自动化与交通设备2009微机教案绪论.ppt
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1、同学们,上午好!,单片机原理及应用 徐春辉 主讲,绪论,一、本课程的性质和学习意义 已经学习了很多关于微机的课程了(列举?) 为什么还要学习 单片机原理及应用 这门课 ?,一个应用实例:,J3,J2,J1,压力报警,高水位限位,低水位限位,度温度,度温度,INT,P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,P1.4,P1.5,P1.6,P1.7,+5V,AT89C51 单片机,电加热锅炉单片机控制系统,列车防追尾系统,是一门非常重要的学科基础课,二、与主要先修课程和后续课程的关系 主要先修课程:数字电子技术、程序设计; 主要后续课程:微机控制、可编程序控制器 原理及应用、DSP原理及应 用等多门专
2、业及专业基础课 尤其是毕业设计中将会较多 的用到,三、本门课程的主要内容 (学习本门课程要达到的目的) 1、了解微型计算机的基本结构和工作原理,2、重点掌握MCS-51系列单片机的原理及应用 (1)、 MCS-51系列单片机的硬件结构与工作原理(包括内部结构与外部引脚) (2)、 MCS-51系列单片机的指令系统 (3)、 MCS-51系列单片机的程序设计 (4)、 MCS-51系列单片机的系统扩展与接口设 计 (5)、单片机系统的设计与调试(课程设计),四、本课程的特点及学习方法 内容较多,既牵扯到硬件又牵扯到软件。许多数据、信号等只在单片机内部传输,比较抽象,而且有些知识前面介绍了要到后面
3、才会 具体用到。因此要求 (1)预习 (2)认真听讲勤于思考 (3)课后要复习,学习要反复 (4)多看参考书 (5)多实践,五、教材与教学参考书及网络教学资源 教材:单片微型计算机原理及应用 姜志海、刘连鑫、王蕾编著 参考书:MCS-51单片机原理及应用秦实宏 徐春辉主编 单片机原理及其接口技术(第二版) 胡汉才编著 微型计算机(MCS-51系列)原理、接口及应用张慰兮主编 微型计算机原理应用 郑学坚等编 网络教学资源:华东交大网络教学平台 校精品课程:微机应用原理与接口技术,六、考核问题 考试课(闭卷考试) 成绩构成:考试成绩占70%,平时成绩占30% 平时成绩包括: 课堂提问与答疑 实验
4、作业 考勤 (不旷课、有事先请假,尽量不请事假,病假以医院假条为准。旷课三次,此项目为零,(按校规,旷课超过三次(总学时的10分之一)或事假,病假合计超过次(总学时的三分之一)取消考试资格,),七、课时安排 总共 计划学时,其中上机实验6学时,实验室实验4学时。 另外,还有二周时间的课程设计(第7、18周),答疑与辅导: 时间:星期四 7、8节课 地点:1056,我的三个目标: 第一、和大家交朋友(一种缘份) 第二、帮助大家实现各自的目标 第三、成为大家都喜爱的好老师. Email: 电话: 2991779 沟通渠道全方位开放,提倡有话当面直说,有问题直接解决,尽早解决。,第一章 微型计算机
5、基础,1.1 微型计算机概述 1.2 计算机中的数和编码 1.3 微型计算机运算基础 1.4 数字电路基础 1.5 微型计算机基本结构及其工作原理 1.6 单片微型计算机概述,返回目录页,第一节 微型计算机概述,电子计算机的问世及其经典结构,1946年2月15日,在美国的宾夕法尼亚大学,第一台电子数字计算机ENIAC问世,这标志着计算机时代的到来。 (CALCULATOR),ENIAC是电子管计算机,时钟频率仅有100 KHz,但能在1秒钟的时间内完成5000次加法运算。(现在是 数百万亿次/秒浮点运算) 与现代的计算机相比,有许多不足,但它的问世开创了计算机科学技术的新纪元,对人类的生产和生
6、活方式产生了巨大的影响 。,20,匈牙利籍数学家冯诺依曼在方案的设计上做出了重要的贡献。1946年6月,他又提出了“程序存储”和“二进制运算”的思想,进一步构建了计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成这一计算机的经典结构。,电子计算机技术的发展,相继经历了五个时代: 电子管计算机; 晶体管计算机; 集成电路计算机; 大规模集成电路计算机; 超大规模集成电路计算机。 计算机的结构仍然没有突破冯诺依曼提出的计算机的经典结构框架。,返回本章首页,一、计算机的基本概念,现在广泛使用的计算机,其全称是数字电子式计算机,俗称电脑。 简单地讲,计算机是一种能够存储程序,并能自动连续地执行程序
