自动化与交通设备微机教案绪论.ppt

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1、单片机原理及应用,绪论,一、本课程的性质和学习意义已经学习了很多关于微机的课程了（列举？）为什么还要学习单片机原理及应用这门课？,一个应用实例：,J3,J2,J1,压力报警,高水位限位,低水位限位,度温度,度温度,INT,P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,P1.4,P1.5,P1.6,P1.7,+5V,AT89C51单片机,电加热锅炉单片机控制系统,列车防追尾系统,是一门非常重要的学科基础课,二、与主要先修课程和后续课程的关系 主要先修课程：数字电子技术、程序设计；主要后续课程：微机控制、可编程序控制器原理及应用、DSP原理及应用等多门专业及专业基础课尤其是毕业设计中将会较多的用到,三、

2、本门课程的主要内容（学习本门课程要达到的目的）1、了解微型计算机的基本结构和工作原理,2、重点掌握MCS-51系列单片机的原理及应用(1)、MCS-51系列单片机的硬件结构与工作原理（包括内部结构与外部引脚）(2)、MCS-51系列单片机的指令系统(3)、MCS-51系列单片机的程序设计(4)、MCS-51系列单片机的系统扩展与接口设 计(5)、单片机系统的设计与调试（课程设计）,四、本课程的特点及学习方法 内容较多，既牵扯到硬件又牵扯到软件。许多数据、信号等只在单片机内部传输，比较抽象，而且有些知识前面介绍了要到后面才会 具体用到。因此要求（1）预习（2）认真听讲勤于思考（3）课后要复习，学

3、习要反复（4）多看参考书（5）多实践,五、教材与教学参考书及网络教学资源教材：单片微型计算机原理及应用姜志海、刘连鑫、王蕾编著参考书：MCS-51单片机原理及应用秦实宏徐春辉主编单片机原理及其接口技术(第二版)胡汉才编著微型计算机（MCS-51系列）原理、接口及应用张慰兮主编微型计算机原理应用郑学坚等编网络教学资源：华东交大网络教学平台校精品课程：微机应用原理与接口技术,六、考核问题考试课（闭卷考试）成绩构成：考试成绩占70%，平时成绩占30%平时成绩包括：课堂提问与答疑实验作业考勤（不旷课、有事先请假，尽量不请事假，病假以医院假条为准。旷课三次，此项目为零，（按校规，旷课超过三次（总学时的1

4、0分之一）或事假，病假合计超过次（总学时的三分之一）取消考试资格，）,七、课时安排总共计划学时，其中上机实验6学时，实验室实验4学时。另外，还有二周时间的课程设计（第7、18周）,答疑与辅导：时间：星期四7、8节课地点：1056,我的三个目标：第一、和大家交朋友（一种缘份）第二、帮助大家实现各自的目标第三、成为大家都喜爱的好老师.Email:电话：2991779沟通渠道全方位开放，提倡有话当面直说，有问题直接解决,尽早解决。,第一章微型计算机基础,1.1 微型计算机概述1.2 计算机中的数和编码1.3 微型计算机运算基础1.4 数字电路基础1.5 微型计算机基本结构及其工作原理1.6 单片微型

5、计算机概述,返回目录页,第一节微型计算机概述,1946年2月15日，在美国的宾夕法尼亚大学，第一台电子数字计算机ENIAC问世，这标志着计算机时代的到来。（CALCULATOR）,19,返回本章首页,一、计算机的基本概念,现在广泛使用的计算机，其全称是数字电子式计算机，俗称电脑。简单地讲，计算机是一种能够存储程序，并能自动连续地执行程序，对各种数字化信息进行运算的现代化电子设备。从3个方面进行理解：,（1）是能够进行各种运算的设备。（2）用数字代码（即二进制数）来表示各种信息，因此称为数字计算机。（3）采用的是一种存储程序的工作方式，即先编写程序，再由计算机将这些程序存储起来，然后自动连续地、

6、快速地执行程序，从而实现各种运算处理。,为了存储程序与数据，需要存储器；为了进行运算，需要运算器；为了输入程序和数据及输出运算结果，需要有输入设备和输出设备；此外还需要控制器对计算机各个部件的工作进行控制和管理。,冯诺依曼体制:,冯诺依曼在1945年提出了数字计算机的若干思想，后被称为冯诺依曼体制:采用二进制代码表示数据和指令。采用存储程序的工作方式，即先编写程序，然后存储程序，最后自动连续地执行程序。由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备组成计算机硬件系统。,1存储程序的工作方式,（1）编写程序（2）存储程序（3）自动、连续地执行程序“数字”则表示计算机中的信息（控制信息和数据信息）均

