单片机ppt课件第0章计算机的基础知识.ppt

单片机原理、接口及应用,嵌入式系统技术基础(第2版),高等学校教材计算机应用,肖看 李群芳 编著,清华大学出版社,第0章 计算机的基础知识,单片机原理、接口及应用,内 容 提 要,绪论 微型计算机的基本结构和工作原理 计算机中的数制与码制 小结,0.1 绪 论, 计算机的新分类 嵌入式系统 单片机 单片机的应用 单片机的发展趋势 MCS-51系列单片机类型,一、计算机的新分类, 长期以来人们按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域，将其分为 大型计算机、中型机、小型机和微型计算机。 随着计算机技术的迅速发展，计算机技术和产品对其它行业的广泛渗透，人们以应用为中心、按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用进行新的分类,将其分为 嵌入式计算机 和 通用计算机。 通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现，并应用在社会的各个方面，其典型产品为PC机； 嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。,什么是嵌入式系统 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、针对具体应用系统、对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含了5-10个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、网卡、Modem、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、家电产品等方面无不是嵌入式计算机的应用领域。,二、嵌入式系统,1.嵌入式系统的种类 嵌入式系统的核心部件有以下三类： （1）嵌入式微处理器（Embedded Microprocessor Unit, EMPU）： 功能同标准的CPU，但在工作温度、 电磁干扰、可靠性等方面做了各种增强。 （2）嵌入式微控制器（Microcontroller Unit, MCU又称单片机）。 （3）嵌入式DSP处理器（Embedded Digital Signal Processor, EDSP）：DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。,2.嵌入式系统的特点 1。分散、创新、不可垄断性 通用计算机行业的技术是垄断的， 其体系结构、操作系统（如Windows）几乎垄断全世界。而嵌入式系统是一个分散的工业，充满竞争、机遇和创新，没有哪一个系列的处理器和操作系统 能垄断全世界，各自有各自的应用领域市场。2。产品稳定性多样化 通用计算机淘汰很快，几年一个更新换代，而嵌入式系统新产品虽层出不穷，但它的核心处理器不变，指令系统兼容，51单片机问世20多年，至今方兴未艾。4位机、8位机、 16位机、32位机并存于市场，各有自己的用武之地、因为嵌入式产品追求性价比，生产厂家绝不会杀鸡用牛刀。3。软件特性：编程的语言可以是C语言、也可以是汇编语言，程序不是以磁盘的形式存储，而是固化在单片机芯片或存储器芯片中。 4。嵌入式系统的开发需要开发工具 嵌入式系统自身无开发能力，需借助开发工具，如编程器、仿真器。单片机、DSP、ARM各自都有自己的开发工具。,嵌入式操作系统负责嵌入式系统全部的软、硬件资源分配、调度工作，它除了具备一般操作系统的具备功能外，还具有以下等特点：1.体系结构具有可装卸性、开放性和可伸缩性。2.强实时性。3.提供各种设备驱动接口。4.操作方便、简单、提供友好界面。5.提供强大网络功能。 常用的嵌入式操作系统有Linux等,嵌入式操作系统,全称单片微型计算机(Single ChipMicrocomputer) 又称微控制器MCU(Micro Controller Unit),是将计算机的基本部分微型化,使之集成在一块芯片上的微机。片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/0、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等，它本身就是一个嵌入式系统，同时它也可作更大的嵌入式系统的核心。 单片机的特点是小而全，即体积小、功能全、功耗低、性能价格比高。,三、单片机,1.单片机的应用 由于单片机小而全，易于推广应用等显著优点，在自动化装置，智能化仪器仪表和家用电器等领域得到日益广泛的应用。下面仅列举一些典型的应用领域。 （1）工业控制 数控机床，电机控制，工业机器人，自动控制等 （2）仪器仪表 智能仪器，医疗器械，数字示波器等。 （3）电信技术 调制解调器，声像处理，数字滤波，通信设备等。 （4）办公自动化和计算机外部设备 传真机，复印机，打印机，绘图仪，扫描仪等,（5）汽车与节能 点火控制，变速控制，防滑车控制，排气控制，计费器，交通控制等。 （6）导弹 导弹控制，鱼雷制导，智能武器装置，航天导弹系统等。 （7）商用产品 电子收款机，电子秤，银行统计机等。 （8）家用电器 微波炉，电视机，录像机，音响设备，游戏机等 以上可见它无处不有、无时不在，像个万能的螺丝钉。,2.单片机的发展趋势（1）单片机的字长由4位、8位、16 位发展到32位。 这几种字长的MCU目前同时存在于市场，由于单片机主要用于控制，目前8位的MCU 仍然占主流地位，只有在精度要求特别高的场合如图像处理等，才采用16位的MCU, 用户可以根据产品的需要进行选择。（2）运行速度不断提高。 单片机的使用最高频率由6MHz、12MHz 、24MHz、 33MHz、发展到 40MHz。（3）单片机内的存储容量越来越大。 由1KB、 2KB、 4KB、 8KB、 16KB、 32KB、发展到 64KB 等。,（4）ROM存储器的编程也越来越方便 有 ROM型（掩模型）、OTP型（一次性编程）、EPROM（紫外线擦除编程）、EEPROM（电擦除编程）及FLASH（闪速编程）。编程（烧录）方式也越来越方便，目前有脱机编程、在系统编程（ISP）、在应用编程（IAP）。各类产品并存，可供用户选择。 （5）I/O端口多功能化 单片机内除集成有并行接口、串行接口外，还集成有A/D、D/A、LED/LCD显示驱动、DMA控制、PWM（脉宽调制输出）、 PLC（锁相环控制）、 PCA(逻辑阵列） WDT（看门狗）等。,（6）功耗越来越低 采用CHMOS制作工艺使单片机集HMOS的高速、高集成度和CMOS的低功耗技术为一体，使单片机的功耗进一步降低，适应的电压范围更宽（2.66V）。（7）结合专用集成电路ASIC、精简指令集和RISC技术，使单片机发展成为嵌入式的处理器，深入到数字信号处理、图象处理、人工智能、机器人等领域。 为适应不同的应用需求，一个系列的单片机都有多种衍生产品，其处理器核心一样，只是存储器、接口配置不一样，使功能与应用匹配，以减少功耗和成本。,以上单片机各种发展系列并非一代淘汰一代，用户根据产品要求、性价比等情况选择。 目前市面上较有影响的单片机厂家有：INTEL：MCS-51、MCS-96系列。MOTOROLA：68HCXX系列。MICROCHIP：16C5X/6X/7X/8X系列。ZILOG：Z86EXXXPSC系列TEXAS：MSP430FXX系列多个公司生产32位ARM系列,各厂家单片机的指令系统各不相同，功能各有所长，其中市场占有最高的是MCS-51系列，因为世界上很多知名的IC生产厂家都生产51兼容的芯片。目前为止，MCS-51单片机已有数百个品种，还在不断推出功能更强的新产品。近年来PHILIPS公司又推出了指令和MCS-51兼容的16位单片机，这样保证了MCS-51单片机的先进性，同时，很多专用芯片以它作为控制核心，可以预言，几十年内不会淘汰。因此，MCS-51单片机成为教学的首选机型。,3.MCS-51系列单片机类型 MCS-51系列单片机品种很多，如果按照存储器ROM配置状态,可划分为：片内无EPROM型，如80(C)3X;片内EPROM,如87(C)5X；片内FLASH EEPROM型，如89C5X;片内EEPROM ISP型(可在系统编程）如89S5X。,如果按照其功能，则可划分以下一些类型:(1)基本型 基本型有8031、8051、8751、89C51/S51等。 基本型的代表产品是8051，其基本特性如下： 一个8位CPU和指令系统。 128字节的片内RAM。 21个特殊功能寄存器。 32线并行I/O口。 2个16位定时/计数器。 一个全双工串行口。 5个中断源、2个中断优先级的中断结构.,4KB片内ROM。 一个片内时钟振荡器和时钟电路. 片外可扩展64KBROM和64KBRAM. 由此可见,它本身就是一个功能相当强的8位微型机. (2)增强型 有8052AH、8032AH、8752BH,此类型单片机的内ROM和RAM容量比基本型的增大一倍,同时把16位计数增为3个.87C54内部ROM增加到16KB,87C58增加到32KB.,(3)低功耗型 有80C5XBH、80C31XBH、87C5X.这类型号带有“C”字的单片机采用CHMOS工艺,其特点是功耗低，另外, 87C51还有两级程序存储器保密系统,可防止非法拷贝程序. 此外还有内含DMA、PCA (可编程计数阵列)、A/D、多并行口、及内含BASIC高级语言型等多类产品，详见教材续表。,由于单片机结构完整、不涉及操作系统，易学易懂、价格便宜、方便动手实践，因此它是嵌入式系统学习的入门课，通过它，既学习了硬件、也学习了软件，是工科学生的基础课。