微型計(jì)算機(jī)原理和應(yīng)用

課程的基本要求本課程是機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)（非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)）學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握微機(jī)硬件知識(shí)和匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的入門(mén)課程。課程的任務(wù)是使學(xué)生從理論和實(shí)踐上掌握微機(jī)的基本組成、工作原理、接口電路設(shè)計(jì)等，建立微機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念，使學(xué)生具有微機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)的初步能力。目

錄第一章

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)第二章

89C51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理第三章

89C51指令系統(tǒng)第四章

匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)知識(shí)第五章

中斷系統(tǒng)第六章

定時(shí)器及應(yīng)用第七章

89C51串行口及通信技術(shù)第八章

單片機(jī)小系統(tǒng)片外擴(kuò)展第九章

應(yīng)用系統(tǒng)配置及接口技術(shù)附錄A

89C51指令系統(tǒng)表參考資料1、掌握一款單片機(jī)2、掌握一種開(kāi)發(fā)環(huán)境與語(yǔ)言3、掌握一種軟件仿真方法與軟件4、掌握單片機(jī)電路的設(shè)計(jì)方法5、制作一個(gè)程序下載器6、制作一個(gè)單片機(jī)開(kāi)發(fā)板/第一章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1、什么是單片機(jī)？有何作用？2、單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)。3、什么是字長(zhǎng)？4、機(jī)器碼、助記符？5、特殊寄存器？是RAM還是ROM?6、單片機(jī)有幾種I/O口?作用與區(qū)別？7、單片機(jī)的封裝？8、單片機(jī)最小系統(tǒng)？9、單片機(jī)的動(dòng)力來(lái)源？§1.計(jì)算機(jī)發(fā)展概述一.計(jì)算機(jī)的發(fā)展機(jī)械式→電子模擬式→電子數(shù)字式第一代：電子管.40年代第一臺(tái):1946年,美國(guó)賓西法尼亞大學(xué)ENIAC(

Electronic

Numerical

Integrator

AndComputer

)第二代:晶體管.50年代

第三代:集成電路.60年代第四代:大規(guī)模集成電路.70年代分類(lèi):(按規(guī)模)巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)。二.微處理器、微型機(jī)、與單片機(jī)的發(fā)展⑴.微處理器、微計(jì)算機(jī)、單片機(jī)的概念：

微處理器：（Microprocessor）將計(jì)算機(jī)中的運(yùn)算器、控制器兩大部分（CPU）集成在一個(gè)芯片上，就組成了微處理器（MP、μP、MPU）

微計(jì)算機(jī)（Microcomputer）：以微處理器作為CPU，再加上存貯器、輸入輸出電路就組成了微計(jì)算機(jī)（MC、μC）

單片機(jī)（Single-Chip

Microcomputer,

Micro-controller）：將CPU、存貯器、輸入輸出電路均集成在一個(gè)芯片上。（2）微處理器發(fā)展簡(jiǎn)況：第一個(gè)微處理器：美國(guó)Intel公司，1971年，Intel

4004.（字長(zhǎng)4位）8位微處理器：Intel

8080、8085Zilog：Z80Motorola：MC680016位微處理器：Intel：8086.Motorola：68000Zilog：Z800032位 微處理器：Intel

80386目前：Intel公司.：奔騰系列AMD公司（3）單片機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)況：第一個(gè)單片機(jī)：美國(guó)仙童公司，1974年，F(xiàn)8?4位單片機(jī)：美國(guó)NS（國(guó)家半導(dǎo)體）公司Cop4xx系列日本松下公司MN

1400 系列8位單片機(jī)：Intel公司：MCS－48、51系列

Motolola公司：M6805系列16位單片機(jī)：＜Microchip公司：PIC系列

Intel公司MCS－96／98系列

Motolola公司M68HC16系列32位單片機(jī)：Motolola

M68306系列目前以8位／16位單片機(jī)為主流，發(fā)展趨勢(shì)是：高速度、多資源、強(qiáng)功能、低功耗。部分新型8051兼容單片機(jī)Acer