7、采用数字化表示方法。例如，二进制11001表示9，01000001表示字符A等。,2信息的数字化表示,二、计算机的工作过程,计算机的工作过程实际上是执行程序的过程，而程序是由一系列指令组成的，因此执行程序的过程就是按顺序执行指令的过程。通常，计算机要运行某个程序时，该程序预先要调入内存的一系列单元中，在程序执行过程中完全由计算机自动执行而不需要人工干预，具体包括下列几步。,（1）取出指令（2）分析指令（3）执行指令（4）形成下一条指令地址,三、MC的发展、分类、特点及应用 微型计算机（Micro Computer-MC),1、MC的发展：（六个时期）第1时期（19711973年）：4位或8位低

8、档微处理器和微机；第2时期（19731977年）：8位中高档微处理器和微机；第3时期（19781984年）：16位微处理器和微机；,第4时期（19851992年）：32位微处理器和微机；第5时期（19931999年）：超级32位Pentium微处理器和微机 第6时期（2000年以后）：新一代64位微处理器Merecd和微机,2、MC的分类：4种分类方法,（1）按微处理器的位数（字长）分：4位机、8位机、16位机、32位机、64位机（2）按MC的用途分：通用机和专用机两类（3）按MC的档次分：低档机、中档机和高档机（4）按MC的组装形式和系统规模分：单片机、单板机、个人计算机,3、MC特点,（1

9、）体积小、重量轻、功耗低（2）可靠性高、使用环境条件要求低（3）结构简单灵活、系统设计方便、适应性强（4）性能价格比高,4、MC应用,（1）科学计算（2）数据处理和与信息管理（3）CAD、CAM、CAA和CAI的应用（4）过程控制和仪器仪表智能化（5）军事领域的应用（6）多媒体系统和信息高速公路（7）家用电器和家庭自动化（8）人工智能的应用,四、MC发展趋势,多级流水线结构 芯片上存储器管理技术 虚拟存储技术 并行处理的哈佛结构 RISC结构 整片集成技术,五、MC基本结构,MC机是由硬件和软件两大部分组成。硬件是指为组成计算机而有机联系的电子、电磁、机械、光学的元件、部件或装置的总和，它是有

10、型的物理实体。软件是相对于硬件而言的，从狭义的角度看，软件包括计算机运行所需要的各种程序；而从广义角度讲，软件还包括手册、说明书和有关资料。,1、硬件基本结构,MC由运算器、控制器、存储器、输入设备及输出设备五大部分组成。,运算器+控制器+存储器=主机；输入+输出设备则称为计算机的外围设备（简称“外设”）；运算器+控制器=中央处理单元CPU（Central Process Unit）。,2微型计算机的软件,计算机能够脱离人的直接控制而自动地操作与运算，还必须要有软件。软件是指使用和管理计算机的各种程序（Program），而程序是由一条条指令（Instruction）组成的。程序的集合构成了计算

11、机中的软件系统。,（1）指令,控制计算机完成各种操作的命令称为指令。例如：ADDA，#38指令分成操作码和操作数两大部分。操作码表示该指令执行何种操作，操作数表示参加运算的数据或数据所在的地址。,（2）程序,为了计算一个数学式，或者要控制一个生产过程，需要事先制定计算机的计算步骤或操作步骤。计算步骤是由一条条指令来实现的。这种一系列指令的有序集合称为程序。编制程序的过程称为程序设计：例如，计算63+56+36+14=？编制的程序如下：MOVA，#63ADDA，#56ADDA，#36 ADDA，#14,（3）汇编语言、高级语言和机器语言,汇编语言与机器语言的对照：MOV A，#63 0111 0

12、100 0011 1111 ADD A，#56 0010 0100 0011 1000 ADD A，#36 0010 0100 0010 0100 ADD A，#14 0010 0100 0000 1110,（4）汇编、编译与解释程序,3硬件和软件的关系,微机系统是硬件和软件有机结合的整体。计算机的硬件和软件是密可不分但又相互独立的。硬件是基础 软件是灵魂,六、微处理器、MC、MC系统,1、微处理器CPU 微处理器是利用微电子技术将计算机的核心部件（运算器和控制器）集中做在一块集成电路上的一个独立芯片。它具有解释指令、执行指令和与外界交换数据的能力。无论那种CPU，其内部基本组成总是大同小异，

