【大学课件】单片机基础知识.ppt
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1、2019/6/28,http:/ 基础知识,1.1 码制 1.1.1 英文字符的表示方法-ASC码 1.1.2 BCD码(二进制编码的十进制数) 1.1.3 计算机中带符号数的表示方法 1.2 计算机的基本认识 1.2.1 计算机的工作过程及其内部结构 1.2.2 指令及其指令系统 1.3 寻址方式 1.4单片机及其发展概况 1.4.1单片机及其特点 1.4.2 单片机技术现状及将来发展趋势 1.4.3增强型MCS-51单片机芯片特征及主流,2019/6/28,http:/ 码制,在这一节中,主要介绍本课程常用到的ASCII码,以及原码、反码、补码,十进制数的二进制表示法BCD码等方面的基本知
2、识。,2019/6/28,http:/ 为了便于不同计算机系统和不同操作者之间的信息交换,有必要规范字母与7位二进制数之间的对应关系。目前在计算机系统中普遍采用美国标准信息交换代码(American Standard Code for Information Interchange II,简称ASCII码)。 该标准用7位二进制数表示一个字符,最多可以表示128个字符,编码与字符之间的对应关系如附录A所示。,1.1.1 英文字符的表示方法ASC码,2019/6/28,http:/ BCD码规定了十进制数09与4位二进制数编码之间的对应关系如下:,1.1.2 BCD码(二进制编码的十进制数),2
3、019/6/28,http:/ 原码 对于带符号数来说,用最高位表示数的正负,其余各位表示该数的绝对值,这种表示方法称为原码表示法 2. 反码 带符号数也可以用反码表示,反码与原码的关系是: 正数的反码与原码相同,如56H反=56H原=0 1010110B。 负数的反码等于对应正数原码按位取反。 3. 补码 在计算机内,带符号数并不是用原码或反码表示,而是用补码表示,引入“原码”、“反码”的目的只是为了方便理解补码概念而已。 补码的定义如下:正数的补码与反码、原码相同;负数的补码等于它的反码加1。 在计算机内带符号数使用补码表示后,减法运算就可以转化为加法运算。,1.1.3 计算机中带符号数的
4、表示方法,2019/6/28,http:/ 计算机的基本认识,计算机系统的基本结构如图1-1所示,在计算机中,往往把运算器、控制器做在一个芯片上,称为中央处理器(Central Processor Unit,简称CPU),有时也称为微处理器(Micro Processor Unit,MPU)。为了进一步减小电路板面积,提高系统可靠性、降低成本,将输入、输出接口电路、时钟电路以及存储器、运算器、控制器等部件集成到一个芯片内,就成为单片机(也称为微控制单元,即MicroController Unit,简称MCU),其含义是一个芯片就具备了一部完整计算机系统所必须的基本部件。为了适应不同的需求,将不
5、同功能的外围电路,如定时器、中断控制器、A/D及D/A转换器、串行(如UART、SPI或I2C等)通信接口电路,甚至LCD显示驱动电路等集成在一个管芯内,形成系列化产品,就构成了所谓“嵌入式”单片机控制器(embedded microcontroller)。,单片机原理与应用,1. 三总线概念,(1) 地址总线(Address Bus,简称AB),单向,用于传送地址信息,如图1-1中运算器与存储器之间的地址线,地址线的数目决定了可以寻址的存储空间。 (2) 数据总线(Data Bus,简称DB),一般为双向,用于CPU与存储器、CPU与外设,或外设与外设之间的传送数据(包括实际意义的数据和指令
6、码)信息。 (3) 控制总线(Control Bus,简称CB),是计算机系统中所有控制信号线的总称,在控制总线中传送的信息是控制信息。,在模拟电路中,器件、部件一般按“串联”方式连接。而在计算机电路中却采用总线连接方式:每一器件的数据线并接在一起,构成数据总线;地址线接在一起,构成地址总线,然后与CPU的数据、地址总线相连,属“并联”关系。为避免混乱,任何时候只允许一个设备与CPU通信,因此需要用控制线进行控制、选择,系统(包括器件)所有的控制线被称为控制总线。 。,单片机原理与应用,2019/6/28,http:/ 时钟周期、机器周期及指令周期,(1) 时钟周期:计算机在时钟信号的作用下,
