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嵌入式系统基础,单片微型计算机原理及应用,前言,一、为什么要开这门课?二、为什么选择MCS-51单片机?三、单片机和其他课程的关系四、如何学好本课程?五、课程内容六、要求,一、为什么要开这门课?,电专业的专业基础课。广泛的应用：在控制与检测方面,是一个重要的分支（单片机与PLC）作为开发新产品和改造老产品的首选微机系统作为高级工程技术人员必须掌握。,二、为什么选择MCS-51单片机?,历史长、应用广、技术成熟兼容性好现在的单片机集成度高，主要是软件编程作为检测与控制，8位机是主流,三、和其他课程的关系,电路电子-数字与模拟（后续课程的基础）控制与检测技术（专业课）,四、如何学好本课程?,热爱关键 基础保证关注与交流加快实验重要的一步动手掌握应用技术的前提,五、课程内容,共分12章内容：微型计算机基础、半导体存储器基础输入/输出接口基础、单片机基础程序设计、单片机应用、存储器扩展、I/O口扩展、系统设计、单片机的C语言设计,六、要求：,认真：上课认真 作业认真交流：和老师的交流 同学之间的交流,第1章 微型计算机基础,主要介绍微型计算机的基本问题（Micro Computer-MC)11 微型计算机概述12 微型计算机系统13 数字电路基础14 计算机中的数制和编码,11 微型计算机概述,一、发展二、分类三、特点四、应用五、发展趋势,一、微型计算机的发展,六个时期：第一时期（19711973年）4位或8位低档微处理器和微机；第二时期（19731977年）8位中高档微处理器和微机；第三时期（19781984年）16位微处理器和微机；,第四时期（19851992年）32位微处理器和微机；第五时期（19931999年）超级32位Pentium微处理器和微机第六时期（2000年以后）新一代64位微处理器Merecd和微机,二、MC的分类,共有4种分类方法。1 按微处理器的位数（字长）分 4位机、8位机、16位机、32位机、64位机2 按微型计算机的用途分 通用机和专用机两类,3、按微型计算机的档次分 低档机、中档机和高档机 4、按微型计算机的组装形式和系统规模分 单片机、单板机、个人计算机,三、MC特点,（1）体积小、重量轻、功耗低（2）可靠性高、使用环境条件要求低（3）结构简单灵活、系统设计方便、适应性强（4）性能价格比高,四、MC应用,（1）科学计算（2）数据处理和与信息管理（3）CAD、CAM、CAA和CAI的应用（4）过程控制和仪器仪表智能化（5）军事领域的应用（6）多媒体系统和信息高速公路（7）家用电器和家庭自动化（8）人工智能的应用,五、MC发展趋势,多级流水线结构 芯片上存储器管理技术 虚拟存储技术 并行处理的哈佛结构 RISC结构 整片集成技术,13 数字电路基础,计算机由大量的数字电路组成，它所处理的是二进制数字信号，即只有0和1两种状态信号。所有的数据、程序和各种逻辑控制部分都是由大量能记录这两种状态的电子器件和能实现0、1基本逻辑控制的单元组成的。这种基本的逻辑控制电路包括逻辑门电路、组合逻辑电路（编码器、译码器、数据选择器等）和时序电路（触发器、寄存器、计数器等）。,包括：,一、基本的门电路 二、三态门与缓冲器 三、触发器与锁存器,一、基本的门电路,在数字电路中，所谓“门”就是实现一些基本逻辑关系的电路。最基本的逻辑关系可归纳为与、或、非三种，所以最基本的逻辑门为与门、或门和非门。,1“与”逻辑关系及与门电路2“或“逻辑关系及或门电路3“非”逻辑关系及非门（反相器）,二、三态门与缓冲器,三态门有三种输出状态，即高电平（1），低电平（0）和高阻态，其中高阻态也称为浮空状态。,典型的TTL三态门集成电路：,常用的三态门芯片有74LS240、241、242、244、245、366、367等。如：74LS244、74LS245,三、触发器与锁存器,触发器是一种具有记忆功能的器件，有两种稳定状态，分别表示1和0。在数字电路中，常用来构成寄存器、计数器等部件。触发器有多种形式，常用的有R-S触发器、D触发器、J-K触发器及T触发器等。以计算机中常用的D触发器为例说明触发器的工作原理。,D触发器工作波形：,12 微型计算机系统,一、微型计算机基本结构 二、微处理器、微型计算机、微型计算机系统三、微型计算机的主要术语及性能指标,一、微型计算机基本结构,MC机是由硬件和软件两大部分组成。