13、其内部包括三部分：运算器、控制器、内部寄存器阵列（工作寄存器组）,典型微处理器结构图：,（1）运算器：,算术逻辑运算单元和累加器、标志寄存器、二十进制调整电路（2）控制器：控制器包括指令寄存器IR、指令译码器ID和定时与控制电路三部分。（3）内部寄存器阵列（4）程序计数器,功能：,可以进行算术和逻辑运算；可保存小量数据；能对指令进行译码并执行规定的动作；能和存储器、外设进行数据交换；提供整个系统所需要的定时和控制；可以响应其他部件发来的中断请求,关键使用：,内部的寄存器-名字（符号）、大小、特殊性（关键是使用）,2、微型计算机,由：CPU、存储器、输入/输出（I/O）口电路构成，各部分之间通过

14、总线（Bus）连接。,（1）CPU：,CPU是微型计算机的核心，它的性能决定了整个微型计算的各项关键指标。微处理器本身不能构成独立工作的系统，也不能独立执行程序，必须配上存储器、外部输入/输出接口构成一台微型计算机方能工作。,（2）存储器,存储器是微型计算机的重要组成部分，是用来存放程序和数据的，计算机有了存储器才具备记忆的能力。存储器是由存储器单元组成的由地址确定。从应用的角度讲，计算机工作时，CPU对存储器的操作只有“读”和“写”操作。,（3）输入/输出接口电路,输入/输出接口作桥梁，起到信息转换与协调的作用。从应用的角度讲，计算机工作时，CPU对I/O口的操作只有“读”和“写”。操作时对

15、端口号的操作。,（4）总线,总线就是在微型计算机各芯片之间或芯片内部各部件之间传输信息的一组公共通信线。MC总线的种类非常多，可分为内部总线、元件级总线、系统总线、外部总线四大类。在MC中使用比较多的是元件级总线。元件级总线包括地址总线AB（Address Bus）、数据总线DB（Data Bus）、控制总线CB（Control Bus）三种。,地址线总线：三态单向 A15A0 1K=1024数据线：三态双向 D7D0控制线：/RD、/WR、三态门,3、微型计算机系统(MC系统）,以MC为主体，配上外部输入/输出设备、外围设备、电源、系统软件一起构成应用系统，称为MC系统.,七、常用的术语,二

16、进制、十进制、十六进制位、字节、半字节、字字长CPU、存储器、I/O口总线：AB、DB、CB地址空间、I/O口口地址,第二节计算机中的数和编码,1.2.1 计数制1.2.2 二进制数（用B表示）1.2.3 十六进制数（用H表示）1.2.4 不同进制数之间的转换1.2.5 数制书写约定1.2.6 计算机中数的表示1.2.7 计算机常用编码,返回本章首页,1.2.1 计数制,日常生活中广泛使用的数为十进制数，这是一种逢十进一的计数方法。用的数制还有二进制、八进制和十六进制等。基数小于10的计数制，可用十进制相应的数码作为它的数字符号，一个数一般由多个数码组成。数码在数中的位置不同，其值也不同。,返

17、回本节,1.2.2 二进制数（用B表示）,以2为基数的数制称为二进位计数制，它只包括0和1两个数码，很容易用电子元件的两种不同的状态来表示，例如，用高电平表示1，用低电平表示0。所以，计算机中通常采用二进制数。二进制数的计数特征：逢二进一，运算简单。在加、减、乘、除四则运算中，乘法实质上是做移位加法，除法则是移位减法。,返回本节,1.2.3 十六进制数（用H表示）,为了书写和阅读方便，经常采用十六进制数作为二进制的缩写形式。十进制数、二进制数、十六进制数的对照表如表1-1所示。在计数时，逢十六进一，这样书写长度短，且可方便将十六进制数转换为二进制数或将二进制数转换为十六进制数。,表1-1 十进

18、制数、二进制数、十六进制数对照表,返回本节,1.2.4 不同进制数之间的转换,1二进制转换为十进制基本方法：将二进制数按权展开式，利用十进制数的运算法则求和，即可得到等值的十进制数。,2十进制到二进制的转换l 十进制整数转换为二进制整数l 十进制小数转换为二进制小数l 带小数的十进制数转换为二进制数,3二进制、十六进制之间的相互转换将二进制数转换为十六进制数，从低位开始，每四位一组，然后将其转换为对应的十六进制数。如最后一组不足四位，需在左边补0。用同样方法可将二进制小数转换十六进制小数。只是分组应从小数点右边开始分成四位一组。十六进制数转换为二进制数，将每位十六进制数直接转换成相应的二进制数

19、。,返回本节,1.2.5 数制书写约定,在书写计算机程序时，一般不用基数作为下标来区分各种进制，而是用相应的英文字母作后缀来表示各种进制的数。例如：B（Binary）表示二进制数。D（Decimal）表示十进制数，一般D可省略，即无后缀的数字为十进制数。H（Hexadecimal）表示十六进制数。,返回本节,1.2.6 计算机中数的表示,1原码、反码和补码l原码：在符号位中用0表示正、用1表示负的二进制数，称为原码。例如，x1=1110111B，x1原=01110111B x2=1110111B，x2原=11110111B数0可是0或0。因此，0在原码中形式：0原=0000 0000B，0原=

