微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：第1章 緒論

1、第一章 緒 論 人類科技發(fā)展至今，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)取得了驚人的迅猛發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)已滲透到國防尖端、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、企業(yè)管理，交通運(yùn)輸?shù)热粘Ｉ罡鱾€(gè)領(lǐng)域。從個(gè)人利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行辦公、娛樂，到企業(yè)單位利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理，制造業(yè)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)控制等等，計(jì)算機(jī)已無所不在，無所不用，其作用和成就的日益卓著，已成為現(xiàn)代工業(yè)水平的標(biāo)志之一。計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向 而計(jì)算機(jī)的發(fā)展主要有兩個(gè)方向，一個(gè)是通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，一個(gè)是控制領(lǐng)域的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 通用計(jì)算機(jī)主要用于運(yùn)算、管理、輔助設(shè)計(jì)及制造等，是我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷挠?jì)算機(jī)系統(tǒng)。而控制領(lǐng)域的微型計(jì)算機(jī)是一種嵌入式系統(tǒng)，是將微型計(jì)算機(jī)嵌入到應(yīng)用

2、系統(tǒng)中的一種技術(shù)應(yīng)用。在我們?nèi)祟愡M(jìn)入計(jì)算機(jī)時(shí)代的新世紀(jì)，許多人都在從事著與計(jì)算機(jī)相關(guān)的職業(yè)，而只有從事嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的人才真正地進(jìn)入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部軟、硬件體系中，才能真正領(lǐng)會(huì)計(jì)算機(jī)的智能化本質(zhì)并掌握智能化設(shè)計(jì)的知識(shí)和技術(shù)。第一節(jié) 單片機(jī)概述 單片機(jī)應(yīng)用的歷史并不長，但是單片機(jī)的應(yīng)用卻從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。在使用單片機(jī)之前的控制系統(tǒng)是由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分控制功能，而現(xiàn)在已能利用單片機(jī)通過軟件編程方法實(shí)現(xiàn)模擬或數(shù)字電路的控制功能。這種以軟件取代硬件并能提高系統(tǒng)性能的控制系統(tǒng)“軟化”技術(shù)，稱之為微控制技術(shù)。因而單片機(jī)的應(yīng)用是對(duì)傳統(tǒng)控制技術(shù)的一場革命。1.1

3、.1單片機(jī) 單片機(jī)對(duì)剛剛接觸嵌入式領(lǐng)域的人而言還不是十分熟悉，但是個(gè)人計(jì)算機(jī)是大家在日常中經(jīng)常見到和使用的，二者都是計(jì)算機(jī)，它們之間又有什么聯(lián)系和區(qū)別呢？微型計(jì)算機(jī)單片機(jī)而單片機(jī)是將微型計(jì)算機(jī)的主要組成部分集成在一個(gè)芯片上的微型計(jì)算機(jī)。具體地說就是把中央處理器（CPU）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、I/O接口、中斷系統(tǒng)和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等接口集成在一塊芯片上，構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)。SCMC（Single Chip Micro-Computer ），簡稱單片機(jī)。單片機(jī)在應(yīng)用時(shí)通常處于被控系統(tǒng)核心地位并融入其中，即以嵌入的方式進(jìn)行使用。為了強(qiáng)調(diào)其“嵌入”的特點(diǎn)，也常常將單片機(jī)稱為嵌入式微

4、控制器EMCU（Embedded Micro-Controller Unit）。1.1.2單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)只是一個(gè)芯片，既無顯示器也無鍵盤，而在許多控制系統(tǒng)中或者需要鍵盤輸入控制參數(shù)，或者需要顯示器顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)，那該怎么辦呢？單片機(jī)系統(tǒng)則是在單片機(jī)芯片的基礎(chǔ)上擴(kuò)展其他電路或芯片構(gòu)成的具有一定應(yīng)用功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。例如一種溫度測控系統(tǒng)。1.1.3單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)和單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)具備的功能：（1）方便地輸入和修改用戶的應(yīng)用程序；（2）對(duì)用戶系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行檢查和診斷；（3）將用戶源程序編譯成目標(biāo)代碼并固化到相應(yīng)的ROM中去，并能在線仿真；（4）以單步、斷點(diǎn)、連續(xù)等方式運(yùn)行用戶程序

