第2章 單片微機(jī)理論(李)

第二章

單片微型計(jì)算機(jī)概述2.1微型計(jì)算機(jī)概述

2.2單片微型計(jì)算機(jī)

2.3微型計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器

1馮·諾依曼結(jié)構(gòu)2計(jì)算機(jī)五個(gè)組成部分輸入設(shè)備運(yùn)算器輸出設(shè)備控制器存儲(chǔ)器一、微處理器、微型計(jì)算機(jī)和微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

32.1微型計(jì)算機(jī)概述1、微處理器就是集成在一片大規(guī)模集成電路上的運(yùn)算器和控制器。從功能上講，微處理器就是CPU。微處理器是微型計(jì)算機(jī)的核心部件，但它本身還不能當(dāng)計(jì)算機(jī)用。2、采用微處理器作CPU的計(jì)算機(jī)就是微型計(jì)算機(jī)。但它還必須配有一定容量的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、輸入／輸出設(shè)備的接口電路，以及系統(tǒng)總線，才能組成一臺(tái)計(jì)算機(jī)。3、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是指以微型計(jì)算機(jī)為中心，再配上所需的外設(shè)(如鍵盤、打印機(jī)、屏幕顯示器、磁盤驅(qū)動(dòng)器等)、電源以及足夠的軟件而構(gòu)成的系統(tǒng)。4CISC和RISC兩種體系結(jié)構(gòu)

復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)CISC

（ComplexInstructionSetComputer）精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)RISC

（ReducedInstructionSetComputer）

產(chǎn)生的原因：測(cè)試表明，各種指令的使用頻度相當(dāng)懸殊，最常使用的是一些比較簡(jiǎn)單的指令，它們僅占指令總數(shù)的20％，但在程序中出現(xiàn)的頻度卻占80％，20世紀(jì)80年代產(chǎn)生。從計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)來看，微處理器有兩種基本的體系結(jié)構(gòu)。微處理器就是集成在一片大規(guī)模集成電路上的運(yùn)算器和控制器。從功能上講，微處理器就是CPU。微處理器是微型計(jì)算機(jī)的核心部件，但它本身還不能當(dāng)計(jì)算機(jī)用和一般計(jì)算機(jī)組成框圖主要有兩點(diǎn)區(qū)別5二、微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)

1、以微處理器作為CPU，不再分別畫出控制器和運(yùn)算器；2、整個(gè)計(jì)算機(jī)采用了總線結(jié)構(gòu)，所有的部件都連接在3條總線上面，各部件之間的數(shù)據(jù)和信號(hào)傳送亦都通過總線傳送。？將多個(gè)裝置或部件連接起來井傳送信息的公共通道稱為總線(Bus)?？偩€實(shí)際上是一組傳輸特定信號(hào)的傳輸線路。6總線的3種類型

1、數(shù)據(jù)總線（DataBus，DB）：傳送數(shù)據(jù)；雙向；一般來說，微處理器的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的位數(shù)一致。2、地址總線AddressBus，AB)：在計(jì)算機(jī)中，通過地址來訪問外設(shè)及存儲(chǔ)器；單向；地址總線的數(shù)目決定了可以直接訪問的內(nèi)存儲(chǔ)器的單元數(shù)目

。3、控制總線（ControlBus，CB）：傳送CPU發(fā)出的控制信號(hào)，也可以傳送其他外設(shè)信號(hào)到微處理器；對(duì)于一條具體的控制線，其方向是固定的；控制總線的數(shù)目與微處理器的位數(shù)沒有直接關(guān)系，一般受引腳的限制，控制總線的數(shù)目不會(huì)太多?？偩€結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單，規(guī)則，易于擴(kuò)展；微處理器內(nèi)部和單片機(jī)內(nèi)部也都是采用總線結(jié)構(gòu)。但是，在同一時(shí)刻，一種總線上只能有一種信號(hào)，不能同時(shí)完成幾個(gè)不同的操作7三、微處理器的基本結(jié)構(gòu)包括：運(yùn)算器部分：算術(shù)邏輯部件（ALU）；累加器A或ACC（Accumulator）；標(biāo)志寄存器FR（FlagRegister）；寄存器組；控制器部分：程序計(jì)數(shù)器PC（ProgramCounter）；指令寄存器，指令譯碼器，控制信號(hào)發(fā)生器。8三、微處理器的基本結(jié)構(gòu)1、算術(shù)邏輯部件ALU（ArithmeticLogicUnit）算術(shù)運(yùn)算一般包括加、減、比較、加1、減1等；乘法和除法運(yùn)算，BCD運(yùn)算調(diào)整等邏輯運(yùn)算則一般包括與、或、異或、取反、取補(bǔ)等。數(shù)據(jù)的向左或向右移位。9三、微處理器的基本結(jié)構(gòu)2．累加器A或ACC原義是積累、積聚的意思；累加器只是一個(gè)寄存器。送入ALU進(jìn)行運(yùn)算的兩個(gè)操作數(shù)中的一個(gè)一般存放在累加器之中，運(yùn)算后的結(jié)果，送回到累加器進(jìn)行保存。累加器中的數(shù)據(jù)還可以根據(jù)需要進(jìn)行左、右移位。3．DR-DataRegister數(shù)據(jù)寄存器暫存另外一個(gè)操作數(shù)。10三、微處理器的基本結(jié)構(gòu)4．標(biāo)志寄存器FR

