單板機 單片機 系統機（多板機） 系統機 （ 桌面應用 ） 屬于通用計算機 ， 主要應用于數據處理 、 辦公自動化及輔助設計 。 單片機 （ 嵌入式應用 ）屬于專用計算機 ， 主要應用于智能儀表 、 智能傳感器 、 智能家電 、 智能辦公設備 、 汽車及軍事電子設備等應用系統 。 圖 1-1 微處理器、微計算機和微計算機系統的關系 微計算機系統概念 單片機的發展 單片機技術發展過程可分為三個主要階段： 單芯片微機形成階段 1976年， Intel公司推出了 MCS-48系列單片機 。 8位 CPU、 1K字節 ROM、 64字節 RAM、27根 I/O線和 1個 8位定時 /計數器 。 特點是 ：存儲器容量較小，尋址范圍小（不大于 4K），無串行接口，指令系統功能不強。 性能完善提高階段 1980年， Intel公司推出了 MCS-51系列單片機： 8位 CPU、 4K字節 ROM、 128字節RAM、 4個 8位并口、 1個全雙工串行口、 2個 16位定時 /計數器。尋址范圍 64K，并有控制功能較強的布爾處理器。 特點是 ：結構體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點進一步突出。現在， MCS-51已成為公認的單片機經典機種 。 微控制器化階段 特點是 ：片內面向測控系統，外圍電路增強，使單片機可以方便靈活地用于復雜的自動測控系統及設備。 “微控制器”的稱謂更能反應單片機的本質 。 1982年， Intel推出 MCS-96系列單片機。 芯片內集成： 16位 CPU、 8K字節 ROM、 232字節 RAM、 5個 8位并口、 1個全雙工串行口、 2個 16位定時 /計數器。尋址范圍 64K。片上還有 8路 10位 ADC、 1路 PWM輸出及高速 I/O部件等。 三、 MC特點 （ 1）體積小、重量輕、功耗低 （ 2）可靠性高、使用環境條件要求低 （ 3）結構簡單靈活、系統設計方便、適應性強 （ 4）性能價格比高 四、 MC應用 （ 1）科學計算 （ 2）數據處理和與信息管理 （ 3） CAD、 CAM、 CAA和 CAI的應用 （ 4）過程控制和儀器儀表智能化 （ 5）軍事領域的應用 （ 6）多媒體系統和信息高速公路 （ 7）家用電器和家庭自動化 （ 8）人工智能的應用 五、 MC發展趨勢 多級流水線結構 芯片上存儲器管理技術 虛擬存儲技術 并行處理的哈佛結構 RISC結構 整片集成技術 1 2 微型計算機系統 一、微型計算機基本結構 二、微處理器、微型計算機、微型計算機系統 三、微型計算機的主要術語及性能指標 一、微型計算機基本結構 MC機是由 硬件 和 軟件 兩大部分組成。 硬件 是指為組成計算機而有機聯系的電子、電磁、機械、光學的元件、部件或裝置的總和，它是有型的物理實體。 軟件 是相對于硬件而言的，從狹義的角度看，軟件包括計算機運行所需要的各種程序；而從廣義角度講，軟件還包括手冊、說明書和有關資料。 1、硬件基本結構 MC由 運算器 、 控制器 、 存儲器 、 輸入設備 及 輸出設備 五大部分組成。 運算器 +控制器 +存儲器 =主機 ； 輸入 +輸出設備則稱為計算機的外圍設備（簡稱 “ 外設 ” ）； 運算器 +控制器 =中央處理單元 CPU（ Central Process Unit）。 2微型計算機的軟件 計算機能夠脫離人的直接控制而自動地操作與運算，還必須要有軟件。 軟件是指使用和管理計算機的各種程序（ Program），而程序是由一條條 指令（ Instruction）組成的。 程序的集合構成了計算機中的 軟件系統。 （ 1）指令 控制計算機完成各種操作的命令稱為指令。 例如： ADD A， #38 指令分成 操作碼 和 操作數 兩大部分。 操作碼 表示該指令執行何種操作， 操作數 表示參加運算的數據或數據所在的地址。 （ 2）程序 為了計算一個數學式，或者要控制一個生產過程，需要事先制定計算機的計算步驟或操作步驟。計算步驟是由一條條指令來實現的。這種一系列指令的有序集合稱為程序。編制程序的過程稱為程序設計：例如，計算63+56+36+14=？ 編制的程序如下： MOV A， #63 ADD A， #56 ADD A， #36 ADD A， #14 （ 3）匯編語言、高級語言和機器語言 匯編語言與機器語言的對照： MOV A， #63 0111 0100 0011 1111 ADD A， #56 0010 0100 0011 1000 ADD A， #36 0010 0100 0010 0100 ADD A， #14 0010 0100 0000 1110 （ 4）匯編、編譯與解釋程序 3硬件和軟件的關系 微機系統是硬件和軟件有機結合的整體。計算機的硬件和軟件是密可不分但又相互獨立的。 硬件是基礎 軟件是靈魂 二、微處理器、 MC、 MC系統 微處理器、微型計算機、微型計算機系統 是不同的概念，有必要對它們加以說明。 1、微處理器 -CPU 微處理器是利用微電子技術將計算機的核心部件（運算器和控制器）集中做在一塊集成電路上的一個獨立芯片。它具有解釋指令、執行指令和與外界交換數據的能力。 無論那種 CPU，其內部基本組成總是大同小異，其內部包括三部分：運算器、控制器、內部寄存器陣列（工作寄存器組） 典型微處理器結構圖 ： （ 1）運算器： 算術邏輯運算單元和累加器、標志寄存器、二十進制調整電路 （ 2）控制器： 控制器包括指令寄存器 IR、指令譯碼器ID和定時與控制電路三部分。 （ 3）內部寄存器陣列 （ 4）程序計數器 功能： 可以進行算術和邏輯運算； 可保存小量數據； 能對指令進行譯碼并執行規定的動作； 能和存儲器、外設進行數據交換； 提供整個系統所需要的定時和控制； 可以響應其他部件發來的中斷請求 使用： 內部的寄存器 -名字（符號）、大小、特殊性 （關鍵是使用） 2、微型計算機 由： CPU、存儲器、輸入 /輸出（ I/O）口電路構成，各部分之間通過總線（ Bus） 連接。 （ 1） CPU： CPU是微型計算機的核心，它的性能決定了整個微型計算的各項關鍵指標。 微處理器本身不能構成獨立工作的系統，也不能獨立執行程序，必須配上 存儲器、外部輸入 /輸出接口 構成一臺微型計算機方能工作。 （ 2）存儲器 存儲器是微型計算機的重要組成部分，是用來存放程序和數據的， 計算機有了存儲器才具備記憶的能力。 存儲器是由存儲器單元組成的 由地址確定。 從應用的角度講，計算機工作時， CPU對存儲器的操作只有 “ 讀 ” 和 “ 寫 ” 操作。 （ 3）輸入 /輸出接口電路 輸入 /輸出接口作 橋梁 ，起到 信息轉換與協調 的作用。 從應用的角度講，計算機工作時， CPU對 I/O口的操作只有 “ 讀 ” 和 “ 寫 ” 。 操作時對 端口號 的操作。 （ 4）總線 所謂總線，就是在微型計算機各芯片之間或芯片內部各部件之間傳輸信息的一組公共通信線 。 微型計算機總線的種類非常多，可分為