硬件是指为组成计算机而有机联系的电子、电磁、机械、光学的元件、部件或装置的总和，它是有型的物理实体。软件是相对于硬件而言的，从狭义的角度看，软件包括计算机运行所需要的各种程序；而从广义角度讲，软件还包括手册、说明书和有关资料。,1、硬件基本结构,MC由运算器、控制器、存储器、输入设备及输出设备五大部分组成。,运算器+控制器+存储器=主机；输入+输出设备则称为计算机的外围设备（简称“外设”）；运算器+控制器=中央处理单元CPU（Central Process Unit）。,2微型计算机的软件,计算机能够脱离人的直接控制而自动地操作与运算，还必须要有软件。软件是指使用和管理计算机的各种程序（Program），而程序是由一条条指令（Instruction）组成的。程序的集合构成了计算机中的软件系统。,（1）指令,控制计算机完成各种操作的命令称为指令。例如：ADDA，#38指令分成操作码和操作数两大部分。操作码表示该指令执行何种操作，操作数表示参加运算的数据或数据所在的地址。,（2）程序,为了计算一个数学式，或者要控制一个生产过程，需要事先制定计算机的计算步骤或操作步骤。计算步骤是由一条条指令来实现的。这种一系列指令的有序集合称为程序。编制程序的过程称为程序设计：例如，计算63+56+36+14=？编制的程序如下：MOVA，#63ADDA，#56ADDA，#36 ADDA，#14,（3）汇编语言、高级语言和机器语言,汇编语言与机器语言的对照：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）汇编、编译与解释程序,3硬件和软件的关系,微机系统是硬件和软件有机结合的整体。计算机的硬件和软件是密可不分但又相互独立的。硬件是基础软件是灵魂,二、微处理器、MC、MC系统,微处理器、微型计算机、微型计算机系统是不同的概念，有必要对它们加以说明。,1、微处理器-CPU,微处理器是利用微电子技术将计算机的核心部件（运算器和控制器）集中做在一块集成电路上的一个独立芯片。它具有解释指令、执行指令和与外界交换数据的能力。无论那种CPU，其内部基本组成总是大同小异，其内部包括三部分：运算器、控制器、内部寄存器阵列（工作寄存器组）,典型微处理器结构图：,（1）运算器：算术逻辑运算单元和累加器、标志寄存器、二十进制调整电路（2）控制器：控制器包括指令寄存器IR、指令译码器ID和定时与控制电路三部分。（3）内部寄存器阵列（4）程序计数器,功能：,可以进行算术和逻辑运算；可保存小量数据；能对指令进行译码并执行规定的动作；能和存储器、外设进行数据交换；提供整个系统所需要的定时和控制；可以响应其他部件发来的中断请求,使用：,内部的寄存器-名字（符号）、大小、特殊性（关键是使用）,2、微型计算机,由：CPU、存储器、输入/输出（I/O）口电路构成，各部分之间通过总线（Bus）连接。,（1）CPU：,CPU是微型计算机的核心，它的性能决定了整个微型计算的各项关键指标。微处理器本身不能构成独立工作的系统，也不能独立执行程序，必须配上存储器、外部输入/输出接口构成一台微型计算机方能工作。,（2）存储器,存储器是微型计算机的重要组成部分，是用来存放程序和数据的，计算机有了存储器才具备记忆的能力。存储器是由存储器单元组成的由地址确定。从应用的角度讲，计算机工作时，CPU对存储器的操作只有“读”和“写”操作。,（3）输入/输出接口电路,输入/输出接口作桥梁，起到信息转换与协调的作用。从应用的角度讲，计算机工作时，CPU对I/O口的操作只有“读”和“写”。操作时对端口号的操作。,（4）总线,所谓总线，就是在微型计算机各芯片之间或芯片内部各部件之间传输信息的一组公共通信线。微型计算机总线的种类非常多，可分为内部总线、元件级总线、系统总线、外部总线四大类。在微型计算机中使用比较多的是元件级总线。计算机元件级总线包括地址总线AB（Address Bus）、数据总线DB（Data Bus）、控制总线CB（Control Bus）三种。,地址线总线：三态单向 A15A0 1K=1024数据线：三态双向 D7D0控制线：/RD、/WR、三态门,3、微型计算机系统,以微型计算机为主体，配上外部输入/输出设备、外围设备、电源、系统软件一起构成应用系统，称为微型计算机系统,三、常用的术语,二进制、十进制、十六进制位、字节、半字节、字字长CPU、存储器、I/O口总线：AB、DB、CB地址空间、I/O口口地址,14 计算机中的数制和编码,计算机在工作过程中就是对数据的处理。