Lab M6032、M6975Aeroflex

UTMCADAtmelUT69RH051ADuC812AT89C2051、AT89C51Cybernetic

Micro

Systems P-51Cygnal

C8051FxxxEZ-USB

CY7C646xxDaewooDallasDMC60C51…DS2250(T)

Domosys、Honeywell、Infineon、Innovasic、Intel、ISSI、Maxim、Mentor、Micronas、OkI、Philips、Sharp、SMSC、SSST、TD

K、TI、Triscend、Winbond、XEMICS其他單片機(jī)如：PIC、AVR、凌陽(yáng)、freescal(Motorola)§2

計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法一.常用數(shù)制(一).十進(jìn)制（Decimal）0―9

十個(gè)數(shù)碼基數(shù)為10，逢十進(jìn)位例：258.36可寫(xiě)成冪級(jí)數(shù)的形式：

2×102＋5×101＋8×100＋3×10－1＋6×10－2(二).二進(jìn)制（Binary）(1).0－1兩個(gè)數(shù)碼

(2)．逢二進(jìn)位例：%10110.11冪級(jí)數(shù)的形式：

1×24＋1×22＋1×21＋1×2－1＋1×2－2＝22.75??字長(zhǎng)：2進(jìn)制信息的位數(shù)字節(jié)：每8位2進(jìn)制數(shù)稱(chēng)為一個(gè)字節(jié)字：每16位2進(jìn)制數(shù)稱(chēng)為一個(gè)字(三).十六進(jìn)制（Hexadecimal）⑴ 0、1、2……9、A、B、C、D、E、F、16個(gè)數(shù)碼⑵．基數(shù)為16，逢16進(jìn)位例：70F.B1冪級(jí)數(shù)的形式：7×162＋F×160＋B×16－1＋16－2＝1807.69140625（四）標(biāo)記方法十進(jìn)制數(shù)：加后綴D（可省略）。例：85.7D、128二進(jìn)制數(shù)：加后綴B。例：1011.0101B十六進(jìn)制數(shù)：加后綴H。例：2AC.5FH二.各種數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換·帶小數(shù)？㈠.二進(jìn)制與十進(jìn)制⑴.二翻十：按權(quán)展開(kāi)相加例：11010.01B

=

1×24＋1×23＋1×21＋1×2－2＝26.25⑵.十翻二：·

整數(shù)：除2取余法.例：215結(jié)果：

215＝11010111B小數(shù)：乘2取整法例：0.6879結(jié)果：0.6879

＝

0.1011B·小數(shù)十翻二運(yùn)算結(jié)果可能是無(wú)限小數(shù)，只要取足精度即可。㈡.十六進(jìn)制與十進(jìn)制⑴.十六翻十：按權(quán)展開(kāi)相加⑵.十翻十六整數(shù)：除16取余小數(shù)：乘16取整。㈢.二進(jìn)制與十六進(jìn)制⑴.二翻十六：四位合一法（以小數(shù)點(diǎn)為基準(zhǔn)）例：111110.101101B0011

1110.

1011

0100結(jié)果：3E.B4H⑵.十六翻二：一化四位法（以小數(shù)點(diǎn)為基準(zhǔn)）例：7C.5A0111

1100.

0101

1010結(jié)果：1111100.0101101B*由于二進(jìn)制與十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換十分方便，所以計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)制數(shù)在人工書(shū)寫(xiě)時(shí)常寫(xiě)成十六進(jìn)制數(shù)，以便于閱讀。**

十進(jìn)制與二進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換可以十六進(jìn)制數(shù)為橋梁，通過(guò)計(jì)算器實(shí)現(xiàn)。三.二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算規(guī)則㈠.算術(shù)運(yùn)算⑴．加法：0＋0＝00＋1＝1＋0＝11＋1＝0（向鄰近高位進(jìn)位1）⑵．減法:0－0＝01－1＝01－0＝10－1＝1（向鄰近高位借1當(dāng)做2）⑶．乘法0×0＝01×0＝0×1＝01×1＝1⑷.