,0.2.1 微机的系统结构,微机系统,软件,硬件,主机,外围设备,微处理器（CPU）,运算器控制器寄存器,存储器（内存）,RAMROM,输入/输出接口（I/O接口）,并行、串行接口定时器、A/D、D/A,总线,系统软件应用软件程序设计语言,外部设备,辅助设备,输入设备输出设备辅助存储器,电源电路时钟电路,CPU是计算机的控制核心，它的功能是执行指令，完成算数运算、逻辑运算，并对整机进行控制。存储器用于存储程序和数据。输入/输出接口（又称I/O接口）是CPU和外设之间相连的逻辑电路，外设必须通过接口才能和CPU相连。不同的外设所用接口不同。每个I/O接口也有一个地址，CPU通过对不同的I/O接口进行操作来完成对外设的操作。总线 CPU 、存储器、I/O接口和之间相连的一组线。用于传送程序或数据的总线称为数据总线（DB) ；用于传送地址，以识别不同的存储单元或I/O接口的一组线称为地址总线（AB) ；用于控制数据总线上数据流送的方向、对象等的一组线称为控制总线（ 。,计算机系统的硬件结构如下图所示:,CPU,输入接口,输入设备,DB,AB,CB,DB,AB,CB,输出接口,输出设备,0.2.2 微机的基本工作原理,存储程序、执行程序是微机的工作原理，取指令，译码，执行是微机的基本工作过程。单片机是微型计算机的一种，是将计算机主机（CPU、存储器和I/O接口）集成在一小块硅片上的微机，又称微控制器。它专为工业测量与设计而设计，具有三高优势（集成度高、可靠性高、性价比高）. 单片机的特点是小而全(体积小，功能全），主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器、仪表、通信设备、家用电器等，特别适合于嵌入式微型机应用系统。 嵌入式工程师的任务 就是根据应用对象的需求，完成硬件和软件的设计，即选择合适的单片机，进行接口、存储器等电路的系统设计，并设计程序，以控制应用系统按程序的指令完成规定的工作。这就是本门课要学习的内容。,0.2.3 微机的主要技术指标,微型计算机主要有如下一些技术指标：字长：CPU并行处理数据位，由此定为8位机、16位机、32位机等。存储容量：存储器单元数，例如256B、8KB、1MB等（1B即一个字节，也就是一个8位二进制数，是计算机数据的基本单位）。运算速度：CPU处理速度，它和内部的工艺结构以及外接的时钟频率有关。时钟频率：在CPU极限频率以下，时钟频率越高，执行指令速度越快，对单片机而言，有6MHz、12MHz、24MHz等。,0.3.1 计算机中的数,计算机中的数字电路具有两种不同的稳定状态且能相互转换，即“0”和“1”两种状态。计算机处理的一切信息均用二进制数表示，但是二进制数书写起来太长，所以微型计算机中的二进制数都采用十六进制来缩写。十六进制数用09、AF等16个数码表示十进制数015。 为了区别十进制数、二进制数及十六进制数3种数制，在数的后面加一个字母以进行区别。用 B（binary）表示二进制数制； D（decimal）或不带字母表示十进制数制； H（hexadecimal）表示十六进制数制。,表0-1 不同进位记数制对照表,二进制数转换为十六进制数 将二进制数从右（最低位）向左每4位为1组分组，若最后一组不足4位，则在其左边添加0，以凑成4位，每组用1位十六进制数表示。如：1111111000111B1 1111 1100 0111B0001 1111 1100 0111B1FC7H 十六进制数转换位二进制数 只需用4位二进制数代替1位十六进制数即可。 如：3AB9H=0011 1010 1011 1001B,十六进制数和十进制数间的相互转换 将十六进制数按权展开相加，如：1F3DH=163116215161316013 =4096125615163113 =409638404813=7997 十进制整数转换为十六进制数可用出16取余法，即用16不断地去除待转换的十进制数，直至商等于0为止。将所得的各次余数，依倒叙排列，即可得到所转换的十六进制数。如将38947转换为十六进制数，其方法及算式如下： 即38947=9823H,0.3.2 计算机中数的几个概念,1.机器数与真值机器数：机器中数的表示形式，它将数的正、负符号和数值部分一起进行二进制编码，其位数通常为8的整数倍。真值：机器数所代表的实际数值的正负和大小，是人们习惯表示的数。2。数的单位位（bit）：一个二进制数中的1位，其值不是1便0。字节（Byte）：一个字节，就是一个8位的二进制数。字（Word）：两个字节，就是一个16位的二进制数。双字：两个字，即四个字节，一个32位二进制数。 只有8位、16位或32位机器数的最高位才是符号位。,0.3.3 计算机中的有符号数的表示,有符号数有原码、反码和补码三种表示法。1.原码 数值部分用其绝对值，正数的符号位用“0”表示，负数的符号位用“1”表示。