计算机是一个典型的数字化设备，它只能识别0和1，所有的计算机都是以二进制数的形式进行算术运算和逻辑操作的。一、计算机中的数制及转换 二、带符号数的表示 三、计算机中常用的编码,一、数制及转换,1、计算机中的数制 二进制：0、1 十六进制：0-9、A-F 十进制：0-9 分别后缀 B、H、D运算时分别为:逢2进1、逢10进1、逢16进1三者的关系：P19 表1-4,2 不同数制之间的转换,（1）二进制数和十六进制数 非常方便。P19表1-44位二进制数可用1位十六进制数表示。如：1111111000111B=1FC7H,（2）十进制数转换成十六进制数,十六进制数转换为十进制数十分简单，只需将十六进制数按权展开即可。如：1F3DH=1163+15162+3161+13160=14096+15256+316+131=4096+3840+48+13=7997,（3）十六进制数转换成十进制数,十进制整数转换为十六进制数：可用除16取余数法，即用16不断去除待转换的十进制数，直到商等于零为止。将所得的各次余数，依倒序排列，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。,十进制小数转换成十六进制小数：采用乘16取整的方法进行。0.7875十进制数转换为十六进制数，其方法和算式如下：,可得0.7875D=0.C99H,二、带符号数的表示,1机器数与真值2机器数的原码、反码、补码3带符号数溢出及其判断方法,1机器数与真值,在计算机中，用二进制数表示有符号数，用最高位表示符号，其余的为数值位，这样一组连同符号也编码化的二进制数称为机器数；对于正数，最高位规定为“0”，对于负数，最高位为“1”，机器数所代表的数值大小称为机器数的真值。如：P21 例,2机器数的原码、反码、补码,（1）原码：对于带符号数来说，用最高位表示数的正负，其余各位表示数的绝对值，这种表示方法称为原码表示法，即仅将符号位数字化表示为0或1，数的绝对值与符号一起编码，或者称为“符号-绝对值”的编码。,原码表示的特点：,最高位为符号位，正数为0，负数为1；8位二进制原码表示数的范围是-127+127，十六位二进制原码表示数的范围是-32767+32767；0的原码有两种表示方法，即+0和-0，设字长为8位：+0原=00000000B-0原=10000000B,（2）反码：,正数的反码与原码相同，负数的反码符号位为1，其数值部分按位取反。求-56H反码的过程如下：对应的原码为1 101 0110B；按位求反后为1 010 1001B，即-56H的反码为1010 1001B。,反码的特点：,反码表示法中，最高位仍为符号位，正数为0，负数为1；“0”有两种表示方法：当字长是8位时，+0反=00000000B，-0反=11111111B 8位二进制反码表示数的范围是-127+127。正数的反码与原码相同，负数的反码符号位为1，其数值部分按位取反。,（3）补码：,在计算机内，带符号数并不是用反码表示，而是用补码表示。例：56H-23H=56H-23H+100H=56H+100H-23H=56H+0DDH=1 33H=33H,正数的补码与反码、原码相同；负数的补码等于它的反码加1。补码的特点：补码表示中，最高位仍为符号位，正数为0，负数为1；0仅有一种表示方法，即+0补=-0补；,8位二进制补码表示数的范围是-128+127，十六位二进制补码表示数的范围是-32768+32767；对于同一个数，作为8位二进制数的补码和作为16位二进制数的补码不同，这一点要特别注意。注意：对于8位二进制数10000000B，若为补码表示为-128补，若为原码表示-0原，若为反码表示为-127反；,P24 表1-5从表1-5可以看出，8位二进制数，无符号数表示范围是0255；有符号数：原码表示范围-127+127；反码表示范围是-127+127；补码表示范围是-128+127。,3带符号数溢出及其判断方法,如前所述，带符号数表示方法都有一定的范围，对于8位的原码、反码和补码表示的范围分别为：原码-127+127（0FFH7FH）反码-127+127（80H7FH）补码-128+127（80H7FH）当8位带符号数的运算结果超过以上范围时，就会出生溢出。,在微型计算机中所有带符号的数都是用补码表示的。