20、1000 0000B,l 反码：正数的反码=原码；负数的反码=原码的符号位不变而数值按位取反。所谓按位取反，即将各位的1变成0，0变成1。例如，x1=13，x1反=13原=0 0001101B。又如，x2=13，x2原=13原=1 0001101B，x2反=13反=1 1110010B。,l补码：正数的补码=原码；负数的补码=反码1。例如，x1=1101101B，x1补=13原=0 1101101B。又如，x2=1101101B，x2反=10010010B，x2补=10010011B。在补码表示中，“0”是唯一的。即0补=00000000B,2数的小数点表示方法 l定点表示法：表示小数点的位置

21、是固定不变的。分为纯整数和纯小数两类。,纯整数表示方法,纯小数表示方法,其格式如下所示：,0 110 0100=+110 0100.,0 110 0100=+0.110 0100,l 浮点表示法浮点表示法中小数点的位置是不固定的。如D=125=0.125103=1.25102 同样，任意二进制数N一般可表示为：N=2PS 如：1101B=2100B0.1101B 一个浮点数分为阶码和尾数两部分，二者各有表示正负的阶符和数符，常用存储格式：,在微计算机中常用的浮点数表示有：（1）四字节浮点数格式（如图1-2所示），它由一个字节指数（EXP）、三个字节尾数构成，共用四个存储单元。（2）三字节浮点数

22、格式（如图1-3所示）。,图1-2 四字节浮点数格式,图1-3 三字节浮点数格式,D7 D6 D5D0,返回本节,1.2.7 计算机常用编码,常见的编码有BCD码、ASCII码等。1二 十进制编码是一种用二进制编码的十进制数，称BCD码。BCD码用标准的8421的纯二进制码的十六个状态中的十个（如表1-2所示）。用BCD码表示十进制数，只要将每位十进制数用适当的四位二进制码代替即可。,表1-2 BCD编码,2字母和符号的编码微机普遍采用的是ASCII码（如表1-3所示）。ASCII码是一种八位代码，最高位一般用于奇偶校验，其余七位二进制码对128个字符进行编码。,表1-3 ASCII(美国标准

23、信息交换码)表,返回本节,第三节 微型计算机运算基础 一、二进制数的运算 微型计算机中的运算分为两类;一类是算术运算，包括加、减、乘、除另一类是逻辑运算，包括逻辑乘、逻辑加、逻辑非和逻辑异或等。,(一)算术运算 1二进制加法 二进制数的加法运算规则如下：0000+11 1十01 1十10(进位1)2二进制减法 二进制数的减法运算规则如下：000101110011(有借位)3二进制乘法 二进制数的乘法规则如下；,3二进制乘法 二进制数的乘法规则如下；,例110 设有两个4位二进制数x1101B，y=101lB，试求,解 二进制数的乘法与十进制数的类似-被乘数左移和部分积相加的算法（传统）：被乘数

24、 1101 X)乘数 1011 1101 第一次部分积 1101 第二次部分积 0000 第三次部分积 1101 第四次部分积 100011l 1 B这种算法很简单，但实现这种算法的重复性差，所需的硬件开销大，不便于在机器中实现。在计算机中是采用硬件开销不大的算法求积。,下面介绍一种常用的“部分积右移”的乘法算法：,设被乘数，乘数，“部分积右移”的算法如下：(1)开始部分积为0。(2)检查乘数最低位的状态。如为1，则将部分积加被乘数得新部分积如为0，则新部分积即为原部分积(3)新部分积及乘数各右移1位(它们的最低位从右边移出，不再参加运算)。(4)重复2及3的步骤，直到乘数最高位运算完毕。“部

25、分积右移”的乘法算法的流程如图1-2所示。,4.二进制除法 除法是乘法的逆运算，二进制除法也可转化为移位与减法来实现。,(二)逻辑运算 1逻辑乘运算 逻辑乘又称逻辑与，常用“”算符表示。逻辑乘运算法则为：00=0 10=0 01=0 11=1 2逻辑或运算 逻辑或运算又称逻辑加，常用算符“V”表示。逻辑或的运算规则为：0V 0=0 lV0=l 0V1=1 1Vl=1 3逻辑非运算 逻辑非运算又称逻辑取反，常采用“”运算符表示。运算规则为：,4逻辑异或 逻辑异或又称为半加，是不考虑进位的加法，常采用算符表示。逻辑异或的运算规则为：,二、带符号数的表示法(一)机器数与真值(二)原码(三)反码(四)

