微型計算機原理和應用

課程的基本要求本課程是機電類專業(yè)（非計算機專業(yè)）學生學習和掌握微機硬件知識和匯編語言程序設計的入門課程。課程的任務是使學生從理論和實踐上掌握微機的基本組成、工作原理、接口電路設計等，建立微機系統(tǒng)的整機概念，使學生具有微機硬件系統(tǒng)設計和軟件開發(fā)的初步能力。目

錄第一章

計算機基礎知識第二章

89C51單片機的結構和原理第三章

89C51指令系統(tǒng)第四章

匯編語言程序設計知識第五章

中斷系統(tǒng)第六章

定時器及應用第七章

89C51串行口及通信技術第八章

單片機小系統(tǒng)片外擴展第九章

應用系統(tǒng)配置及接口技術附錄A

89C51指令系統(tǒng)表參考資料1、掌握一款單片機2、掌握一種開發(fā)環(huán)境與語言3、掌握一種軟件仿真方法與軟件4、掌握單片機電路的設計方法5、制作一個程序下載器6、制作一個單片機開發(fā)板/第一章計算機基礎知識1、什么是單片機？有何作用？2、單片機內部結構的簡單認識。3、什么是字長？4、機器碼、助記符？5、特殊寄存器？是RAM還是ROM?6、單片機有幾種I/O口?作用與區(qū)別？7、單片機的封裝？8、單片機最小系統(tǒng)？9、單片機的動力來源？§1.計算機發(fā)展概述一.計算機的發(fā)展機械式→電子模擬式→電子數字式第一代：電子管.40年代第一臺:1946年,美國賓西法尼亞大學ENIAC(

Electronic

Numerical

Integrator

AndComputer

)第二代:晶體管.50年代

第三代:集成電路.60年代第四代:大規(guī)模集成電路.70年代分類:(按規(guī)模)巨型機、大型機、小型機、微型機。二.微處理器、微型機、與單片機的發(fā)展⑴.微處理器、微計算機、單片機的概念：

微處理器：（Microprocessor）將計算機中的運算器、控制器兩大部分（CPU）集成在一個芯片上，就組成了微處理器（MP、μP、MPU）

微計算機（Microcomputer）：以微處理器作為CPU，再加上存貯器、輸入輸出電路就組成了微計算機（MC、μC）

單片機（Single-Chip

Microcomputer,

Micro-controller）：將CPU、存貯器、輸入輸出電路均集成在一個芯片上。（2）微處理器發(fā)展簡況：第一個微處理器：美國Intel公司，1971年，Intel

4004.（字長4位）8位微處理器：Intel

8080、8085Zilog：Z80Motorola：MC680016位微處理器：Intel：8086.Motorola：68000Zilog：Z800032位 微處理器：Intel

80386目前：Intel公司.：奔騰系列AMD公司（3）單片機發(fā)展簡況：第一個單片機：美國仙童公司，1974年，F8?4位單片機：美國NS（國家半導體）公司Cop4xx系列日本松下公司MN

1400 系列8位單片機：Intel公司：MCS－48、51系列

Motolola公司：M6805系列16位單片機：＜Microchip公司：PIC系列

Intel公司MCS－96／98系列

Motolola公司M68HC16系列32位單片機：Motolola

M68306系列目前以8位／16位單片機為主流，發(fā)展趨勢是：高速度、多資源、強功能、低功耗。部分新型8051兼容單片機Acer

Lab M6032、M6975Aeroflex

UTMCADAtmelUT69RH051ADuC812AT89C2051、AT89C51Cybernetic

Micro

Systems P-51Cygnal

C8051FxxxEZ-USB

CY7C646xxDaewooDallasDMC60C51…DS2250(T)

Domosys、Honeywell、Infineon、Innovasic、Intel、ISSI、Maxim、Mentor、Micronas、OkI、Philips、Sharp、SMSC、SSST、TD

K、TI、Triscend、Winbond、XEMICS其他單片機如：PIC、AVR、凌陽、freescal(Motorola)§2

計算機中數的表示方法一.常用數制(一).十進制（Decimal）0―9

十個數碼基數為10，逢十進位例：258.36可寫成冪級數的形式：

2×102＋5×101＋8×100＋3×10－1＋6×10－2(二).二進制（Binary）(1).0－1兩個數碼

(2)．逢二進位例：%10110.11冪級數的形式：

1×24＋1×22＋1×21＋1×2－1＋1×2－2＝22.75??字長：2進制信息的位數字節(jié)：每8位2進制數稱為一個字節(jié)字：每16位2進制數稱為一個字(三).十六進制（Hexadecimal）⑴ 0、1、2……9、A、B、C、D、E、F、16個數碼⑵．基數為16，逢16進位例：70F.B1冪級數的形式：7×162＋F×160＋B×16－1＋16－2＝1807.69140625（四）標記方法十進制數：加后綴D（可省略）。例：85.7D、128二進制數：加后綴B。例：1011.0101B十六進制數：加后綴H。例：2AC.5FH二.各種數制之間的轉換·帶小數？㈠.二進制與十進制⑴.二翻十：按權展開相加例：11010.01B

=

1×24＋1×23＋1×21＋1×2－2＝26.25⑵.十翻二：·

整數：除2取余法.例：215結果：

215＝11010111B小數：乘2取整法例：0.6879結果：0.6879

＝

0.1011B·小數十翻二運算結果可能是無限小數，只要取足精度即可。㈡.十六進制與十進制⑴.十六翻十：按權展開相加⑵.十翻十六整數：除16取余小數：乘16取整。㈢.二進制與十六進制⑴.二翻十六：四位合一法（以小數點為基準）例：111110.101101B0011

1110.

