單片機原理及總結(jié)

本文格式為Word版，下載可任意編輯——單片機原理及總結(jié)2.1微機原理概述

迄今為止，所有計算機的組成結(jié)構(gòu)都是馮·諾伊曼型的，即：它是執(zhí)行存儲器中程序而工作的。計算機執(zhí)行程序是自動按序進行的，毋需人工干預(yù)，程序和數(shù)據(jù)由輸入設(shè)備輸入存儲器，執(zhí)行程序所獲得的運算結(jié)果由輸出設(shè)備輸出。因此，計算機尋常有運算控制部件、存儲器部件、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備四部分組成，如圖2-1所示。

圖2-1計算機組成框圖

輸入設(shè)備能自動把人們編好的解題程序和原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計算機能識別的二進制數(shù)碼，送到存儲器存放起來。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、紙帶輸入機和卡片讀入機，等等。此外，當(dāng)計算機從磁盤上讀入程序和數(shù)據(jù)時，磁盤驅(qū)動器也是作為輸入設(shè)備而工作的。因此，輸入設(shè)備是計算機輸入解題程序和原始數(shù)據(jù)不可缺少的部件。

運算控制器有運算器和控制器兩部分電子線路組成，是計算機賴以工作的核心部件。運算器主要包括加法器、移位、判斷和寄放器電路等等，用于進行算術(shù)運算和規(guī)律操作；控制器由指令寄放器、指令譯碼器和控制電路等組成，是整個計算機的中樞，它根據(jù)指令碼指揮著運算器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備自動協(xié)調(diào)地工作（如圖中箭頭所示）。因此，運算器和控制器唇齒相依，融為一體。過去，運算器和控制器采用電子管、晶體管和集成電路芯片組成，體積十分巨大?，F(xiàn)在，運算器和控制器尋常集成在單塊或幾塊大規(guī)模集成電路芯片內(nèi)，人們稱為中央處理單元促CPU,即微處理器。

尋常，存儲器分為內(nèi)存儲器和外存儲器兩種。內(nèi)存儲器工作速度快，但存儲容量有限，過去采用磁心存儲器，現(xiàn)在毫無例外地采用半導(dǎo)體存儲器。外存儲器稱為海量存儲器，它存儲容量大，但存取速度慢，如磁盤、磁鼓、磁帶和光盤等等。微型計算機中用的最廣泛的是軟磁盤和硬磁盤兩種外存儲器。

輸出設(shè)備用于輸出計算機的中間結(jié)果和最終結(jié)果，也可以輸出原始程序和實時信息。常見的輸出設(shè)備有CRT顯示器、打印機、繪圖機和電傳打字機，等等。外存儲器，當(dāng)它存儲數(shù)據(jù)時也可以看作輸出設(shè)備。因此，外存儲器是一種既可以作輸

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入又可以作輸出設(shè)備。往往稱之為輸入/輸出設(shè)備。

上述四部分統(tǒng)稱為計算機硬件，各部分相互獨立，但又相相互連，組成一個有機整體。其中，中央處理器CPU和內(nèi)存儲器又稱為計算機的主機；輸入/輸出設(shè)備統(tǒng)稱為外部設(shè)備或I/O設(shè)備。2.1.1微型計算機的基本機構(gòu)

微型計算機是在中小型計算機基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，并以大規(guī)模集成電路技術(shù)為條件的一種新型計算機。因此，它在結(jié)構(gòu)上和通用計算機十分相像，但也有獨到之處。和其它計算機相比，微型計算機的最大特點是采用總線結(jié)構(gòu)，其中三總線結(jié)構(gòu)尤為普遍，目前已成為微型計算機的一種基本結(jié)構(gòu)，如圖2-2所示。

圖2-2微型計算機的基本結(jié)構(gòu)

由圖2-2可見，微處理器MPU是通過AB、DB和CD三總線同ROM存儲器、RAM存儲器及I/O接口相連的,雖然這個結(jié)構(gòu)并不繁雜，但并不好理解。為此，在分析微型計算機基本工作原理前，先對圖中各部件作基本介紹是十分必要的。（1）ROM和RAM存儲器

這里的R()M和RAM是半導(dǎo)體存儲器，是一種采用大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路工藝制成的存儲器芯片。這種芯片體積小、重量輕、集成度高，現(xiàn)已制成包含1.4億只晶體管的8MBDRAM芯片,并已投放市場。

