單片機(jī)第一章-微機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)課件

單片機(jī)原理及接口技術(shù)參考資料

單片機(jī)原理及接口技術(shù)

李朝青北京航空航天大學(xué)出版社

MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)

張毅剛哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社單片微型計(jì)算機(jī)原理接口及應(yīng)用

徐惠民北京郵電大學(xué)出版社單片機(jī)實(shí)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

房小翠國防工業(yè)出版社單片微型機(jī)原理及應(yīng)用.

徐維祥等大連理工大學(xué)出版社單片機(jī)原理及應(yīng)用

曹巧媛編著電子工業(yè)出版社單片機(jī)（一個(gè)集成電路芯片）常用的接口電路（一些集成電路芯片）目錄

第七章串行口及串行通信技術(shù)第八章單片機(jī)小系統(tǒng)及外擴(kuò)展第九章應(yīng)用系統(tǒng)配置及接口技術(shù)

MCS-51指令系統(tǒng)表

MCS-51指令矩陣（匯編/反匯編)表

參考資料第一章微機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)§1.1微處理器、微機(jī)和單片機(jī)概念§1.2微機(jī)的工作過程§1.3計(jì)算機(jī)中的數(shù)和編碼§1.1微處理器、微機(jī)和單片機(jī)概念§1.1.1概念§1.1.3存儲(chǔ)器和輸入輸出接口§1.1.2微處理器的組成§1.1.1 概念1、微處理器3、單片機(jī)Back2、微型計(jì)算機(jī)9單片機(jī)的發(fā)展第一代：七十年代后期，4位邏輯控制器件發(fā)展到8位。使用NMOS工藝（速度低，功耗大、集成度低）。代表產(chǎn)品：MC6800、Intel8048。第二代：八十年代初，采用CMOS工藝，并逐漸被高速低功耗的HMOS工藝代替。代表產(chǎn)品：MC146805、Intel8051。10單片機(jī)的發(fā)展第三代：近十年來，MCU的發(fā)展出現(xiàn)了許多新特點(diǎn)：（1）在技術(shù)上，由可擴(kuò)展總線型向純單片型發(fā)展，即只能工作在單片方式。（2）MCU的擴(kuò)展方式從并行總線型發(fā)展出各種串行總線。（3）將多個(gè)CPU集成到一個(gè)MCU中。（4）在降低功耗，提高可靠性方面，MCU工作電壓已降至0.9V甚至更低。第四代：FLASH的使用使MCU技術(shù)進(jìn)入了第四代。11單片機(jī)誕生于20世紀(jì)70年代末，經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段。1.SCM即單片微型計(jì)算機(jī)（SingleChipMicrocomputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。“創(chuàng)新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計(jì)算機(jī)完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展道路上，Intel公司功不可沒。122.MCU即微控制器（MicroControllerUnit）階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴(kuò)展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時(shí)，對(duì)象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對(duì)象的智能化控制能力。它所涉及的領(lǐng)域都與對(duì)象系統(tǒng)相關(guān)，因此，發(fā)展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)廠家。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展MCU方面，最著名的廠家當(dāng)數(shù)Philips公司。Philips公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢(shì)，將MCS-51從單片微型計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展到微控制器。133.單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機(jī)的發(fā)展自然形成了SoC化趨勢(shì)。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計(jì)、EDA工具的發(fā)展，基于SoC的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)有較大的發(fā)展。因此，對(duì)單片機(jī)的理解可以從單片微型計(jì)算機(jī)、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。SoC(片上系統(tǒng))SoC就是將微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲(chǔ)器(或片外存儲(chǔ)控制接口)集成在單一芯片上。

1、微處理器(Microprocessor,簡稱

P)是小型計(jì)算機(jī)或微型計(jì)算機(jī)的控制和處理部分。

又稱中央處理單元CPU（CentralProcessingUnit）。151617182、微型計(jì)算機(jī)（Microcomputer,簡稱微機(jī)

C） 是具有完整運(yùn)算及控制功能的計(jì)算機(jī)。包括微處理器(CPU)

如圖1-1所示。存儲(chǔ)器接口適配器（輸入輸出接口電路）輸入/輸出（I/O）設(shè)備。202122多板機(jī)

主板顯卡聲卡存儲(chǔ)器接口網(wǎng)卡輸入輸出接口內(nèi)存條CPU3、單片機(jī)

