微型計算機系統(tǒng)：第1章 緒論

1、第一章 緒 論 人類科技發(fā)展至今，計算機技術(shù)已經(jīng)取得了驚人的迅猛發(fā)展，電子計算機已滲透到國防尖端、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、企業(yè)管理，交通運輸?shù)热粘Ｉ罡鱾€領(lǐng)域。從個人利用計算機進行辦公、娛樂，到企業(yè)單位利用計算機進行管理，制造業(yè)利用計算機進行產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計、制造、生產(chǎn)控制等等，計算機已無所不在，無所不用，其作用和成就的日益卓著，已成為現(xiàn)代工業(yè)水平的標志之一。計算機的發(fā)展方向 而計算機的發(fā)展主要有兩個方向，一個是通用計算機系統(tǒng)，一個是控制領(lǐng)域的微型計算機系統(tǒng)。 通用計算機主要用于運算、管理、輔助設(shè)計及制造等，是我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷挠嬎銠C系統(tǒng)。而控制領(lǐng)域的微型計算機是一種嵌入式系統(tǒng)，是將微型計算機嵌入到應用

2、系統(tǒng)中的一種技術(shù)應用。在我們?nèi)祟愡M入計算機時代的新世紀，許多人都在從事著與計算機相關(guān)的職業(yè)，而只有從事嵌入式系統(tǒng)應用的人才真正地進入到計算機系統(tǒng)的內(nèi)部軟、硬件體系中，才能真正領(lǐng)會計算機的智能化本質(zhì)并掌握智能化設(shè)計的知識和技術(shù)。第一節(jié) 單片機概述 單片機應用的歷史并不長，但是單片機的應用卻從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計思想和設(shè)計方法。在使用單片機之前的控制系統(tǒng)是由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分控制功能，而現(xiàn)在已能利用單片機通過軟件編程方法實現(xiàn)模擬或數(shù)字電路的控制功能。這種以軟件取代硬件并能提高系統(tǒng)性能的控制系統(tǒng)“軟化”技術(shù)，稱之為微控制技術(shù)。因而單片機的應用是對傳統(tǒng)控制技術(shù)的一場革命。1.1

3、.1單片機 單片機對剛剛接觸嵌入式領(lǐng)域的人而言還不是十分熟悉，但是個人計算機是大家在日常中經(jīng)常見到和使用的，二者都是計算機，它們之間又有什么聯(lián)系和區(qū)別呢？微型計算機單片機而單片機是將微型計算機的主要組成部分集成在一個芯片上的微型計算機。具體地說就是把中央處理器（CPU）、隨機存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、I/O接口、中斷系統(tǒng)和定時器/計數(shù)器等接口集成在一塊芯片上，構(gòu)成的微型計算機。SCMC（Single Chip Micro-Computer ），簡稱單片機。單片機在應用時通常處于被控系統(tǒng)核心地位并融入其中，即以嵌入的方式進行使用。為了強調(diào)其“嵌入”的特點，也常常將單片機稱為嵌入式微

4、控制器EMCU（Embedded Micro-Controller Unit）。1.1.2單片機系統(tǒng)單片機只是一個芯片，既無顯示器也無鍵盤，而在許多控制系統(tǒng)中或者需要鍵盤輸入控制參數(shù)，或者需要顯示器顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)，那該怎么辦呢？單片機系統(tǒng)則是在單片機芯片的基礎(chǔ)上擴展其他電路或芯片構(gòu)成的具有一定應用功能的計算機系統(tǒng)。例如一種溫度測控系統(tǒng)。1.1.3單片機應用系統(tǒng)和單片機開發(fā)系統(tǒng)單片機開發(fā)系統(tǒng)應具備的功能：（1）方便地輸入和修改用戶的應用程序；（2）對用戶系統(tǒng)硬件電路進行檢查和診斷；（3）將用戶源程序編譯成目標代碼并固化到相應的ROM中去，并能在線仿真；（4）以單步、斷點、連續(xù)等方式運行用戶程序