除法利用判斷、減法、移位實(shí)現(xiàn)㈡．邏輯運(yùn)算⑴．“與”運(yùn)算（邏輯乘）0∧0＝01∧0＝0∧1＝01∧1＝1⑵. “或”運(yùn)算（邏輯加）0∨0＝01∨0＝0∨1＝11∨1＝1⑶. 取反運(yùn)算（邏輯非）ō＝1ī＝0⑷. “異或”運(yùn)算0⊕0＝1⊕1＝01⊕0＝0⊕1＝1四.有符號(hào)數(shù)的表示.㈠．原碼：（true

form）最高位用以表示符號(hào)，0正1負(fù)。例：X＝＋1010B，Y＝-1010B則其8位二進(jìn)制原碼分別為：[X]原＝00001010B，[Y]原＝10001010B㈡.反碼：(One’s

complement)正數(shù)的反碼與原碼相同，負(fù)數(shù)的反碼求法是保持其原碼的符號(hào)位“1”，然后將其數(shù)值位按位取反。㈢.補(bǔ)碼:(Two’s

complement

）正數(shù)的補(bǔ)碼與原碼相同，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼等于其反碼加1。利用補(bǔ)碼可以方便地將減法轉(zhuǎn)換為加法。設(shè)X、Y均為正數(shù)，則:X－Y＝X＋[-Y]補(bǔ)(四)、求真值：在計(jì)算機(jī)中都是三用補(bǔ).碼原表碼示碼一、個(gè)反帶符碼號(hào)及的數(shù)補(bǔ)據(jù)碼。最高位是0：正數(shù)。最高位是1：負(fù)數(shù)。當(dāng)給出一個(gè)補(bǔ)碼表示的有符號(hào)二進(jìn)制數(shù)（十六進(jìn)制數(shù)）時(shí)，怎樣得到其對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，就是求真值的問(wèn)題。（1）正數(shù)：因?yàn)椋赫龜?shù)它的補(bǔ)碼與原碼相同，所以：直接將其按權(quán)展開(kāi)相加。（最高位0：正數(shù)）例如：有符號(hào)數(shù)：0001

0101

B=+21

D（2）負(fù)數(shù)：將補(bǔ)碼表示的負(fù)數(shù)，按位取反，再+1，再按權(quán)展開(kāi)相加，在得到對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)前加負(fù)號(hào)。(最高位1：負(fù)數(shù)）例如：有符號(hào)數(shù)：1010

0111

B所以：取反：0101

1000

B加1：+

1

B=

0101

1001

B

=89

D因此：

1010

0111

B

=

-

89

D練習(xí)：有符號(hào)數(shù)：0111

1111

B，1001

1101B（五）

八位計(jì)算機(jī)的數(shù)值范圍*

無(wú)符號(hào)數(shù)：0000

0000

B

～

1111

1111

B00

H

～

FF

H0

D

～

255

D*

有符號(hào)數(shù)：正數(shù)：0000

0000

B

～

0111

1111

B00

H

～

7F

H0

D

～

127

D負(fù)數(shù)：1000

0000

B

～

1111

1111

B80

H

～

FF

H-128

D

～

-1

D五.計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)制編碼㈠.BCD碼（Binary

Coded

Decimal）：利用四位二進(jìn)制數(shù)表示1位十進(jìn)制數(shù)，常用的是8421碼。

0－0000,

1－0001,……

9－1001例：85－10000101B；85H*單從10000101B這個(gè)代碼并不能識(shí)別究竟代表十進(jìn)制數(shù)85還是十六進(jìn)制的85H，但程序編制者根據(jù)數(shù)據(jù)的來(lái)源可以識(shí)別,并按相應(yīng)的運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行處理。㈡.ASCII碼（American

