《微型计算机基础》PPT课件.ppt

第1章微型计算机基础,单片机原理与接口技术,2,教学参考书和要求：,教学参考书：1.本课程选用教材单片机原理及接口技术，自编教材2.主要参考书如下：1新编单片机原理及应用，汪贵平编著，机械工业出版社2新编MCS-51单片机应用设计，张毅刚编著，哈工大出版社3单片机原理及其接口技术，胡汉才编著，清华大学出版社4单片机初级教程，张迎新编著，北京航空航天大学出版社5单片机基础，李广弟编著，北京航空航天大学出版社6单片机原理与应用，赵德安编著，机械工业出版社,3,要求：熟练掌握51单片机的硬件结构、内部各功能部件的工作原理、指令系统；掌握在Windows集成开发环境Vision4（或MedWin3.0）中编辑、仿真调试单片机汇编程序的方法；学会应用各种常用接口芯片对应用系统的设计、调试和故障诊断方法；为后续课程、课程设计、“大创”项目、微机化产品大赛、“太阳鸟”项目.等打下基础。,4,第1章微型计算机基础1.1计算机中的数制1.1.1计算机中常用的数制1.十进制(Decimal)基数为10，有10个数字符号：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9例：十进制数1234D，可以展开为：1103+2102+3101+4100其中：103、102、101、100为该位的权，其中的10是十进制的基数，逢十进一。,5,2.二进制(Binary)基数是2，只有两个数字符号：0和1。例：10010010B，可以展开为：127+026+025+124+023+022+121+020其中：27、26、25、24、23、22、21、20为该位的权，其中的2是二进制的基数，逢二进一。,6,3.十六进制(Hexadecimal)基数是16，有16个数字符号：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。例：9ABCH，可以展开为：9163+10162+11161+12160其中：163、162、161、160为该位的权，其中的16是十六进制的基数，逢十六进一。4.十进制：生活中常用，编程用二进制：计算机中用十六进制：编程用，书写方便,7,1.1.2数制间的转换1.非十进制数转换成十进制数方法：把各个非十进制数按位权展开求和即可。二进制数转化成十进制例：10010010B=127+026+025+124+023+022+121+020=146D十六进制数转化为十进制数例：9ABCH=9163+10162+11161+12160=39612D,8,2.十进制数转化为其它进制数十进制数转成二进制数采用“除二取余”的方法，一直除到商小于2为止。顺序规则可概括为“先余为低，后余为高，即最后的余数为高位，依次向低位。”,9,例将十进制整数105D转换为二进制数。采用“除2取余”的方法，过程如下：2105余数为1252余数为0226余数为0213余数为126余数为023余数为11余数为1所以，105D1101001B,10,十进制数转换成十六进制采用“除16取余”法进行转换例如：十进制数58506转换成十六进制数采用“除16取余”的方法，过程如下：1658506余数为10163656余数为816228余数为414余数为14所以，58506DE48AHE48AH=14163+4162+8161+10160,11,3.二进制与十六进制相互转换二进制转换成十六进制数4位二进制数对应一位16进制数每4位二进制数一组构成一位十六进制数从最右边开始，每四位二进制一组，当最左一位不够四位时，应在左侧添加“0”，凑足四位。例如：将二进制数1011110000110111转换为十六进制结果为10111100001100111B=BC37H,1011,1100,0011,0111,12,十六进制转换成二进制数一位16进制数对应4位二进制数每一位16进制数分别转换为4位二进制数，组合在一起即为二进制数。例如：将16进制数3AC18H转换为二进制结果为3AC18H=00111010110000011000B,13,1.2计算机中的码制和编码1.2.1有符号数的表示方法在计算机内部，数字都以无符号二进制形式表示的。在有符号数运算中，需要将负数编码为二进制形式，因此需要一种负数编码方法。1.