所谓溢出，是指带符号数的补码加、减运算的结果超出了补码表示的范围。若发生了溢出，则带符号数的运算结果必然是错误的。,（2）判断溢出的方法,两种方法：结果分析；X=01000000B，Y=01000001BX+Y=？利用最高位和次高位的进位/借位状态进行“异或”来判断的。在微机中，可用多字节表示更大的数，避免产生溢出错误。,四、计算机中常用的编码,目前计算机中最常用的两中编码：美国信息交换标准代码（ASCII码）二十进制编码（BCD码）。,1美国信息交换标准代码（ASCII码）,P311 附录A如“8”的7位ASCII码 0111000B 奇校验ASCII码为00111000B；偶校验ASCII码为10111000B；,2、BCD码,二进制编码的十进制数09A F非法一个字节-8位压缩与非压缩,强调：,计算机只认二进制数，并不认什么十六、十、ASCII、BCD码等其他数的大小和性质需要人来分析1111 1111B 多大？什么性质的数？无符号：255带符号：负数-1BCD码：无效ASCII码：“DEL”键的ASCII码,总结：,本章从微处理器的产生和发展开始，对微机的基本概念、硬件结构、工作原理、系统组成、应用特点等知识作了相应的概述；介绍了计算机中数据的表示方法，重点介绍了二进制数、十进指数、十六进制数的相关概念及各类数制之间相互转换的方法、无符号数和有符号数的机器内部表示、BCD码和ASCII码等。通过本章的学习，要重点掌握以下几个方面：微型计算机的硬件结构：CPU、存储器、I/O口、总线；微型计算机的软件：源程序、汇编（编译）程序、目标程序；计算机的数值及转换：二进制数、十进制数、十六进制数；带符号数的表示：原码、反码、补码；计算机中的常用的编码：ASCII码、BCD码。本章是微型计算机的基础。,第2章 半导体存储器基础,半导体存储器是用来存储二进制信息的器件，是微机系统中的重要组成部分。计算机的工作依赖于存储器中的程序和数据。包括：21 存储器系统 22 半导体存储器概述 23 典型存储器芯片介绍 24 堆栈,21 存储器系统,22 半导体存储器概述,一、分类 二、存储器芯片的一般结构三、主要性能指标四、存储器地址空间的结构形式,一、分类,1按用途分 内部存储器 外部存储器 2按存储器性质分 随机存取存储器RAM 只读存储器ROM,二、存储器芯片的一般结构,由存储体、地址译码器、控制逻辑电路、数据缓冲器4部分组成,三、主要性能指标,存储容量、存取速度、功耗、可靠性、性能/价格比 存储容量：存储单元个数每个单元的存储位数,四、存储器地址空间的结构形式,存储器用于存放程序与数据。半导体存储器由一个个单元组成，每个单元有一个编号（称为地址），一个单元存放一个8位的二进制数（一个字节）。计算机的存储器地址空间有两种结构形式：普林斯顿结构和哈佛结构。,23 典型存储器芯片介绍,一、静态随机存取存储器(SRAM)二、紫外线擦除可编程ROM(EPROM）三、电擦除可编程ROM(EEPROM),一、静态随机存取存储器(SRAM),二、紫外线擦除可编程ROM(EPROM,三、电擦除可编程ROM(EEPROM)98C64,A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1可用十六进制数表示为：0000H1FFFH。,24 堆栈,微型计算机中的堆栈是读写存储器RAM中的一个特殊区域，是一组按照“先进后出”的方式工作的、用于暂存信息的存储单元。所谓堆栈是在存储器中开辟一个区域，用来存放需要暂时保存的数据。,1堆栈的作用,2堆栈操作,堆栈有两种操作方式。将数据送入堆栈称为推入操作，又叫压入操作，如推入指令PUSH A执行把累加器A内容推入堆栈的操作。把堆栈中内容取出来的操作称为弹出操作，如弹出指令POP A执行把栈顶内容送回A的操作。,3堆栈指针,4注意,（1）先进入的内容要后弹出，保证返回寄存器的内容不发生错误。如：PUSHAPUSHBPOPAPOPB,（2）PUSH和POP的指令要成对，若不匹配的话，会造成返回主程序的地址出错。如：PUSHAPUSHBPOPBRET,本章小结,半导体存储器的分类：SRAM、EPROM、EEPROM、Flash Memory；存储器的主要指标：存储器容量、存储容量和地址线的关系；典型的存储器芯片：SRAM6264、EPROM2764、并行EEPROMNMC98C64A；堆栈：作用、操作、堆栈指针。