片微型計算機(jī)概述

1、第一章 單片微型計算機(jī)概述計算機(jī)發(fā)展概述 計算機(jī)的問世及其經(jīng)典結(jié)構(gòu)自1946年在美國賓夕法尼亞大學(xué)制成的世界上第一臺電子數(shù)字計算機(jī)以來，計算機(jī)的發(fā)展大致經(jīng)歷了五代的變化：1946年2月15日，第一臺電子數(shù)字計算機(jī)問世，這標(biāo)志著計算機(jī)時代的到來。計算器(CALCULATOR) ENIAC（“埃尼阿克”）如圖1.1所示ENIAC是第一代電子管計算機(jī)， 圖1.1 ENIAC（“埃尼阿克”）時鐘頻率僅有100 KHz，能在1秒鐘的時間內(nèi)完成5000次加法運(yùn)算，體積龐大，成本很高，可靠性較低，與現(xiàn)代的計算機(jī)相比，有許多不足，但它的問世開創(chuàng)了計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的新紀(jì)元，對人類的生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生了巨大的影響

2、馮.諾伊曼結(jié)構(gòu)的基本內(nèi)容: 用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令。 存儲程序控制：程序和數(shù)據(jù)預(yù)先存入存儲器中。計算機(jī)系統(tǒng)的5大基本部件：運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。1964年匈牙利籍?dāng)?shù)學(xué)家馮諾依曼在計算機(jī)方案的設(shè)計上做出了重要的貢獻(xiàn)。1946年6月，他又提出了“程序存儲”和“二進(jìn)制運(yùn)算”的思想，進(jìn)一步構(gòu)建了計算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成這一經(jīng)典的計算機(jī)結(jié)構(gòu)。圖 1.2 馮.諾伊曼結(jié)構(gòu)1958年開始的第二代晶體管計算機(jī)，運(yùn)算速度提高到幾萬次至幾十萬次，可靠性提高，體積縮小，成本降低，工業(yè)控制機(jī)開始得到應(yīng)用，磁芯作主存儲器, 磁盤作外存儲器，開始使用高級語言編程。19

3、65年開始的第三代中小規(guī)模集成電路計算機(jī)，使用半導(dǎo)體存儲器，出現(xiàn)多終端計算機(jī)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，可靠性進(jìn)一步提高,體積進(jìn)一步縮小，成本進(jìn)一步下降，運(yùn)算速度提高到幾十萬次至幾百萬次。在此期間，形成機(jī)種多樣化，生產(chǎn)系列化，使用系統(tǒng)化，小型計算機(jī)開始出現(xiàn)。1971年開始的第四代大規(guī)模集成電路計算機(jī)。出現(xiàn)了微型計算機(jī)、單片微型計算機(jī)，外部設(shè)備多樣化，可靠性更進(jìn)一步提高，體積更進(jìn)一步縮小，成本更進(jìn)一步降低，速度提高到每秒幾百萬次至幾千萬次。1986年開始的第五代巨大規(guī)模集成電路計算機(jī)，運(yùn)算速度提高到每秒幾億次至上百億次，由一片巨大規(guī)模集成電路實現(xiàn)的單片機(jī)開始出現(xiàn)。第六代 神經(jīng)計算機(jī):電子計算機(jī)將類似人腦的智慧

4、和靈活性。電子計算機(jī)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了第六代，這種發(fā)展可能僅僅是剛起步，前途沒有止境。 計算機(jī)的結(jié)構(gòu)仍然沒有突破馮諾依曼提出的計算機(jī)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)框架 微型計算機(jī)的應(yīng)用形態(tài)從應(yīng)用形態(tài)上，微型計算機(jī)可以分成三種：系統(tǒng)機(jī)（多板機(jī)） 將CPU、存儲器、I/O接口電路和總線接口等組裝在一塊主機(jī)板（即微機(jī)主板）。各種適配板卡插在主機(jī)板的擴(kuò)展槽上并與電源、軟/硬盤驅(qū)動器及光驅(qū)等裝在同一機(jī)箱內(nèi)，再配上系統(tǒng)軟件，就構(gòu)成了一臺完整的微型計算機(jī)系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)機(jī)）。 工業(yè)PC機(jī)也屬于多板機(jī)。 單板機(jī)將CPU芯片、存儲器芯片、I/O接口芯片和簡單的I/O設(shè)備（小鍵盤、LED顯示器）等裝配在一塊印刷電路板上，再配上監(jiān)控程序（

