單片機(jī)原理及總結(jié)

本文格式為Word版，下載可任意編輯——單片機(jī)原理及總結(jié)2.1微機(jī)原理概述

迄今為止，所有計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)都是馮·諾伊曼型的，即：它是執(zhí)行存儲(chǔ)器中程序而工作的。計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序是自動(dòng)按序進(jìn)行的，毋需人工干預(yù)，程序和數(shù)據(jù)由輸入設(shè)備輸入存儲(chǔ)器，執(zhí)行程序所獲得的運(yùn)算結(jié)果由輸出設(shè)備輸出。因此，計(jì)算機(jī)尋常有運(yùn)算控制部件、存儲(chǔ)器部件、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備四部分組成，如圖2-1所示。

圖2-1計(jì)算機(jī)組成框圖

輸入設(shè)備能自動(dòng)把人們編好的解題程序和原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)碼，送到存儲(chǔ)器存放起來(lái)。常用的輸入設(shè)備有鍵盤(pán)、紙帶輸入機(jī)和卡片讀入機(jī)，等等。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)從磁盤(pán)上讀入程序和數(shù)據(jù)時(shí)，磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器也是作為輸入設(shè)備而工作的。因此，輸入設(shè)備是計(jì)算機(jī)輸入解題程序和原始數(shù)據(jù)不可缺少的部件。

運(yùn)算控制器有運(yùn)算器和控制器兩部分電子線路組成，是計(jì)算機(jī)賴(lài)以工作的核心部件。運(yùn)算器主要包括加法器、移位、判斷和寄放器電路等等，用于進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和規(guī)律操作；控制器由指令寄放器、指令譯碼器和控制電路等組成，是整個(gè)計(jì)算機(jī)的中樞，它根據(jù)指令碼指揮著運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備自動(dòng)協(xié)調(diào)地工作（如圖中箭頭所示）。因此，運(yùn)算器和控制器唇齒相依，融為一體。過(guò)去，運(yùn)算器和控制器采用電子管、晶體管和集成電路芯片組成，體積十分巨大?，F(xiàn)在，運(yùn)算器和控制器尋常集成在單塊或幾塊大規(guī)模集成電路芯片內(nèi)，人們稱(chēng)為中央處理單元促CPU,即微處理器。

尋常，存儲(chǔ)器分為內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器兩種。內(nèi)存儲(chǔ)器工作速度快，但存儲(chǔ)容量有限，過(guò)去采用磁心存儲(chǔ)器，現(xiàn)在毫無(wú)例外地采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。外存儲(chǔ)器稱(chēng)為海量存儲(chǔ)器，它存儲(chǔ)容量大，但存取速度慢，如磁盤(pán)、磁鼓、磁帶和光盤(pán)等等。微型計(jì)算機(jī)中用的最廣泛的是軟磁盤(pán)和硬磁盤(pán)兩種外存儲(chǔ)器。

輸出設(shè)備用于輸出計(jì)算機(jī)的中間結(jié)果和最終結(jié)果，也可以輸出原始程序和實(shí)時(shí)信息。常見(jiàn)的輸出設(shè)備有CRT顯示器、打印機(jī)、繪圖機(jī)和電傳打字機(jī)，等等。外存儲(chǔ)器，當(dāng)它存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)也可以看作輸出設(shè)備。因此，外存儲(chǔ)器是一種既可以作輸

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入又可以作輸出設(shè)備。往往稱(chēng)之為輸入/輸出設(shè)備。

上述四部分統(tǒng)稱(chēng)為計(jì)算機(jī)硬件，各部分相互獨(dú)立，但又相相互連，組成一個(gè)有機(jī)整體。其中，中央處理器CPU和內(nèi)存儲(chǔ)器又稱(chēng)為計(jì)算機(jī)的主機(jī)；輸入/輸出設(shè)備統(tǒng)稱(chēng)為外部設(shè)備或I/O設(shè)備。2.1.1微型計(jì)算機(jī)的基本機(jī)構(gòu)