5、，能正確反映用戶程序執(zhí)行的中間狀態(tài)，即能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)試。常用的MCS-51硬件開發(fā)系統(tǒng)：（1）Keil C51單片機(jī)仿真器。 （2）廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司的TKS系列仿真器。 （3）Flyto Pemulator單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)。 （4）Medwin集成開發(fā)環(huán)境。 （5）E6000系列仿真器。1.1.4 單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)語言和軟件機(jī)器語言是用二進(jìn)制代碼表示的單片機(jī)指令，用機(jī)器語言構(gòu)成的程序稱之為目標(biāo)程序。匯編語言是用符號(hào)表示的指令，匯編語言是對(duì)機(jī)器語言的改進(jìn)，是單片機(jī)最常用的程序設(shè)計(jì)語言。為了使程序設(shè)計(jì)具有通用性，單片機(jī)也開始嘗試使用高級(jí)語言，其中編譯型語言有Pl、M5l、C-5l、C、

6、MBASIC-51等，解釋型的有MBASIC和MBASIC-52等。第二節(jié) 單片機(jī)發(fā)展及應(yīng)用1.2.1單片機(jī)發(fā)展階段第一階段（19711974年）：MCS-4微型計(jì)算機(jī)；8位微處理器Intel8008第二階段（19741978年）：單片機(jī)探索階段第三階段：（19781983年）：高性能單片機(jī)完善階段，第四階段：（198390年代初）：8位單片機(jī)發(fā)展及第三代16位單片機(jī)推出階段。第五階段：（90年代至今）：高檔16位單片機(jī)和第四代32位的單片機(jī)出現(xiàn)階段。1.2.2單片機(jī)的應(yīng)用1、智能化家用電器2、工業(yè)控制3、智能儀器儀表4、辦公自動(dòng)化5、網(wǎng)絡(luò)和智能化通信產(chǎn)品6、汽車電子產(chǎn)品7、模塊化應(yīng)用8、軍事

7、領(lǐng)域第三節(jié) 單片機(jī)分類1.3.1 單片機(jī)按位分類4位單片機(jī):OKI公司的MSM64164C、MSM64481、NEC公司的75006系列、EPSON公司的SMC62系列等。 8位單片機(jī) :目前主要分為MCS-51系列及其兼容機(jī)型和非MCS-51系列單片機(jī)。 16位單片機(jī) :TI的MSP430系列、凌陽SPCE061A系列、Motorola的68HC16系列、Intel的MCS-96/196系列等。32位單片機(jī):飛利浦的LPC2000系列、三星的S3C/S3F/S3P系列等。1.3.2 主要單片機(jī)性能分類Intel公司的MCS-51系列Atmel公司的AT89系列PIC系列單片機(jī)Motorola

8、單片機(jī)Intel公司的MCS-51系列片內(nèi)資源基本型型號(hào)增強(qiáng)型型號(hào)80318031AH80C3180518051AH80C5187518751BH87C5180328032AH80C3280528052AH80C5287528752BH87C52ROM/4K8B/8K8B/EPROM/4K8B/8K8BRAM1288 B1288 B1288 B2568 B2568 B2568 B并行接口4個(gè)8位4個(gè)8位4個(gè)8位4個(gè)8位4個(gè)8位4個(gè)8位串行接口UART111111中斷源555666定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2個(gè)16位2個(gè)16位2個(gè)16位316位316位316位掉電和待機(jī)模式/工作頻率12MHZ12MHZ12

9、MHZ12MHZ12MHZ12MHZAtmel公司的AT89系列片內(nèi)資源單片機(jī)型號(hào)AT89C51AT89S51AT89C52AT89S52AT87F51AT89LS51Flash ROM4K8B4K8B8K8B8K8位/4K8BOTP/8K8B/RAM1288B1288B2568B2568B1288B1288B工作頻率24MHZ33MHZ24MHZ33MHZ24MHZ16MHZ并行接口4個(gè)8位4個(gè)8位4個(gè)8位4個(gè)8位4個(gè)8位4個(gè)8位串行接口UART111111中斷源556665定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2個(gè)16位2個(gè)16位3個(gè)16位3個(gè)16位2個(gè)16位2個(gè)16位掉電和待機(jī)模式有有有有有有看門狗電路/有/有

10、/有PIC系列單片機(jī)PIC系列單片機(jī)與MCS-51系列單片機(jī)相比各有特點(diǎn):（1）總線結(jié)構(gòu)：MCS-51的總線結(jié)構(gòu)是馮-諾依曼型，計(jì)算機(jī)在同一個(gè)存儲(chǔ)空間取指令和數(shù)據(jù)，兩者不能同時(shí)進(jìn)行；而PIC的總線結(jié)構(gòu)是哈佛結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)空間是完全分開的，一個(gè)用于指令，一個(gè)用于數(shù)據(jù)，由于可以對(duì)程序和數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行訪問。(2)指令結(jié)構(gòu)：MCS-51的取指和執(zhí)行采用單指令流水線結(jié)構(gòu)。(3)寄存器結(jié)構(gòu)：PIC的所有寄存器，包括I/O口，定時(shí)器和程序計(jì)數(shù)器等都采用RAM結(jié)構(gòu)形式，而且都只需要一個(gè)指令周期就可以完成訪問和操作。第四節(jié) 數(shù)的進(jìn)制及編碼由于計(jì)算機(jī)只能識(shí)別“1”和“0”的數(shù)字量信息，所以在計(jì)算機(jī)處理中，所有數(shù)據(jù)

