第1章 微型機(jī)的基

第1章微型機(jī)的基本知識

微處理器、微型機(jī)和單片機(jī)的概念

微型機(jī)模型的組成

微機(jī)系統(tǒng)單片微型計(jì)算機(jī)1.1微處理器、微型機(jī)和單片機(jī)的概念

控制器存儲器輸入設(shè)備運(yùn)算器輸出設(shè)備馮·諾依曼機(jī)型1.1.1微處理器（Microprocessor）

又稱為中央處理單元CPU(CentralProcessingUnit)。它是將運(yùn)算器(ALU)、控制器(CU)和寄存器組(R)等功能部件，通過內(nèi)部總線集成在一塊硅片上。CPU具有的功能：可以進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算；可以保存少量數(shù)據(jù)；能對指令進(jìn)行譯碼并執(zhí)行規(guī)定的動作；能和存儲器、外設(shè)交換數(shù)據(jù)；提供整個系統(tǒng)所需要的定時和控制；可以響應(yīng)其他部件發(fā)來的中斷請求。1.1.2微型機(jī)（Microcomputer）

由CPU、存儲器、輸入/輸出接口電路和系統(tǒng)總線——

地址總線AB（AddressBus），控制總線CB（ControlBus）和雙向數(shù)據(jù)總線DB（DataBus）構(gòu)成。 以微型計(jì)算機(jī)為中心，配以電源、輔助電路和相應(yīng)的外設(shè)，以及指揮協(xié)調(diào)微型計(jì)算機(jī)工作的系統(tǒng)軟件及應(yīng)用軟件，就構(gòu)成了微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(MicrocomputerSystem)。地址總線DB控制總線CB

CPU微處理器

M存儲器

I/O接口電路外部設(shè)備數(shù)據(jù)總線AB圖1-1微型計(jì)算機(jī)組成1.1.3單片機(jī)

SingleChipMicrocomputer

將中央處理單元CPU和一定容量的數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時/計(jì)數(shù)器T/C、并行輸入輸出接口I/O和串行通訊接口UART

等多個功能部件集成在一塊芯片上。 由于單片機(jī)面向控制，又被稱為微控制器Microcontroller。1.2微型機(jī)模型的組成1.2.1CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1、運(yùn)算器

運(yùn)算器由算術(shù)邏輯單元ALU、累加器A（Accumulator）、標(biāo)志寄存器F(Flag)

和寄存器組、相互之間通過內(nèi)部總線連接而成。進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算進(jìn)行與、或、非、異或、移位、比較等邏輯運(yùn)算 標(biāo)志寄存器用來存放ALU運(yùn)算結(jié)果的各種特征狀態(tài)。暫存器累加器鎖存器ALU標(biāo)志F1.2.1CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2、控制器

控制器CU由程序計(jì)數(shù)器PC

、指令寄存器IR

、指令譯碼器ID

、操作控制部件或稱為組合邏輯陣列PLA

和時序發(fā)生器等電路組成，是發(fā)布操作命令的“決策機(jī)構(gòu)”。PLA控制總線內(nèi)部總線IDIR1.2.1CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)控制器的主要作用：解題程序與原始數(shù)據(jù)的輸入、從內(nèi)存中取出指令并譯碼譯碼后依指令可控制運(yùn)算器對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳送與加工運(yùn)算結(jié)果的輸出外部設(shè)備與主機(jī)之間的信息交換計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中隨機(jī)事件的自動處理等PLAIDIR控制總線內(nèi)部總線1.2.1CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

——CPU中的主要寄存器

累加器ACPU中最繁忙的寄存器。數(shù)據(jù)寄存器DR

數(shù)據(jù)寄存器DR是CPU的內(nèi)部總線和外部數(shù)據(jù)總線的緩沖寄存器，是CPU與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通道。主要用來緩沖或暫存指令、指令的操作數(shù)、操作數(shù)地址。寄存器組R這是CPU內(nèi)部工作寄存器，用于暫存數(shù)據(jù)、地址等信息。一般分為通用寄存器組和專用寄存器組。指令寄存器IR、指令譯碼器ID、操作控制部件PLA

這是控制器的主要組成部分。IR用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令，這條指令送到ID，通過譯碼，由PLA發(fā)出相應(yīng)的控制命令C，以完成指令規(guī)定的操作。程序計(jì)數(shù)器PC