（Single-ChipMicrocomputer）

是將微處理器、一定容量RAM和ROM以及I/O口、定時(shí)器等電路集成在一塊芯片上，構(gòu)成單片微型計(jì)算機(jī)。

微處理器RAMROMI/O口定時(shí)器單片微型計(jì)算機(jī)Back24CPUCPU芯片內(nèi)存條存儲(chǔ)器接口存儲(chǔ)器芯片輸入輸出接口輸入輸出接口芯片定時(shí)計(jì)數(shù)器芯片A/D、D/A芯片單板機(jī)25

單硅晶片CPU存儲(chǔ)器控制電路定時(shí)器時(shí)鐘電路I/O口單片機(jī)§1.1.2微處理器的組成一、計(jì)算機(jī)的模型Back二、微處理器的組成主要包括：運(yùn)算器和控制器一、計(jì)算機(jī)的模型微處理單元與存儲(chǔ)器及I/O接口組成的計(jì)算機(jī)模型如圖1-2所示。圖中只畫出CPU主要的寄存器和控制電路，并且假設(shè)所有的計(jì)數(shù)器、寄存器和總線都是8位寬度。2829

ALU、計(jì)數(shù)器、寄存器和控制部分除在微處理器內(nèi)通過內(nèi)部總線相互聯(lián)系以外，還通過外部總線和外部的存儲(chǔ)器和輸入/輸出接口電路聯(lián)系。外部總線一般分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，統(tǒng)稱為系統(tǒng)總線。存儲(chǔ)器包括RAM和ROM。微計(jì)算機(jī)通過輸入/輸出接口電路可與各種外圍設(shè)備聯(lián)接。Back二、微處理器的組成

1、運(yùn)算器Back

2、控制器

3、CPU中的主要寄存器１、運(yùn)算器

Back1）組成2）作用3）ALU的兩個(gè)主要的輸入來源4）運(yùn)算器的兩個(gè)主要功能

算術(shù)邏輯單元(簡稱ALU）

Back1）運(yùn)算器的組成運(yùn)算器累加器

寄存器2）運(yùn)算器ALU的作用是把傳送到微處理器的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算。Back舉例ALU可對(duì)兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行加、減、與、或、比較大小等操作，最后將結(jié)果存入累加器。ALU執(zhí)行不同的運(yùn)算操作是由不同控制線上的信息所確定的。36例如： 兩個(gè)數(shù)（7和9）相加，在相加之前，操作數(shù)9放在累加器中，7放在數(shù)據(jù)寄存器中，執(zhí)行兩數(shù)相加運(yùn)算的控制線發(fā)出“加”操作信號(hào)，ALU即把兩個(gè)數(shù)相加并把結(jié)果（16）存入累加器，取代累加器前面存放的數(shù)9。Back3）ALU的兩個(gè)主要的輸入來源Back輸入來源數(shù)據(jù)寄存器累加器4）運(yùn)算器的兩個(gè)主要功能（1）執(zhí)行各種算術(shù)運(yùn)算。Back（2）執(zhí)行各種邏輯運(yùn)算，并進(jìn)行邏輯測(cè)試。 如零值測(cè)試或兩個(gè)值的比較。２、控制器Back1）控制器的組成2）控制器的作用3）控制器的主要功能Back1）控制器的組成控制器的組成程序計(jì)數(shù)器指令寄存器指令譯碼器時(shí)序產(chǎn)生器操作控制器2）控制器的作用Back它是發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”，即協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作。3）控制器的主要功能Back對(duì)指令進(jìn)行譯碼或測(cè)試，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)，以便啟動(dòng)規(guī)定的動(dòng)作。指揮并控制CPU、內(nèi)存和輸入/輸出設(shè)備之間數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向。從內(nèi)存中取出一條指令，并指出下一條指令在內(nèi)存中的位置。３、CPU中的主要寄存器Back1、累加器（A）2、數(shù)據(jù)寄存器（DR）3、指令寄存器（IR）4、指令譯碼器（ID）6、地址寄存器（AR）5、程序計(jì)數(shù)器（PC）1）累加器（A）Back在算術(shù)和邏輯運(yùn)算時(shí)，它具有雙重功能：

運(yùn)算前，用于保存一個(gè)操作數(shù)；

運(yùn)算后，用于保存所得的和、差或邏輯運(yùn)算結(jié)

