计算机概述与数据表示和运算.ppt
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1、山东师范大学信息科学与工程学院,微 机 原 理 Principles of computer,卢洪武 教授,前 言,为什么以单片机为例学习微机原理?随着微电子技术的日益进步,微型计算机向高性能的64位微机和适用于测控的单片微机两个方向迅速发展。单片微机是指在一块芯片上集成有CPU、ROM、RAM、并行和串行IO接口,以及定时器计数器等多种功能部件的微型计算机,这种微型计算机也可称之为微控制器。它具有集成度高,可靠性高,性能价格比高,适应温度范围宽,抗干扰能力强,小巧、灵活,易于实现机电一体化等优点,现已广泛应用于检测、控制、智能化仪器仪表,以及生产设备自动化、家用电器等领域。,计算机的产生加快
2、了人类改造世界的步伐,但是它毕竟体积大。单片机在这种情况下诞生了,它为我们改变了什么?纵观我们现在生活的各个领域,从导弹的导航装置,到飞机上各种仪表的控制,从计算机的网络通讯与数据传输,到工业自动化过程的实时控制和数据处理,以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、家用电器、电子宠物等,这些都离不开单片机。以前没有单片机时,这些东西只能使用复杂的模拟电路来做,然而这样做出来的产品不仅体积大,而且成本高,并且由于使用时间的延长元器件不断老化,控制的精度自然也会达不到标准。,在单片机产生后,我们控制这些东西就实现智能化了,我们只需要在单片机外围接一些简单的接口电路,需要的功能由人写入程序来完成。这样
3、产品的体积变小了,成本也降低了,长期使用也不会担心精度达不到了。所以,它的魔力不仅是在现在,在将来将会有更多的人来接受它、使用它。据统计,我国的单片机年容量已达56亿片,且每年以大约20%的速度增长,但相对于世界市场我国的占有率还不到3%。单片机的应用程度标志一个国家的工业化水平。所以,学习单片机在我国有着广阔的前景。,为了促进大学生创新能力的培养,教育部大力倡导的大学生电子设计大赛、嵌入式系统设计大赛、“飞思卡尔”智能车设计大赛、全国电子专业人才设计与技能大赛、TI杯大学生电子设计大赛等都要求有较高的单片机应用水平。怎样才能学好微机原理呢?之所以我们选择以单片机为例学习微机原理除上述原因外,
4、单片机还具有价格低廉,性能优越,功能齐全的特点。由于现代单片机中都集成了ISP(在系统可编程)功能,且开发工具、开发板极易得到。有一台计算机,化几十块钱,买一块开发板,或者自己用万用板焊一个单片机最小系统花不到20块钱就可以作实验了。大家都知道计算机是实践性很强的一门技术,有人说“计算机是玩出来的”,单片机亦一样,只有多练习、多实际操作,才能真正掌握。Practice is a best way to learning.,第一章概述及计算机数据基础,一、计算机发展与组成,二、单片机简介,1946年由美国宾夕法尼亚大学研制 ENIAC(Electronic Numerical Integrato
5、r And calculator),运算速度 5000次/秒,功耗150kw/h,占地170m2,造价100万美元。,一、计算机发展与组成,1946-1958 第一代电子管计算机。磁鼓存储器,机器语言、汇编语言编程。,1.1 发展概况,1958-1964 第二代晶体管计算机。磁芯作主存储器,磁盘作外存储器,开始使用高级语言编程。,1964-1971 第三代集成电路计算机。使用半导体存储器,出现多终端计算机和计算机网络。,1971-第四代大规模集成电路计算机。出现微型计算机、单片微型计算机,外部设备多样化。,1981-第五代人工智能计算机。模拟人的智能和交流方式。,世界上第一台计算机1946年2
6、月15日,第一台计算机ENIAC问世,这标志着计算机时代的到来。ENIAC是电子管计算机,时钟频率仅有100 KHz,但能在1秒钟的时间内完成5000次加法运算。与现代的计算机相比,有许多 不足,但它的问世开创了计算 机科学技术的新纪元,对人类 的生产和生活方式产生了巨大 的影响。ENIAC的出现满足了人们计算的 需要,但它的体积实在太大了!,1.2 计算机发展趋势,微型化 便携式、低功耗巨型化 尖端科技领域的信息处理,需要超大容量、高速度智能化 模拟人类大脑思维和交流方式,多种处理能力系列化、标准化 便于各种计算机硬、软件兼容和升级网络化 网络计算机和信息高速公路多机系统 大型设备、生产流水
