CHP1微型计算机基础.ppt

教材 单片机原理及其接口技术 胡汉才编著清华大学出版社参考书 单片机原理及接口技术 张毅刚主编人民邮电出版社 MCS 51单片机原理及接口技术 马家辰等编哈工大出版社 ATMEL89系列单片机应用技术 余永权编著北航出版社 单片机原理与C51编程 宋彩利等编西安交大出版社 单片机基础知识与技能实训 刘起义编人民邮电出版社 MCS 51系列单片机系统及应用实践教程 毛敏主编高等教育出版社 预备知识 数字电路 与 或 非门 三极管开关电路 非门 工作原理 截止 饱和 对应状态 电压高 低 1 0三态门 L H 高阻态 译码器 2 4 3 8译码器 LS138寄存器 D触发器 具有记忆作用 8位位 bit 字节 byte 字 word 字长 计算机功能分类 单片机 MCU 8 16位 嵌入式 ARM32位 DSP 核心 CPU 主要指标 运算速度 主频 字长 第1章微型计算机基础 1 1微型计算机概述 电子计算机是科技发展的产物第一台电子数字计算机于1946年问世 称ENIAC由数千个电子管和继电器组成 占地170mm2 速度为5000次 秒加法运算计算机的飞速发展归功于半导体集成技术的发展 第一代 1946 1958 电子管数字计算机第二代 1958 1964 晶体管数字计算机第三代 1964 1971 集成电路计算机第四代 1971 大规模 超大规模集成电路 巨型机 大中型计算机 微型计算机 微型机是由LSI VLSI等组成的 具有功能强 结构紧凑 系统可靠性高的特征 它由中央处理器 CPU 存储器 通用或专用I O接口电路等组成 它可分为多板微机 单板微机和单片微机 组成微型计算机的各主要功能部件 中央处理器 存储器 I O接口电路及定时 计数器等 制作在一块集成电路芯片中从而构成完整的微型计算机 称作单晶片微型计算机 单片微机发展迅速 根据其性能 用途及工作特点可大致分成单片机 Singlechipmicrocomputer 或称微控制器 MCU 数字信号处理器 DSP 和ARM 嵌入式系统 等几大类 一 计算机组成和系统 1 组成 五大组成部分 冯 诺依曼型计算机 概念 硬件 软件 计算机和计算机系统 程序存储 比较哈佛结构 DSP MCU 存放程序的存储区 ROM 和存放数据的存储区空间分开 RAM 优点 速度快 效率高 工作原理 顺序执行 特点 程序和数据合用一个存储器空间 如PC机 2 微型计算机基本结构示意图 电气连接 信息交换 通过三大总线 ROM 主要储存程序 RAM 存储数据 3 系统 图1 1微处理器 微计算机和微计算机系统的关系 功能 微型化 巨型化 网络化 智能化速度 取决于 主频 时钟频率 振荡频率 字长 16位 32位 64位 精简指令结构 RISC 单周期指令工艺 线间距减小 0 13微米 功耗降低构造 通用 CPU 专用 MCU DSP 体积小 抗干扰能力强 省电 成本低 二 计算机的发展 1 2 1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 常用的数制还有二进制 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 1 2计算机中的数制和转换 一 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 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 二 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 1 2 2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十进制整数转换为二进制整数十进制小数转换为二进制小数带小数的十进制数转换为二进制数 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 3 二进制 十六进制之间的相互转换 1 2 3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 而是用相应的英文字母作后缀来表示各种进制的数 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 1 3 计算机码制 位 bit 与字节 byte 1byte 8bits1 3 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 01110111Bx2 1110111B x2 原 11110111B数0可是 0或 0 因此 0在原码中形式 0 原 00000000B 0 原 10000000B 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 