如：X1=5=+00000101B X1原=00000101B X2=-5=-00000101B X2原=10000101B,符号位,8位原码数的范围为FFH7FH（-127127）。原码数00H和80H的数值部分相同、符号位相反，它们分别为+0和-0。16位原码数的数值范围为FFFFH7FFFH（-3276732767）。原码数0000H和8000H的数值部分相同、符号位相反，它们分别为+0和-0。 原码表示简单易懂，而且与真值的转换方便。但若是两个异号数相加，或两个同号数相减，就要做减法。为了把减运算转换为加运算，从而简化计算机的结构，就引进了反码和补码。,（2）反码 正数的反码与原码相同； 负数反码：符号位不 变，数值部分按位取反。 例 求8位反码机器数：x1=+4 x1原=00000100B x1反=00000100B=04Hx2=-4 x2原=10000100B x2反=11111011B= FBH,(3)补码正数的补码与原码相同；负数补码为其反码加1。例：求 8位补码机器数：x1=+4： x1原=x1反=x1补= 00000100=04Hx2= - 4：x2原 =10000100 x2反 = 11111011 x2补 = x2 反+1= 1111100=FCH 8位补码数的数值范围为-128127（80H7FH）。16位补码数的数值范围为8000H7FFFH（-3276832767）。字节80H和字8000H的真值分别是-128(-80H)和-32768(-8000H)。补码数80H和8000H的最高位既代 表了符号为负,又代表了数值为1。,快速求法：将负数原码的最前面的1和最后一个1之间的每一位取反。例如x=-4： x原 = 10000100 x补 = 11111100=FCH取反 用 模-X求 两数互补是针对一定的“模”而言，“模”即计数系统的过量程回零值，例如时钟以12为模（12点也称0点），4和8互补，一位十进制数3和7互补（因为3710，个位回零，模为10110），两位十进制数35和65互补（因为3567100，十进制数两位回零，模为102100），而对于8位二进制数，模为28100000000B=100H,同理16位二进制数，模为21610000H,设有原码机器数X, X0 则 X补=X原 ; X0 则 X补= 模-例如对八位二进制数： X1=+4：X1补=00000100=04H； X2=-4：X2补 = 100H-4=FCH对于16二进制位数： X2=+4： X2补= 0004H； X2=-4： X2补 = 10000H-4=FFFCH,由此得出求补的通用方法：一个数的补数模该数，这里补数是对任意的数而言，包括正、负数。而补码是针对符号机器数而言。,几点说明： 根据两数互为补的原理，对补码求补码就可以得到其原码，将原码的符号位变为正、负号，即是它的真值 例如求补码数FAH的真值 。因为FAH为负数,求补码 FAH补86H=-6, 所以补码数FAH的真值为-6. 例如求补码数78H的真值 。因为78H为正数求补码 78H补78H=+120 78H的真值为120 一个用补码表示的机器数，若最高位为0，则其余几位即为此数的绝对值；若最高位为1，其余几位不是此数的绝对值，必须把该数求补（按位取反（包括符号位）加1），才得到它的绝对值。如：X=-15 -15补F1H11110001B 求补得00001110100001111B=15, 当数采用补码表示时，就可以把减法转换为加法。例1：64-10=64+(-10)=5464补=40H=0100 0000B10补=0AH=0000 1010B -10补=1111 0110B做减法运算过程： 用补码相加过程 结果相同，其真值为36H（=54）。由于数的八位限制，最高位的进位是自然丢失的（再计算机中。进位被存放在进位标志CY中的。）用补码表示后，减法均可以用补码相加完成。因此，在微机中，凡是符号数一律是用补码表示的。用加法器完成加、减运算，用加法器和移位寄存器完成乘、除运算，简化计算机硬件结构。,例2: 34-68=34+(-68)-3434=22H=0010 0010B68=44H=0100 0100B -68补=1011 1100B做减运算过程： 用补码相加过程： 结果相同。因为符号位为1，对其求补，得其真值：-00100010B， 即为-34=-22H。由上面两个例子还可以看出，1)用补码相加完成两数相减，相减若无借位，化为补码相加就会有进位；相减若有借位，化作补码相加就不会有进位。2)补码运算后的结果为补码，需再次求补才能得到运算结果的 真值。,0.3.4 进位和溢出,例3 10550155 10569H 5032H 若把结果视为无符号数，为155，结果是正确的。若将此结果视为符号数，其符号位为1，结果为-101，这显然是错误的。