用來存放ALU運(yùn)算結(jié)果的各種特征。

114．標(biāo)志寄存器FR用來存放ALU運(yùn)算結(jié)果的各種特征。標(biāo)志位如下：進(jìn)位標(biāo)志C或Cy（CarryFlag）：運(yùn)算時(shí)最高位可能產(chǎn)生的進(jìn)位或借位。有進(jìn)位或借位時(shí)置一輔助進(jìn)位標(biāo)志AC：又叫半進(jìn)位標(biāo)志，當(dāng)兩個(gè)8位數(shù)進(jìn)行加法或減法運(yùn)算時(shí)，由第3位向第4位的進(jìn)位或借位。用于BCD運(yùn)算中的十進(jìn)制調(diào)整，供計(jì)算機(jī)本身使用。溢出標(biāo)志OV(OverflowFlag)：在算術(shù)運(yùn)算中，有符號(hào)數(shù)的運(yùn)算結(jié)果超過了機(jī)器數(shù)的表示范圍，溢出標(biāo)志只有在有符號(hào)數(shù)運(yùn)算時(shí)才有意義。124．標(biāo)志寄存器FR標(biāo)志位如下：零標(biāo)志Z(ZeroFlag)：當(dāng)運(yùn)算結(jié)果為零時(shí)，Z標(biāo)志就置1，否則，Z就被置零。兩個(gè)數(shù)是否相等。符號(hào)標(biāo)志S(SignFlag)：符號(hào)標(biāo)志總是和運(yùn)算結(jié)果中最高一位的值一致。判斷有符號(hào)數(shù)的正負(fù)。有符號(hào)數(shù)運(yùn)算時(shí)才有意義奇偶標(biāo)志P(ParltyF1ag)：奇偶標(biāo)志用來標(biāo)記運(yùn)算結(jié)果中1的個(gè)數(shù)的奇偶性，可用于檢查在數(shù)據(jù)傳輸中是否發(fā)生錯(cuò)誤。有奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)之分135．寄存器組經(jīng)常使用它們；對(duì)其結(jié)構(gòu)用途應(yīng)十分清楚。一般包括兩類，即通用寄存器組或稱數(shù)據(jù)寄存器組。通用寄存器相當(dāng)于CPU內(nèi)部的小容量存儲(chǔ)器，用來暫時(shí)存放參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)、中間結(jié)果或者地址。數(shù)據(jù)傳送速度比存儲(chǔ)器快。累加器就是屬于通用寄存器。專用寄存器組中的每一種寄存器都有專門的用途。如上面提到的標(biāo)志寄存器。堆棧指示器，程序計(jì)數(shù)器等146．程序計(jì)數(shù)器PC

程序計(jì)數(shù)器是用來存放下一條要執(zhí)行的指令地址。程序中的各條指令，都是存放在存儲(chǔ)器的某一個(gè)區(qū)域，每條指令都有自己的存放地址。程序計(jì)數(shù)器中的地址送到地址寄存器，生成地址總線。157．指令寄存器、指令譯碼器、控制信號(hào)發(fā)生器

這3個(gè)部件是微處理器中控制器的主要部分?？刂破魇俏⑻幚砥鞯拇竽X中樞。指令由操作碼和操作數(shù)兩部分組成。保存指令操作碼，指明完成何種操作。進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生各種組合邏輯電平控制信號(hào)。與外部時(shí)鐘脈沖組合，形成各種按一定節(jié)拍變化的電平和脈沖，即各種控制信號(hào)16四、指令執(zhí)行過程

在程序執(zhí)行之前，先要把程序中的指令機(jī)器碼送到存儲(chǔ)器中，這樣每條指令都有了自己的地址。開始執(zhí)行程序前，先把程序中第一條指令的地址送到程序計(jì)數(shù)器PC中。程序執(zhí)行過程就是按照一定順序執(zhí)行各條指令的過程。一條指令的執(zhí)行過程一般包括取指階段和執(zhí)行階段。17具體一些的過程如下：一條指令的執(zhí)行過程一般包括取指階段和執(zhí)行階段。送出指令的地址；選中相應(yīng)存儲(chǔ)單元；