1011

0100結果：3E.B4H⑵.十六翻二：一化四位法（以小數點為基準）例：7C.5A0111

1100.

0101

1010結果：1111100.0101101B*由于二進制與十六進制轉換十分方便，所以計算機中的二進制數在人工書寫時常寫成十六進制數，以便于閱讀。**

十進制與二進制之間的轉換可以十六進制數為橋梁，通過計算器實現。三.二進制數的運算規(guī)則㈠.算術運算⑴．加法：0＋0＝00＋1＝1＋0＝11＋1＝0（向鄰近高位進位1）⑵．減法:0－0＝01－1＝01－0＝10－1＝1（向鄰近高位借1當做2）⑶．乘法0×0＝01×0＝0×1＝01×1＝1⑷.

除法利用判斷、減法、移位實現㈡．邏輯運算⑴．“與”運算（邏輯乘）0∧0＝01∧0＝0∧1＝01∧1＝1⑵. “或”運算（邏輯加）0∨0＝01∨0＝0∨1＝11∨1＝1⑶. 取反運算（邏輯非）ō＝1ī＝0⑷. “異或”運算0⊕0＝1⊕1＝01⊕0＝0⊕1＝1四.有符號數的表示.㈠．原碼：（true

form）最高位用以表示符號，0正1負。例：X＝＋1010B，Y＝-1010B則其8位二進制原碼分別為：[X]原＝00001010B，[Y]原＝10001010B㈡.反碼：(One’s

complement)正數的反碼與原碼相同，負數的反碼求法是保持其原碼的符號位“1”，然后將其數值位按位取反。㈢.補碼:(Two’s

complement

）正數的補碼與原碼相同，負數的補碼等于其反碼加1。利用補碼可以方便地將減法轉換為加法。設X、Y均為正數，則:X－Y＝X＋[-Y]補(四)、求真值：在計算機中都是三用補.碼原表碼示碼一、個反帶符碼號及的數補據碼。最高位是0：正數。最高位是1：負數。當給出一個補碼表示的有符號二進制數（十六進制數）時，怎樣得到其對應的十進制數，就是求真值的問題。（1）正數：因為：正數它的補碼與原碼相同，所以：直接將其按權展開相加。（最高位0：正數）例如：有符號數：0001

0101

B=+21

D（2）負數：將補碼表示的負數，按位取反，再+1，再按權展開相加，在得到對應的十進制數前加負號。(最高位1：負數）例如：有符號數：1010

0111

B所以：取反：0101

1000

B加1：+

1

B=

0101

1001

B

=89

D因此：

1010

0111

B

=

-

89

D練習：有符號數：0111

1111

B，1001

1101B（五）

八位計算機的數值范圍*

無符號數：0000

0000

B

～

1111

1111

B00

H

～

FF

H0

D

～

255

D*

有符號數：正數：0000

0000

B

～

0111

1111

B00

H

～

7F

H0

D

～

127

D負數：1000

0000

B

～

1111

1111

B80

H

～

FF

H-128

D

～

-1

D五.計算機中的二進制編碼㈠.BCD碼（Binary

Coded

Decimal）：利用四位二進制數表示1位十進制數，常用的是8421碼。

0－0000,

1－0001,……

9－1001例：85－10000101B；85H*單從10000101B這個代碼并不能識別究竟代表十進制數85還是十六進制的85H，但程序編制者根據數據的來源可以識別,并按相應的運算規(guī)則進行處理。㈡.ASCII碼（American

Standard

Coded

forInformation

Interchange）共128個字符編碼，用7位二進制數表示，習慣上用8位二進制數（一個字節(jié)）表示，最高位空閑，可用做奇偶校驗位。常用的ASCII碼：??????數字0－9：30H－39H大寫字母A－Z

：41H－5AH小寫字母a－z：61H－7AH空格（SP）：20H回車（CR）0DH刪除（DEL）：7FHASCII碼表§3

微計算機組成及工作原理一.微計算機軟硬件系統(tǒng)組成㈠．硬件（hardware）⑴．微機主機：微處理器（MPU、CPU）：運算器（ALU）、控制器（CU）存貯器：只讀存貯器（ROM）、隨機存貯器（RAM）輸入輸出接口電路（I／O接口）：并行I／O、串行I／O⑵．外部設備（I／O設備）：輸入設備：鍵盤、鼠標、掃描儀輸出設備：CRT顯示器、LCD顯示器、打印機、繪圖儀外存貯器：硬盤驅動器、軟盤驅動器、USB存貯卡（U盤）光盤驅動器（CD－ROM）㈡．軟件（Software）系統(tǒng)軟件：監(jiān)控程序（BIOS）、操作系統(tǒng)（windows、MSDOS、UNIX）