其原因是和数155大于8位符号数所能表示的补码数的最大值127，使数值部分占据了符号位的位置，产生了溢出，从而导致结果错误。又如： -105-50=-155 CY=1 两个负数相加，和应为负数，而结果01100101B却为正数，这显然是错误的。其原因是和数-155小于8位符号数所能表示的补码数的最小值-128，也产生了溢出。结论：当两个补码数相加结果超出补码表示范围，就会产生溢出，导致结果错误。计算机中设立了溢出标志位OV，通过最高位的进位（符号位的进位）CY和次高位进位（低位向符号位的进位）CY-1异或产生。,例4 74744AH+4AH 0 1 0 0 1 0 1 0 0 01 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 CY CY-1=0 1=1.有溢出 OV1 CY CY-1 无进位 CY=0 由上两例中，例3的 OV=1、CY=1,例4中OV=1、CY=0，可见溢出和进位并非有必然的联系，这是由于两者产生的原因是不同的，两者判断的方法也是是不同的。重述如下： 溢出OV：两个补码数相加结果超出补码表示范围而产生，OV= CY CY-1 进位CY: 当运算结果超出计算机位数的限制（8位、16位），会产生进位，它是由最高位计算产生的,在加法中表现为进位，在减法中表现为借位。,0.3.5 BCD码,生活中人们习惯于十进制数，计算机只能识别二进制数，为了将十进制数变为二进制数，出现了BCD码，即二进制代码表示的十进制数。故名思意，它即是逢十进一，又是一组二进制代码。用4位二进制数编码表示1位十进制数称为压缩的BCD码，8位二进制数可以放2个十进制数位。也可以用8位二进制数表示1个十进制数位，这种BCD码称为非压缩的BCD码。十进制数和BCD码的对照表见表0-2,表0-2 BCD编码表,例：求十进制数876的BCD码 压缩的BCD码 ：876BCD = 1000 0111 0110B=876H 非压缩的BCD码：876BCD=00001000 00000111 00000110B080706H 又如,十进制数1994的压缩的BCD码1944H 1994的非压缩的BCD码01090404H,0.3.6 BCD码的运算,BCD码运算应该得到BCD码结果，由于计算机是按二进制运算，结果不为BCD码，因此要进行十进制调整。调整方法为：当计算结果有非BCD码或产生进位/借位时，加法进行 +6、减法进行 -6 调整运算。例：计算BCD码 78+69=？ 0111 1000 78H+ 0110 1001 + 69H 1110 0001 E1H不调整，结果为二进制+ 0110 0110 + 66H调整， 高4位产生非BCD码+6， 和低4位有半进位+61 0100 0111 147 调整结果：147 （带进位一起）为十进制结果,例：计算BCD码 38-29=？ 0011 1000 38H - 0010 1001 - 29H 0000 1111 0FH- 0000 0110 - 06 低4位有半借位-6调整 高4位未产生非 BCD且无借位不调整 0000 1001 9 结果：9在计算机中，有专门的调整指令完成调整操作。,0.3.7 ASCII码,表-3 常用字符的ASCII码） 美国标准信息交换码ASCII码，用8位二进制编码表示字符，用于计算机与计算机、计算机与外设之间传递信息，每一个符号都有对应的ASCII码，常用数字和字母ASCII码如表1-所列，在程序中，字符可用ASCII码表示，也可以用加引号的字符表示，例如字符4，可以用34H表示，也可以用4表示，此时，它只有符号的意义，而无数量的概念。,表-3 常用字符的ASCII码）,0.4 小 结,1了解计算机的系统结构，明确单片机是微机的一种。2计算机的基本数制是二进制，所有的信息都是以二进制数的形式存放，为方便阅读，以十六进制表示，对于二、十、十六几种进制之间的转换要求十分熟练。3计算机中的有符号数一律以补码表示，补码、原码。真值之间的转换要求十分熟练。4计算机中的计算一律为二进制运算，符号位也参与运算，运算中会产生进位和溢出，应明确概念，掌握判断方法5编码是用一组特定的数码表示一定的字符，计算机常用的编码有BCD码和ASCII码，应记住常用的字符编码。,特别提出的是，计算机只识别0 和1，是有符号数还是无符号数、是补码还是原码、是BCD码、ASCII码还是一般的二进制数计算机是不能识别的，完全是人的认定，人根据不同的认定作不同的分析和处理。例如FFH 作为无符号，它代表255，作为有符号原码，它代表127，作为有符号补码，它代表1；又如32H，视作ASCII码它是字符2, 视作BCD码，它是十进制数32，视作二进制数它是50这就是根据不同的认定作不同的分析，编程作不同的处理，如：认定是BCD码，运算后加调整指令，如果认定不是BCD码，而是一般的二进制数，运算后不加调整指令。,