11、和信息的存儲(chǔ)以及指令的編碼都是以二進(jìn)制的形式存在的，下面介紹一下計(jì)算機(jī)中常用的數(shù)制和編碼以及數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示方法。1.4.1數(shù)制表示數(shù)碼中每一位的構(gòu)成及進(jìn)位的規(guī)則稱為進(jìn)位計(jì)數(shù)制，簡稱數(shù)制。一種數(shù)制中允許使用的數(shù)碼符號(hào)的個(gè)數(shù)稱為該數(shù)制的基數(shù)，記作R。而某個(gè)數(shù)位上數(shù)碼為1時(shí)所表征的數(shù)值，稱為該數(shù)位的權(quán)值，簡稱“權(quán)”。各個(gè)數(shù)位的權(quán)值均可表示成 的形式，其中i是各數(shù)位的序號(hào)。利用基數(shù)和“權(quán)”的概念，可以把一個(gè)R進(jìn)制數(shù)D用下列形式表示：1、十進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制的按權(quán)展開式如下：十進(jìn)制數(shù)的計(jì)數(shù)規(guī)律是：低位向其相鄰高位“逢十進(jìn)一，借一為十”。也就是說，每位數(shù)累計(jì)不能超過10，計(jì)滿10就應(yīng)向高位進(jìn)1；而從高位借

12、來的1，就相當(dāng)于低位的數(shù)10。十進(jìn)制各位的權(quán)值為10i，i是各數(shù)位的序號(hào)。一般情況，N位十進(jìn)制，可表示10N個(gè)不同的數(shù)值，從0開始并包括0，其最大數(shù)為10N -1。2、二進(jìn)制數(shù)所謂二進(jìn)制，就是基數(shù)R為2的進(jìn)位計(jì)數(shù)制，它只有0和1兩個(gè)數(shù)碼符號(hào)。二進(jìn)制數(shù)一般用下標(biāo)2或B表示，如11012，1101B等。二進(jìn)制的按權(quán)展開式如下：二進(jìn)制加法：0 + 0 = 00 + 1 = 11 + 0 = 11 + 1 = 10 （“逢二進(jìn)一”）二進(jìn)制減法二進(jìn)制的減法運(yùn)算有如下規(guī)則：0 0 = 01 0 = 11 1 = 00 1 = 1 （“借一為二”）二進(jìn)制乘法二進(jìn)制的乘法運(yùn)算有如下規(guī)則：0 0 = 00 1

13、= 01 0 = 01 1 = 1 二進(jìn)制數(shù)的除法是乘法的逆運(yùn)算，這與十進(jìn)制數(shù)的除法是乘法的逆運(yùn)算一樣。3、八進(jìn)制數(shù)八進(jìn)制數(shù)的基數(shù)R是8，它有0、1、2、3、4、5、6、7共八個(gè)有效數(shù)碼。八進(jìn)制數(shù)一般用下標(biāo)8或O表示，如6178，521O等。對(duì)照公式（1-1），八進(jìn)制的按權(quán)展開式如下：八進(jìn)制01234567二進(jìn)制0000010100111001011101114、十六進(jìn)制數(shù)十六進(jìn)制的計(jì)數(shù)規(guī)則是：低位向相鄰高位“逢十六進(jìn)一，借一為十六”。十六進(jìn)制數(shù)一般用下標(biāo)16或H表示，如B216，AC16等。對(duì)照公式（1-1），十六進(jìn)制的按權(quán)展開式如下：十六進(jìn)制0123456789ABCDEF十進(jìn)制01234

14、567891011121314151.4.2進(jìn)制轉(zhuǎn)換八進(jìn)制和二進(jìn)制之間的相互轉(zhuǎn)換非常簡單。八進(jìn)制能表示的最大十進(jìn)制數(shù)值是7，二進(jìn)制計(jì)數(shù)系統(tǒng)需要3位數(shù)來表示7（由于231 = 7）。因此，每個(gè)八進(jìn)制位需要3位二進(jìn)制數(shù)來表示八進(jìn)制01234567二進(jìn)制0000010100111001011101111、二進(jìn)制數(shù)與八進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換2、二進(jìn)制數(shù)與十六進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換十六進(jìn)制和二進(jìn)制之間的相互轉(zhuǎn)換非常簡單。十六進(jìn)制能表示的最大十進(jìn)制數(shù)值是15（十六進(jìn)制是F），二進(jìn)制計(jì)數(shù)系統(tǒng)需要四位數(shù)來表示15（由于241 =15）。因此，每個(gè)十六進(jìn)制位需要4位二進(jìn)制數(shù)來表示十六進(jìn)制01234567二進(jìn)制0000000