ROM存儲器是一種在正常工作時只能讀不能寫的存儲器，故它尋常用來存放固定程序和常數(shù)，固定程序和常數(shù)是利用特別手段存放進去的，一旦寫入便能長期保存，需要時便可讀出訪用。ROM種類雖然好多,但常按存儲容量分類。例如：4K(1K=1024)×8ROM最多可以存放4096個8位二進制數(shù)。每片ROM上都有用于傳送信號的引腳線。這些引線共分四組，地址線用于輸送ROM的地址碼：數(shù)據(jù)線是雙向的，可以為芯片傳送讀/寫數(shù)據(jù)；控制線用于傳送控制信號,以控制芯片是否工作以及是讀還是寫等等；電源線可以供給芯片+5V直流電源。在這些引腳線中．地址線及數(shù)據(jù)線條數(shù)和芯片的存儲容量有關(guān)。地址線越多，存儲容量就越大；

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數(shù)據(jù)線越多，每個二進制數(shù)的位數(shù)就越長。

RAM存儲器是一種在正常工作時既能讀又能寫的存儲器，故它尋常用來存放原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、最終結(jié)果和實時數(shù)據(jù)等。RAM中存入的信息不能長久保存，停電后便馬上消失，故它又稱為易失性存儲器。RAM存儲器的規(guī)格品種也好多，如4KB、8KB、32KB、64KB、256Kb、1MB，等等。

ROM和RAM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)大致一致，所不同的是存儲每位二進制數(shù)碼的基本電路不一樣。ROM的基本存儲電路采用特別的FAMOS管,由FAMOS管浮柵內(nèi)有電荷和無電荷表示存“0〞還是存“1〞；RAM的基本存儲電路是觸發(fā)器，用觸發(fā)器的兩個暫穩(wěn)狀態(tài)來表示存“0〞或存“1〞。為使讀者對存儲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個基本了解，我們在圖2-3中示出了一個容量為16×8RAM芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖2-316×8RAM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

由圖中可見，A3～A0為地址線，共4條，傳送地址碼；D7～D0是數(shù)據(jù)線，共8條，傳送一個二進制數(shù)的八位；RD和WR為控制線,傳送讀/寫控制信號，存儲陣列是芯片的主體，它有16個地址單元，分別對應(yīng)于4條地址線的16種組合，每個地址單元有8個觸發(fā)器，用于存儲一個八位二進制數(shù)，故它可以存儲16個八位二進制數(shù)。在16個地址單元中，哪一個工作是由地址譯碼器輸出的16條地址選擇線中哪一條為高電平?jīng)Q定的。地址譯碼器的譯碼信號由地址譯碼器輸出的16條地址選擇線中哪一條為高電平?jīng)Q定的。地址譯碼器的譯碼信號由地址線上地址譯碼經(jīng)地址寄放器暫存后送來。因此，地址線條數(shù)和存儲容量間關(guān)系尋常為：

存儲容量=2n

其中，n為地址線條數(shù)。數(shù)據(jù)線條數(shù)和每個地址單元中二進制數(shù)位數(shù)一一對應(yīng)，并應(yīng)和所有地址單元中的基本存儲電路（即觸發(fā)器）相通。

對于一個有16條地址線和8條數(shù)據(jù)線的ROM存儲器，假使它的16條地址線皆為高電平（即：地址為FFFFH），則必定選中讀出FFFFH號地址單元中的內(nèi)容，且讀出數(shù)據(jù)是送到數(shù)據(jù)線上的；假使16條地址線上的地址碼為0000H(即全為低電平)，則必定選中0000H單元工作。因此，一個有16條地址線的存儲器，其存儲器容量的地址范圍為0000H～FFFFH,共64KB。

（2）微處理器MPU

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現(xiàn)代微處理器MPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其繁雜，要像電子線路那樣畫出它的全部原理圖來加以分析介紹是根本不可能的，為了弄清它的基本工作原理，現(xiàn)以圖2-4中的模型機框圖為例加以概述。

(1)運算器

運算器用于對二進制數(shù)進行算術(shù)運算和規(guī)律操作；其操作順序是在控制器控制下進行的。運算器由算術(shù)規(guī)律單元ALU、累加器A、通用寄放器R0、暫存器TMP和狀態(tài)寄放器PSW等五部分組成。