程序計(jì)數(shù)器PC又稱指令地址指針，用來存放下一條從內(nèi)存中取出并要執(zhí)行的指令地址。地址寄存器AR（AddressRegister）地址寄存器AR是CPU內(nèi)部總線和外部地址總線的緩沖寄存器，是CPU與系統(tǒng)地址總線的連接通道。標(biāo)志寄存器F

標(biāo)志寄存器F（Flags）也稱程序狀態(tài)字PSW（Programstateword），是用來存放ALU運(yùn)算結(jié)果的各種特征狀態(tài)的，如運(yùn)算有無進(jìn)（借）位、有無溢出、結(jié)果是否為零等。這些都可通過標(biāo)志寄存器的相應(yīng)位來反映。

特殊功能寄存器(PSW) CY(PSW.7)進(jìn)位/借位標(biāo)志位。若ACC在運(yùn)算過程中發(fā)生了進(jìn)位或借位，則CY=1；否則=0。它也是布爾處理器的位累加器，可用于布爾操作。CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0PSW.6PSW.5101100110111010100101000+CY=1001100110111010110101000+CY=0特殊功能寄存器(PSW)AC(PSW.6)半進(jìn)位/借位標(biāo)志位。若ACC在運(yùn)算過程中，D3位向D4位發(fā)生了進(jìn)位或借位，則CY=1,否則=0。機(jī)器在執(zhí)行“DAA”指令時自動要判斷這一位，我們可以暫時不關(guān)心它。F0(PSW.5)可由用戶定義的標(biāo)志位。CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0PSW.6PSW.5特殊功能寄存器(PSW)RS1(PSW.4)、RS0(PSW.3)工作寄存器組選擇位。

RS1，RS0=00則選擇了工作寄存器組

0區(qū)

R0～R7分別代表08H～0FH單元。

RS1，RS0=01則選擇了工作寄存器組

1區(qū)

R0～R7分別代表08H～0FH單元。

RS1，RS0=10則選擇了工作寄存器組

2區(qū)

R0～R7分別代表10H～17H單元。

RS1，RS0=11則選擇了工作寄存器組

3區(qū)

R0～R7分別代表18H～1FH單元。CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0PSW.4PSW.3

片內(nèi)RAM前32個單元(00H—1FH)是工作寄存器區(qū)

(由PSW中的RS1,RS0決定)00H20H2FH7FH1FH30H80HFFH52子系列才有的RAM區(qū)普通RAM區(qū)位尋址區(qū)工作寄存器區(qū)R0R2R1R3R4R5R6R707H02H01H00H06H04H05H03H08H1FH工作寄存器區(qū)3工作寄存器區(qū)2工作寄存器區(qū)1工作寄存器區(qū)0工作寄存器區(qū)說明特殊功能寄存器(PSW)OV(PSW.2)溢出標(biāo)志位。

OV=1時特指累加器在進(jìn)行帶符號數(shù)(-128—+127)運(yùn)算時出錯（超出范圍）；OV=0時未出錯。PSW.1未定義。P(PSW.0)奇偶標(biāo)志位。

P=1表示累加器中“1”的個數(shù)為奇數(shù)

P=0表示累加器中“1”的個數(shù)為偶數(shù)

CPU隨時監(jiān)視著ACC中的“1”的個數(shù),并反映在PSW中CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0PSW.2PSW.1

在有符號數(shù)的二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算中，如果其運(yùn)算結(jié)果超過了機(jī)器數(shù)所能表示的范圍，并改變了運(yùn)算結(jié)果的符號位，則稱之為溢出，因而OV標(biāo)志僅對有符號數(shù)才有意義。

0110101101011100

＋11000111=

71OV＝1107＋92＝199進(jìn)位位CY和溢出標(biāo)志OV比較溢出標(biāo)志OV（Overflow）詳解0000010100001010