26、补码 1补码的引进 模(mod)，即一个系统的量程或此系统所能表示的最大数。2补码的定义 在字长为n的计算机中，数 和0的表示形式一样。若机器中的数以补码表示，则数的补码以 为模。即(1.4)由式(14)可知，若X为正数，则X补X；若X为负数，则 即负数X的补码等于模 加上其真值或减其真值的绝对值。,3求补码的方法(1)根据定义求补码钟表往回拨一格与往前拨十一格是否一样？(2)根据原码求补码,值得指出，二进制数既然可用十六进制数表示，那么二进制数的补码也可通过十六进制原码计算得到。若X原为8位，则,特别要指出，在计算机中凡是带符号的数一律用补码表示且符号参加运算，其运算结果也是用补码表示。若结

27、果的符号位为“o”，则表示结果为正数，此时可以认为它是以原码形式表示的(正数的补码即为原码)；若结果的符号位为“1”，则表示结果为负数，它是以补码形式表示的。若要用原码来表示该结果，还需要对结果求补(即除符号位以外各位“取反末位加 1”)即,三、补码运算(一)补码的加法 设x和Y是两个带符号的补码数，则有：即两个数和的补码等于两个数补码的和,(二)补码的减法 两个带符号数相减，有如下基本公式；XYX十(一Y)即两数差的补码等于被减数的补码及减数相反数的补码之和。也说明了在补码运算中，减法运算可以用加法来代替。这里关键在于求。如果已知，那么对于 的每一位(包括符号位)都按位求反，然后再加l，结果

28、即为。称 为对“变补”，即 它有别于。已知，求 的过程叫求补，已知，求 的过程叫变朴。这一概念要清楚。,值得注意的是：在微型计算机中，带符号数都是以补码形式存放的根据指令，这些数可以进行加法运算，也可以进行减法运算，但在实际机器中只有加法器，减法运算也是通过加法运算来完成的，且运算结果也是用补码表示的。由于计算机的字长有一定范围，所以一个带符号数也是有一定范围的。,由表可以看出，8位二进制数的原码和反码形式所表示的数的范围都是一127一十127，而补码表示的数的范围是一128一+127。当两个带符号位的一进制数进行补码运算时，若运算结果的绝对值超过了这个范围，数值部分便会占据符号位的位置，从而

29、造成运算错误，这就是溢出。,返回本章首页,第四节 数字电路基础,计算机由大量的数字电路组成，它所处理的是二进制数字信号，即只有0和1两种状态信号。所有的数据、程序和各种逻辑控制部分都是由大量能记录这两种状态的电子器件和能实现0、1基本逻辑控制的单元组成的。这种基本的逻辑控制电路包括逻辑门电路、组合逻辑电路（编码器、译码器、数据选择器等）和时序电路（触发器、寄存器、计数器等）。,包括：,一、基本的门电路 二、三态门与缓冲器 三、触发器与锁存器,一、基本的门电路,在数字电路中，所谓“门”就是实现一些基本逻辑关系的电路。最基本的逻辑关系可归纳为与、或、非三种，所以最基本的逻辑门为与门、或门和非门。,

30、1“与”逻辑关系及与门电路2“或“逻辑关系及或门电路3“非”逻辑关系及非门（反相器）,二、三态门与缓冲器,三态门有三种输出状态，即高电平（1），低电平（0）和高阻态，其中高阻态也称为浮空状态。,典型的TTL三态门集成电路：,常用的三态门芯片有：74LS240、241、242、244、245、366、367等。如：74LS244、74LS245,三、触发器与锁存器,触发器是一种具有记忆功能的器件，有两种稳定状态，分别表示1和0。在数字电路中，常用来构成寄存器、计数器等部件。触发器有多种形式，常用的有R-S触发器、D触发器、J-K触发器及T触发器等。以计算机中常用的D触发器为例说明触发器的工作原理

31、。,D触发器工作波形：,回忆一下数字电路中的半加器和全加器的结构和原理是不是以全加器为基础就可以实现这些运算了？复杂运算都可由四则运算实现（数值计算课程解决）由此有了运算器的基础更高级计算机算法由硬件实现,第五节 微型计算机的基本结构及其工作原理 自从1945年由冯诺依曼(John Von Neumann)提出“存储程序”工作原理以来，迄今为止，不论是巨型机、大型机、中型机、小型机还是微型机都遵循这个原理，存储程序计算机的工作原理可以归纳为三点：（1）计算机是通过执行程序来完成指定的任务；（2）程序在执行之前存放在计算机的存储部件中；（3）程序不需要人工干预而自动执行。,冯诺依曼型计算机的基本