,第3章 输入/输出接口基础,31 MC接口与接口技术 32 CPU与外设的数据传送方式 33 串行通信 34 中断 35 可编程的定时器/计数器,31 微型计算机接口与接口技术,MC中接口是必须的。MC接口包括硬件接口的设计和编制使这些电路按要求工作的驱动程序。一、接口的基本概念二、I/O接口的端口及编址 三、I/O接口的发展,一、接口的基本概念,所谓接口，就是指两台计算机之间、计算机与外设之间、计算机内部各部件之间起连接作用的逻辑电路，是CPU与外界进行信息交换的中转站。接口是连接CPU和外设之间的一个桥梁。,1MC接口和I/O设备之间的信号,把计算机与外设间的这种交换数据、状态和控制命令的过程统称为通信（Communication）。MC与外设间的信号：数据信息、状态信息、控制信息。,（1）数据信息：数字量、模拟量、开关量（2）状态信息：外设提供的（3）控制信息：MC提供给外设的数据信息、状态信息和控制信息的含义不同，但都是数据；,在接口中，这三种信息进入不同的寄存器：数据缓冲器、状态寄存器、控制寄存器。,3设置I/O接口的原因,（1）速度的不匹配（2）时序的不匹配（3）信息格式不匹配（4）信息类型与电平的不匹配,4接口的功能,（1）对输入/输出数据进行缓冲、隔离和锁存（2）对信号的形式和数据格式进行交换与匹配（3）提供信息相互交换的应答联络信号（4）根据寻址信息选择相应的外设,二、I/O接口的端口及编址,1端口所谓端口，是指I/O接口中供CPU直接存取访问的那些寄存器或某些硬件特定电路。一个I/O接口总要包括若干个端口。2端口编址方式（1）端口统一编址(2)端口独立编址,三、I/O接口的发展,（1）简单接口（2）可编程接口（3）智能接口和通用外围接口（4）功能接口板总之，MC接口技术发展较快，正沿着提高集成度、增强功能、加大灵活性、适应性、提高智能化程度的道路发展，将给用户带来更大的方便。,32 CPU与外设的数据传送方式,外围设备与微机之间的信息传送实际上是CPU与接口之间的信息传送。传送的方式不同，CPU对外设的控制方式不同，从而使接口电路的结构及功能也不同。MC和外设之间的数据传送有四种方式，即无条件方式、查询方式、中断方式、直接存储器存取方式（DMA方式）。,一、无条件传输方式,二、程序查询传输方式,对应条件传送，一个数据传送过程由个环节组成：CPU从接口中读出状态字；CPU检测状态字的对应位是否满足“就绪”条件，如果不满足，则回到前一步读出状态字；如果状态字表明外设已处于“就绪”状态，则传送数据。,三、中断传输方式,在中断传送方式下，外设具有申请CPU服务的主动权，当输入设备将数据准备好或者输出设备可以接收数据时，便可以向CPU发中断请求，使CPU暂时停下目前的工作而和外设进行一次数据传输，等输入操作或者输出操作结束以后，CPU继续进行原来的工作。,四、DMA传输方式,DMA方式也要利用系统的数据总线、地址总线和控制总线来传送数据。原先这些总线是由CPU管理的，但当外设需要利用DMA方式进行数据传送时，接口电路可以向CPU提出请求，要求CPU让出对总线的控制权，用一种称为DMA控制器的专用硬件接口电路来取代CPU临时接管总线，控制外设和存储器之间直接进行高速的数据传送，而不要CPU进行干预。,33 串行通信,并行通信与串行通信：,包括：,一、串行通信数据传送的方向 二、串行通信的方式 三、串行接口芯片UART和USART四、调制解调器,一、串行通信数据传送的方向,单工、半双工、全双工,二、串行通信的方式,常用的通信方式有两种：同步方式和异步方式，也称同步通信和异步通信。1异步通信,例如，传送一个7位的ASCII码字符，再加上一个起始位、一个奇偶校验位和一个停止位组成的一帧共10位。传输字符“E”的ASCII码的波形。,2同步通信,3 比较,从硬件设备的要求看 从数据的传输效率看,4串行传送速率-波特率,所谓的波特率，是指每秒钟内所传送二进制数据的位数，单位为波特（Bd），实际上它是传送每一位信息所用时间内的倒数。如果一个串行字符由个起始位，个数据位，个奇偶校验位和个停止位等10个数位构成，每秒钟传送120个字符，则实际传送的波特率为：10位/字符120字符/秒1200位/秒1200波特传送每位信息所占用的时间：秒/12000.833毫秒,常用的标准波特率：,110、300、600、1000、1200、2400、4800、9600和19200波特。它也是国际上规定的标准波特率。