原码为解决符号问题，把最高有效位设置成符号位0表示正数1表示负数数字中的其它位表示数值,14,以一个字节为例：1位符号位，7位数值位；数值范围00000001111111，即0127加一个符号位后，可以表示12710+127100有两种表示：+000000000-010000000当X+1011011时X原码01011011+1原码00000001-1原码10000001+127原码01111111-127原码11111111原码表示的整数范围：-(2n-1-1)+(2n-1-1)，n为字长。则：8位二进制原码表示的整数范围是-127+12716位二进制原码表示的整数范围是-32767+32767,15,16,2.反码最高位是符号位正数的反码与原码形式一样。负数的反码为原数值按位取反。0的反码有两种：+000000000-011111111当机器字长为8位二进制数时：X+1011011时X原码01011011X反码01011011Y-1011011时Y原码11011011Y反码10100100+1反码00000001-1反码11111110+127反码01111111-127反码10000000,17,负数的反码只需按位求数值的补就可以得到，符号不需要变动。反码表示范围为(2n11)到+(2n11)，以及+/0。n=8，12710+12710，+0和0。,18,3.补码最高位是符号位，正数的补码和它的原码相同负数的补码为它的反码加1X+1011011X原码=01011011X补码=01011011Y-1011011Y原码=11011011Y反码=10100100Y补码=10100101补码表示的整数范围是-2n-1+(2n-1-1)，其中n为字长。n=8，表示范围-128+127，n=16，-32768+32767当运算结果超出这个范围时，就称为“溢出”。,19,求负数补码的简单方法如下：,20,两个补码数相加等价于两个无符号数相加(需溢出检测)例如12701111111+)12810000000-111111111再如：12701111111+)10000000112810000000溢出,21,1.2.2定点数和浮点数(略),22,1.2.3计算机中常用的编码1.BCD码（BinaryCodedDecimal）BCD码是用二进制数来表示十进制数的编码方式采用8421编码表示十进制09BCD码主要用于显示、打印等场合,23,2.ASCII码美国标准信息交换代码，即ASCII（AmericanStandardCodeforInformation-Interchange）ASCII码是采用8位二进制数表示字符的编码方式ASCII有32个标点字符，10个阿拉伯数字，52个英文大小写字母，34个控制符号，128个字符(可显示和不可显示的控制字符)最高位用于奇偶校验(扩展的ASCII编码一共256个)常用ASCII码：数字09的ASCII码分别为：30H39H；字母AZ的ASCII码分别为：41H5AH；字母az的ASCII码分别为：61H7AH。,24,字节、字的概念计算机中的数据大多以并行方式进行传送和存储，每次按8位或16位、32位进行有序的传送；8位二进制数为一组称为一个字节(Byte)；16位二进制数为一组称为一个字(Word)或称双字节；32位为一组称为双字(DoubleWord)或称四字节;根据数据总线的宽度，称一次传递数据的总位数为：8位、16位、32位、64位等。1Byte=8bit1Word=2Byte,25,1.3微型计算机基础1.3.1计算机的分类巨型机：超级计算机是指由数百数千甚至更多的处理器(机)组成的、能计算普通PC机和服务器不能完成的大型复杂课题的计算机。运算速度极高，容量极大，功能极强用于国防、航天、气象预报、石油勘探等海量的数据处理方面世界上最快的超级计算机为天津国家超级计算机中心的天河-1A，速度为每秒2.5千万亿次,26,大型机：综合处理能力极强，运算速度超万亿次，可同时支持上万个用户、几十个大型数据库，主要用作大型商业服务器。例如：政府部门、银行、大型超市、大公司大企业等。小型机：它的软件、硬件系统规模比较小，结构简单，但价格低、可靠性高、便于维护和使用。广泛用于自动控制、大型分析仪器、测量设备、企业管理等。微型机：特点是体积小、灵活性大、价格便宜、使用方便。目前微型机发展迅猛，应用最广泛的计算机之一。,27,1.3.2微型计算机的分类1.