嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)》27037

嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ) 單片微型計算機(jī)原理及應(yīng)用 前言 一、為什么要開這門課 ? 二、為什么選擇 MCS-51單片機(jī) ? 三、單片機(jī)和其他課程的關(guān)系 四、如何學(xué)好本課程 ? 五、課程內(nèi)容 六、要求 一、為什么要開這門課 ? 電專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。 廣泛的應(yīng)用： 在控制與檢測方面 ,是一個重要的分支（單片機(jī)與 PLC） 作為開發(fā)新產(chǎn)品和改造老產(chǎn)品的首選微機(jī)系統(tǒng) 作為 高級工程技術(shù)人員 必須掌握。 二、為什么選擇 MCS-51單片機(jī) ? 歷史長、應(yīng)用廣、技術(shù)成熟 兼容性好 現(xiàn)在的單片機(jī)集成度高，主要是軟件編程 作為檢測與控制， 8位機(jī)是主流 三、和其他課程的關(guān)系 電路 電子 -數(shù)字與模擬 （后續(xù)課程的基礎(chǔ)） 控制與檢測技術(shù) （專業(yè)課） 四、如何學(xué)好本課程 ? 熱愛 關(guān)鍵 基礎(chǔ) 保證 關(guān)注與交流 加快 實(shí)驗 重要的一步 動手 掌握應(yīng)用技術(shù)的前提 五、課程內(nèi)容 共分 12章內(nèi)容： 微型計算機(jī)基礎(chǔ)、半導(dǎo)體存儲器基礎(chǔ) 輸入 /輸出接口基礎(chǔ)、單片機(jī)基礎(chǔ) 程序設(shè)計、單片機(jī)應(yīng)用、存儲器擴(kuò)展、I/O口擴(kuò)展、系統(tǒng)設(shè)計、單片機(jī)的 C語言設(shè)計 六、要求： 認(rèn)真： 上課認(rèn)真 作業(yè)認(rèn)真 交流： 和老師的交流 同學(xué)之間的交流 第 1章 微型計算機(jī)基礎(chǔ) 主要介紹 微型計算機(jī) 的基本問題 （ Micro Computer-MC) 1 1 微型計算機(jī)概述 1 2 微型計算機(jī)系統(tǒng) 1 3 數(shù)字電路基礎(chǔ) 1 4 計算機(jī)中的數(shù)制和編碼 1946年 2月 15日 ，第一臺電子數(shù)字計算機(jī)問世，標(biāo)志著計算機(jī)時代的到來。 ENIAC（ “埃尼阿克” ） 匈牙利籍?dāng)?shù)學(xué)家 馮 諾依曼 在 1946年提出了 “ 程序存儲 ” 和 “ 二進(jìn)制運(yùn)算 ” 的思想 ， 進(jìn)一步構(gòu)建了 計算機(jī)由運(yùn)算器 、 控制器 、 存儲器 、 輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成 這一計算機(jī)的經(jīng)典結(jié)構(gòu) 。 （ EDVAC-ELECTRONIC DISCRETE VARIABLE AUTOMATIC COMPUTER） 存 儲 器輸 出 設(shè) 備輸 入 設(shè) 備控 制 器運(yùn) 算 器電子計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 ， 相繼經(jīng)歷了五個時代： 電子管計算機(jī)； 晶體管計算機(jī)； 集成電路計算機(jī)； 大規(guī)模集成電路計算機(jī)； 超大規(guī)模集成電路計算機(jī) 。 計算機(jī)的結(jié)構(gòu)仍然沒有突破馮 諾依曼提出的計算機(jī)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)框架 。 