Standard

Coded

forInformation

Interchange）共128個(gè)字符編碼，用7位二進(jìn)制數(shù)表示，習(xí)慣上用8位二進(jìn)制數(shù)（一個(gè)字節(jié)）表示，最高位空閑，可用做奇偶校驗(yàn)位。常用的ASCII碼：??????數(shù)字0－9：30H－39H大寫(xiě)字母A－Z

：41H－5AH小寫(xiě)字母a－z：61H－7AH空格（SP）：20H回車(chē)（CR）0DH刪除（DEL）：7FHASCII碼表§3

微計(jì)算機(jī)組成及工作原理一.微計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)組成㈠．硬件（hardware）⑴．微機(jī)主機(jī)：微處理器（MPU、CPU）：運(yùn)算器（ALU）、控制器（CU）存貯器：只讀存貯器（ROM）、隨機(jī)存貯器（RAM）輸入輸出接口電路（I／O接口）：并行I／O、串行I／O⑵．外部設(shè)備（I／O設(shè)備）：輸入設(shè)備：鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、掃描儀輸出設(shè)備：CRT顯示器、LCD顯示器、打印機(jī)、繪圖儀外存貯器：硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、USB存貯卡（U盤(pán)）光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器（CD－ROM）㈡．軟件（Software）系統(tǒng)軟件：監(jiān)控程序（BIOS）、操作系統(tǒng)（windows、MSDOS、UNIX）

應(yīng)用軟件：語(yǔ)言處理程序（VB、VC、）、數(shù)據(jù)

庫(kù)管理程序、文字處理程序、CAD程序、圖像處理、游戲、工具軟件、各種用戶(hù)自編軟件。二.微計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)圖1－1微機(jī)基本結(jié)構(gòu)框圖㈠．基本結(jié)構(gòu)框圖典型的微機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1－1所示，由以下幾部分組成：微處理器

（MPU，含運(yùn)算機(jī)、控制器）；存貯器

（含RAM、ROM）；I／O接口（接口適配器）；I／O設(shè)備（外設(shè)）由MPU引出三組總線，RAM、ROM、I／O接口通過(guò)總線與CPU相連而I／O設(shè)備通過(guò)I／O接口連到總線上。總線（BUS）：信息傳送的公共通道。按功能分為三類(lèi)。⑴.地址總線（AB）：?jiǎn)蜗蚩偩€，傳送MPU發(fā)出的地址信息。（8位字長(zhǎng)的MPU一般

AB為16條）⑵.數(shù)據(jù)總線（DB）：雙向總線，傳送數(shù)據(jù)信息和指令碼。（一般與MPU字長(zhǎng)相同，8位MPU一般DB為8條）⑶.控制總線（CB）：雙向總線，傳送各種控制信號(hào)，如讀／寫(xiě)信號(hào)、中斷請(qǐng)求、中斷響應(yīng)等。*

