《单片机工程实践》讲稿（初级）.doc_大学文库

单片机工程实践讲稿（初级）第一讲微型计算机的组成及工作过程一、基本组成 1. 中央处理器 CPU CPU（Central Processing Unit）是计算机的核心部件, 它由运算器和控制器组成, 完成计算机的运算和控制功能。运算器又称算术逻辑部件（ALU, Aithmctieal Logic Unit）, 主要完成对数据的算术运算和逻辑运算。控制器（Controller）是整个计算机的指挥中心, 它负责从内部存储器中取出指令并对指令进行分析、判断, 并根据指令发出控制信号, 使计算机的有关部件及设备有条不紊地协调工作, 保证计算机能自动、连续地运行。寄存器(Register)：其作用是存放运算过程中的各种数据、地址或其它信息。寄存器种类很多, 主要有: 通用寄存器: 向 ALU 提供运算数据, 或保留运算中间或最终的结果。累加器 A: 这是一个使用相对频繁的特殊的通用寄存器, 有重复累加数据的功能。程序计数器 PC: 存放将要执行的指令地址。指令存储器 IR: 存放根据 PC 的内容从存储器中取出的指令。在微型计算机中, CPU 一般集成在一块被称为微处理器（MPU, Micro Processing Unit）的芯片上。 2. 存储器 M 存储器（Memory）是具有记忆功能的部件, 用来存储数据和程序。存储器根据其位置不同可分为两类: 内存储器和外存储器。内存储器（简称内存）和 CPU 直接相连, 存放当前要运行的程序和数据, 故也称主存储器（简称主存）。它的特点是存取速度快, 基本上可与 CPU 处理速度相匹配, 但价格较贵, 能存储的信息量较小。外存储器（简称外存）又称辅助存储器, 主要用于保存暂时不用但又需长期保留的程序和数据。存放在外存的程序必须调入内存才能进行。外存的存取速度相对较慢, 但价格较便宜, 可保存的信息量大。（1）ROM 和 RAM （2）读出和写入（3）位、字节、地址、字长（4）外存储器

3.输入输出接口(IO接口) 输入输出(IO)接口由大规模集成电路组成的IAO器件构成,用来连接主机和相应的IO 设备(如:键盘、鼠标、显示器、打印机等),使得这些设备和主机之间传送的数据、信息在形式上和速度上都能匹配。不同的LO设备必须配置与其相适应的IO接口。 4.总线总线(BUS)是计算机各部件之间传送信息的公共通道。微机中有内部总线和外部总线两类。内部总线是CPU内部之间的连线。外部总线是指CPU与其它部件之间的连线。外部总线有三种数据总线DB( Data bus),地址总线AB( Address Bus)和控制总线 CBControl Bus)。基本工作过程根据冯·诺依曼原理构成的现代计算机的工作原理可概括为:存储程序和程序控制。存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列(即程序)及运行中所需的数据,通过一定的方式输入并存储在计算机的存储器中。程序控制是指计算机能自动地逐一取出程序中的一条条指令,加以分析并执行规定的操作 Z=X+Y的执行过程。假定我们有一个虚拟机SAM,主存储器由4K16位的字组成,CPU中有一个可被程序员使用的16位累加器A 指令名称机器语言格式汇编语言格式功能加法 0001a ADD A+(A)+(a) 取数 1000a LOAd a 存数 1001a StORe a 假设X和Y均已存放在存储单元中。注意,X是个变量名,可以是某个存储单元的地址该单元中存放的是X的值。 (1)从地址为X的单元中取出X的值送到累加器中 (2)把累加器中的X与地址为Y的单元的内容相加,结果存放在累加器中。 (3)把累加器中的内容送到地址为Z的单元中。相应的SAM指令是 LOAD X ADD Y STORE Z 指令被取出后送入指令寄存器IR( Instrction Register),由控制器中的译码器对指令进行分析,识别不同的指令类别及各种获得操作数的方法。以加法指令ADDY为例,译码器分析后得到如下结果 (1)这是一个加法指令 (2)一个操作数存放在Y(地址为AOIH)中,另一操作数隐含在累加器A中。接着操作进入指令执行阶段。仍以ADDY为例,将Y与A中内容送入ALU,进行加法运算结果送入A。计算机的基本工作过程:取指令、分析指令、执行指令