微型計(jì)算機(jī)是在中小型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，并以大規(guī)模集成電路技術(shù)為條件的一種新型計(jì)算機(jī)。因此，它在結(jié)構(gòu)上和通用計(jì)算機(jī)十分相像，但也有獨(dú)到之處。和其它計(jì)算機(jī)相比，微型計(jì)算機(jī)的最大特點(diǎn)是采用總線結(jié)構(gòu)，其中三總線結(jié)構(gòu)尤為普遍，目前已成為微型計(jì)算機(jī)的一種基本結(jié)構(gòu)，如圖2-2所示。

圖2-2微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

由圖2-2可見(jiàn)，微處理器MPU是通過(guò)AB、DB和CD三總線同ROM存儲(chǔ)器、RAM存儲(chǔ)器及I/O接口相連的,雖然這個(gè)結(jié)構(gòu)并不繁雜，但并不好理解。為此，在分析微型計(jì)算機(jī)基本工作原理前，先對(duì)圖中各部件作基本介紹是十分必要的。（1）ROM和RAM存儲(chǔ)器

這里的R()M和RAM是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，是一種采用大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路工藝制成的存儲(chǔ)器芯片。這種芯片體積小、重量輕、集成度高，現(xiàn)已制成包含1.4億只晶體管的8MBDRAM芯片,并已投放市場(chǎng)。

ROM存儲(chǔ)器是一種在正常工作時(shí)只能讀不能寫(xiě)的存儲(chǔ)器，故它尋常用來(lái)存放固定程序和常數(shù)，固定程序和常數(shù)是利用特別手段存放進(jìn)去的，一旦寫(xiě)入便能長(zhǎng)期保存，需要時(shí)便可讀出訪用。ROM種類(lèi)雖然好多,但常按存儲(chǔ)容量分類(lèi)。例如：4K(1K=1024)×8ROM最多可以存放4096個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)。每片ROM上都有用于傳送信號(hào)的引腳線。這些引線共分四組，地址線用于輸送ROM的地址碼：數(shù)據(jù)線是雙向的，可以為芯片傳送讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)；控制線用于傳送控制信號(hào),以控制芯片是否工作以及是讀還是寫(xiě)等等；電源線可以供給芯片+5V直流電源。在這些引腳線中．地址線及數(shù)據(jù)線條數(shù)和芯片的存儲(chǔ)容量有關(guān)。地址線越多，存儲(chǔ)容量就越大；

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數(shù)據(jù)線越多，每個(gè)二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)就越長(zhǎng)。

RAM存儲(chǔ)器是一種在正常工作時(shí)既能讀又能寫(xiě)的存儲(chǔ)器，故它尋常用來(lái)存放原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、最終結(jié)果和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。RAM中存入的信息不能長(zhǎng)久保存，停電后便馬上消失，故它又稱(chēng)為易失性存儲(chǔ)器。RAM存儲(chǔ)器的規(guī)格品種也好多，如4KB、8KB、32KB、64KB、256Kb、1MB，等等。

ROM和RAM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)大致一致，所不同的是存儲(chǔ)每位二進(jìn)制數(shù)碼的基本電路不一樣。ROM的基本存儲(chǔ)電路采用特別的FAMOS管,由FAMOS管浮柵內(nèi)有電荷和無(wú)電荷表示存“0〞還是存“1〞；RAM的基本存儲(chǔ)電路是觸發(fā)器，用觸發(fā)器的兩個(gè)暫穩(wěn)狀態(tài)來(lái)表示存“0〞或存“1〞。為使讀者對(duì)存儲(chǔ)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個(gè)基本了解，我們?cè)趫D2-3中示出了一個(gè)容量為16×8RAM芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖2-316×8RAM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