由于采用總線結(jié)構(gòu)，存貯器、I／O接口均“掛”在總線上，數(shù)量可多可少，配置靈活。㈡．微處理器（模型機(jī)）MPU圖1－2微處理器結(jié)構(gòu)運(yùn)算器：①．累加器A （Accumulator)：8位觸發(fā)器，具有數(shù)據(jù)輸入／輸出及移位功能，存放一個(gè)操作數(shù)并保存運(yùn)算結(jié)果。②．算術(shù)邏輯單元（ALU）：進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算。由加法器、移位電路、判斷電路組成。數(shù)據(jù)輸入：累加器A；數(shù)據(jù)寄存器（DR）數(shù)據(jù)輸出：累加器A；進(jìn)位寄存器（標(biāo)志寄存器F、程序狀態(tài)字PSW）控制器（CU）：由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序發(fā)生器、操作控制器組成，發(fā)布各種控制命令。① 控制從內(nèi)存中取出指令。（取指）② 對(duì)取出的指令譯碼，產(chǎn)生相應(yīng)的操作信號(hào)。③ 控制數(shù)據(jù)流向。㈢．MPU中主要寄存器⑴．累加器A⑵．?dāng)?shù)據(jù)寄存器（DR）：暫存由數(shù)據(jù)總線輸入（讀）或輸出（寫(xiě)）的數(shù)據(jù)。⑶．指令寄存器（IR）和指令譯碼器（ID）：IR保存當(dāng)前正執(zhí)行的指令（操作碼）；ID則對(duì)指令的操作碼進(jìn)行譯碼，向操作控制器發(fā)出相應(yīng)的操作信號(hào)。⑷ 程序計(jì)數(shù)器（PC）：保存“下一條要執(zhí)行的”指令地址。每取完一條指令后，PC自動(dòng)加1，當(dāng)程序需要“跳轉(zhuǎn)”時(shí)，新的指令地址值送入PC。⑸．地址寄存器（AR）：與地址總線相連，保存MPU將要“訪問(wèn)”（讀或?qū)懀┑拇尜A單元或I／O接口地址。（四）存貯器與I／O接口⑴．存貯器存貯器分內(nèi)存貯器與外存貯器兩類(lèi)，內(nèi)存直接與三總線相連，其內(nèi)容可直接被MPU訪問(wèn)；外存通過(guò)I／O接口與三總線相連，其內(nèi)容一般先傳入內(nèi)存，然后被

MPU訪問(wèn)。這里主要介紹內(nèi)存。①．存貯體：由一系列存貯單元組成，每單元存放一個(gè)數(shù)據(jù)（單元內(nèi)容），各單元的編號(hào)稱(chēng)為地址。②．地址譯碼器：對(duì)地址總線上的地址信號(hào)進(jìn)行譯碼，以“選中”相應(yīng)的存貯單元。③．控制部分：產(chǎn)生讀寫(xiě)等控制信號(hào)。基本操作“讀”操作：選中單元的內(nèi)容→MPU“寫(xiě)”操作：MPU→選中的存貯單元。圖1－3 存貯器結(jié)構(gòu)主要引線：地址線：與地址總線相連，2

n個(gè)單元，需要n根地址線。數(shù)據(jù)線：與數(shù)據(jù)總線相連，n位的存貯單元具有n根數(shù)據(jù)線（一般與數(shù)據(jù)總線位數(shù)相同）控制線：“讀”、“寫(xiě)”、（僅RAM具有）、“芯片選擇”等。*內(nèi)存分

RAM、ROM兩類(lèi)，從框圖上基本相同，但制作工藝不同。RAM：保存隨機(jī)數(shù)據(jù)、當(dāng)前使用的程序。（斷電后內(nèi)容丟失）ROM：保存固定的程序、數(shù)據(jù)。⑵．I／O接口：MPU與外部設(shè)備連接的橋梁。每個(gè)I／O接口有一個(gè)固定的地址。三．微機(jī)的工作過(guò)程指令：控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行某種操作的命令。(一般由操作碼、操作數(shù)兩部分組成)指令系統(tǒng)：MPU所能識(shí)別并執(zhí)行的全部指令集合。（由MPU型號(hào)確定）程序：為實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)任務(wù)而編制的指令序列。以下以一個(gè)“模型機(jī)”為例，說(shuō)明微機(jī)的工作過(guò)程。指令系統(tǒng)：見(jiàn)表1－1例：LDA

23第一字節(jié)：10010110第二字節(jié)：00010111操作碼操作數(shù)地址(注意23=17H)㈠．一條指令的執(zhí)行過(guò)程·

指令的執(zhí)行分“取指”和“執(zhí)行”兩個(gè)階段。圖1－4一條典型指令的執(zhí)行過(guò)程㈡．一個(gè)程序的運(yùn)行過(guò)程：編好的程序預(yù)先“加載”到內(nèi)存中，在微處理器控制下，逐條執(zhí)行。例：實(shí)現(xiàn)運(yùn)算。7＋10＝