3. 输入/输出接口（I/O 接口）输入/输出（I/O）接口由大规模集成电路组成的 I/O 器件构成, 用来连接主机和相应的 I/O 设备（如: 键盘、鼠标、显示器、打印机等）, 使得这些设备和主机之间传送的数据、信息在形式上和速度上都能匹配。不同的 I/O 设备必须配置与其相适应的 I/O 接口。 4. 总线总线（BUS）是计算机各部件之间传送信息的公共通道。微机中有内部总线和外部总线两类。内部总线是 CPU 内部之间的连线。外部总线是指 CPU 与其它部件之间的连线。外部总线有三种: 数据总线 DB（Data Bus）, 地址总线 AB（Address Bus）和控制总线 CBControl Bus）。二、基本工作过程根据冯·诺依曼原理构成的现代计算机的工作原理可概括为: 存储程序和程序控制。存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列（即程序）及运行中所需的数据, 通过一定的方式输入并存储在计算机的存储器中。程序控制是指计算机能自动地逐一取出程序中的一条条指令, 加以分析并执行规定的操作。 Z=X+Y 的执行过程。假定我们有一个虚拟机 SAM, 主存储器由 4K16 位的字组成, CPU 中有一个可被程序员使用的 16 位累加器 A。假设 X 和 Y 均已存放在存储单元中。注意, X 是个变量名, 可以是某个存储单元的地址, 该单元中存放的是 X 的值。 (1) 从地址为 X 的单元中取出 X 的值送到累加器中。 (2) 把累加器中的 X 与地址为 Y 的单元的内容相加, 结果存放在累加器中。 (3) 把累加器中的内容送到地址为 Z 的单元中。相应的 SAM 指令是: LOAD X ADD Y STORE Z 指令被取出后送入指令寄存器 IR（Instrction Register）, 由控制器中的译码器对指令进行分析, 识别不同的指令类别及各种获得操作数的方法。以加法指令 ADD Y 为例, 译码器分析后得到如下结果: (1) 这是一个加法指令; (2) 一个操作数存放在 Y（地址为 A01H）中, 另一操作数隐含在累加器 A 中。接着, 操作进入指令执行阶段。仍以 ADD Y 为例, 将 Y 与 A 中内容送入 ALU, 进行加法运算, 结果送入 A。计算机的基本工作过程:取指令、分析指令、执行指令

(1)时钟电路 TALL 悬空=XTAL2 CL 外部 , OI 振荡源 XTAL2 3n XTAL2 XTAL 振荡源 XTALI (2)复位电路 3n 1)上电复位电路 2)开关复位电路注意:复位后内部寄存器状态 PC=0000H、SP=07H、P0~P3=0FFH、其他均为00H 7min 3.指令寄存器和指令译码器指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时,由程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器,经译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号, 完成指令所指定的操作。 4.程序计数器PC( Program Counter) 2min PC用于存放CPU下一条要执行的指令地址,是一个16位的专用寄存器,可寻址范围是0000H- OFFFFH共64KB。程序中的每条指令存放在ROM区的某单元,并都有自己的存放地址。CPU要执行哪条指令时,就把该条指令所在的单元的地址送上地址总线。在顺序执行程序中,当PC的内容被送到地址总线后,会自动加1,即(PC)←(PC)+1,又指向CPU下一条要执行的指令地址。 5.堆栈指针SP( Stack pointer) 35min 堆栈操作是在内存RAM区专门开辟出来的按照先进后出原则进行数据存8min 取的一种工作方式,主要用于子程序调用及返回和中断处理断点的保护及返回它在完成子程序嵌套和多重中断处理中是必不可少的。为保证逐级正确返回,进入栈区的断点〃数据应遵循"先进后出〃的原则。SP用来指示堆栈所处的位置,在进行操作之前,先用指令给SP赋值,以规定栈区在RAM区的起始地址(栈底层)。当数据推入栈区后,SP的值也自动随之变化。MCS-51系统复位后,SP初始化为 07H。 6.数据指针寄存器DPTR 数据指针DPR是一个16位的专用寄存器,其高位字节寄存器用DPH表1min 示低位字节寄存器用DPL表示。既可作为一个16位寄存器DPIR来处理,也可作为两个独立的8位寄存器DPH和DPL来处理。 DPIR主要用来存放16位地址,当对64KB外部数据存储器空间寻址时作为间址寄存器用。在访问程序存储器时,用作基址寄存器。 2.2存储器