由圖中可見(jiàn)，A3～A0為地址線，共4條，傳送地址碼；D7～D0是數(shù)據(jù)線，共8條，傳送一個(gè)二進(jìn)制數(shù)的八位；RD和WR為控制線,傳送讀/寫(xiě)控制信號(hào)，存儲(chǔ)陣列是芯片的主體，它有16個(gè)地址單元，分別對(duì)應(yīng)于4條地址線的16種組合，每個(gè)地址單元有8個(gè)觸發(fā)器，用于存儲(chǔ)一個(gè)八位二進(jìn)制數(shù)，故它可以存儲(chǔ)16個(gè)八位二進(jìn)制數(shù)。在16個(gè)地址單元中，哪一個(gè)工作是由地址譯碼器輸出的16條地址選擇線中哪一條為高電平?jīng)Q定的。地址譯碼器的譯碼信號(hào)由地址譯碼器輸出的16條地址選擇線中哪一條為高電平?jīng)Q定的。地址譯碼器的譯碼信號(hào)由地址線上地址譯碼經(jīng)地址寄放器暫存后送來(lái)。因此，地址線條數(shù)和存儲(chǔ)容量間關(guān)系尋常為：

存儲(chǔ)容量=2n

其中，n為地址線條數(shù)。數(shù)據(jù)線條數(shù)和每個(gè)地址單元中二進(jìn)制數(shù)位數(shù)一一對(duì)應(yīng)，并應(yīng)和所有地址單元中的基本存儲(chǔ)電路（即觸發(fā)器）相通。

對(duì)于一個(gè)有16條地址線和8條數(shù)據(jù)線的ROM存儲(chǔ)器，假使它的16條地址線皆為高電平（即：地址為FFFFH），則必定選中讀出FFFFH號(hào)地址單元中的內(nèi)容，且讀出數(shù)據(jù)是送到數(shù)據(jù)線上的；假使16條地址線上的地址碼為0000H(即全為低電平)，則必定選中0000H單元工作。因此，一個(gè)有16條地址線的存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)器容量的地址范圍為0000H～FFFFH,共64KB。

（2）微處理器MPU

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現(xiàn)代微處理器MPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其繁雜，要像電子線路那樣畫(huà)出它的全部原理圖來(lái)加以分析介紹是根本不可能的，為了弄清它的基本工作原理，現(xiàn)以圖2-4中的模型機(jī)框圖為例加以概述。

(1)運(yùn)算器

運(yùn)算器用于對(duì)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和規(guī)律操作；其操作順序是在控制器控制下進(jìn)行的。運(yùn)算器由算術(shù)規(guī)律單元ALU、累加器A、通用寄放器R0、暫存器TMP和狀態(tài)寄放器PSW等五部分組成。

圖2-4模型MPU結(jié)構(gòu)框圖

累加器A是一個(gè)具有輸入/輸出能力的移位寄放器，由8個(gè)觸發(fā)器組成。累加器A在加法前用于存放一個(gè)操作數(shù)。加法操作適用于存放兩數(shù)之和，以便再次累加，故因此得名。TMP為暫存器，也是一個(gè)8位寄放器，用于暫存另一操作數(shù)。ALU為算術(shù)規(guī)律單元，主要由加法器、移位電路和判斷電路等組成，用于對(duì)累加器A和暫存器TMP中兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行四則運(yùn)算和規(guī)律操作。PSW為程序狀態(tài)宇，也由八位觸發(fā)器組成，用于存放ALU操作過(guò)程中形成的狀態(tài)。例如：累加器A中的運(yùn)算結(jié)果是否為零，最高位是否有進(jìn)位或借位，低四位向高四位是否有進(jìn)位或借位，等等，都可以記錄到PSW中去。R0為通用寄放器GR，用于存放操作數(shù)或運(yùn)算結(jié)果。

(2)控制器

控制器是發(fā)布操作命令的機(jī)構(gòu)，是計(jì)算機(jī)的指揮中心，相當(dāng)于人腦的神經(jīng)中樞、控制器由指令部件、時(shí)序部件和微操作控制部件等三部分組成。