果。累加器是微處理器中最繁忙的寄存器。2）數(shù)據(jù)寄存器（DR）是通過數(shù)據(jù)總線（DBUS）向存儲(chǔ)器（M）和輸入/輸出設(shè)備I/O送（寫）或?。ㄗx）數(shù)據(jù)的暫存單元。Back3）指令寄存器（IR）用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。Back當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，先把它從內(nèi)存取到數(shù)據(jù)寄存器中，然后再傳送到指令譯碼器中。47什么是指令？指令是CPU根據(jù)人的意圖來執(zhí)行某種操作的命令。

CPU所能執(zhí)行的全部指令集合稱為指令系統(tǒng)。4）指令譯碼器（ID）指令分為操作碼和地址碼字段，由二進(jìn)制數(shù)字組成。當(dāng)執(zhí)行任何給定的指令，必須對(duì)操作碼進(jìn)行譯碼，以便確定所要求的操作。Back指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入。操作碼一經(jīng)譯碼后，即可向控制器發(fā)出具體操作的特定信號(hào)。5）程序計(jì)數(shù)器（PC）

通常又稱為指令地址計(jì)數(shù)器。Back在程序開始執(zhí)行前，必須將其起始地址，即程序的第一條指令所在的內(nèi)存單元地址送到PC當(dāng)執(zhí)行指令時(shí)，CPU將自動(dòng)修改PC的內(nèi)容，使之總是保存將要執(zhí)行的下一條指令的地址。由于大多數(shù)指令都是按順序執(zhí)行的，所以修改的過程通常是簡單的加1操作。6）地址寄存器（AR）地址寄存器用來保存當(dāng)前CPU所要訪問的內(nèi)存單元或I/O設(shè)備的地址。Back因?yàn)閮?nèi)存（I/O設(shè)備）和CPU之間存在著速度上的差別，所以必須使用地址寄存器來保存地址信息，直到內(nèi)存（I/O設(shè)備）讀/寫操作完成為止?！?.1.3存儲(chǔ)器和輸入輸出接口

一、存儲(chǔ)器Back

二、I/O接口及外設(shè)一、存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器包括RAM和ROM。其容量大小以多少字節(jié)（Byte）評(píng)價(jià)。地址總線、數(shù)據(jù)總線和若干控制線把存儲(chǔ)器和微處理器連接起來。存儲(chǔ)器從CPU接收控制信號(hào)，以確定存儲(chǔ)器執(zhí)行讀/寫操作。地址譯碼器01單元02單元03單元FF單元00FF控制來自微處理、器的地址往返于微

處理器從微處理來的讀／寫信號(hào)８位地址

總線８位數(shù)據(jù)

總線隨即存取存儲(chǔ)器地址總線將8位地址信息送入地址譯碼器，地址譯碼器的輸出可以確定唯一的存儲(chǔ)單元。數(shù)據(jù)總線用來傳送存儲(chǔ)器到CPU或CPU到存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)信息。Back二、I/O接口及外設(shè)每個(gè)外設(shè)與微處理器的連接必須經(jīng)過接口適配器（I/O接口）。

每個(gè)I/O接口及其對(duì)應(yīng)的外設(shè)都有一個(gè)固定的地址，在CPU的控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)的輸入（讀）和輸出（寫）操作。Back§1.2微機(jī)的工作過程§1.2.1執(zhí)行一條指令的順序§1.2.2執(zhí)行一條指令的過程§1.2.3執(zhí)行一個(gè)程序的過程Back57計(jì)算機(jī)采取“存儲(chǔ)程序”的工作方式，

即事先把程序加載到計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中，

當(dāng)啟動(dòng)運(yùn)行后，計(jì)算機(jī)便自動(dòng)進(jìn)行工作。

任何計(jì)算機(jī)都有指令系統(tǒng)，有十幾條至一

百多條指令，并有若干種尋址方式。

§1.2.1執(zhí)行一條指令的順序執(zhí)行一條指令分兩個(gè)階段：取指、執(zhí)指。取指：從存儲(chǔ)器中取出指令。執(zhí)指：CPU執(zhí)行指令規(guī)定的操作。Back開始取一條指令執(zhí)行該指令§1.2.2執(zhí)行一條指令的過程以指令“LDA23”為例

將地址為23的內(nèi)存單元中的內(nèi)容送入累加器A中。

LDA指令的指令周期由三個(gè)CPU周期(即機(jī)器周期)