(1)时钟电路 (2)复位电路 1) 上电复位电路 2) 开关复位电路注意：复位后内部寄存器状态 PC=0000H、SP=07H、P0~P3=0FFH、其他均为 00H。 3. 指令寄存器和指令译码器指令寄存器中存放指令代码。CPU 执行指令时, 由程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器, 经译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号, 完成指令所指定的操作。 4. 程序计数器 PC（Program Counter） PC 用于存放 CPU 下一条要执行的指令地址, 是一个 16 位的专用寄存器, 可寻址范围是 0000H~0FFFFH 共 64 KB。程序中的每条指令存放在 ROM 区的某一单元, 并都有自己的存放地址。 CPU 要执行哪条指令时, 就把该条指令所在的单元的地址送上地址总线。在顺序执行程序中, 当 PC 的内容被送到地址总线后, 会自动加 1, 即(PC)← (PC)+1, 又指向 CPU 下一条要执行的指令地址。 5. 堆栈指针 SP（Stack Pointer）堆栈操作是在内存 RAM 区专门开辟出来的按照“先进后出”原则进行数据存取的一种工作方式, 主要用于子程序调用及返回和中断处理断点的保护及返回, 它在完成子程序嵌套和多重中断处理中是必不可少的。为保证逐级正确返回, 进入栈区的“断点”数据应遵循“先进后出”的原则。SP 用来指示堆栈所处的位置, 在进行操作之前, 先用指令给 SP 赋值, 以规定栈区在 RAM 区的起始地址（栈底层）。当数据推入栈区后, SP 的值也自动随之变化。MCS - 51 系统复位后, SP 初始化为 07H。 6. 数据指针寄存器 DPTR 数据指针 DPTR 是一个 16 位的专用寄存器, 其高位字节寄存器用 DPH 表示,低位字节寄存器用 DPL 表示。既可作为一个 16 位寄存器 DPTR 来处理, 也可作为两个独立的 8 位寄存器 DPH 和 DPL 来处理。 DPTR 主要用来存放 16 位地址, 当对 64 KB 外部数据存储器空间寻址时, 作为间址寄存器用。在访问程序存储器时, 用作基址寄存器。 2.2 存储器 3min 3min 7min 2min 35min 8min 10min

1.程序存储器 (1)程序计数器PC16位,能寻址的程序存储器的范围为64KB (2)程序存储器的编址规律:先片内、再片外,片内、片外二者不重叠 (3)片内片外ROM的选择端EA:EA=1时,CPU将首先访问内部程序存储器 (ROM),当指令地址超过 OFFFH时,会自动跳转到片外ROM去取指令;当EA=0 时,CPU只能访问外部程序存储器(8031只能采用这种接法),片外ROM的地址从0000H开始编址。 13min (4)7个特殊单元程序存储器中有7个单元是保留给系统具有特殊用途。0000H是系统的启动地址,一般在该单元中存放一条绝对跳转指令。0003H、000BH、000BH、001BH、 003和00BH(只有52子系列才有)对应6种中断源的中断服务入口地址。4min 2.内部数据存储器 8051单片机的数据存储器,分为片外RAM和片内RAM两大部分。其中片内 RAM共有128B,地址范围为00H~7FH: (1)通用寄存器区:在低128字节RAM中,00H~1FH共32单元是4个通用寄存器组,每一组有8个通用寄存器(又称工作寄存器)R0~R7。程序运行时只能有一个工作寄存器组作为当前工作寄存器组 (2)位寻址区:(20H-2FH),128位 3)数据缓冲区:片内RAM的30H~7FH,一般可用来开辟堆栈区。堆栈与堆栈指针:在程序实际运行中,往往需要一个后进先出的RAM区,在子程序调用、中断服务处理等场合用以保护CPU的现场,这种后进先出的缓冲区称为堆栈。MCS-51单片机堆栈区不是固定的,原则上可设在内部RAM的任意区域内,但为了避开工作寄存器区和位寻址区,一般设在30H以后的范围内,栈顶的位置由专门设置的堆栈指针寄存器SP(8位)指出。MCS-51单片机的堆栈属向上生长型 3.特殊功能寄存器SFR 又称为专用寄存器。它专用于控制、管理单片机内算术逻辑部件、并行LO 口锁存器、串行口数据缓冲器、定时器/计数器、中断系统等。8051将SFR与片内RAM统一编址,它们离散地分布在80H-FFH的地址空间中。字节地址能被 8整除的单元是具有位地址的寄存器。 4外部数据存储器外部数据存储器一般由静态RAM构成,其容量大小由用户根据需要而定,最大可扩展到64 KBRAM,地址是00004~0FFFH。注意,外部RAM和扩展的IO 接口是统一编址的,所有的外扩IO口都要占用64KB中的地址单元。复习巩固 5min 1.MCS-51系列单片机的子系列和内部结构 2.MCS-51单片机的CPU组成 3.MCS-51单片机的存储器组成(程序存储器和数据存储器,特别是数据存储诈业