①指令部件：是一種能對(duì)指令進(jìn)行分析、處理和產(chǎn)生控制信號(hào)的規(guī)律部件，也是控制器的核心。尋常，指令部件由程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄放器IR和指令譯碼器IS等三部分組成。

指令是一種能供機(jī)器執(zhí)行的控制代碼，有操作碼和地址碼兩部分，指令不同，

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相應(yīng)的代碼長(zhǎng)度也不一樣。因此，指令可分為單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)指令，等等。指令的有序組合稱(chēng)為程序，程序必需先放在存儲(chǔ)器內(nèi)，機(jī)器執(zhí)行程序應(yīng)從第一條指令開(kāi)始逐條執(zhí)行。這就需要有一個(gè)專(zhuān)門(mén)寄放器用來(lái)存放當(dāng)前要執(zhí)行指令的內(nèi)存地址，這個(gè)寄放器就是程序計(jì)數(shù)器PC。當(dāng)機(jī)器根據(jù)PC中地址取出要執(zhí)行指令的一個(gè)字節(jié)后，PC就自動(dòng)加1，指向指令的下一字節(jié)，為機(jī)器下次取這個(gè)字節(jié)時(shí)作好準(zhǔn)備。在8位微處理器MPU中，程序計(jì)數(shù)器尋常為16位。

指令寄放器IR有八位長(zhǎng)，用于存放從存儲(chǔ)器中取出的當(dāng)前要執(zhí)行指令的指令碼。該指令碼在IR中得到寄放和緩沖后被送到指令譯碼器ID中譯碼，指令操作碼譯碼后就知道該指令進(jìn)行哪種操作，并在時(shí)序部件幫助下去推動(dòng)微操作控制部件完成指令的執(zhí)行。

②時(shí)序部件：由時(shí)鐘系統(tǒng)和脈沖分派器組成，用于產(chǎn)生微操作控制部件所需的定時(shí)脈沖信號(hào)。其中，時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)活力器的時(shí)鐘脈沖序列，脈沖分派器又稱(chēng)“節(jié)拍發(fā)生器〞，用于產(chǎn)生節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖。

③微操作控制部件：可以為ID輸出信號(hào)配上節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖，也可和外部進(jìn)來(lái)的控制信號(hào)組合，共同形成相應(yīng)的微操作控制序列，以完成規(guī)定的操作。

（3）地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線所謂總線是指信息傳送的公共通道，實(shí)際上是印刷電路板上的短路線，這些短路線是溝通微型計(jì)算機(jī)各種器件的橋梁。

①地址總線AB

地址總線AB也叫地址母線,因其上僅傳送MPU的地址碼而得名。當(dāng)微處理器MPU和存儲(chǔ)器或外部設(shè)備交換信息時(shí)，必需指明要和哪個(gè)存儲(chǔ)單元或哪個(gè)外部設(shè)備交換。因此，地址總線AB必需和所有存儲(chǔ)器的地址線對(duì)應(yīng)相連，也必需和所有I/O接口的設(shè)備碼線相連。這樣，當(dāng)微處理器MPU對(duì)存儲(chǔ)器或外設(shè)讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，只要把存儲(chǔ)單元的地址碼或外部的設(shè)備碼送到地址總線上便可選中它們工作,地址總線條數(shù)由所選MPU型號(hào)決定.在8位機(jī)中．它尋常為16條。

②數(shù)據(jù)總線

數(shù)據(jù)總線也叫“數(shù)據(jù)母線〞，因其上傳送的是數(shù)據(jù)和指令碼而得名。數(shù)據(jù)總線條數(shù)常和所用微處理器字長(zhǎng)相等，但也有內(nèi)部為16位運(yùn)算而外部仍為8位數(shù)據(jù)總線的狀況。由于MPU有時(shí)需要把數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)器或從外設(shè)輸出數(shù)據(jù)，有時(shí)又需要從存儲(chǔ)器或輸入設(shè)備輸人數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)總線是