32、组成如下图所示,一、微型计算机基本构成,(一)存储器 这里的存储器是指内存储器。微机的内存储器通常采用半导体存储器。1随机存取存储器与只读存储器 存储器除了前面所介绍的按存储器的空间位置不同可分为内存和外存外，还可根据其性能分为随机存储器RAM(Random Access Memory)和只读存储器ROM(Read Only Memory)两大类。,2随机存取存储器RAM的组成 3.随机存取存储器的基本操作 RAM的基本操作是读操作和写操作。注意：存储单元地址与其内容是两类不同的 数据，不能相混淆。,(二)微处理器 微处理器亦称做处理机，它是微机的中央处理部件。CPU包括运算器和控制器两部分，

33、其作用是从存储器中取出指令并对其进行分析，产生相应的微操作(最基本而又简单的逻辑功能动作)序列，向存储器或IO设备写入数据或从存储器或I0设备读出数据、执行算术和逻辑操作、处理数据、识别外设的中断请求信号井作出适当的响应,1运算器 运算器用于对二进制数进行算术和逻辑运算，其操作过程是在控制器控制下进行的。运算器由算术逻辑单元ALU，累加器A、通用寄存器R、皙存器TMF和状态寄存器FSW等五部分组成。累加器A(Accumulator)是一个具有输人输出能力的八位移位寄存器，由八个触发器组成。累加器A在加法前用于存放一个操作数，加法操作后用于存放两数之和，以便再次累加，因此得名TMP(Tempor

34、ary Register)为暂存器，也是一个八位寄存器，用于暂存另一操作数。,ALU(Arithmctic And Logical Unit)为算术逻辑单元，主要由加法器，移位电路和判断电路等 组成，用于对累加器A和暂存器TMP中两个操作数进行四则运算和逻辑操作。操作过程中形成的状态，例如：累加器A中的运算结果是否为零、最高位是否有进位或借位、低四位向高四 位是否有进位或借位等等，都可以记录到状态寄存器PSW(Program Status Word)中去。R0为通用寄存器 GR(General Purpose Register)，用于存放操作数或运算结果。,2控制器 计算机是根据事先存储的程序

35、对全机实行控制的，而程序是指能实现某一功能的指令序列。控制器就是根据指令来对各种逻辑电路发布命令的机构，它是计算机的指挥中心。控制器由指令部件、时序部件和微操作控制部件等三部分组成。(1)指令部件 指令部件是一种能对指令进行分析、处理和产生控制信号的逻辑部件，也是控制器的核心。通常，指令部件由程序计数器 PC(Program Counter)、指令寄存器IR(1nstruction Register)和指令译码器ID(1nstructionDecodcr)等三部分组成。,指令是一 种能供机器执行的二进制控制代码，有操作码和地址码两部分。指令不同，相应的代码长度也不一样。因此，指令可分为单字节指

36、令、双字节指令和三字节指令等等。指令和数据都是以二进制代码的形式存放在存储单元内的，从存储单元的内容区分不出指令与数据，为此在控制器中设置一个专门寄存器用来存放当前要执行的指令在存储器中的位置信息(即存储器地址)，以便根据此地址去读取指令，这个寄存器就是程序计数器PC。由于程序在存储器中是按顺序进行存放当顺序执行指令时，每执行一条指令，微操作控制电路输出“加 l”信号，PC就自动加1，为顺序地取下一条指令作好准备，这就使计算机能自动、连续地工作当执行转移类指令时，微操作控制电路不输出“加1”信号，而输出相应的控制信号，将转移地址送人PC中，从而实现程序的转移。在八位微处理器MPU中，程序计数器

37、PC通常为十六位。,指令寄存器IR用来暂时存放从存储器中取出的当前要执行指令的指令码。该指令码在IR中得到寄存和缓冲，被送到指令译码器ID中译码后就知道该指令进行哪种操作，并在时序部件帮助下去推动微操作控制部件完成指令的执行。指令译码器ID的作用是对指令操作码进行分析，在其输出端产生各种控制电平，以形成相应的微操作，用以实现指令执行过程中所需要的功能控制。,(2)时序部件 由时钟系统和脉冲分配器组成，用于产生微操作控制部件所需的定时脉冲信号。其中，时钟系统(ClockSystem)产生机器的时钟脉冲序列，脉冲分配器(PluseDistributor)又称节拍发生器，用于产生节拍电位和节拍脉冲。