7、,对各种数字化信息进行运算的现代化电子设备。 从3个方面进行理解:,(1)是能够进行各种运算的设备。 (2)用数字代码(即二进制数)来表示各种信息,因此称为数字计算机。 (3)采用的是一种存储程序的工作方式,即先编写程序,再由计算机将这些程序存储起来,然后自动连续地、快速地执行程序,从而实现各种运算处理。,为了存储程序与数据,需要存储器; 为了进行运算,需要运算器; 为了输入程序和数据及输出运算结果,需要有输入设备和输出设备; 此外还需要控制器对计算机各个部件的工作进行控制和管理。,冯诺依曼体制:,冯诺依曼在1945年提出了数字计算机的若干思想,后被称为冯诺依曼体制: 采用二进制代码表示数据和
8、指令。 采用存储程序的工作方式,即先编写程序,然后存储程序,最后自动连续地执行程序。 由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备组成计算机硬件系统。,1存储程序的工作方式,(1)编写程序 (2)存储程序 (3)自动、连续地执行程序 “数字”则表示计算机中的信息(控制信息和数据信息)均采用数字化表示方法。例如,二进制11001表示9,01000001表示字符A等。,2信息的数字化表示,二、计算机的工作过程,计算机的工作过程实际上是执行程序的过程,而程序是由一系列指令组成的,因此执行程序的过程就是按顺序执行指令的过程。 通常,计算机要运行某个程序时,该程序预先要调入内存的一系列单元中,在程序执行
9、过程中完全由计算机自动执行而不需要人工干预,具体包括下列几步。,(1)取出指令 (2)分析指令 (3)执行指令 (4)形成下一条 指令地址,三、MC的发展、分类、特点及应用 微型计算机(Micro Computer-MC),1、MC的发展:(六个时期) 第1时期(19711973年):4位或8位低档微处理器和微机; 第2时期(19731977年):8位中高档微处理器和微机; 第3时期(19781984年):16位微处理器和微机;,第4时期(19851992年):32位微处理器和微机; 第5时期(19931999年):超级32位Pentium微处理器和微机 第6时期(2000年以后):新一代64
10、位微处理器Merecd和微机,2、MC的分类: 4种分类方法,(1)按微处理器的位数(字长)分:4位机、8位机、16位机、32位机、64位机 (2)按MC的用途分:通用机和专用机两类 (3)按MC的档次分:低档机、中档机和高档机 (4)按MC的组装形式和系统规模分:单片机、单板机、个人计算机,3、MC特点,(1)体积小、重量轻、功耗低 (2)可靠性高、使用环境条件要求低 (3)结构简单灵活、系统设计方便、适应性强 (4)性能价格比高,4、MC应用,(1)科学计算 (2)数据处理和与信息管理 (3)CAD、CAM、CAA和CAI的应用 (4)过程控制和仪器仪表智能化 (5)军事领域的应用 (6)
11、多媒体系统和信息高速公路 (7)家用电器和家庭自动化 (8)人工智能的应用,四、MC发展趋势,多级流水线结构 芯片上存储器管理技术 虚拟存储技术 并行处理的哈佛结构 RISC结构 整片集成技术,五、MC基本结构,MC机是由硬件和软件两大部分组成。 硬件是指为组成计算机而有机联系的电子、电磁、机械、光学的元件、部件或装置的总和,它是有型的物理实体。 软件是相对于硬件而言的,从狭义的角度看,软件包括计算机运行所需要的各种程序;而从广义角度讲,软件还包括手册、说明书和有关资料。,1、硬件基本结构,MC由运算器、控制器、存储器、输入设备及输出设备五大部分组成。,运算器+控制器+存储器=主机; 输入+输
12、出设备则称为计算机的外围设备(简称“外设”); 运算器+控制器=中央处理单元CPU(Central Process Unit)。,2微型计算机的软件,计算机能够脱离人的直接控制而自动地操作与运算,还必须要有软件。 软件是指使用和管理计算机的各种程序(Program),而程序是由一条条指令(Instruction)组成的。 程序的集合构成了计算机中的软件系统。,(1)指令,控制计算机完成各种操作的命令称为指令。 例如: ADD A,#38 指令分成操作码和操作数两大部分。 操作码表示该指令执行何种操作,操作数表示参加运算的数据或数据所在的地址。,(2)程序,为了计算一个数学式,或者要控制一个生产