同步传送的波特率高于异步方式，可达到64000波特。,三、串行接口芯片UART和USART,由于计算机是按并行方式传送数据的，当它采用串行方式与外部通信时，必须进行串并行变换。发送数据时，需通过并行输入、串行输出移位寄存器将CPU送来的并行数据转换成串行数据后，再从串行数据线上发送出去；接收数据时，则需经串行输入、并行输出移位寄存器，将接收到的串行数据转换成并行数据后送到CPU去。异步收发器UART、通用同步异步收发器USART。,四、调制解调器,幅度调制,频率键移调制（FSK）,34 中断,中断技术是MC在实时处理和实时控制中不可缺少的一个很重要的技术。而中断系统是为MC具有对外界异步发生的事件能够及时处理的功能而设置的。一台MC的中断系统是否完善，是反映其功能强弱的一个重要标志。一、概述 二、中断处理过程,一、概述,（1）中断-过程（主程序与中断程序）（2）中断源：内部与外部（硬件）（3）中断申请（中断请求）、中断响应（4）中断服务程序、中断服务程序入口地址（5）可屏蔽中断与非屏蔽中断（6）中断的开放与禁止（7）中断优先级与中断嵌套,二、中断处理过程,（1）中断请求（2）中断优先权判别（3）中断响应（4）中断处理（5）中断返回,35 可编程的定时器/计数器,计算机在工作过程，需要知道从某个时间开始经过多长时间之后做什么；或从某个时间开始，记几个数之后做什么。一、概述 二、可编程定时器/计数器工作原理,一、概述,1定时和计数是同一回事 都是一个计数的问题。2系统定时的分类（1）软件定时（2）不可编程的硬件定时（3）可编程的硬件定时,二、可编程定时器/计数器工作原理,核心部件：计数器（加法或减法）,第4章 单片机概述,一、概述二、常用的单片机产品 三、单片机应用系统四、单片机应用系统开发概述,一、概述,1.定义：采用一定的工艺手段将CPU、存储器、I/O口集成在一个芯片上。2.特点：抗干扰性强，工作温度范围宽；可靠性高；控制功能很强，数值计算能力较差；指令系统比通用微机系统简单；更新换代速度比通用微机处理器慢多。,3.应用：,智能仪表中的应用 机电一体化中的应用 实时控制中的应用 军工领域的应用 分布式多机系统中的应用 民用电子产品中的应用,4.发展趁势,CPU的改进 存储器的发展 片内I/O的改进 外围电路内装化 低功耗与工作电压范围加宽 低噪声与高可靠性技术 ISP及IAP,二、常用的单片机产品,MCS单片机 AVR单片机 PIC单片机 MSP单片机 ARM处理器 DSP处理器,三、单片机应用系统,四、单片机应用系统开发概述,开发环境的软硬件构成,有关的软件平台：,PROTEL：PROTEUS：WAVE：KEIL C51：,单片机的在线编程ISP-在线系统编程IAP-在线应用编程,第5章 MCS-51系列单片机硬件结构,5.1 总体结构5.2 CPU5.3 存储器5.4 硬件资源5.5 辅助电路及时序,2.1 总体结构,包括三个问题：一、系列问题二、内部结构三、外部引脚四、总线图,一、系列问题,讲到单片机都有个系列问题MCS-51：基本型 51子系列(803180518751)增强型 52子系列(803280528752)特殊型 所有的基础都是基本型。,二、内部结构 P87,8位的CPU；128个字节的片内RAM；4K字节的片内ROM程序存储器(8031无)外部的RAM和ROM的寻址范围为64K21个字节的专用寄存器4个8位并行I/O口 1个全双工的串行口2个16位的定时器/计数器5个中断源、2个中断优先级111条指令。,内部结构框图：,三、外部引脚及说明（P88）：,P3口第二功能：（P89）,四、总线图,2.2 CPU,CPU又称为微处理器，是单片机内部的核心部件，它决定了单片机的重要功能特性。它由运算器和控制器两大部分组成。对CPU的使用就是对CPU中的寄存器的使用。,有关的寄存器,累加器ACC寄存器B程序状态字PSW（P91）布尔处理器C程序计数器PC数据指针DPTR堆栈指针SP,2.3 存储器,从物理结构上可分为2部分：一、程序存储器 1、编址与访问 2、程序的7个特殊入口地址 二、数据存储器 1、编址与访问 2、片内数据存储器 3、特殊功能寄存器块,一、程序存储器,程序存储器通常存放程序指令、常数及表格等，系统在运行过程中不能修改其中的数据。