1 1 微型計算機(jī)概述 一、發(fā)展 二、分類 三、特點(diǎn) 四、應(yīng)用 五、發(fā)展趨勢 一、微型計算機(jī)的發(fā)展 六個時期： 第一時期（ 1971 1973年） 4位或 8位 低檔微處理器和微機(jī)； 第二時期（ 1973 1977年） 8位 中高檔微處理器和微機(jī)； 第三時期（ 1978 1984年） 16位 微處理器和微機(jī)； 第四時期（ 1985 1992年） 32位 微處理器和微機(jī)； 第五時期（ 1993 1999年） 超級 32位 Pentium微處理器和微機(jī) 第六時期（ 2000年以后） 新一代 64位 微處理器 Merecd和微機(jī) 二、 MC的分類 共有 4種分類方法。 1 按微處理器的位數(shù)（字長）分 4位機(jī)、 8位機(jī)、 16位機(jī)、 32位機(jī)、64位機(jī) 2 按微型計算機(jī)的用途分 通用機(jī)和專用機(jī)兩類 3、按微型計算機(jī)的檔次分 低檔機(jī)、中檔機(jī)和高檔機(jī) 4、按微型計算機(jī)的組裝形式和系統(tǒng)規(guī)模分 單片機(jī)、單板機(jī)、個人計算機(jī) 從應(yīng)用形態(tài)上，微機(jī)可以分成三種： 多板機(jī)（系統(tǒng)機(jī)） 將 CPU、存儲器、 I/O接口電路和總線接口等組裝在一塊主機(jī)板（即微機(jī)主板）。各種適配板卡插在主機(jī)板的擴(kuò)展槽上并與電源、軟 /硬盤驅(qū)動器及光驅(qū)等裝在同一機(jī)箱內(nèi)，再配上系統(tǒng)軟件，就構(gòu)成了一臺完整的微型計算機(jī)系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)機(jī)）。 工業(yè) PC機(jī) 也屬于多板機(jī)。 單板機(jī) 將 CPU芯片、 存儲器 芯片、 I/O接口 芯片和簡單的 I/O設(shè)備 （小鍵盤、 LED顯示器）等裝配在一塊印刷電路板上，再配上 監(jiān)控程序 （固化在 ROM中），就構(gòu)成了一臺單板微型計算機(jī)（簡稱單板機(jī)）。 單板機(jī) 單片機(jī)是將中央處理器（ CPU） ,隨機(jī)存儲器（ RAM），只讀存儲器（ ROM或 EPROM） ,定時器 /計數(shù)器芯片和一些輸入 /輸出接口電路集成在一個芯片上的微型計算機(jī)，有的甚至包含 A/D、 D/A轉(zhuǎn)換器。總而言之，一塊單片機(jī)芯片，就相當(dāng)于一臺微型計算機(jī)。又稱為微控制器（ Microcontroller）。 它是專為工業(yè)控制和智能儀器設(shè)計的一種集成度很高的微型計算機(jī)。 單片機(jī) 三種應(yīng)用形態(tài)的比較 ： 單板機(jī) 單片機(jī) 系統(tǒng)機(jī)（多板機(jī)） 系統(tǒng)機(jī) （ 桌面應(yīng)用 ） 屬于通用計算機(jī) ， 主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理 、 辦公自動化及輔助設(shè)計 。 單片機(jī) （ 嵌入式應(yīng)用 ）屬于專用計算機(jī) ， 主要應(yīng)用于智能儀表 、 智能傳感器 、 智能家電 、 智能辦公設(shè)備 、 汽車及軍事電子設(shè)備等應(yīng)用系統(tǒng) 。 圖 1-1 微處理器、微計算機(jī)和微計算機(jī)系統(tǒng)的關(guān)系 微計算機(jī)系統(tǒng)概念 單片機(jī)的發(fā)展 單片機(jī)技術(shù)發(fā)展過程可分為三個主要階段： 單芯片微機(jī)形成階段 1976年， Intel公司推出了 MCS-48系列單片機(jī) 。 8位 CPU、 1K字節(jié) ROM、 64字節(jié) RAM、27根 I/O線和 1個 8位定時 /計數(shù)器 。 特點(diǎn)是 ：存儲器容量較小，尋址范圍小（不大于 4K），無串行接口，指令系統(tǒng)功能不強(qiáng)。 