7、线集中管理(独立控制、故障分散、资源共享),1.3 微型计算机组成结构,电子计算机技术的发展按使用元器件划分相继经历了五个时代:,电子管计算机;晶体管计算机;集成电路计算机;大规模集成电路计算机;超大规模集成电路计算机。,计算机的结构仍然没有突破冯诺依曼提出的计算机的经典结构框架。,计算机的冯诺依曼结构1946年6月,匈牙利籍数学家冯诺依曼提出了“程序存储”和“二进制运算”的思想,进一步构建了计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成这一计算机的经典结构。,二、单片机的发展过程及产品近况,2.1 单片机的发展过程,单片机技术发展过程可分为三个主要阶段:单芯片微机形成阶段 1976年
8、,Intel公司推出了MCS-48系列单片机。8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。特点是:存储器容量较小,寻址范围小(不大于4K),无串行接口,指令系统功能不强。,性能完善提高阶段 1980年,Intel公司推出了MCS-51系列单片机:8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K,并有控制功能较强的布尔处理器。特点是:结构体系完善,性能已大大提高,面向控制的特点进一步突出。现在,MCS-51已成为公认的单片机经典机种。,微控制器化阶段,1982年,Intel推出MCS-96系
9、列单片机。芯片内集成:16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。特点是:片内面向测控系统外围电路增强,使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。,2.2 单片机产品近况,ATMEL公司融入Flash存储器技术的AT89系列;Philips公司的80C51、80C552系列;华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列;ADI公司的ADC8xx高精度ADC系列;LG公司的GMS90/97低压高速系列;Max
10、im公司的DS89C420高速(50MIPS)系列;Cygnal公司的C8051F系列高速SOC单片机。,80C51系列单片机产品繁多,主流地位已经形成,近年来推出的与80C51兼容的主要产品有:,非80C51结构单片机新品不断推出,给用户提供了更为广泛的选择空间,近年来推出的非80C51系列的主要产品有:,Intel的MCS-96系列16位单片机;Microchip的PIC系列RISC单片机;TI的MSP430F系列16位低功耗单片机;Freescale单片机,具有几千种型号涵盖了从8位到32位的各种需求的单片机。,三、单片机的特点及应用领域,3.1 单片机的特点,近期推出的单片机产品,内部
11、集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件,并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式(如在系统编程ISP)等方面都有了进一步的增强。,控制性能和可靠性高 实时控制功能特别强,其CPU可以对I/O端口直接进行操作,位操作能力更是其它计算机无法比拟的。另外,由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内,各部件间的连接紧凑,数据在传送时受干扰的影响较小,且不易受环境条件的影响,所以单片机的可靠性非常高。,体积小、价格低、易于产品化 单片机芯片即是一台完整的微型计算机,对于批量大的专用场合,一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择;同时还可以专门进行芯片设计,使芯片的功能与应
12、用具有良好的对应关系;在单片机产品的引脚封装方面,有的单片机引脚已减少到8个或更少。从而使应用系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。,3.2 单片机的应用领域,智能仪器仪表,单片机用于各种仪器仪表,一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度,使仪器仪表智能化,同时还简化了仪器仪表的硬件结构,从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。如各种智能电气测量仪表、智能传感器等。,3.2 单片机的应用领域,单片机应用军事技术,3.2 单片机的应用领域,单片机应用汽车电子,机电一体化产品,机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体,具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化