微型计算机系统以微处理器为中心，配有存储器(RAM和ROM)，以及I/O接口电路和必要的外设，形成一个系统。,28,SATA硬盘接口IDE硬盘接口CPU插槽内存插槽主板电源接口CPU供电接口CPU风扇电源接口软驱接口PCI接口设备接口显卡接口,29,(1)微型计算机系统的硬件结构微处理器：CentralProcessingUnit，核心的支配地位功能：执行程序，数据运算，通过3总线指挥其他部件协调工作。,30,总线(BUS)总线是各部件之间传送信息的公共通信线。总线分内部总线和外部总线。内部总线：芯片内部，用于连接芯片内部各部件；外部总线：把CPU、存储器和I/O设备连接起来。,31,总线分以下三种：数据总线DB(DataBus)：双向地址总线AB(AddressBus)：单向控制总线CB(ControlBus)：单向,32,存储器CPU用于存储被执行的程序和处理的数据。根据信息存取方式不同分为：随机存取存储器(RAM)，RandomAccessMemory，存取数据，可读可写只读存储器(ROM)，ReadOnlyMemory，存储程序代码和常数，只读,33,I/O接口(Input/Output)：外部设备与CPU之间相互信息交换,34,(2)计算机软件系统系统软件：管理、监控和维护计算机资源的软件。应用软件：操作系统、各种编程语言应用程序、各种工具软件等。,35,2.单板微型计算机将微处理器、存储器、以及I/O接口电路装在一块印刷电路板上。,36,3.单片微型计算机单片机将微处理器、存储器、I/O接口电路集成在一块芯片上。,单片机是把微型计算机的基本功能部件集成在一块超大规模集成电路上构成的微型计算机。,37,CPU,MEM,PIO,SIO,TIMER/COUNTER,INTMANAGER,单片机,1.4单片微型计算机1.4.1单片机的概念1.单片机的组成,38,2.单片机的概念单片机是一种采用超大规模IC技术把CPU、RAM、ROM、多种I/O接口和中断系统、定时器/计时器等功能集成在一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。有些单片机把显示驱动电路、脉宽调制电路PWM、ISP、A/D转换器等也集成在内部。ISP：In-SystemProgramming在线系统编程,39,3.单片机的特点有优异的性能价格比集成度高、体积小，便于产品小型化抗干扰能力强，可靠性很高，106107小时无故障控制功能强低功耗、低电压，便于便携式产品系统结构简单，使用方便，有利于模块化，很容易构成各种规模的应用系统。,40,4.单片机的发展(Intel公司),1971：4位MCUIntel4004问世，随后研发出80081973：8位MCUIntel8080问世19741976：单片机探索及初级研制阶段，双芯片19761978：初级8位单片机IntelMCS-48系列19781982：高档8位单片机IntelMCS-51系列：51子系列：8031/8051/875152子系列：8032/8052/8752低功耗型80C31、高性能型80C2521982现在：16位单片机IntelMCS-96系列8098/8096、80C198/80C196，32位单片机80960廉价型Atmel89C2051/1051、89C51/52.,41,1.4.2常用单片机分类,按照指令体系分类：复杂指令集与精简指令集按照存储器结构分类：冯诺依曼结构和哈佛结构按照生产厂家分类Intel公司：MCS-51和MCS-96系列；Atmel公司：AVR系列、AT系列；Winbond公司：W77系列、W78系列；SST公司：SST系列；恩智浦公司：P89系列、LPC系列；Motorola公司：68HCXX系列；Microchip公司：16C5X/6X/7X/8X系列；Texas公司：MSP430FXX系列,42,单片机的应用领域1.工业：过程控制、智能控制、自适应控制、数据采集、测控2.仪器仪表：智能仪表、智能传感器。3.家用电器：冰箱、洗衣机、空调、电视机4.通信：电话、传真、手机5.