13、过程,需要事先制定计算机的计算步骤或操作步骤。计算步骤是由一条条指令来实现的。这种一系列指令的有序集合称为程序。编制程序的过程称为程序设计:例如,计算63+56+36+14=? 编制的程序如下: MOV A,#63 ADD A,#56 ADD A,#36 ADD A,#14,(3)汇编语言、高级语言和机器语言,汇编语言与机器语言的对照: 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)汇编、编译与解
14、释程序,3硬件和软件的关系,微机系统是硬件和软件有机结合的整体。计算机的硬件和软件是密可不分但又相互独立的。 硬件是基础 软件是灵魂,六、微处理器、MC、MC系统,1、微处理器CPU 微处理器是利用微电子技术将计算机的核心部件(运算器和控制器)集中做在一块集成电路上的一个独立芯片。它具有解释指令、执行指令和与外界交换数据的能力。 无论那种CPU,其内部基本组成总是大同小异,其内部包括三部分:运算器、控制器、内部寄存器阵列(工作寄存器组),典型微处理器结构图 :,(1)运算器:,算术逻辑运算单元和累加器、标志寄存器、二十进制调整电路 (2)控制器: 控制器包括指令寄存器IR、指令译码器ID和定时
15、与控制电路三部分。 (3)内部寄存器阵列 (4)程序计数器,功能:,可以进行算术和逻辑运算; 可保存小量数据; 能对指令进行译码并执行规定的动作; 能和存储器、外设进行数据交换; 提供整个系统所需要的定时和控制; 可以响应其他部件发来的中断请求,关键使用:,内部的寄存器-名字(符号)、 大小、 特殊性 (关键是使用),2、微型计算机,由:CPU、存储器、输入/输出(I/O)口电路构成,各部分之间通过总线(Bus)连接。,(1)CPU:,CPU是微型计算机的核心,它的性能决定了整个微型计算的各项关键指标。 微处理器本身不能构成独立工作的系统,也不能独立执行程序,必须配上存储器、外部输入/输出接口
16、构成一台微型计算机方能工作。,(2)存储器,存储器是微型计算机的重要组成部分,是用来存放程序和数据的,计算机有了存储器才具备记忆的能力。 存储器是由存储器单元组成的由地址确定。 从应用的角度讲,计算机工作时,CPU对存储器的操作只有“读”和“写”操作。,(3)输入/输出接口电路,输入/输出接口作桥梁,起到信息转换与协调的作用。 从应用的角度讲,计算机工作时,CPU对I/O口的操作只有“读”和“写” 。 操作时对端口号的操作。,(4)总线,总线就是在微型计算机各芯片之间或芯片内部各部件之间传输信息的一组公共通信线 。 MC总线的种类非常多,可分为内部总线、元件级总线、系统总线、外部总线四大类。
17、在MC中使用比较多的是元件级总线。 元件级总线包括地址总线AB(Address Bus)、数据总线DB(Data Bus)、控制总线CB(Control Bus)三种。,地址线总线: 三态单向 A15A0 1K=1024 数据线: 三态双向 D7D0 控制线: /RD、/WR、 三态门,3、微型计算机系统(MC系统),以MC为主体,配上外部输入/输出设备、外围设备、电源、系统软件一起构成应用系统,称为MC系统.,七、常用的术语,二进制、十进制、十六进制 位、字节、半字节、字 字长 CPU、存储器、I/O口 总线:AB、DB、CB 地址空间、I/O口口地址,第二节 计算机中的数和编码,1.2.1
18、 计数制 1.2.2 二进制数(用B表示) 1.2.3 十六进制数(用H表示) 1.2.4 不同进制数之间的转换 1.2.5 数制书写约定 1.2.6 计算机中数的表示 1.2.7 计算机常用编码,返回本章首页,1.2.1 计数制,日常生活中广泛使用的数为十进制数,这是一种逢十进一的计数方法。用的数制还有二进制、八进制和十六进制等。 基数小于10的计数制,可用十进制相应的数码作为它的数字符号,一个数一般由多个数码组成。数码在数中的位置不同,其值也不同。,返回本节,1. 2.2 二进制数(用B表示),以2为基数的数制称为二进位计数制,它只包括0和1两个数码,很容易用电子元件的两种不同的状态来表示