,1编址与访问（P93）,2程序的几个特殊地址:,复位 0000H 外部中断0 0003H 定时器/计数器0溢出 000BH 外部中断1 0013H 定时器/计数器1溢出 001BH 串行口中断 0023H（定时器/计数器2溢出 002BH）,二、数据存储器,数据存储器则存放缓冲数据，系统在运行过程中可修改其中的数据。包括:1、编址与访问 2、片内数据存储器 3、特殊功能寄存器块,1编址与访问（P94）,2、片内数据存储器（P95）,00H1FH 20H2FH 30H7FH堆栈：片内RAM、初始化时SP=07H 向上生长的 一般程序的开始：MOV SP，#60H,3、特殊功能寄存器块（P96）,特殊功能寄存器又称为专用寄存器专用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作。,5.4 硬件资源,一、并行口二、中断系统三、定时器/计数器四、串行接口,一、并行口,在MCS-51单片机内部包含有四个并行的I/O口：P0口、P1口、P2口和P3口结构与操作,1、P1口：,2、P3口：,3、P0口：,4、P2口：,二、中断系统,1中断源,外部中断：外部中断0/INT0 外部中断1/INT1定时器/计数器溢出中断：定时器/计数器0 TF0 定时器/计数器1 TF1 串行口中断：串行口 RI、TI,2中断控制,设置了4个专用寄存器用于中断控制，用户通过设置其状态来管理中断系统。（1）定时器控制寄存器（TCON）,（2）串行口控制寄存器（SCON）,（3）中断允许控制寄存器（IE）,（4）中断优先级控制寄存器（IP）,3、中断优先级结构,优先级排列如下(从高到低）：外部中断0 定时器/计数器0溢出 外部中断1 定时器/计数器1溢出 串行口中断,4、中断响应,中断服务程序入口地址：外部中断0 0003H定时器/计数器0溢出 000BH外部中断1 0013H定时器/计数器1溢出 001BH串行口 0023H,三、定时器/计数器,包括2个16位的定时器/计数器1、结构2、控制寄存器3、工作方式,1、结构,2、控制寄存器3个,（1）定时器控制寄存器（TCON）,（2）工作方式控制寄存器（TMOD）（3）中断允许控制寄存器（IE）,3、工作方式4种,方式0：13位,方式1：16位,方式2：初值自动装入的8位,方式3：8位,四、串行接口,1个全双工的串行口。1、结构2、控制寄存器3、工作方式,一、结构,二、控制寄存器,三、工作方式,5.5 辅助电路及时序,一、时钟电路二、复位电路三、时序,一、时钟电路,二、复位电路,三、时序,（1）振荡周期（2）状态周期（3）机器周期（4）指令周期外部晶振的2分频是MCS-51单片机的内部时钟周期，6个时钟周期构成了单片机的1个机器周期。,第6章 MCS-51单片机指令系统,6.1 概述6.2 指令系统基础6.3 指令系统6.4 伪指令,6.1 概述,一、指令和指令系统二、程序与程序设计三、操作数的类型,一、指令和指令系统,指令；指令系统；汇编语言指令格式；指令属性。,二、程序与程序设计,编程问题；编译问题；机器码的存放问题；通过例子说明：完成：30H+45H=？,三、操作数类型,计算机在工作过程中，主要是对数据的处理，即对操作数的处理。操作数的类型有三种：1立即数2寄存器操作数3存储器操作数,6.2 指令系统基础,一、概述二、指令描述约定三、寻址方式,一、概述,111条指令。从功能上分：数据传送类指令（29条）算术运算类指令（24条）逻辑运算类指令（24条）控制转移类指令（17条）位操作类指令（17条）,从空间属性上分：单字节指令（49条）双字节指令（45条）最长的三字节指令（17条）从时间属性上可分：单机器周期指令（64条）双机器周期指令（45条）四机器周期指令（2条）。,二、指令描述约定,Rn、Ridirect#data、#data16addr16、addr11、relbit、/bit DPTR、A、B、C(X)、(X),三、寻址方式,1、概述寻址就是寻找指令中操作数或操作数所在的地址。所谓寻址方式就是如何找到存放操作数的地址，把操作数提取出来的方法。它是计算机的重要性能指标之一，也是汇编语言程序设计中最基本的内容之一。,2、寻址方式说明,立即寻址 寄存器器寻址 直接寻址 寄存器间接寻址 基寄存器加变址寄存器间接寻址 相对寻址 位寻址,6.3 指令系统,111条指令，42种操作助记符，描述33种操作功能。从功能讲：一、数据传送（29）二、算术运算（24）三、逻辑操作（24）四、控制转移（17）五、位操作（17）,一、数据传送类(P127),共29条。