＋00001111CY＝0

OV＝00000100011111011

＋000000110000100001111100

＋10000100CY＝1

OV＝0CY＝0

OV＝11CY＝1

OV＝11000011111110101

＋011111001（a）（b）（c）（d）CY為1表示無符號數(shù)運(yùn)算產(chǎn)生溢出，但并不是運(yùn)算出錯。OV為1表示有符號數(shù)運(yùn)算產(chǎn)生溢出，表示運(yùn)算出錯。溢出標(biāo)志OV和進(jìn)位標(biāo)志CY舉例堆棧與堆棧指示器SP（StackPointer）堆棧是按照“先進(jìn)后出”或“后進(jìn)先出”原則組織的一個存儲區(qū)域；對其操作是由壓入指令（PUSH）和彈出指令（POP）完成，數(shù)據(jù)進(jìn)、出均在棧頂進(jìn)行；棧頂?shù)刂酚啥褩Ｖ羔楽P給出，并可自動進(jìn)行管理，即數(shù)據(jù)出、入時，它可自動隨之修改（如+1、或-1）。堆棧操作演示1.2.2存儲器M（Memory）

假設(shè)的模型機(jī)隨機(jī)讀寫存儲器RAM（RandomAccessMemory）框圖假如：將55H寫入到01H單元1.2.3I/O接口和外設(shè) I/O接口與地址總線、控制總線和數(shù)據(jù)總線的連接同存儲器一樣，而外部設(shè)備與CPU的連接必須通過I/O接口電路。地址總線DB控制總線CB

CPU微處理器

M存儲器

I/O接口電路外部設(shè)備數(shù)據(jù)總線AB圖1-1微型計(jì)算機(jī)組成1.指令和指令系統(tǒng)

程序即用戶要解決某一特定問題所編排的指令序列，編排的過程稱為程序設(shè)計(jì)。

01110100

MOV A，#15H;(A)=15H00010101;取數(shù)到A00100100ADDA，#30H;(A)=(A)+30H

00110000

;相加11110101MOV30H，A;(30H)←(A)00110000

;保存結(jié)果指令的機(jī)器碼或機(jī)器語言指令的助記符或匯編語言注釋1.2.4模型機(jī)的工作過程（1）指令的格式

所謂指令就是使計(jì)算機(jī)完成某種基本操作，如加、減、乘、除、移位、與、或、非等操作命令。全部指令的集合構(gòu)成指令系統(tǒng)。指令通常由兩部分組成：第一部分為操作碼（OPC），表示計(jì)算機(jī)要作何種操作；第二部分為操作數(shù)（OPD），指明參加運(yùn)算的操作數(shù)或存放該數(shù)的地址。1.2.4模型機(jī)的工作過程格式：操作碼

操作數(shù)或地址

在計(jì)算機(jī)中，指令是以一組二進(jìn)制編碼的數(shù)來表示和存儲的

（2）指令執(zhí)行過程1.2.4模型機(jī)的工作過程取指令PC+1操作譯碼取操作數(shù)地址地址譯碼取操作數(shù)執(zhí)行操作取下一條指令PC+1開始一個CPU周期一個CPU周期一個CPU周期一個指令周期取指階段執(zhí)指階段1.2.4模型機(jī)的工作過程舉例：相加程序地址內(nèi)容指令助記符注釋00H01H02H03H04H05H…011101000001010100100100001100001000000011111110……MOVA，#15H

ADDA，#30H

SJMP$

…取數(shù)指令，第一字節(jié)是操作碼第二字節(jié)就是指令的操作數(shù)加法指令，第一字節(jié)是操作碼第二字節(jié)也是指令的操作數(shù)兩字節(jié)指令，執(zhí)行原地踏步操作1.2.4模型機(jī)的工作過程演示1.3微機(jī)系統(tǒng)微機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)微機(jī)微處理器存儲器I/O接口系統(tǒng)總線外設(shè)、電源機(jī)箱等程序設(shè)計(jì)語言：機(jī)器語言匯編語言高級語言系統(tǒng)軟件：應(yīng)用軟件：操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序與編譯解釋程序等數(shù)據(jù)庫、軟件包和窗口軟件等1.3.1微機(jī)硬件組成CPU通過總線來實(shí)現(xiàn)與存儲器、I/O接口的數(shù)據(jù)交換。CPU微處理器輔助電路ROMRAMI/O外設(shè)控制總線CB數(shù)據(jù)總線DB地址總線AB數(shù)據(jù)總線（DataBus―DB）

——雙向、三態(tài)用來在微處理器、存儲器以及輸入/輸出接口之間傳送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)總線的根數(shù)決定了一次可以傳遞二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。CPU微處理器輔助電路ROMRAMI/O外設(shè)控制總線CB數(shù)據(jù)總線DB地址總線AB地址總線（AddressBus―AB）