38、,(3)微操作控制部件 可以为ID输出信号配上节拍电位和节拍脉冲，也可和外部进来的控制信号组合，共同形成相应的徽操作控制序列，按照严格的先后顺序执行指令译码器给出的各种徽操作，以完成规定的操作。,(三)输人输出设备及其接口电路 微机的输入输山设备亦称外部设备，简称I0设备。如键盘、盒式磁带机、软盘驱动器、硬盘驱动器、打印机、纸带阅读机等。为了使这些IO设备能与CPU交换信息，并对它们进行输入输出控制，必须要有输入输出接口电路，简称IO接口电路。微机的IO接口电路都已作成独立的大规模集成电路芯片，常用的IO接口电路芯片有如下4种：,1并行输入输出接口电路(Parallel Input Outpu

39、t Controller)：通常做成可编程的8位通用的接口电路，只要编制不同的程序就可适用于不同的场合。例如它既可以作为键盘输入接口又可作为打印机的输出接口电路。,2串行输入输出接口电路(Serial InputOutput Controller)：有很多外部设备，由于动作速度较慢，或者离主机较远，往往采用串行数据传送方式，它只需要一对通信线就可传送各种信号。串行接口电路能把计算机的并行信息转变为串行信息发送出去，也能把从通信线上收到的串行信息转变为并行信息提供给计算机。,3计数定时电路(Counter TimerCircuit)；通常也做成可编程序的接口电路，可用程序设定的方法实现计数及定时

40、功能。4直接存储器存取接口电路(DirectMemoryAccess）：它提供存储器和I/O设备间不经CPU控制而直接传送数据的功能。,(四)地址总线、数据总线和控制总线 微型机在结构形式上采用了总线结构所有的部件都通过一组公共的、具有逻辑控制功能的信号线联系起来，各部件之间的数据和信号都通过此信号线传送。通常将多个装置或部件连接起来并传送信息的公共通道称为总线(Bus)。总线实际上是印刷电路板上的组传输信号的短路线，这组线的数目则取决于微处理器本身的结构,总线结构的信息传输,总线结构符号图,总线通常有三种类型：1数据总线(Data Bus，简称DB)用来在微处理器和存储器以及输入输出接口之间

41、传送数据，例如；从存储器中取数据到CPU，把运算结果从CPU送到外部输出设备等通常微处理器的位数和外部数据总线的位数一致。数据总线是双向的，即数据可从CPU传出，也可以从外部送入CPU。,2.地址总线(AddressBus，简称AB)AB也叫地址母线，因其上仅传送MPU的地址码而得名。当微处理器MPU和存储器或外部设备交换信息时，必须指明要和哪个存储单元或哪个外部设备交换因此，地址总线AB必须和所有存储器的地址线对应相连，也必须和所有I0接口设备码线相连。这样，当微处理器MPU对存储器或外设读写数据时，只要把存储单元地址码或外设的设备码送到地址总线上便可选中工作。地址总线由所选CPU型号决定，

42、地址总线的数目决定了CPU可以直接访问的内存储器的单元数目。地址总线是单向的，即数据从CPU传出到存储器或外设，在八位机中，它通常为16根，CPU可直接访问的内存储器的单元数目为64KB(字节)。,3控制总线(Control Bus，或CB)控制总线可以传送CPU送出的控制信号，也可以传送其他部件输入到微处理器的信号。对于每一条具体的控制线，信号的传送方向则是固定的，不是输入到CPU就是从CPU输出。控制总线的数目与微处理器的位数没有直接关系，一般受引脚的限制，控制总线的数目不会太多。微型计算机采用总线结构，使之在系统结构上简单、规则，易于扩展，其他的功能部件只要符合总线的规范，就可以接人系统

43、，从而扩展系统的功能。但采用总线结构后，在每一时刻，一种总线上只能有一组信号，这对提高计算机的运行速度不利。微型计算机的外部结构特点是三总线结构，所有部件都通过三组总线分别传送各类信息。而CPU的内部结构特点是单总线结构，即CPU内部的所有部件都通过一组总线来传送各种信息。,二、指令执行过程(一)指令和指令格式程序就是一系列按一定顺序排列的指令 指令就是指挥机器工作的指示和命令，计算机中的控制器靠指令指挥机器工作，人则用指令表达自己的意图。指令系统：一台计算机所能执行的各种不同指令的集合叫做计算机的指令系统。每一台计算机均有白己特定的指令系统。这个系统反映厂计算机的基本功能，是在设计计算机时规

44、定下来的。,一条指令通常包括两方面的内容：一是指出机器执行什么样的操作，二是指出操作数在存储器或通用寄存器组的地址，即给出操作数地址。在计算机中，操作数和操作数地址都是用二 进制数码表示的，分别称为择作码和地址码即一条指令的基本格式如下：整条指令以二进制编码的形式存放在存储器中，此条指令的二进制编码称为指令的机器代码或简称指令码,(二)指令执行过程 为弄清微型计算机指令的执行过程，现以如下的x2+3求和程序来说明。7402H MOV A，#02H；A 2 2403H ADD A，#03H；A 3+2,1第一条指令的执行讨程,三、微型计算机系统的组成,返回本章首页,第六节 单片微型计算机概述 在