圖2-4模型MPU結(jié)構(gòu)框圖

累加器A是一個具有輸入/輸出能力的移位寄放器，由8個觸發(fā)器組成。累加器A在加法前用于存放一個操作數(shù)。加法操作適用于存放兩數(shù)之和，以便再次累加，故因此得名。TMP為暫存器，也是一個8位寄放器，用于暫存另一操作數(shù)。ALU為算術(shù)規(guī)律單元，主要由加法器、移位電路和判斷電路等組成，用于對累加器A和暫存器TMP中兩個操作數(shù)進行四則運算和規(guī)律操作。PSW為程序狀態(tài)宇，也由八位觸發(fā)器組成，用于存放ALU操作過程中形成的狀態(tài)。例如：累加器A中的運算結(jié)果是否為零，最高位是否有進位或借位，低四位向高四位是否有進位或借位，等等，都可以記錄到PSW中去。R0為通用寄放器GR，用于存放操作數(shù)或運算結(jié)果。

(2)控制器

控制器是發(fā)布操作命令的機構(gòu)，是計算機的指揮中心，相當(dāng)于人腦的神經(jīng)中樞、控制器由指令部件、時序部件和微操作控制部件等三部分組成。

①指令部件：是一種能對指令進行分析、處理和產(chǎn)生控制信號的規(guī)律部件，也是控制器的核心。尋常，指令部件由程序計數(shù)器PC、指令寄放器IR和指令譯碼器IS等三部分組成。

指令是一種能供機器執(zhí)行的控制代碼，有操作碼和地址碼兩部分，指令不同，

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相應(yīng)的代碼長度也不一樣。因此，指令可分為單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)指令，等等。指令的有序組合稱為程序，程序必需先放在存儲器內(nèi)，機器執(zhí)行程序應(yīng)從第一條指令開始逐條執(zhí)行。這就需要有一個專門寄放器用來存放當(dāng)前要執(zhí)行指令的內(nèi)存地址，這個寄放器就是程序計數(shù)器PC。當(dāng)機器根據(jù)PC中地址取出要執(zhí)行指令的一個字節(jié)后，PC就自動加1，指向指令的下一字節(jié)，為機器下次取這個字節(jié)時作好準(zhǔn)備。在8位微處理器MPU中，程序計數(shù)器尋常為16位。

指令寄放器IR有八位長，用于存放從存儲器中取出的當(dāng)前要執(zhí)行指令的指令碼。該指令碼在IR中得到寄放和緩沖后被送到指令譯碼器ID中譯碼，指令操作碼譯碼后就知道該指令進行哪種操作，并在時序部件幫助下去推動微操作控制部件完成指令的執(zhí)行。

②時序部件：由時鐘系統(tǒng)和脈沖分派器組成，用于產(chǎn)生微操作控制部件所需的定時脈沖信號。其中，時鐘系統(tǒng)產(chǎn)活力器的時鐘脈沖序列，脈沖分派器又稱“節(jié)拍發(fā)生器〞，用于產(chǎn)生節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖。

③微操作控制部件：可以為ID輸出信號配上節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖，也可和外部進來的控制信號組合，共同形成相應(yīng)的微操作控制序列，以完成規(guī)定的操作。

（3）地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線所謂總線是指信息傳送的公共通道，實際上是印刷電路板上的短路線，這些短路線是溝通微型計算機各種器件的橋梁。

①地址總線AB

地址總線AB也叫地址母線,因其上僅傳送MPU的地址碼而得名。當(dāng)微處理器MPU和存儲器或外部設(shè)備交換信息時，必需指明要和哪個存儲單元或哪個外部設(shè)備交換。因此，地址總線AB必需和所有存儲器的地址線對應(yīng)相連，也必需和所有I/O接口的設(shè)備碼線相連。這樣，當(dāng)微處理器MPU對存儲器或外設(shè)讀/寫數(shù)據(jù)時，只要把存儲單元的地址碼或外部的設(shè)備碼送到地址總線上便可選中它們工作,地址總線條數(shù)由所選MPU型號決定.在8位機中．它尋常為16條。

②數(shù)據(jù)總線

數(shù)據(jù)總線也叫“數(shù)據(jù)母線〞，因其上傳送的是數(shù)據(jù)和指令碼而得名。數(shù)據(jù)總線條數(shù)常和所用微處理器字長相等，但也有內(nèi)部為16位運算而外部仍為8位數(shù)據(jù)總線的狀況。由于MPU有時需要把數(shù)據(jù)寫入存儲器或從外設(shè)輸出數(shù)據(jù)，有時又需要從存儲器或輸入設(shè)備輸人數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)總線是