军事、航空航天、汽车、,芯片的使用温度：民用品：0+70工业品：-40+85军用品：-65+125,43,交通信号灯控制器485单片机网络语音存储与播放红外收发器步进电机控制器标准电流信号发生器频率计信号发生器电饭煲控制器简易数字经纬度测量仪,基于GPS的时钟系统电子万年历LED点阵显示器数字电压表简易调节器抢答器简易温度控制器出租车计价器电子密码锁,课程设计部分题目：,44,智能仪器仪表,温度控制表,交直流电压电流表,智能热量表,45,工业产品,数控车床,数控线切割机床,机器人,46,家用电器,47,1.4.351系列单片机简介,单片机厂商：Intel、Motorola、Philips、Siemens、NEC、ADM、Zilog、LG、Samsung、Atmel、STC.等。主流产品有几十个系列，几百个品种。注：尽管其各具特色，名称各异，但作为集CPU、RAM、ROM(或EPROM)、I/O接口、定时器/计数器、中断系统为一体的单片机，其原理大同小异。,48,20世纪80年代后期，Intel把8051内核技术转让给Atmel、Philips、AnalogDevices、LG、Samsung、Dallas、STC等公司。这些厂家采用CMOS工艺生产单片机，其系统结构、指令系统与8051的兼容。51系列单片机及其兼容产品分以下几类：1.基本型典型产品：8031/8051/8751内部RAM128B，ROM4KB，16位定时器/计数器2个，中断有5个。2.增强型典型产品：8032/8052/8752内部RAM增到256B，ROM扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个，中断增加到6个。,49,3.低功耗型典型产品：80C31/87C51/80C51采用CMOS工艺，适用于低功耗的场合。4.专用型8044/8744，用于总线分布式多机测控系统。美国Cypress公司的EZUSR-2100单片机USB接口。5.超8位型典型产品：Philips的80C552/87C552/83C552将MCS-96系列的诸如HSI/HSO、A/D、PWM、WDT等移植进来构成新一代51产品。6.片内闪存储器型AT89C51，STC89C51，STC89C517.本课程建议选用的单片机：STC89C51,50,51系列单片机主要性能表,51,1.5单片机应用系统开发为实现某一特定功能要求，完成硬件设计、元器件的选择及安装，软件设计及调试，最终完成这一目标的过程称为单片机应用系统的开发。单片机虽集成了微型机基本部件，自身没有开发功能，必须借助开发装置来完成以下开发任务：1)排除应用系统的硬件故障和软件错误；2)程序固化到内部或外部程序存储器芯片中。,52,一、单片机应用系统的硬件构成,信号调理就是将待测信号通过放大、滤波等转换成采集设备能够识别的标准信号。,53,二、单片机应用系统的软件开发1.指令的表示形式(指令系统)指令是让单片机执行某种操作的命令。指令以二进制码形式按一定顺序存放于程序存储器中。为了书写、输入和显示方便，通常将二进制的机器码写成十六进制形式。例如：00000100B可以写成04H。04H指令的意义是累加器A的内容加1。即：写成INCA则要清楚得多，称为符号指令。,54,2.汇编或编译把符号指令转换成单片机所能执行的机器码，这种转换称为汇编。常用的汇编方法有三种：1)手工汇编；2)利用开发系统进行汇编；3)交叉汇编。可采用高级语言(如C51)进行编程。这种方法具有周期短、移植和修改方便的优点，适合于较为复杂系统的开发。缺点是执行时间长，存储空间大。,55,三、单片机应用系统的开发过程单片机应用系统是由硬件和软件组成硬件是由单片机、扩展存储器和I/O接口等电路组成软件是各种工作程序的总称。系统开发过程主要由总体设计、硬件设计、软件设计、在线调试等部分组成。开发流程如下：,56,单片机系统的开发流程图,有关开发过程的具体步骤和方法将在后续课程讲解。,57,四、单片机应用系统的开发调试模式单片机开发调试有以下模式：集成开发环境+仿真器+编程器的开发模式集成开发环境+ISP或IAP的开发模式,58,1.集成开发环境作用：提供单片机程序开发的应用软件；功能：集代码编写、分析、编译、调试于一体；常用的有Keil公司的Vision、南京万利的MedWin、飞思卡尔公司的CodeWarrior、MicroChip公司的MPLAB、以及伟福仿真软件等。其中Keil公司的Vision是开发MCS-51单片机最常用的集成开发环境。,59,51单片机集成开发环境uVision,60,2.编程器编程器是将程序编译后形成的二进制代码烧写到程序存储器中。