5、，能正確反映用戶程序執(zhí)行的中間狀態(tài)，即能實現(xiàn)動態(tài)實時調(diào)試。常用的MCS-51硬件開發(fā)系統(tǒng)：（1）Keil C51單片機仿真器。 （2）廣州周立功單片機發(fā)展有限公司的TKS系列仿真器。 （3）Flyto Pemulator單片機開發(fā)系統(tǒng)。 （4）Medwin集成開發(fā)環(huán)境。 （5）E6000系列仿真器。1.1.4 單片機的程序設(shè)計語言和軟件機器語言是用二進制代碼表示的單片機指令，用機器語言構(gòu)成的程序稱之為目標程序。匯編語言是用符號表示的指令，匯編語言是對機器語言的改進，是單片機最常用的程序設(shè)計語言。為了使程序設(shè)計具有通用性，單片機也開始嘗試使用高級語言，其中編譯型語言有Pl、M5l、C-5l、C、

6、MBASIC-51等，解釋型的有MBASIC和MBASIC-52等。第二節(jié) 單片機發(fā)展及應用1.2.1單片機發(fā)展階段第一階段（19711974年）：MCS-4微型計算機；8位微處理器Intel8008第二階段（19741978年）：單片機探索階段第三階段：（19781983年）：高性能單片機完善階段，第四階段：（198390年代初）：8位單片機發(fā)展及第三代16位單片機推出階段。第五階段：（90年代至今）：高檔16位單片機和第四代32位的單片機出現(xiàn)階段。1.2.2單片機的應用1、智能化家用電器2、工業(yè)控制3、智能儀器儀表4、辦公自動化5、網(wǎng)絡(luò)和智能化通信產(chǎn)品6、汽車電子產(chǎn)品7、模塊化應用8、軍事

7、領(lǐng)域第三節(jié) 單片機分類1.3.1 單片機按位分類4位單片機:OKI公司的MSM64164C、MSM64481、NEC公司的75006系列、EPSON公司的SMC62系列等。 8位單片機 :目前主要分為MCS-51系列及其兼容機型和非MCS-51系列單片機。 16位單片機 :TI的MSP430系列、凌陽SPCE061A系列、Motorola的68HC16系列、Intel的MCS-96/196系列等。32位單片機:飛利浦的LPC2000系列、三星的S3C/S3F/S3P系列等。1.3.2 主要單片機性能分類Intel公司的MCS-51系列Atmel公司的AT89系列PIC系列單片機Motorola

8、單片機Intel公司的MCS-51系列片內(nèi)資源基本型型號增強型型號80318031AH80C3180518051AH80C5187518751BH87C5180328032AH80C3280528052AH80C5287528752BH87C52ROM/4K8B/8K8B/EPROM/4K8B/8K8BRAM1288 B1288 B1288 B2568 B2568 B2568 B并行接口4個8位4個8位4個8位4個8位4個8位4個8位串行接口UART111111中斷源555666定時器/計數(shù)器2個16位2個16位2個16位316位316位316位掉電和待機模式/工作頻率12MHZ12MHZ12

9、MHZ12MHZ12MHZ12MHZAtmel公司的AT89系列片內(nèi)資源單片機型號AT89C51AT89S51AT89C52AT89S52AT87F51AT89LS51Flash ROM4K8B4K8B8K8B8K8位/4K8BOTP/8K8B/RAM1288B1288B2568B2568B1288B1288B工作頻率24MHZ33MHZ24MHZ33MHZ24MHZ16MHZ并行接口4個8位4個8位4個8位4個8位4個8位4個8位串行接口UART111111中斷源556665定時器/計數(shù)器2個16位2個16位3個16位3個16位2個16位2個16位掉電和待機模式有有有有有有看門狗電路/有/有