發(fā)出讀指令的控制命令，存儲(chǔ)器將指令機(jī)器碼送到數(shù)據(jù)總線；取出的指令傳送到指令寄存器，再由指令譯碼器譯碼，然后經(jīng)控制信號(hào)產(chǎn)生器發(fā)出各種控制信號(hào)；執(zhí)行指令。對(duì)于簡(jiǎn)單的一字節(jié)指令，指令譯碼后就可以具體執(zhí)行指令，如某些加、減運(yùn)算。有些指令是不止一個(gè)字節(jié)的機(jī)器碼，那么，在取出指令的第一個(gè)字節(jié)之后，控制器將根據(jù)譯碼的結(jié)果，再去取出其余的指令字節(jié)，然府再?zèng)Q定如何執(zhí)行這條指令。182.2單片微型計(jì)算機(jī)

單片機(jī)的特點(diǎn)單片機(jī)的存貯器有片內(nèi)存貯器和片外存貯器之分；單片機(jī)內(nèi)的ROM和RAM嚴(yán)格分工；單片機(jī)有很強(qiáng)的位處理功能；單片機(jī)的引腳出線一般都是多功能的；系列齊全，功能擴(kuò)展性強(qiáng)。所謂單片微型計(jì)算機(jī)，就是將CPU、RAM、ROM、定時(shí)／計(jì)數(shù)器和多種I／O接口電路都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)，又簡(jiǎn)稱為單片機(jī)或微控制器(MicroComputer)。19二、單片機(jī)的主要品種系列各種系列的單片機(jī)由于其內(nèi)部功能單元組成及指令系統(tǒng)的不盡相同，表現(xiàn)出各種不同的特點(diǎn)。從1976年Intel公司推出8位單片機(jī)MCS—48系列以來，單片機(jī)的發(fā)展非常迅速。如有些單片機(jī)在片內(nèi)固化了BASIC解釋程序。TI公司的TMS—320系列單片機(jī)以高速、高精度的實(shí)時(shí)處理為其重要特征。它主要用于數(shù)字濾波、語言處理、圖像處理、高速控制、頻譜分析等數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)處理中。等等單片機(jī)分為通用型單片機(jī)和專用型單片機(jī)兩大類。人們通常所說的單片機(jī)即指通用型單片機(jī)。通用型單片機(jī)是把可開發(fā)資源(如ROM、I／O接口等)全部提供給應(yīng)用者的微型控制器。專用單片機(jī)則是為過程控制、參數(shù)監(jiān)測(cè)、信號(hào)處理等方面的特殊需要而設(shè)計(jì)的單片機(jī)。202.3微型計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器在微型計(jì)算機(jī)中，存儲(chǔ)器是用來存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)的重要部件。指令和數(shù)據(jù)預(yù)先通過輸入設(shè)備送到存儲(chǔ)器中，在程序執(zhí)行的過程中再?gòu)拇鎯?chǔ)器中取出指令和數(shù)據(jù)送到CPU中進(jìn)行信息加工和處理。

存儲(chǔ)器可以分為內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器兩種。正在運(yùn)行的程序和相應(yīng)的數(shù)據(jù)都要存放在內(nèi)存儲(chǔ)器中。外存儲(chǔ)器則是相當(dāng)于程序和數(shù)據(jù)的倉庫，用來長(zhǎng)期保存程序和數(shù)據(jù)。外存儲(chǔ)器:磁盤、磁帶、光盤和u盤。內(nèi)存儲(chǔ)器:半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。212.3微型計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器從工藝上分為雙極型和MOS型兩種。雙極型存儲(chǔ)器的工作速度較快，但集成度較差。MOS存儲(chǔ)器的集成度較高，價(jià)格便宜?，F(xiàn)在一般用的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器都是MOS存儲(chǔ)器。

存儲(chǔ)器是由許多具有記憶功能的存儲(chǔ)電路組成的。每個(gè)存儲(chǔ)電路稱為存儲(chǔ)器的一位，并可存儲(chǔ)1位二進(jìn)制信息。一般是將8位存儲(chǔ)電路組織在一起作為存儲(chǔ)器中最基本的存儲(chǔ)單元，稱為一個(gè)字節(jié)(B)，存儲(chǔ)信息的寫入或讀出都是以字節(jié)作為最基本的單位。22存儲(chǔ)器的容量每個(gè)存儲(chǔ)單元都有一個(gè)固定的地址；有n條地址線的存儲(chǔ)器，可以有2n個(gè)基本存儲(chǔ)單元。對(duì)于微型計(jì)算機(jī)來講，它的地址總線的數(shù)目，決定了它可以尋找的同一類存儲(chǔ)器地址的多少；實(shí)際裝備的存儲(chǔ)器容量可按需要采確定，但不可以超過最大的尋址范圍。存儲(chǔ)器的讀寫是以字節(jié)(B)作單位，但存儲(chǔ)器芯片的容量則是以位(bit)作為單位。一片存儲(chǔ)器芯片的容量定義為：芯片容量＝存儲(chǔ)單元數(shù)×每單元位數(shù)210