應用軟件：語言處理程序（VB、VC、）、數據

庫管理程序、文字處理程序、CAD程序、圖像處理、游戲、工具軟件、各種用戶自編軟件。二.微計算機的結構圖1－1微機基本結構框圖㈠．基本結構框圖典型的微機結構如圖1－1所示，由以下幾部分組成：微處理器

（MPU，含運算機、控制器）；存貯器

（含RAM、ROM）；I／O接口（接口適配器）；I／O設備（外設）由MPU引出三組總線，RAM、ROM、I／O接口通過總線與CPU相連而I／O設備通過I／O接口連到總線上?？偩€（BUS）：信息傳送的公共通道。按功能分為三類。⑴.地址總線（AB）：單向總線，傳送MPU發(fā)出的地址信息。（8位字長的MPU一般

AB為16條）⑵.數據總線（DB）：雙向總線，傳送數據信息和指令碼。（一般與MPU字長相同，8位MPU一般DB為8條）⑶.控制總線（CB）：雙向總線，傳送各種控制信號，如讀／寫信號、中斷請求、中斷響應等。*

由于采用總線結構，存貯器、I／O接口均“掛”在總線上，數量可多可少，配置靈活。㈡．微處理器（模型機）MPU圖1－2微處理器結構運算器：①．累加器A （Accumulator)：8位觸發(fā)器，具有數據輸入／輸出及移位功能，存放一個操作數并保存運算結果。②．算術邏輯單元（ALU）：進行算術邏輯運算。由加法器、移位電路、判斷電路組成。數據輸入：累加器A；數據寄存器（DR）數據輸出：累加器A；進位寄存器（標志寄存器F、程序狀態(tài)字PSW）控制器（CU）：由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序發(fā)生器、操作控制器組成，發(fā)布各種控制命令。① 控制從內存中取出指令。（取指）② 對取出的指令譯碼，產生相應的操作信號。③ 控制數據流向。㈢．MPU中主要寄存器⑴．累加器A⑵．數據寄存器（DR）：暫存由數據總線輸入（讀）或輸出（寫）的數據。⑶．指令寄存器（IR）和指令譯碼器（ID）：IR保存當前正執(zhí)行的指令（操作碼）；ID則對指令的操作碼進行譯碼，向操作控制器發(fā)出相應的操作信號。⑷ 程序計數器（PC）：保存“下一條要執(zhí)行的”指令地址。每取完一條指令后，PC自動加1，當程序需要“跳轉”時，新的指令地址值送入PC。⑸．地址寄存器（AR）：與地址總線相連，保存MPU將要“訪問”（讀或寫）的存貯單元或I／O接口地址。（四）存貯器與I／O接口⑴．存貯器存貯器分內存貯器與外存貯器兩類，內存直接與三總線相連，其內容可直接被MPU訪問；外存通過I／O接口與三總線相連，其內容一般先傳入內存，然后被

MPU訪問。這里主要介紹內存。①．存貯體：由一系列存貯單元組成，每單元存放一個數據（單元內容），各單元的編號稱為地址。②．地址譯碼器：對地址總線上的地址信號進行譯碼，以“選中”相應的存貯單元。③．控制部分：產生讀寫等控制信號?；静僮鳌白x”操作：選中單元的內容→MPU“寫”操作：MPU→選中的存貯單元。圖1－3 存貯器結構主要引線：地址線：與地址總線相連，2

n個單元，需要n根地址線。數據線：與數據總線相連，n位的存貯單元具有n根數據線（一般與數據總線位數相同）控制線：“讀”、“寫”、（僅RAM具有）、“芯片選擇”等。*內存分

RAM、ROM兩類，從框圖上基本相同，但制作工藝不同。RAM：保存隨機數據、當前使用的程序。（斷電后內容丟失）ROM：保存固定的程序、數據。⑵．I／O接口：MPU與外部設備連接的橋梁。每個I／O接口有一個固定的地址。三．微機的工作過程指令：控制計算機進行某種操作的命令。(一般由操作碼、操作數兩部分組成)指令系統(tǒng)：MPU所能識別并執(zhí)行的全部指令集合。（由MPU型號確定）程序：為實現某項任務而編制的指令序列。以下以一個“模型機”為例，說明微機的工作過程。指令系統(tǒng)：見表1－1例：LDA

23第一字節(jié)：10010110第二字節(jié)：00010111操作碼操作數地址(注意23=17H)㈠．一條指令的執(zhí)行過程·

指令的執(zhí)行分“取指”和“執(zhí)行”兩個階段。圖1－4一條典型指令的執(zhí)行過程㈡．一個程序的運行過程：編好的程序預先“加載”到內存中，在微處理器控制下，逐條執(zhí)行。例：實現運算。7＋10＝