按其操作方式，又可把它们分为三种：数据传送、数据交换和栈操作。助记符：MOV、MOVX、MOVC、XCH、XCHD、SWAP、PUSH、POP。,应用举例：,1、把片内RAM6AH单元内容传送到片外RAM300H单元。2、把片外I/O口2000H数据读入片内RAM40H单元。3、把片外I/O口2000H数据读入片外RAM4000H单元。,4、把外部数据存储器2040H单元内容和片外RAM2230H单元互换。5、已知片内RAM50H单元中存放数据为0AAH，设堆栈指针为30H，把此数据值压入堆栈，然后再弹回到40H单元中。,6、试说明下述程序中每一条指令的作用，已知A中内容为34H。MOV R6，#29H XCH A，R6 SWAP A XCH A，R6,二、算术运算类(P132),加、减、乘、除基本四则运算和增量（加1）、减量（减1）运算。助记符:ADD、ADDC、INC、DA SUBB、DEC、MUL、DIV共8种操作助记符。,应用举例：,1、将片内RAM40H和41H单元内容相加，结果放42H。2、将片外RAM2000H和2001H单元两BCD码内容相加，结果放2002H。3、试编写计算1234H+0FE7H的程序，将和的高8位存入片内RAM41H，低8位存入40H。,4、把上例中的加法运算改为减法，其他要求相同。5、设被加数存入片内RAM30H32H单元中，加数存入片内RAM40H42H，低位在前，高位在后，各单元中均为压缩的BCD码。将结果之和分别存入50H52H单元中。6、把R1R0和R3R2中的两个4位BCD码数相加，结果送R5R4中。,7、试编写计算17H68H的程序，将乘积的高8位存入31H，低8位存入30H。8、设被减数和减数均为压缩的BCD码，分别存入R3、R4中，其差值也存入R3中。9、4位BCD码减法。,三、逻辑运算类（P137）,包括清除、求反、移位及与、或、异或等操作。这类指令有：CLR、CPLRL、RLC、RR、RRCANL、ORL、XRL共9种操作助记符。,应用举例：,1、把累加器A中低4位（高4位清0）送入外部数据存储器的3000H单元。2、将累加器A的低4位的状态通过P1口的高4位输出。,3、编程将片内RAM21H单元的低3位和20H单元的低5位合并为一个字节送片内RAM30H，要求21H的低3位放在高位上。4、把在R4和R5中的两字节数（作为一个字）取补（高位在R4中）,四、控制转移类（P140）,通过转移类指令实现判断的功能。控制转移类指令包括：无条件转移、条件转移、调用和返回指令指令助记符：AJMP、LJMP、SJMP、JMPJZ、JNZ、CJNE、DJNZACALL、LCALL、RET、RETI、NOP共13种操作助记符。,应用举例：,1、将累加器A的低4位取反4次，高4位不变，每变换一次从P1口输出。2、如果累加器A中存放待处理命令编号（07），程序存储器中存放着标号为PMTB的转移表首地址，则执行下面的程序，将根据A中命令编号转向相应的处理程序。,3、延时程序DL：MOV 30H，#03H DL0：MOV 31H，#0F0HDL1：DJNZ 31H，DL1 DJNZ 30H，DL0 RET,五、位操作类（P144）,以进位标志C作为累加器C。要和字节操作类指令区别开来。指令助记符有：MOV、CLR、CPL、SETB、ANL、ORL、JC、JNC、JB、JNB、JBC，共11种操作助记符。,应用举例：,1、将累加器的ACC.5与00H位相与后，通过P1.4输出。2、比较片内RAM40H、50H中两个无符号数的大小，若40H中的数小则把片内RAM中的位地址40H置1；若50H中数小，则把片内RAM中的位地址50H置1；若相等则把片内RAM中的位地址20H置1。,6.4 伪指令,汇编程序对用汇编语言写的源程序进行汇编时，还要提供一些汇编用的指令，例如要指定程序或数据存放的起始地址；要给一些连续存放的数据确定单元等等。但是，这些指令在汇编时并不产生目标代码，不影响程序的执行，所以称为伪指令,ORG 定位伪指令 DB 定义字节伪指令DW 定义字伪指令EQU 赋值伪指令END 汇编结束伪指令,第7章 MCS-51单片机汇编语言程序设计,本章介绍了汇编语言程序设计的基本问题，包括：71 程序设计概述 72 顺序结构的程序设计 73 分支结构的程序设计 74 循环结构的程序设计 75 查表程序设计