19、,例如,用高电平表示1,用低电平表示0。所以,计算机中通常采用二进制数。 二进制数的计数特征:逢二进一,运算简单。 在加、减、乘、除四则运算中,乘法实质上是做移位加法,除法则是移位减法。,返回本节,1. 2.3 十六进制数(用H表示),为了书写和阅读方便,经常采用十六进制数作为二进制的缩写形式。十进制数、二进制数、十六进制数的对照表如表1-1所示。 在计数时,逢十六进一,这样书写长度短,且可方便将十六进制数转换为二进制数或将二进制数转换为十六进制数。,表1-1 十进制数、二进制数、十六进制数对照表,返回本节,1. 2.4 不同进制数之间的转换,1二进制转换为十进制 基本方法:将二进制数按权展开
20、式,利用十进制数的运算法则求和,即可得到等值的十进制数。,2十进制到二进制的转换 l 十进制整数转换为二进制整数 l 十进制小数转换为二进制小数 l 带小数的十进制数转换为二进制数,3二进制、十六进制之间的相互转换 将二进制数转换为十六进制数,从低位开始,每四位一组,然后将其转换为对应的十六进制数。如最后一组不足四位,需在左边补0。 用同样方法可将二进制小数转换十六进制小数。只是分组应从小数点右边开始分成四位一组。 十六进制数转换为二进制数,将每位十六进制数直接转换成相应的二进制数。,返回本节,1. 2.5 数制书写约定,在书写计算机程序时,一般不用基数作为下标来区分各种进制,而是用相应的英文
21、字母作后缀来表示各种进制的数。 例如:B(Binary)表示二进制数。 D(Decimal)表示十进制数,一般D可省略,即无后缀的数字为十进制数。 H(Hexadecimal)表示十六进制数。,返回本节,1. 2.6 计算机中数的表示,1原码、反码和补码 l 原码:在符号位中用0表示正、用1表示负的二进制数,称为原码。例如, x1=1110111B, x1原=01110111B x2=1110111B, x2原=11110111B 数0可是0或0。因此,0在原码中形式: 0原=0000 0000B, 0原=1000 0000B,l 反码:正数的反码=原码;负数的反码=原码的符号位不变而数值按位
22、取反。所谓按位取反,即将各位的1变成0,0变成1。 例如,x1=13, x1反=13原=0 0001101B 。 又如,x2=13, x2原=13原=1 0001101B, x2反=13反=1 1110010B。,l 补码:正数的补码=原码;负数的补码=反码1。 例如,x1=1101101B, x1补=13原=0 1101101B 。 又如, x2=1101101B, x2反=10010010B, x2补=10010011B。 在补码表示中,“0”是唯一的。即0补=00000000B,2数的小数点表示方法 l 定点表示法:表示小数点的位置是固定不变的。分为纯整数和纯小数两类。,纯整数表示方法,
23、纯小数表示方法,其格式如下所示:,0 110 0100 = +110 0100.,0 110 0100 = +0.110 0100,l 浮点表示法 浮点表示法中小数点的位置是不固定的。 如 D= 125 = 0.125103 = 1. 25102 同样,任意二进制数N一般可表示为:N=2PS 如:1101B = 2100B0.1101B 一个浮点数分为阶码和尾数两部分,二者各有表示正负的阶符和数符,常用存储格式:,在微计算机中常用的浮点数表示有: (1)四字节浮点数格式(如图1-2所示),它由一个字节指数(EXP)、三个字节尾数构成,共用四个存储单元。 (2)三字节浮点数格式(如图1-3所示)
24、。,图1-2 四字节浮点数格式,图1-3 三字节浮点数格式,D7 D6 D5D0,返回本节,1. 2.7 计算机常用编码,常见的编码有BCD码、ASCII码等。 1二 十进制编码 是一种用二进制编码的十进制数,称BCD码。BCD码用标准的8421的纯二进制码的十六个状态中的十个(如表1-2所示)。 用BCD码表示十进制数,只要将每位十进制数用适当的四位二进制码代替即可。,表1-2 BCD编码,2字母和符号的编码 微机普遍采用的是ASCII码(如表1-3所示)。ASCII码是一种八位代码,最高位一般用于奇偶校验,其余七位二进制码对128个字符进行编码。,表1-3 ASCII(美国标准信息交换码)
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