15、1001000110100010101100111十六進(jìn)制89ABCDEF二進(jìn)制10001001101010111100110111101111十進(jìn)制數(shù)與任意進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換把非十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)采用按權(quán)展開相加法。具體步驟是，首先把非十進(jìn)制數(shù)寫成按權(quán)展開的多項(xiàng)式，然后按十進(jìn)制數(shù)的計(jì)數(shù)規(guī)則求其和。1、非十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)2、十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為其它進(jìn)制數(shù) 采用基數(shù)連除法，即除基取余法。把十進(jìn)制整數(shù)N轉(zhuǎn)換成R進(jìn)制數(shù)的步驟如下：（a）將N除以R，記下所得的商和余數(shù)；（b）將上一步所得的商再除以R，記下所得的商和余數(shù)；（c）重復(fù)做第2步，直至商為0；（d）將各個(gè)余數(shù)轉(zhuǎn)換成R進(jìn)制的數(shù)碼，并按照和運(yùn)算

16、過程相反的順序把各個(gè)余數(shù)排列起來（把第一個(gè)余數(shù)作為LSB，最后一個(gè)余數(shù)作為MSB），即為R進(jìn)制的數(shù)。 整數(shù)轉(zhuǎn)換 純小數(shù)轉(zhuǎn)換（a）將M乘以R，取整數(shù)部分；（b）將上一步乘積中的小數(shù)部分再乘以R，再取整數(shù)部分；（c）不斷重復(fù)（b），直至小數(shù)部分為0或者滿足預(yù)定精度要求為止；（d）將各步求得的整數(shù)部分轉(zhuǎn)換成R進(jìn)制的數(shù)碼，并按照和運(yùn)算過程相同的順序排列起來，即為所求的R進(jìn)制數(shù)。1.4.3二進(jìn)制數(shù)的編碼8421BCD碼2421BCD碼1、加權(quán)二進(jìn)制碼2、不加權(quán)的二進(jìn)制碼余3碼:余3碼是一種特殊的BCD碼，它是由8421BCD碼加3后形成的，所以叫做余3碼格雷碼是另一種不加權(quán)的二進(jìn)制碼，它不屬于BCD類型

17、的編碼。格雷碼又叫循環(huán)碼，具有多種編碼形式，但有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是任意兩個(gè)相鄰的格雷代碼之間，僅有一位不同，其余各位均相同。3.字母數(shù)字碼計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)不僅有數(shù)碼，還有字母、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)、運(yùn)算符號(hào)及其它特殊符號(hào)。這些符號(hào)都必須使用二進(jìn)制代碼來表示，計(jì)算機(jī)才能直接處理。通常，可同時(shí)用于表示字母和數(shù)字的編碼稱為字母數(shù)字碼。4、補(bǔ)碼在計(jì)算機(jī)中，數(shù)總是存放在由存儲(chǔ)元件構(gòu)成的各種寄存器中，而二進(jìn)制數(shù)碼0和1也總是由存貯元件的兩種相反狀態(tài)來表示，所以對(duì)于正號(hào)“+”或負(fù)號(hào)“”也只能用這兩種相反的狀態(tài)來區(qū)別，而負(fù)數(shù)在計(jì)算機(jī)中總是以補(bǔ)碼形式表現(xiàn)的。數(shù)的符號(hào)在機(jī)器中的一種簡單表示法為，正數(shù)符號(hào)位用“0”表示，負(fù)數(shù)符號(hào)位用“1”表示。這樣，數(shù)的符號(hào)標(biāo)示也就“數(shù)碼化”了。也就是說，帶符號(hào)數(shù)的數(shù)值部分和符號(hào)部分統(tǒng)一由數(shù)碼形式（僅用0和1兩種數(shù)字符號(hào)）來表示。練習(xí)題1.簡述單片機(jī)與普通PC機(jī)的區(qū)別。2.對(duì)比找出MCS-51系列單片機(jī)和PIC系列單片機(jī)各自的特點(diǎn)。3.簡述機(jī)器語言、匯編語言、高級(jí)語言之間的關(guān)系。4.簡述單片機(jī)的特點(diǎn)，并舉例說明單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。5.在MCS