45、微型计算机发展的同时，1974年出现了位片式(BitSlice)微处理器和单片微型计算机，即单片机。它是一种将CPU单元、部分存储器单元、部分IO接口单元及内部系统总线集成在同一片大规模集成电路芯片内的计算机，由于它的结构和指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又叫微控制器(Microcontroller)。它的出现为智能化仪器仪表开辟了广阔道路。对于运算不太复杂，数据量不大的应用，往往用一片单片机再加适当的软件和外部设备就能满足控制或测量的要求，从而使硬件电路更为简化，造价更为低廉。因此，它也是一种应用广泛、生命力强大的机种。,一、单片机的发展历史 单片机的发展与微机的发展大体上同步，主要经

46、历了以下几个阶段：第一阶段(1974年1976年)为单片机的初级阶段，因受工艺和集成度的限制，单片机采用双片形式。第二阶段(1976年一1978年)为低性能的8位单片机阶段。以Intel公司于1976年生产的MCS 48为代表第三阶段(1978年一1983年)为高性能8位单片机阶段。以Intel公司的MCS51系列为代表 第四阶段(1983年)为8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。此阶段的主要特征是 一方面发展16位单片机(如Intel公司的MCS96)及专用单片机；另一方面不断完善高档8位片机，改善其结构，以满足不同的用户需求。,二、单片机的发展趋势 近几年来，单片机的发展速度很快，纵

47、观各个系列的单片机产品的特性，可以看出单片机正朝着高性能、多品种的方向发展。1CPU功能增强 2内部资源增多 所谓单片机内部资源是指它内部的存储器容量和常用IO电路的种类和数量。目前，单片机内部的ROM容量已达32KB，RAM已达1KB，还有掉电后信息能保护的E2PROM存储器，同时还将一些常用的IO接口电路集成到单片机内部，如并行和串行口、AD和DA转换器、DMA通道等。这样便大大减少了单片机的外接电路，使大多数单片机应用系统体积小可靠。,3使用多功能引脚 随着单片机内部资源的增多，所需的引脚也相应增加。为了减少引脚数量，提高应用的灵活性，单片机中普遍使用多功能引脚，即一个引脚有多种功能供用

48、户选择。4寻址范围大 许多高性能的单片机不但内部存储器容量增大了，而且扩大了CPU的寻址范围，存储空间达64KB一16MB，从而提高了系统的扩展能力。5低功耗和低电压 普遍采用CHMOS制造工艺，同时增加空闲等待方式和掉电(停机)方式，极大地降低了 单片机的功耗。,三、单片机的内部结构 单片机内部包括计算机的基本功能部件，典型的单片机内部结构如图110所示。,四、典型单片机产品 目前，单片机的制造商很多，主要有美国的Intel、Motorola和荷兰Philip公司等。现对Intel公司和Motorola公司的典型产品作一介绍。(一)Intel单片机，Intel公司的单片机产品主要有MCS48

49、、MCS51和MCS96系列。,(二)Motorola公司单片机 Motorola公司生产8位和16位单片机，该公司的单片机自成体系，产品的种类很多。其中，高档八位单片机系列(MC68HC05系列)是最常用的，它采用HCMOS工艺制成，指令系统的功能很强，内部资源也很丰富。表17列出了一些主要产品。,20世纪80年代中期以后，Intel公司已把精力集中在CPU芯片的开发、研制上，并逐渐放弃了单片机芯片的生产。但是以MCS-51为技术核心和主导的单片机已经成为许多厂家、电气公司竞相选用的对象，以此为基核。以专利或技术交换的形式把8051内核技术转让给各厂家。如：AMTEL、PHILIPS、ANA

50、LOG DEVICES、DALLAS公司。这些厂家的兼容单片机，与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺-80C51系列。80C51系列：所有具有8051指令系统的单片机，不应直接称为MCS-51系列单片机，MCS只是Intel公司专用的单片机系列符号,(三）关于AT89C5x系列单片机,习惯把兼容机等衍生产品统称为51系列单片机或51单片机。在8051的基础上又进行了一些扩充,称为增强型、扩展型，如52子系列单片机，功能和市场竞争力更强。世界单片机芯片生产厂商推出的与8051（80C51）兼容的主要产品如下表,众多的MCS-51单片机及其各种增强型、扩展型衍生品种，ATM