5、固化在ROM中），就構(gòu)成了一臺單板微型計算機(jī)（簡稱單板機(jī)）。如圖所示 圖 單板機(jī)示意圖單片機(jī)在一片集成電路芯片上集成微處理器、存儲器、定時/計數(shù)器以及I/O接口電路等計算機(jī)主要功能部件，從而構(gòu)成了單芯片微型計算機(jī)，即單片機(jī)，如圖所示。圖 單片機(jī)芯片實物圖（從左至右:8031、8051、8751） 系統(tǒng)機(jī)（桌面應(yīng)用）屬于通用計算機(jī)，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理、辦公自動化及輔助設(shè)計。單板機(jī)（嵌入式應(yīng)用）屬于專用計算機(jī)，主要應(yīng)用于智能儀表、智能傳感器、智能家電、智能辦公設(shè)備、汽車及軍事電子設(shè)備等應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī) 體積小、價格低、可靠性高，其非凡的嵌入式應(yīng)用形態(tài)對于滿足嵌入式應(yīng)用需求具有獨特的優(yōu)勢。 單片機(jī)發(fā)

6、展過程及產(chǎn)品發(fā)展過程單片機(jī)技術(shù)發(fā)展過程可分為三個主要階段： 單芯片微機(jī)形成階段 1976年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機(jī) ，其內(nèi)含8位CPU、 1K字節(jié)ROM、64字節(jié)RAM、27根I/O線和1個8位定時/計數(shù)器。存儲器容量較小，尋址范圍?。ú淮笥?K），無串行接口，指令系統(tǒng)功能不強(qiáng)。 單芯片微機(jī)形成階段1980年，Intel公司推出了MCS-51系列單片機(jī)，其內(nèi)含 8位CPU、4K字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM、4個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數(shù)器。尋址范圍64K，并有控制功能較強(qiáng)的布爾處理器。其結(jié)構(gòu)體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點進(jìn)一步突出?，F(xiàn)在，MC

7、S-51已成為公認(rèn)的單片機(jī)經(jīng)典機(jī)種 。微控制器化階段1982年，Intel推出MCS-96系列單片機(jī)。芯片內(nèi)集成： 16位CPU、 8K字節(jié)ROM、232字節(jié)RAM、 5個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數(shù)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。其片內(nèi)面向測控系統(tǒng)外圍電路增強(qiáng)，使單片機(jī)可以方便靈活地用于復(fù)雜的自動測控系統(tǒng)及設(shè)備。“微控制器”的稱謂更能反應(yīng)單片機(jī)的本質(zhì)。單片機(jī)產(chǎn)品介紹80C51系列單片機(jī)產(chǎn)品繁多，主流地位已經(jīng)形成，近年來推出的與80C51兼容的主要產(chǎn)品有：ATMEL公司融入Flash存儲器技術(shù)的AT89系列；Philips公司

8、的80C51、80C552系列；華邦公司的W78C51、W77C51高速低價系列；ADI公司的ADC8xx高精度ADC系列；LG公司的GMS90/97低壓高速系列；Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列；Cygnal公司的C8051F系列高速SOC單片機(jī)。非80C51結(jié)構(gòu)單片機(jī)新品不斷推出，給用戶提供了更為廣泛的選擇空間 ，近年來推出的非80C51系列的主要產(chǎn)品有：Intel的MCS-96系列16位單片機(jī) ； Microchip的PIC系列RISC單片機(jī) ；TI的MSP430F系列16位低功耗單片機(jī) 。微型計算機(jī)系統(tǒng)概念下圖表示了微處理器、微型計算機(jī)和微計算機(jī)系統(tǒng)三者的關(guān)系：

9、圖 微處理器、微計算機(jī)和微計算機(jī)系統(tǒng)的關(guān)系單片機(jī)的特點及應(yīng)用領(lǐng)域單片機(jī)的特點控制性能和可靠性高 實時控制功能特別強(qiáng)，其CPU可以對I/O端口直接進(jìn)行操作，位操作能力更是其它計算機(jī)無法比擬的。另外，由于CPU、存儲器及I/O接口集成在同一芯片內(nèi)，各部件間的連接緊湊，數(shù)據(jù)在傳送時受干擾的影響較小，且不易受環(huán)境條件的影響，所以單片機(jī)的可靠性非常高。 近期推出的單片機(jī)產(chǎn)品，內(nèi)部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低電壓、低功耗、串行擴(kuò)展總線、控制網(wǎng)絡(luò)總線和開發(fā)方式（如在系統(tǒng)編程ISP）等方面都有了進(jìn)一步的增強(qiáng)。體積小、價格低、易于產(chǎn)品化 單片機(jī)芯片即是一臺完整的微型計算機(jī)，對于批量大