1.程序存储器 (1)程序计数器 PC16 位，能寻址的程序存储器的范围为 64KB； (2)程序存储器的编址规律：先片内、再片外，片内、片外二者不重叠。 (3)片内片外 ROM 的选择端 EA：EA=1 时，CPU 将首先访问内部程序存储器（ROM）,当指令地址超过 0FFFH 时，会自动跳转到片外 ROM 去取指令；当 EA=0 时，CPU 只能访问外部程序存储器（8031 只能采用这种接法），片外 ROM 的地址从 0000H 开始编址。（4）7 个特殊单元程序存储器中有 7 个单元是保留给系统具有特殊用途。0000H 是系统的启动地址, 一般在该单元中存放一条绝对跳转指令。0003H、000BH、 000BH、001BH、 0023H 和 002BH（只有 52 子系列才有）对应 6 种中断源的中断服务入口地址。 2.内部数据存储器 8051 单片机的数据存储器，分为片外 RAM 和片内 RAM 两大部分。其中片内 RAM 共有 128B，地址范围为 00H~7FH： (1)通用寄存器区：在低 128 字节 RAM 中, 00H~1FH 共 32 单元是 4 个通用寄存器组，每一组有 8 个通用寄存器（又称工作寄存器）R0~R7。程序运行时，只能有一个工作寄存器组作为当前工作寄存器组。 (2)位寻址区：（20H---2FH），128 位 (3)数据缓冲区：片内 RAM 的 30H~7FH，一般可用来开辟堆栈区。 *堆栈与堆栈指针：在程序实际运行中, 往往需要一个后进先出的 RAM 区, 在子程序调用、中断服务处理等场合用以保护 CPU 的现场, 这种后进先出的缓冲区称为堆栈。 MCS—51 单片机堆栈区不是固定的, 原则上可设在内部 RAM 的任意区域内, 但为了避开工作寄存器区和位寻址区, 一般设在 30H 以后的范围内, 栈顶的位置由专门设置的堆栈指针寄存器 SP（8 位）指出。 MCS—51 单片机的堆栈属向上生长型。 3.特殊功能寄存器 SFR 又称为专用寄存器。它专用于控制、管理单片机内算术逻辑部件、并行 I/O 口锁存器、串行口数据缓冲器、定时器/计数器、中断系统等。8051 将 SFR 与片内 RAM 统一编址，它们离散地分布在 80H~FFH 的地址空间中。字节地址能被 8 整除的单元是具有位地址的寄存器。 4.外部数据存储器外部数据存储器一般由静态 RAM 构成，其容量大小由用户根据需要而定, 最大可扩展到 64 KBRAM , 地址是 0000H~0FFFFH。注意, 外部RAM和扩展的I/O 接口是统一编址的, 所有的外扩 I/O 口都要占用 64 KB 中的地址单元。 13min 4min 复习巩固 1．MCS-51 系列单片机的子系列和内部结构 2．MCS-51 单片机的 CPU 组成 3．MCS-51 单片机的存储器组成（程序存储器和数据存储器，特别是数据存储器）。作业 5min