专用编程器功能：对多种型号单片机、EPROM、EEPROM、FLASH、存储器、ROM、PLD、FPGA等进行读取、擦除、烧写、加密等操作。不同档次的编程器价位相差较大。,61,单片机编程器,62,3.仿真器仿真器，InCircuitEmulator，简称ICE。实时仿真目标系统中的单片机，并能模拟目标系统的资源，完全“逼真”的实现目标单片机的运行环境。使用时拔下目标单片机，换插ICE插头，这样ICE就成了目标系统中的单片机了。原来由单片机执行的程序改由仿真器来执行。在PC上的仿真环境下，利用仿真器的硬件资源和监控程序，实现对用户程序的跟踪调试。观察程序执行过程中CPU、寄存器和存储器等内容，根据执行情况随时修改程序。,63,单片机仿真器,64,4.在线编程在线系统编程(ISP：In-SystemProgramming)不需将程序存储芯片从系统上取下就能对其进行编程的过程。已经编程的器件也可以用ISP方式在线擦除或再编程。在线应用编程(IAP：In-ApplicationProgramming)在程序运行中编程，也就是说程序自己可以往程序存储器里写数据或修改程序。ISP和IAP技术是未来仪器仪表的发展方向。例如：STC89C51就是通过串口下载指令代码到芯片内部的FlashROM中。,65,在线编程,66,5.集成开发环境+仿真器+编程器模式开发过程,先用集成开发环境编写程序、编译程序，然后用仿真器对目标系统进行仿真调试。当程序调试成功后，使用编程器将编译好的二进制代码烧录进单片机的程序存储器中(或利用ISP功能)。如果单片机存储器是电可擦除的(E2PROM或FLASH)，则可用编程器完成擦除和烧录的所有过程；如果单片机存储器不是电可擦除的(EPROM)，还需要用紫外线擦除器对存储器进行程序擦除，再使用编程器进行烧录。,67,集成开发环境+仿真器+编程器的开发模式,68,这种开发模式的优点：可利用仿真器对程序的运行情况进行全面仿真，对程序执行中的寄存器、存储器等状态进行监控、有效的发现程序的问题，缩短软件的开发周期。缺点是：除需要购买集成开发环境软件外，还要购买仿真器、编程器等硬件设备，从而增加系统开发的成本。,69,6.集成开发环境+ISP或IAP的开发过程,芯片集成技术的发展，很多单片机具备了ISP或IAP功能，为低成本开发成为可能。先使用集成开发环境对程序进行编辑、编译，对程序进行初步验证。然后用ISP功能将二进制代码写入程序存储器中，再让程序运行于目标系统对编写的程序进行测试。如果运行存在问题再进行程序修改、编译、写入.由于程序调试是在目标系统上运行的，因此不会出现仿真环境与目标系统环境不一致导致的软件问题。,70,7.两种开发模式评价虽然有了FLASH-ROM和ISP下载线，但还是无法取代仿真器；因为仿真器可以实现单步运行、全速运行、部分运行等许多方便程序开发的功能；对于产品开发来说，用仿真器进行开发是非常必要的。对于单片机系统的学习开发宜采用ISP模式。,71,8.单片机学习的软硬件平台,(1)采用集成开发环境+ISP开发模式：省钱，方便(2)硬件平台个人电脑、ISP下载线、目标系统(3)相关软件集成开发环境：KeiluVision4、MedWin3在线系统编程软件：STC-ISP.exe串口调试软件：AccessPort,72,9.其它单片机开发软件Proteus单片机仿真软件英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。可仿真和分析各种模拟器件、数字IC、单片机，以及LED、LCD等器件。特点：单片机仿真和集成电路级仿真相结合。可仿真模拟及数字电路、单片机及其外围电路组成的系统。如RS232、I2C总线、SPI、键盘、LCD、LED等;有示波器、逻辑分析仪、信号发生器等虚拟仪器等。支持主流单片机系统的仿真：68000、8051、AVR、PIC12、PIC16、PIC18等系列芯片。,73,提供软件调试功能：可用全速、单步、设置断点等调试程序；可观察各个变量、寄存器等状态；支持第三方软件编译和调试环境，如Keil等软件。具有强大的原理图和PCB图绘制功能。,74,AltiumDesigner6.x澳大利亚ProtelTechnology公司产品将原理图编辑、电路仿真、PCB设计、FPGA设计及打印等功能有机结合，提供了一个集成开发环境。,75,10.常用单片机资料查询网站,本章完,