10、的專用場合，一方面可以在眾多的單片機(jī)品種間進(jìn)行匹配選擇；同時還可以專門進(jìn)行芯片設(shè)計，使芯片的功能與應(yīng)用具有良好的對應(yīng)關(guān)系；在單片機(jī)產(chǎn)品的引腳封裝方面，有的單片機(jī)引腳已減少到8個或更少。從而使應(yīng)用系統(tǒng)的印制板減小、接插件減少、安裝簡單方便。單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域智能儀器儀表單片機(jī)用于各種儀器儀表，一方面提高了儀器儀表的使用功能和精度，使儀器儀表智能化，同時還簡化了儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，從而可以方便地完成儀器儀表產(chǎn)品的升級換代。如各種智能電氣測量儀表、智能傳感器等。實時工業(yè)控制單片機(jī)還可以用于各種物理量的采集與控制。電流、電壓、溫度、液位、流量等物理參數(shù)的采集和控制均可以利用單片機(jī)方便地實現(xiàn)。在這類系統(tǒng)中

11、，利用單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，可以根據(jù)被控對象的不同特征采用不同的智能算法，實現(xiàn)期望的控制指標(biāo)，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。典型應(yīng)用如電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、自動生產(chǎn)線等 。分布式系統(tǒng)的前端模塊在較復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)中，經(jīng)常要采用分布式測控系統(tǒng)完成大量的分布參數(shù)的采集。在這類系統(tǒng)中，采用單片機(jī)作為分布式系統(tǒng)的前端采集模塊，系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠，數(shù)據(jù)采集方便靈活，成本低廉等一系列優(yōu)點。家用電器家用電器是單片機(jī)的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域，前景十分廣闊。如空調(diào)器、電冰箱、洗衣機(jī)、電飯煲、高檔洗浴設(shè)備、高檔玩具等。家用電器是單片機(jī)的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域，前景十分廣闊。如空調(diào)器、電冰箱、洗衣機(jī)、電飯煲、高檔洗浴設(shè)備、高檔玩具

12、等。計算機(jī)中的數(shù)和編碼計數(shù)制1. 十進(jìn)制（D）有十個數(shù)碼09、逢十進(jìn)一。十進(jìn)制用于計算機(jī)輸入輸出，人機(jī)交互。2. 二進(jìn)制（B）兩個數(shù)碼:0、1, 逢二進(jìn)一。二進(jìn)制為機(jī)器中的數(shù)據(jù)形式。3. 十六進(jìn)制（H ）十六個數(shù)碼:09, AF, 逢十六進(jìn)一。十六進(jìn)制用于表示二進(jìn)制數(shù)。不同進(jìn)位制數(shù)以下標(biāo)或后綴區(qū)別,十進(jìn)制數(shù)可不帶下標(biāo)。如:101、101D、101B、101H、101H（1）十進(jìn)制數(shù)： 1985 = 1000+900+80+5= 1103+9102+8101+5100有0 9 十個不同的符號。逢十進(jìn)一。一般用下腳標(biāo) D 表示，如 1985D ,或無下腳標(biāo)（2）二進(jìn)制數(shù) 特點：有0，1兩個不同的符

13、號。逢二進(jìn)一。二進(jìn)制數(shù)的下腳標(biāo)為B 例如：對于整數(shù)：1001B=123+022+021+120 = 9D 對于小數(shù)：0.101B = 12-1 + 02-2 + 12-3 = 0.625D 二進(jìn)制數(shù)每一位的權(quán)是：以小數(shù)點分界， .24, 23, 22, 21, 20 . 2 -1, 2-2, 2-3, (3)十六進(jìn)制數(shù)：有0 9 ，A,B,C,D,E,F 共十六個不同的符號。逢十六進(jìn)位。用下腳標(biāo) “H” 表示十六進(jìn)制數(shù)。 例：327 H = 3162+2161+7160= 807D 3AB .11H = 3162+A161+B160+116-1+116-2 =939 . 0664 D 不同制數(shù)

14、之間的轉(zhuǎn)換二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制 二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的基本方法是將二進(jìn)制數(shù)按權(quán)展開式，利用十進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算法則求和，即可得到等值的十進(jìn)制數(shù)。 例1.1 將二進(jìn)制數(shù)1101.01轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)。 解：（1101.01）B=12312202112002-112-2=(13.25)D 上述方法適用于其他進(jìn)制數(shù)到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換。十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制整數(shù). 其轉(zhuǎn)換方法為除2取余數(shù)。即把十進(jìn)制數(shù)依次除以2并記下每次所得的余數(shù)（0或1），直到商等于0為止，所得余數(shù)依次記為K0、K1、Kn-1。則轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)為Kn-1K1K0。例1.3 將十進(jìn)制數(shù)25轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。解： 2 25 余1（K0）. 2 12 余