性能完善提高階段 1980年， Intel公司推出了 MCS-51系列單片機(jī)： 8位 CPU、 4K字節(jié) ROM、 128字節(jié)RAM、 4個 8位并口、 1個全雙工串行口、 2個 16位定時 /計數(shù)器。尋址范圍 64K，并有控制功能較強(qiáng)的布爾處理器。 特點(diǎn)是 ：結(jié)構(gòu)體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點(diǎn)進(jìn)一步突出?，F(xiàn)在， MCS-51已成為公認(rèn)的單片機(jī)經(jīng)典機(jī)種 。 微控制器化階段 特點(diǎn)是 ：片內(nèi)面向測控系統(tǒng)，外圍電路增強(qiáng)，使單片機(jī)可以方便靈活地用于復(fù)雜的自動測控系統(tǒng)及設(shè)備。 “微控制器”的稱謂更能反應(yīng)單片機(jī)的本質(zhì) 。 1982年， Intel推出 MCS-96系列單片機(jī)。 芯片內(nèi)集成： 16位 CPU、 8K字節(jié) ROM、 232字節(jié) RAM、 5個 8位并口、 1個全雙工串行口、 2個 16位定時 /計數(shù)器。尋址范圍 64K。片上還有 8路 10位 ADC、 1路 PWM輸出及高速 I/O部件等。 三、 MC特點(diǎn) （ 1）體積小、重量輕、功耗低 （ 2）可靠性高、使用環(huán)境條件要求低 （ 3）結(jié)構(gòu)簡單靈活、系統(tǒng)設(shè)計方便、適應(yīng)性強(qiáng) （ 4）性能價格比高 四、 MC應(yīng)用 （ 1）科學(xué)計算 （ 2）數(shù)據(jù)處理和與信息管理 （ 3） CAD、 CAM、 CAA和 CAI的應(yīng)用 （ 4）過程控制和儀器儀表智能化 （ 5）軍事領(lǐng)域的應(yīng)用 （ 6）多媒體系統(tǒng)和信息高速公路 （ 7）家用電器和家庭自動化 （ 8）人工智能的應(yīng)用 五、 MC發(fā)展趨勢 多級流水線結(jié)構(gòu) 芯片上存儲器管理技術(shù) 虛擬存儲技術(shù) 并行處理的哈佛結(jié)構(gòu) RISC結(jié)構(gòu) 整片集成技術(shù) 1 2 微型計算機(jī)系統(tǒng) 一、微型計算機(jī)基本結(jié)構(gòu) 二、微處理器、微型計算機(jī)、微型計算機(jī)系統(tǒng) 三、微型計算機(jī)的主要術(shù)語及性能指標(biāo) 一、微型計算機(jī)基本結(jié)構(gòu) MC機(jī)是由 硬件 和 軟件 兩大部分組成。 硬件 是指為組成計算機(jī)而有機(jī)聯(lián)系的電子、電磁、機(jī)械、光學(xué)的元件、部件或裝置的總和，它是有型的物理實(shí)體。 軟件 是相對于硬件而言的，從狹義的角度看，軟件包括計算機(jī)運(yùn)行所需要的各種程序；而從廣義角度講，軟件還包括手冊、說明書和有關(guān)資料。 1、硬件基本結(jié)構(gòu) MC由 運(yùn)算器 、 控制器 、 存儲器 、 輸入設(shè)備 及 輸出設(shè)備 五大部分組成。 運(yùn)算器 +控制器 +存儲器 =主機(jī) ； 輸入 +輸出設(shè)備則稱為計算機(jī)的外圍設(shè)備（簡稱 “ 外設(shè) ” ）； 運(yùn)算器 +控制器 =中央處理單元 CPU（ Central Process Unit）。 2微型計算機(jī)的軟件 計算機(jī)能夠脫離人的直接控制而自動地操作與運(yùn)算，還必須要有軟件。 軟件是指使用和管理計算機(jī)的各種程序（ Program），而程序是由一條條 指令（ Instruction）組成的。 程序的集合構(gòu)成了計算機(jī)中的 軟件系統(tǒng)。 （ 1）指令 控制計算機(jī)完成各種操作的命令稱為指令。 例如： ADD A， #38 指令分成 操作碼 和 操作數(shù) 兩大部分。 操作碼 表示該指令執(zhí)行何種操作， 操作數(shù) 表示參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)所在的地址。 （ 2）程序 為了計算一個數(shù)學(xué)式，或者要控制一個生產(chǎn)過程，需要事先制定計算機(jī)的計算步驟或操作步驟。計算步驟是由一條條指令來實(shí)現(xiàn)的。這種一系列指令的有序集合稱為程序。編制程序的過程稱為程序設(shè)計：例如，計算63+56+36+14=？ 編制的程序如下： MOV A， #63 ADD A， #56 ADD A， #36 ADD A， #14 （ 3）匯編語言、高級語言和機(jī)器語言 匯編語言與機(jī)器語言的對照： MOV A， #63 0111 0100 0011 1111 ADD A， #56 0010 0100 0011 1000 ADD A， #36 0010 0100 0010 0100 ADD A， #14 0010 0100 0000 1110 （ 4）匯編、編譯與解釋程序 3硬件和軟件的關(guān)系 微機(jī)系統(tǒng)是硬件和軟件有機(jī)結(jié)合的整體。計算機(jī)的硬件和軟件是密可不分但又相互獨(dú)立的。 硬件是基礎(chǔ) 軟件是靈魂 二、微處理器、 MC、 MC系統(tǒng) 微處理器、微型計算機(jī)、微型計算機(jī)系統(tǒng) 是不同的概念，有必要對它們加以說明。 1、微處理器 -CPU 微處理器是利用微電子技術(shù)將計算機(jī)的核心部件（運(yùn)算器和控制器）集中做在一塊集成電路上的一個獨(dú)立芯片。它具有解釋指令、執(zhí)行指令和與外界交換數(shù)據(jù)的能力。 無論那種 CPU，其內(nèi)部基本組成總是大同小異，其內(nèi)部包括三部分：運(yùn)算器、控制器、內(nèi)部寄存器陣列（工作寄存器組） 典型微處理器結(jié)構(gòu)圖 ： （ 1）運(yùn)算器： 算術(shù)邏輯運(yùn)算單元和累加器、標(biāo)志寄存器、二十進(jìn)制調(diào)整電路 （ 2）控制器： 控制器包括指令寄存器 IR、指令譯碼器ID和定時與控制電路三部分。 （ 3）內(nèi)部寄存器陣列 （ 4）程序計數(shù)器 功能： 可以進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算； 可保存小量數(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)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換； 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 使用： 內(nèi)部的寄存器 -名字（符號）、大小、特殊性 （關(guān)鍵是使用） 2、微型計算機(jī) 由： CPU、存儲器、輸入 /輸出（ I/O）口電路構(gòu)成，各部分之間通過總線（ Bus） 連接。 （ 1） CPU： CPU是微型計算機(jī)的核心，它的性能決定了整個微型計算的各項關(guān)鍵指標(biāo)。 微處理器本身不能構(gòu)成獨(dú)立工作的系統(tǒng)，也不能獨(dú)立執(zhí)行程序，必須配上 存儲器、外部輸入 /輸出接口 構(gòu)成一臺微型計算機(jī)方能工作。 （ 2）存儲器 存儲器是微型計算機(jī)的重要組成部分，是用來存放程序和數(shù)據(jù)的， 計算機(jī)有了存儲器才具備記憶的能力。 存儲器是由存儲器單元組成的 由地址確定。 從應(yīng)用的角度講，計算機(jī)工作時， CPU對存儲器的操作只有 “ 讀 ” 和 “ 寫 ” 操作。 （ 3）輸入 /輸出接口電路 輸入 /輸出接口作 橋梁 ，起到 信息轉(zhuǎn)換與協(xié)調(diào) 的作用。 從應(yīng)用的角度講，計算機(jī)工作時， CPU對 I/O口的操作只有 “ 讀 ” 和 “ 寫 ” 。 操作時對 端口號 的操作。 （ 4）總線 所謂總線，就是在微型計算機(jī)各芯片之間或芯片內(nèi)部各部件之間傳輸信息的一組公共通信線 。 微型計算機(jī)總線的種類非常多，可分為