7、以节拍方式工作。因此,必须有一个时钟生发器电路,输入微处理器的时钟信号的周期称为时钟周期。 (2) 机器周期:机器完成一个基本动作所需的时间称为机器周期,一般由一个或一个以上的时钟周期组成,例如在标准MCS-51系列单片机中,一个机器周期由12个时钟周期组成。 (3) 指令周期:执行一条指令(如“MOV A,#34H”,该指令的含义是将立即数34H传送到微处理器内的累加器A中)所需时间称为指令周期,它由一个到数个机器周期组成。,1.2.1 计算机的工作过程及其内部结构,1. 8位通用微处理器内部结构 8位通用微处理器内部基本结构可用图1-2描述。,图1-2 CPU的内部结构简图,单片机原理与应
8、用,2019/6/28,http:/ Logic Unit,简称ALU)、累加器A(8位)、寄存器B(8位)、程序状态字寄存器PSW(8位)、程序计数器PC(有时也称为指令指针,即IP,16位)、地址寄存器AR(16位)、数据寄存器DR(8位)、指令寄存器IR(8位)、指令译码器ID、控制器等部分组成。,2019/6/28,http:/ 存储器,存储器是计算机系统中必不可少的存储设备,主要用于存放程序(指令)和数据。尽管寄存器和存储器均用于存储信息,但CPU内的寄存器数量少,存取速度快,它主要用于临时存放参加运算的操作数和中间结果;而存储器一般在CPU外(但单片机CPU例外,其内部一般均含有一
9、定容量的存储器),单独封装。 存储器的种类很多,根据存储器能否随机读写,将存储器分为两大类: 只读存储器(Read Only Memory,简称ROM)。 随机读写存储器(Random Access Memory,简称RAM)。,2019/6/28,http:/ ROM(一次性编程的只读存储器,内部结构、工作原理与EPROM相似,是一种没有擦写窗口的EPROM)、EEPROM(也称为E2PROM,是一种电可擦写的只读存储器,其结构与EPROM类似,但绝缘栅很薄,高速电子可穿越绝缘层,中和浮栅上的正电荷,起到擦除目的,也就是说可通过高电压擦除)、Flash ROM(电可擦写只读存储器,写入速度比
10、EEPROM快,因此也称为闪烁存储器)等只读存储器作为程序存储器,使用SRAM(静态存储器)作随机读写RAM,使用E2PROM或FRAM(铁电存储器,读写速度快,操作方法与SRAM相似)作非易失的数据存储器。尽管这些存储器工作原理不同,但内部结构基本相同。,图1-3 存储器芯片及内部结构,(1) 内部结构,EPROM、EEPROM、Flash ROM、SRAM、FRAM等存储器内部结构可以用图1-3描述,由地址译码器、存储单元、读写控制电路等部分组成。,单片机原理与应用,2019/6/28,http:/ 存储器工作状态,存储器芯片工作状态由存储器控制信号电平状态决定,(3) 存储器读操作,下面
11、以CPU读取存储器中地址编号为0000H的存储单元的内容为例,说明CPU读存储器中某一存储单元信息的操作过程(如图1-4所示)。,图1-4 CPU读取存储器操作过程示意图,http:/ 指令及其指令系统,1.指令及指令系统,将CPU所执行的各种操作,如从指定的存储器单元中取数据、将CPU内特定寄存器内容写入存储器某一指定的存储单元中以及算术或逻辑运算等操作,用命令的形式记录下来,就称为指令(Instruction),一条指令与计算机的一种基本操作相对应。当然,指令也只能用二进制代码表示,例如在MCS-51系列单片机中,累加器A中的内容除以寄存器B中的内容(即AB)的操作用84H作为指令代码。