＝1024＝1K

例如，2716存儲(chǔ)器的容量是2KB，即2K字節(jié)=2K×8

。例如，1

K×4的存儲(chǔ)器：有1K個(gè)單元，每個(gè)單元只有4位。23一、只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器(ReadonlyMemory)簡(jiǎn)稱為ROM。只讀存貯器（ROM）的信息在制造時(shí)或通過一定的編程方法寫入。在系統(tǒng)中通常只能讀出不能寫入；在斷電時(shí)，其信息不會(huì)丟失；它用來存放固定的程序及數(shù)據(jù)，如監(jiān)控程序、數(shù)據(jù)表格等。只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)、分類、產(chǎn)品241）只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)框圖，由地址譯碼器、存儲(chǔ)矩陣和輸出緩沖器組成。

有n條地址輸入線，m條數(shù)據(jù)線。251）只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)矩陣每一位對(duì)應(yīng)一個(gè)MOS管，ROM中存儲(chǔ)信息反映在每個(gè)MOS管柵極連接方式上W0~W3：譯碼器輸出，一般稱為字線D0~D3:位線當(dāng)?shù)刂肪€數(shù)n增大時(shí)，譯碼器輸出線數(shù)2n將變大，可采用X,Y兩個(gè)方向譯碼結(jié)構(gòu)（1）ROM：掩膜編程的ROM簡(jiǎn)稱為ROM，它的編程是由半導(dǎo)體制造廠家完成的，適合于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。262）只讀存儲(chǔ)器的分類（2）PROM：在出廠時(shí)并未存儲(chǔ)任何信息，用戶只能寫入一次（編程一次）。（3）EPROM：可改寫的現(xiàn)場(chǎng)編程ROM，整片一起擦除，能夠重復(fù)編程；（EP：ErasableProgrammable） 用電信號(hào)編程，可用專門的編程器編程。UVEPROM：用紫外線擦除的EPROM。EEPROM：用電信號(hào)進(jìn)行內(nèi)容擦除的EPROM。Intel2716

UVEPROM

是一種用紫外線擦除，用電信號(hào)編程的只讀存儲(chǔ)器。它在平時(shí)工作時(shí)用5v電源，而在編程時(shí)(寫入)要用25v的電源電壓。2716的存儲(chǔ)容量為2K×8位，即16K位。這個(gè)系列的產(chǎn)品還有2732、2764、27128等，前兩位是系列號(hào)，后幾位就是表示其存儲(chǔ)容量的(以K位為單位)。273）只讀存貯器典型產(chǎn)品舉例Intel2716

UVEPROM

的引腳2K×8位：地址線的數(shù)量：11，數(shù)據(jù)線的數(shù)量：8片選信號(hào)，輸出允許信號(hào)。28Intel2716

UVEPROM片選/編程控制輸入輸出允許信息可讀可寫；可隨時(shí)直接寫入數(shù)據(jù)；掉電后信息丟失。RAM有雙極型和MOS型兩種，MOS存儲(chǔ)器因其集成度高，功耗較低，價(jià)格便宜而得到廣泛應(yīng)用。按其工作方式的不同可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩大類。29二、隨機(jī)存取存貯器（RAM）靜態(tài)RAM：用MOS觸發(fā)器作為基本記億元件。只有在有電源的條件下，存入的數(shù)據(jù)才可以保留和讀出。掉電之后，存入的信息全部消失。靜態(tài)基本存儲(chǔ)電路在沒有新的寫人信號(hào)到來時(shí)，觸發(fā)器的狀態(tài)不會(huì)改變，所存信息將長(zhǎng)時(shí)間保存不變，條件是不能斷電，功耗大。動(dòng)態(tài)RAM：動(dòng)態(tài)基本存儲(chǔ)電路是利用MOS管柵極和源極之間的極間電容來存儲(chǔ)信息的，存有電荷為1，否則為0。電荷的逐漸泄漏會(huì)使原來存入的信息自動(dòng)消失，為了長(zhǎng)期保存信息，必須在信息消失之前使信息再生。這種操作稱為動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的刷新。刷新一般應(yīng)在2ms左右進(jìn)行一次。具有