10、/有PIC系列單片機PIC系列單片機與MCS-51系列單片機相比各有特點:（1）總線結(jié)構(gòu)：MCS-51的總線結(jié)構(gòu)是馮-諾依曼型，計算機在同一個存儲空間取指令和數(shù)據(jù)，兩者不能同時進行；而PIC的總線結(jié)構(gòu)是哈佛結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)空間是完全分開的，一個用于指令，一個用于數(shù)據(jù)，由于可以對程序和數(shù)據(jù)同時進行訪問。(2)指令結(jié)構(gòu)：MCS-51的取指和執(zhí)行采用單指令流水線結(jié)構(gòu)。(3)寄存器結(jié)構(gòu)：PIC的所有寄存器，包括I/O口，定時器和程序計數(shù)器等都采用RAM結(jié)構(gòu)形式，而且都只需要一個指令周期就可以完成訪問和操作。第四節(jié) 數(shù)的進制及編碼由于計算機只能識別“1”和“0”的數(shù)字量信息，所以在計算機處理中，所有數(shù)據(jù)

11、和信息的存儲以及指令的編碼都是以二進制的形式存在的，下面介紹一下計算機中常用的數(shù)制和編碼以及數(shù)據(jù)在計算機中的表示方法。1.4.1數(shù)制表示數(shù)碼中每一位的構(gòu)成及進位的規(guī)則稱為進位計數(shù)制，簡稱數(shù)制。一種數(shù)制中允許使用的數(shù)碼符號的個數(shù)稱為該數(shù)制的基數(shù)，記作R。而某個數(shù)位上數(shù)碼為1時所表征的數(shù)值，稱為該數(shù)位的權(quán)值，簡稱“權(quán)”。各個數(shù)位的權(quán)值均可表示成 的形式，其中i是各數(shù)位的序號。利用基數(shù)和“權(quán)”的概念，可以把一個R進制數(shù)D用下列形式表示：1、十進制數(shù)十進制的按權(quán)展開式如下：十進制數(shù)的計數(shù)規(guī)律是：低位向其相鄰高位“逢十進一，借一為十”。也就是說，每位數(shù)累計不能超過10，計滿10就應向高位進1；而從高位借

12、來的1，就相當于低位的數(shù)10。十進制各位的權(quán)值為10i，i是各數(shù)位的序號。一般情況，N位十進制，可表示10N個不同的數(shù)值，從0開始并包括0，其最大數(shù)為10N -1。2、二進制數(shù)所謂二進制，就是基數(shù)R為2的進位計數(shù)制，它只有0和1兩個數(shù)碼符號。二進制數(shù)一般用下標2或B表示，如11012，1101B等。二進制的按權(quán)展開式如下：二進制加法：0 + 0 = 00 + 1 = 11 + 0 = 11 + 1 = 10 （“逢二進一”）二進制減法二進制的減法運算有如下規(guī)則：0 0 = 01 0 = 11 1 = 00 1 = 1 （“借一為二”）二進制乘法二進制的乘法運算有如下規(guī)則：0 0 = 00 1

13、= 01 0 = 01 1 = 1 二進制數(shù)的除法是乘法的逆運算，這與十進制數(shù)的除法是乘法的逆運算一樣。3、八進制數(shù)八進制數(shù)的基數(shù)R是8，它有0、1、2、3、4、5、6、7共八個有效數(shù)碼。八進制數(shù)一般用下標8或O表示，如6178，521O等。對照公式（1-1），八進制的按權(quán)展開式如下：八進制01234567二進制0000010100111001011101114、十六進制數(shù)十六進制的計數(shù)規(guī)則是：低位向相鄰高位“逢十六進一，借一為十六”。十六進制數(shù)一般用下標16或H表示，如B216，AC16等。對照公式（1-1），十六進制的按權(quán)展開式如下：十六進制0123456789ABCDEF十進制01234