組成。Back三個(gè)CPU周期（機(jī)器周期）：第一個(gè)機(jī)器周期：取指令階段。第二個(gè)機(jī)器周期：將操作數(shù)的地址送往地址寄存器并完成地址譯碼。第三個(gè)機(jī)器周期：從內(nèi)存取出操作數(shù)并執(zhí)行裝入的操作。Back譯指令碼取指令PC+1取出操作數(shù)送操作數(shù)地址譯指令碼執(zhí)行操作開始取下條指令PC+1取指階段執(zhí)行指令階段一個(gè)CPU周期一個(gè)CPU周期一個(gè)CPU周期Back§1.2.3執(zhí)行一個(gè)程序的過程計(jì)算機(jī)執(zhí)行一個(gè)程序是一條指令一條指令執(zhí)行的。程序的執(zhí)行順序是：

取指→執(zhí)指，取指→執(zhí)指，取指→執(zhí)指......直至程序結(jié)束。Back§1.3計(jì)算機(jī)中的數(shù)和編碼1.3.1數(shù)制及轉(zhuǎn)換1.3.2數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示1.3.3計(jì)算機(jī)中的常用編碼一、進(jìn)位計(jì)數(shù)制

（1）十進(jìn)制數(shù)逢10進(jìn)10、1、2...9（2）二進(jìn)制數(shù)逢2進(jìn)10、1（3）八進(jìn)制數(shù)逢8進(jìn)10、1、2、3、4、5、6、7（4）十六進(jìn)制

數(shù)逢16進(jìn)10、1、2...9、A、B、C、D、E、F1.3.1數(shù)制及轉(zhuǎn)換舉例：

十進(jìn)制123、59、11二進(jìn)制1101、10110011、11八進(jìn)制543、11、735十六進(jìn)制45AF、BDC69、11、1101數(shù)位的權(quán)

從右始第n位.....第四位第三位第二位第一位十進(jìn)制10n-1.....1000100101二進(jìn)制2n-1.....8421八進(jìn)制8n-1.....5126481十六進(jìn)制16n-1.....4096256161計(jì)算：

n:整數(shù)位，m:小數(shù)位，Q:權(quán)值，α:有效數(shù)字二、數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換1、轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)

二進(jìn)制1101=1×23+1×22+0×21+1×10=1311.101=1×21+1×10+1×2-1+0×2-2+1×2-3=3.625

八進(jìn)制543=5×82+4×81+3×80=35511.47=1×81+1×80+4×8-1+7×8-2=9.609375

十六進(jìn)制45AF=4×163+5×162+A×161+F×160=1783911.B5=1×161+1×160+B×16-1+5×16-2=

=17.70703125

2、十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)：

除2之余數(shù)

十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)：

乘2之整數(shù)(25.625)10=(11001.101)22222225126310……余數(shù)……1LSB……1……1MSB……0……00.625×2=1.25……整數(shù)為１MSB0.25×2=0.5

……整數(shù)為0

0.5×2=1……整數(shù)為１LSB

3、八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)23=8，

所以一位八進(jìn)制數(shù)相當(dāng)于三位二進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換方便。

(563)8=(101110011)2

(40.764)8=(100000.111110100)2

(11101110011)2=(3563)8(0.1011000111)2=(0.5434)8

4、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)24=16，

所以一位十六進(jìn)制數(shù)相當(dāng)于四位二進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換方便(3AB)16=(001110101011)2

(0.7A53)16=(0.0111101001010011)2

(1101111100011.100101111)2=(1BE3.978)16

1.3.2數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示一、有符號(hào)數(shù)二、無符號(hào)數(shù)一、有符號(hào)數(shù)一個(gè)字節(jié)，D7--D0。

D7：符號(hào)位。

D6--D0：數(shù)字位。符號(hào)位：0表示正，1表示負(fù)。

D7D6D0連同一個(gè)符號(hào)位在一起作為一個(gè)數(shù)，就稱為機(jī)器數(shù)機(jī)器數(shù)的三種表示方法：原碼、反碼、補(bǔ)碼。

（1）原碼正數(shù)的符號(hào)位用0表示。負(fù)數(shù)的符號(hào)位用1表示。

這種表示法稱為原碼。范圍：-127~+127例如；

x1=67

[x1]原=01000011