12、一条指令通常由操作码和操作数两部分组成: 操作码(Operation code)规定了指令要执行的动作,一般用一个字节表示 ;操作数(Operand)指定了参加操作的数据或数据所在的存储单元的地址。 在计算机中,所有指令的集合称为指令系统。,2019/6/28,http:/ Instruction Set Computer,简称CISC指令结构)和精简指令系统(Reduced Instruction Set Computer,简称RISC指令结构)。,2019/6/28,http:/ (1)指令机器码长短不一,简单指令码只有一个字节,而复杂指令可能需要两个或两个以上字节描述。 根据指令代码的长
13、短,可将指令分为: 单字节指令:这类指令仅有操作码,没有操作数,或者操作数隐含在操作码字节中。 双字节指令:这类指令第一字节为操作码,第二个字节为操作数。 多字节指令:这类指令第一字节为操作码,第二、三字节为操作数或操作数所在存储单元地址。 (2)可选择两条或两条以上指令完成同一操作,程序设计灵活性大,但缺点是指令数目较多(这类CPU一般具有数十条百余条指令),2019/6/28,http:/ 由于机器语言指令中的操作码和操作数均用二进制数表示、书写,没有明显的特征,一般人很难理解和记忆。为此,人们想出了一个办法:将每条指令操作码所要完成的动作指令功能的英文缩写替代指令操作码,形成了指令操作码
14、的助记符;并将机器语言指令中的操作数也用CPU内寄存器名、存储单元地址或I/O端口号代替,这样便形成了操作数助记符,于是就获得了“汇编语言指令”。例如,将累加器A内容清零,记为“CLR A”;用“MOV”作为数据传送指令的助记符,于是将立即数23H传送到累加器A中的指令,就可以用“MOV A,#23H”(#是立即数标志)表示;将存储器4FH单元中的内容传送到累加器A中,可用“MOV A, 4FH”表示。可见,汇编语言指令比机器语言指令容易理解和记忆。,2019/6/28,http:/ 程序,程序(Program)就是指令的有机组合,是完成特定工作所用到的指令(这些指令当然是某个特定计算机系统的
15、指令)的总称。一段程序通常由多条指令组成,程序中所包含的指令数目及种类由程序功能决定。 用机器语言指令码编写的程序,就称为机器语言程序 ,如:,机器语言指令 含义(即对应汇编语言指令) 74 AA ;MOV A, #0AAH E4 ;CLE A 85 40 30 ;MOV 30H,40H,2019/6/28,http:/ 汇编语言及汇编语言程序,将每条指令操作码所要完成的动作用特定符号表示,即用指令功能的英文缩写替代指令操作码,形成了指令操作码的助记符;并将机器语言指令中的操作数也用CPU内寄存器名、存储单元地址或I/O端口号代替,这样便形成了操作数助记符,于是就获得了“汇编语言指令”。例如,
16、将累加器A内容清零,记为“CLR A”;用“MOV”作为数据传送指令的助记符,于是将立即数23H传送到累加器A中的指令,就可以用“MOV A,#23H”(#是立即数标志)表示;将存储器4FH单元中的内容传送到累加器A中,就用“MOV A, 4FH”表示。可见,汇编语言指令比机器语言指令容易理解和记忆。,用指令助记符(由操作码助记符和操作数助记符组成)表示的指令称为汇编语言指令,由汇编语言指令构成的程序,称为汇编语言程序(有时也称为汇编语言源程序)。可见,汇编语言程序容易理解、可读性强,方便了程序的编写和维护。,2019/6/28,http:/ 伪指令,在汇编语言源程序中,除了包含可以转化为特定
17、计算机系统的机器语言指令所对应的汇编语言指令外,还可能包含一些伪指令,如“ORG 2000H”、“END”等。“伪”者,假也,尽管它不是计算机系统对应的指令,汇编时也不产生机器码。但汇编语言程序中的伪指令并非可有可无,伪指令的作用是:指导汇编程序对源程序的汇编。,下面是MCS-51汇编程序支持的、常见的伪指令: (1)ORG nnnn ;其中nnnn是16位二进制数,该指令的含义是随后的汇编语言指令机器码从nnnn单元开始存放。 (2)DB n1,n2,n3,;字节定义伪指令,将随后的一串8位二进制数(字节,彼此由逗号隔开)连续存放在存储器中,用于定义字节常数表。,2019/6/28,http
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