13、产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。,单片机应用智能控制,实时工业控制,单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中,利用单片机作为系统控制器,可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法,实现期望的控制指标,从而提高生产效率和产品质量。典型应用如机床控制、电机转速控制、温度控制、自动生产线等。,单片机在工业上的应用,数控车床,分布式系统的前端模块,在较复杂的工业系统中,经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统
14、中,采用单片机作为分布式系统的前端采集模块,系统具有运行可靠,数据采集方便灵活,成本低廉等一系列优点。,计算机外设控制器,智能化键盘、智能化显示器、智能化打印机、智能化软盘和硬盘驱动器、鼠标及智能化绘图仪等,均可用单片机作为控制器。,家用电器,家用电器是单片机的又一重要应用领域,前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、电子游戏机、电视机、录音机、组合音响、录像机、高档洗浴设备、高档玩具等。,另外,在交通领域中,汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等。,单片机的应用图例,四、单片机系统的开发过程 通常开发一个单片机系统可按以下几个步骤进
15、行。(1)明确系统设计任务,完成单片机及其外围电路的选型工 作。(2)运用PROTEL、POWERPCB等软件设计系统原理图和PCB板,经仔细检查PCB板后送工厂制作。(3)完成器件的安装焊接。(4)根据硬件设计和系统要求编写应用程序。(5)在线调试软硬件。(6)使用编程器烧写单片机应用程序,独立运行单片机系统。,HW单片机仿真实验板,程序设计通常是C语言或者汇编语言,在特定的集成开发环境(IDE)中编程调试,比如应用最广泛的KEIL uVision2,四、单片机应用系统开发,调试硬件仿真器,硬件仿真器,目标系统,开发软件,四、单片机应用系统开发,调试使用SoftICE仿真,目标系统,通信数据
16、线,开发软件,四、单片机应用系统开发,程序下载使用并行编程器,编程器驱动软件,单片机或单独存储器,并行编程器,四、单片机应用系统开发,程序下载使用ISP(In System Program在系统编程),ISP软件,下载线,目标系统,五、计算机的基本组成,冯诺依曼(Von Neumann)体系结构1946年由美籍匈牙利数学家冯 诺伊曼提出计算机的体系结构发生了许多变化,但Von Neumann提出的二进制、程序存储和程序控制,依然是普遍遵循的原则。冯诺伊曼的存储程序的计算机设计基本思想是:采用二进制表示数据和指令;指令由操作码和地址码组成。,5.1 冯诺依曼计算机的特点,采用存储程序即把编好的程
17、序和原始数据预先存入计算机主存中,使计算机工作时能连续、自动、高速地从存储器中取出一条条指令并执行,从而自动完成预定的任务;即“存储程序”和“程序控制”(简称存储程序控制)的概念。指令的执行是顺序的,即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行,程序分支由转移指令实现。计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成,并规定了五大部件的基本功能。计算机以运算器为中心,输入输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成。,算术运算逻辑运算,存放数据和程序,将信息转换成机器能识别的形式,将结果转换成人们熟悉的形式,指挥程序运行,冯诺依曼计算机硬件框图(以运算器为中心),冯诺依曼计算机
18、硬件框图,二、计算机硬件框图,1.现代计算机硬件框图(以存储器为中心),ALU,主存辅存,CPU,主机,I/O设备,硬件,CU,2.现代计算机硬件框图,5.2 现代计算机硬件(五大部件),1、存储器 功能:存放指令和数据。操作:存储器读操作:从存储器取出数据,又称为读出。存储器写操作:向存储器存放数据,又称为写入;概念:存储单元:存储二进制信息的部件,每个单元可以存放一个字或字节的信息,存储器就是存储单元的集合。单元地址:存储单元的编号,是区分存储器中不同存储单元的唯一标志。,5.2 现代计算机硬件(五大部件),2、运算器功能:在控制器控制下,进行算术运算和逻辑运算。运算器的技术性能高低直接影