15、0（K1）. 2 6 余0（K2）. 2 3 余1（K3） 2 1 余1（K4）. 0.十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制小數(shù) 其轉(zhuǎn)換方法為乘2取整數(shù)。即依次用2去乘要轉(zhuǎn)換的十進(jìn)制小數(shù)，記錄每次所得溢出數(shù)（即整數(shù)部分，0或1），記作K-1、K-2，。若乘積的小數(shù)部分最后為0，那么最后一次乘積的溢出數(shù)記作K-m；若乘積的小數(shù)部分最后不為0，則只要換算到所需精度為止。將起始溢出位寫在二進(jìn)制小數(shù)點后的第一位（即小數(shù)部分的最高位），依次寫到最低位。小數(shù)部分從最高位到最低位的順序與產(chǎn)生溢出的順序相同。例 1.4 將十進(jìn)制數(shù)0.3125轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù).解：0.31252=0.625=0.625溢出 0MSB0.

16、62502=1.250=0.250 10.25002=0.500=0.500 00.50002=1.000=0 1LSB即： 0.3125=0.0101B。 帶小數(shù)的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù)包含小數(shù)，則將其整數(shù)和小數(shù)兩部分分別轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)，然后再將二進(jìn)制的整數(shù)和小數(shù)組合起來，即得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。例 1.5 將十進(jìn)制數(shù)14.375轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。解： 14=1110B0.375=0.011B故： 14.375=1110.011B 3. 二進(jìn)制、十六進(jìn)制之間的相互轉(zhuǎn)換十六進(jìn)制數(shù)的每一位都與四位二進(jìn)制數(shù)相對應(yīng)。將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)，從低位開始，每四位一組，然后將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的十六進(jìn)制

17、數(shù)。如在最后一組不足四位，需在左邊補(bǔ)0。用同樣方法可將二進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制小數(shù)。只是分組應(yīng)從小數(shù)點右邊開始分成四位一組。十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)，將每位十六進(jìn)制數(shù)直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。例1. 6 將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)。解： 將二進(jìn)制數(shù)改寫為：0101 0110 1101 所以：例1.7 將十六進(jìn)制數(shù)8E轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。解： 將十六進(jìn)制數(shù)8E改寫為：1000 1110 所以：8EH = 10001110B 數(shù)制書寫約定 在書寫計算機(jī)程序時，一般不用基數(shù)作為下標(biāo)來區(qū)分各種進(jìn)制，而是用相應(yīng)的英文字母作后綴來表示各種進(jìn)制的數(shù)。例如：B（Binary） -表示二進(jìn)制數(shù)。D（Decimal）

18、 -表示十進(jìn)制數(shù)，一般D可省略， 即無后綴的數(shù)字為十進(jìn)制數(shù)。H（Hexadecimal） - 表示十六進(jìn)制數(shù)。 計算機(jī)中數(shù)的表示原碼、反碼和補(bǔ)碼計算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算時，還有帶符號的正數(shù)和負(fù)數(shù)的運(yùn)算。為了區(qū)分正數(shù)和負(fù)數(shù)，將“”、“”符號數(shù)字化，通常用二進(jìn)制數(shù)的最高位表示數(shù)的符號：用“0”表示“”號，用“1”表示“”。把一個數(shù)及其符號在機(jī)器中的表示加以數(shù)字化，這樣的數(shù)稱為機(jī)器數(shù)，而把機(jī)器數(shù)所代表的數(shù)的實際值稱為機(jī)器數(shù)的真值。例如，真值 x1=1000111, x2=1000111。機(jī)器數(shù) x1=01000111， x2=11000111（1）原碼在符號位中用0表示正、用1表示負(fù)的二進(jìn)制數(shù)，稱為原碼。例如

19、，x1=1110111Bx1原=01110111B x2=1110111Bx2原=11110111B 數(shù)0可以認(rèn)為它是0，也可是0。因此，0在原碼表示中有以下兩種形式：0原=0000 0000B , 0原=1000 0000B（2）反碼 反碼是有符號數(shù)在計算機(jī)中的另一表示方法。其定義是： 正數(shù)：反碼=原碼； 負(fù)數(shù)：反碼=原碼的符號位不變而數(shù)值按位取反。所謂按位取反，即將各位的1變成0，0變成1。 例如，x1=13, x1反=13原=0 001101B 。 又如，x2=13， x2原=13原=1 0001101B， x2反=13反=1 1110010B 在反碼表示中，“0”也不是唯一的。（3）補(bǔ)碼計算機(jī)中用補(bǔ)碼來表示帶符號的數(shù)。其定義是： 正數(shù)：補(bǔ)碼=原碼； 負(fù)數(shù)：補(bǔ)碼=反碼1。例如， x1=1101101B , x1補(bǔ)=13原=0 1101101B 。又如， x2=1101101B， x2反=10010010B， x