14、567891011121314151.4.2進制轉(zhuǎn)換八進制和二進制之間的相互轉(zhuǎn)換非常簡單。八進制能表示的最大十進制數(shù)值是7，二進制計數(shù)系統(tǒng)需要3位數(shù)來表示7（由于231 = 7）。因此，每個八進制位需要3位二進制數(shù)來表示八進制01234567二進制0000010100111001011101111、二進制數(shù)與八進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換2、二進制數(shù)與十六進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換十六進制和二進制之間的相互轉(zhuǎn)換非常簡單。十六進制能表示的最大十進制數(shù)值是15（十六進制是F），二進制計數(shù)系統(tǒng)需要四位數(shù)來表示15（由于241 =15）。因此，每個十六進制位需要4位二進制數(shù)來表示十六進制01234567二進制0000000

15、1001000110100010101100111十六進制89ABCDEF二進制10001001101010111100110111101111十進制數(shù)與任意進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換把非十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)采用按權(quán)展開相加法。具體步驟是，首先把非十進制數(shù)寫成按權(quán)展開的多項式，然后按十進制數(shù)的計數(shù)規(guī)則求其和。1、非十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)2、十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為其它進制數(shù) 采用基數(shù)連除法，即除基取余法。把十進制整數(shù)N轉(zhuǎn)換成R進制數(shù)的步驟如下：（a）將N除以R，記下所得的商和余數(shù)；（b）將上一步所得的商再除以R，記下所得的商和余數(shù)；（c）重復做第2步，直至商為0；（d）將各個余數(shù)轉(zhuǎn)換成R進制的數(shù)碼，并按照和運算

16、過程相反的順序把各個余數(shù)排列起來（把第一個余數(shù)作為LSB，最后一個余數(shù)作為MSB），即為R進制的數(shù)。 整數(shù)轉(zhuǎn)換 純小數(shù)轉(zhuǎn)換（a）將M乘以R，取整數(shù)部分；（b）將上一步乘積中的小數(shù)部分再乘以R，再取整數(shù)部分；（c）不斷重復（b），直至小數(shù)部分為0或者滿足預定精度要求為止；（d）將各步求得的整數(shù)部分轉(zhuǎn)換成R進制的數(shù)碼，并按照和運算過程相同的順序排列起來，即為所求的R進制數(shù)。1.4.3二進制數(shù)的編碼8421BCD碼2421BCD碼1、加權(quán)二進制碼2、不加權(quán)的二進制碼余3碼:余3碼是一種特殊的BCD碼，它是由8421BCD碼加3后形成的，所以叫做余3碼格雷碼是另一種不加權(quán)的二進制碼，它不屬于BCD類型

17、的編碼。格雷碼又叫循環(huán)碼，具有多種編碼形式，但有一個共同的特點，就是任意兩個相鄰的格雷代碼之間，僅有一位不同，其余各位均相同。3.字母數(shù)字碼計算機處理的數(shù)據(jù)不僅有數(shù)碼，還有字母、標點符號、運算符號及其它特殊符號。這些符號都必須使用二進制代碼來表示，計算機才能直接處理。通常，可同時用于表示字母和數(shù)字的編碼稱為字母數(shù)字碼。4、補碼在計算機中，數(shù)總是存放在由存儲元件構(gòu)成的各種寄存器中，而二進制數(shù)碼0和1也總是由存貯元件的兩種相反狀態(tài)來表示，所以對于正號“+”或負號“”也只能用這兩種相反的狀態(tài)來區(qū)別，而負數(shù)在計算機中總是以補碼形式表現(xiàn)的。數(shù)的符號在機器中的一種簡單表示法為，正數(shù)符號位用“0”表示，負數(shù)符號位用“1”表示。這樣，數(shù)的符號標示也就“數(shù)碼化”了。也就是說，帶符號數(shù)的數(shù)值部分和符號部分統(tǒng)一由數(shù)碼形式（僅用0和1兩種數(shù)字符號）來表示。練習題1.簡述單片機與普通PC機的區(qū)別。2.對比找出MCS-51系列單片機和PIC系列單片機各自的特點。3.簡述機器語言、匯編語言、高級語言之間的關(guān)系。4.簡述單片機的特點，并舉例說明單片機應用系統(tǒng)。5.在MCS