19、响着计算机的运算速度和整机性能。3、控制器功能:对当前指令进行译码分析得出所需要完成的操作,产生并发送各部件所需要的控制信号,从而使整个计算机自动、协调地工作。控制器是计算机的控制指挥部件,也是整个计算机的控制中心。,5.2 现代计算机硬件(五大部件),4、输入设备功能:将外界的信息转换为计算机能识别的二进制代码。输入设备是给计算机输入信息的设备。5、输出设备功能:将计算机处理结果转换成人们或其他设备所能接收的形式。,5.3 微型计算机的结构,微型计算机的基本结构图,计算机中的三总线,从上图可以看出,当前广泛采用的微型计算机结构中,各部件是通过总线方式连接到一起的。控制信号、地址信号、数据信号
20、分别通过控制总线、地址总线和数据总线传送。所谓总线(BUS),是指计算机中用于在各部件之间传输的信息的公共通道。总线实际上就是一些传输特定信号的传输线路,线路条数取决于微处理器本身的结构。总线有三种类型:数据总线、地址总线、控制总线。,1.数据总线:Data Bus,用于微处理器和存储器之间,以及微处理器同I/O接口之间进行数据传输。数据总线是双向的,既可以从CPU传输到外部,也可以从外部传输回CPU。CPU的字长往往同数据总线的条数相同。2.地址总线:Address Bus,用于CPU向存储器或者I/O接口传输地址信息。计算机执行访问操作时,不管是读操作,还是写操作,都是首先由CPU通过地址
21、总线向访问目标发送地址信息。地址总线是单向的,即只能由CPU向外部传送地址信号。地址总线的条数决定CPU可以直接访问的存储器单元的数目。假设某CPU的地址总线的条数是n,则可访问的最大的存储空间的容量是2n。例如,假设一个存储单元保存一个字节的内容,则具有16条地址总线的CPU可访问的最大存储容量为216Byte=64KB。,3.控制总线:Control Bus,用于传输CPU发给各个部件的控制信号,以及传送其他部件回传到CPU的状态信号或请求信号。对每一条控制线,其传输方向的固定的,或者是CPU向外发出的控制信号,或者是其他部件传送给CPU的状态、请求信号。采用总线结构的优点是系统结构简单、
22、规则、易于扩充。但由于总线是公共通道,当其被占用时,其他的传输请求只能等待,这对提高计算机的整体性能显然不利。在计算机中,不仅部件之间采用总线结构,部件内部也采用总线结构。甚至,多台计算机设备进行互联时,采用的也往往是总线结构。,5.4 微处理器的基本结构介绍,微处理器是微型计算机的核心。虽然不同厂家、不同型号的微处理器的结构、性能差异较大,但一些基本的部件是相似的。例如,微处理器包括运算器、控制器和一些寄存器,运算器主要包括ALU、累加器ACC、标志寄存器FR、寄存器组等,而控制器主要包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、地址寄存器AR、控制信号发生器等。下图表示传统微处理器的
23、结构框图。,微处理器结构框图,1.算术逻辑单元ALU ALU是运算器的核心部件,它在控制器发出的控制信号的作用下,可执行算术运算和逻辑运算。执行运算的操作数提前放到累加器和数据寄存器中。算术运算一般包括加法、减法、加一、减一、比较等,也有的可以执行乘法、除法运算。逻辑运算一般包括逻辑与、逻辑或、逻辑非、逻辑异或、逻辑同或等。为配合以上运算,ALU还支持一些辅助操作,如移位操作等。,2.累加器A或ACC(Accumulator)累加器的英文原文是积累、集聚的意思,翻译成累加器有可能让读者理解为这是一种加法器。累加器实际上一个寄存器,往往用于存储送入ALU进行运算的某一个操作数。例如,执行加法运算
24、时,其中一个加数送到累加器中,加法完成后的和最终也可送到累加器中。累加器是一个非常重要的寄存器,在很多指令中都会用到。,3.标志寄存器FR(Flag Register)计算机在运算过程中,可能产生很多标志位信息。例如,在执行加法或减法运算时,可能产生进位或借位,如果是带符号数的运算,还可能产生溢出位。另外,运算结果是负数或者是0,当前奇偶校验位是1还是0,等等,都是经常出现的位信息。这些位信息对计算机的下一步运算具有直接影响,因此有必要将他们单独保存起来,标志寄存器就是用于存放各种标志位信息的,是所有型号的微处理器都具备的一个重要寄存器。不同CPU所保存的标志位各不相同,但有些标志位是类似的,
25、例如进位标志C、辅助进位AC、溢出标志OV、结果为零标志Z、符号标志S、奇偶标志P等。,4.寄存器组 学习CPU,寄存器组是必须要理解并重视的重要部件。因为用户在使用CPU时,一定会用到寄存器组。寄存器组分为两类:通用寄存器组和专用寄存器组。所谓通用寄存器组,可理解为CPU内部的较小容量的存储器,这些存储器用于暂时存放运算数或中间结果。由于通用寄存器在CPU内部,所以速度很快,这对提高运算速度是有好处的。例如累加器ACC就是通用寄存器。专用寄存器组是一些具有专门用途的寄存器的集合。例如标志寄存器FR、堆栈指针寄存器SP、程序计数器PC等等。,5.程序计数器PC(Program counter)
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