——單向、三態(tài)

地址總線用來傳送CPU發(fā)出的地址信息，以訪問被選擇的存儲單元或I/O接口電路。

地址總線的位數(shù)決定了可以直接訪問的存儲單元(或I/O口)的最大可能數(shù)量（即容量）。CPU微處理器輔助電路ROMRAMI/O外設(shè)控制總線CB數(shù)據(jù)總線DB地址總線AB控制總線（ControlBus―CB）CPU微處理器輔助電路ROMRAMI/O外設(shè)控制總線CB數(shù)據(jù)總線DB地址總線AB控制總線用來傳輸控制信號，包括CPU送往存儲器和I/O接口電路的控制信號，如、、INTA等；還包括其他部件送到CPU的信號，如、RESET等。不同的CPU控制總線根數(shù)及含義不盡相同。RDWRINT

數(shù)據(jù)總線和每個元件的數(shù)據(jù)線相連，為了使CPU能夠和其中一個元件正確通信，必須使用三態(tài)邏輯元件（特別針對輸入元件）。

（1）單向三態(tài)緩沖器

VCCTSCDY12T1T2圖1-10單向三態(tài)電路圖TSCDY00101101高阻真值表TSGDY圖1-11單向三態(tài)電路符號0001001011三態(tài)邏輯元件（1）單向三態(tài)緩沖器

VCCTSCDY12T1T2圖1-10單向三態(tài)電路圖TSCDY00101101高阻真值表TSGDY圖1-11單向三態(tài)電路符號1100高阻三態(tài)邏輯元件（2）三態(tài)雙向緩沖器

TSG1DY圖1-12雙向三態(tài)電路符號TSG2當(dāng)TSC1＝”1”，Y＝D當(dāng)TSC2＝”1”，D＝Y(jié)當(dāng)TSCi＝”0”，兩端均呈高阻狀態(tài)。三態(tài)邏輯元件例：CPU通過控制“片選”來選擇一元件和其通信，其其它的元件其數(shù)據(jù)輸出端均為高阻（斷開）狀態(tài)，E舉例假設(shè)片選狀態(tài)如圖所示舉例

1.程序設(shè)計(jì)語言（1）機(jī)器語言用機(jī)器能夠直接識別的二進(jìn)制指令代碼（即機(jī)器碼或可執(zhí)行的目標(biāo)代碼）編寫的程序稱為機(jī)器語言。

執(zhí)行速度快不易記憶，十分繁瑣?！脵C(jī)器語言編寫程序是極其困難的。

特點(diǎn)：1.3.2軟件系統(tǒng)1.程序設(shè)計(jì)語言

（2）匯編語言

用機(jī)器指令系統(tǒng)的助記符（能反映指令特征和操作性質(zhì)的英文單詞或英文縮寫），用符號代替操作數(shù)來編寫的程序稱為匯編語言程序。

用匯編語言編寫的程序不僅執(zhí)行速度快，又可以有效地利用機(jī)器本身的專有特性，從而提高機(jī)器的工作效率。用匯編語言編寫的程序由于面向機(jī)器，在一種機(jī)型上不能運(yùn)行另一種機(jī)型的匯編程序，通用性差。特點(diǎn)：1.3.2軟件系統(tǒng)1.程序設(shè)計(jì)語言

（3）高級語言

用戶不必了解具體機(jī)器結(jié)構(gòu)，而是面向問題，如BASIC、FORTRAN、PASCAL、C等各種高級語言。高級語言容易理解、學(xué)習(xí)和掌握，用戶用高級語言編寫程序就方便多了，可大大減少工作量。但計(jì)算機(jī)執(zhí)行時，必須將高級語言編寫的源程序翻譯成機(jī)器語言表示的目標(biāo)代碼方能執(zhí)行。這個“翻譯”就是各種編譯程序(Compiler)或解釋程序

(Interpreter)。1.3.2軟件系統(tǒng)2.系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是用來提高計(jì)算機(jī)的使用效率、增加計(jì)算機(jī)的功能、簡化程序設(shè)計(jì)、方便用戶使用的一類程序，一般由專門的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)人員開發(fā)。如操作系統(tǒng)(OS：Operatingsystem)、監(jiān)控程序、診斷程序、編譯和解釋程序統(tǒng)稱系統(tǒng)軟