00001101B 又如 x2 13 x2 原 13 原 10001101B x2 反 13 反 11110010B 0 反 00000000B 0 反 11111111B即符号位不变 其余求反 负数的补码 反码 1 例如 x1 1101101B x1 补 x1 原 01101101B 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 e g 八位数补码11111111表示的十进制数是 1八位数补码10000001表示的十进制数是 八位数补码10000000表示的十进制数是 补码 正数的补码 原码 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 纯小数表示方法 其格式如下所示 1 3 2 数的小数点表示方法 浮点表示法中小数点的位置是不固定的 任意二进制数N一般可表示为 N 2P S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 l浮点表示法 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 在微计算机中常用的浮点数表示有 图1 2四字节浮点数格式 图1 3三字节浮点数格式 D7D6D5 D0 1 4计算机常用编码 二进制编码 用二进制数表示一种状态或符号常见的编码有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 2BCD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 见书P438 2 字母和符号的编码 表1 3ASCII 美国标准信息交换码 表 作业 P46 1 5 1 2 1 7 1 2 P47 1 15 3 4 1 21 1 2 1单片机的发展历史 初级阶段 1974 1976 FAIRCHILD两片集成芯片 集成工艺限制 低性能阶段 1976 1978 INTERMCS 48高性能阶段 1978 1982 MCS51更高性能阶段 1983 多种机型并行发展 1 6单片微型计算机概述 存储器 并行接口 串行接口计数器 定时器 中断控制接口A D D A接口 2 单片机的构成 CPU 功能部件 3 单片机的特点 1 体积小 重量轻 功耗低 功能强 性价比高 2 数据大都在单片机内部传送 运行速度快 抗干扰能力强 可靠性高 3 结构灵活 易于组成各种微机应用系统 4 应用广泛 既可用于工业自动控制等场合 又可用于测量仪器 医疗仪器及家用电器等领域 4 单片机的应用 应用特点体积小 基本功能部件满足要求可靠性高 BUS大多在内部 易采取电磁屏蔽功能强 实时响应速度 I O直接操作使用方便 硬件设计简单 提供开发工具资料性能价格比高 电路板小 接插件少易产品化 研制周期短量大面广 成本低廉 机电一体化 电脑缝纫机智能仪表 测温仪 温控仪 实时控制 汽车家电 冰箱 洗衣机 电视 网络通信 通信协议集成其中计算机外设 键盘 打印机工农业 国防 单片机的出现使得电路设计简单化 应用对象 应用模式 应用系统结构 5 典型单片机产品 器件厂家美国 Intel Motorola Microchip Atmel SST STC等荷兰 Philips德国 Siemens日本 Nec等台湾 Winbond等 MCS系列存储器的类型分类 无ROM型 8031ROM型 8051EPROM 8751EEPROM型 89C51 6 单片机的发展趋势 性能不断提高CPU功能增强 速度 精度内部资源增多 A D D A EEPROM多功能引脚 寻址范围大高新技术下移 重点发展8位机性能 单片机的多品种 微型化 89C2051 MC68HC705等 20PIN 2KEPROM低功耗 低电压 CHMOS工艺 空闲等待和掉电停机方式 电压2 4 5 5V 在线应用系统 ISP IAP 嵌入式系统 概念通用计算机系统 嵌入式系统 面向工控领域 嵌入到应用系统中特点 面向控制对象与工控应用系统结合成一个整体运行可靠突出控制功能 I O控制 种类 工控机 类似PC机 通用CPU模块嵌入式微处理器 如ARM7 微控制器 MCU 数字信号处理器 DSP MCU发展方向 RISC结构 精简指令 单周期指令 流水线指令结构FlashROM OTPRROM为主流 OTP OneTimeProgram ISP InSystemProgram IAP InApplicationProgram 高速 时钟可达100M CygnalC8051F120等 低功耗 低电压 2 7 3 6V甚至更低 CMOS结构大内存 内部ROM128K RAM8K 多功能 12位多路AD DA 支持USB Ethernet JTAG接口 I2C总线 多I O口 64 等等 MCS 51的基本功能已形成一个内核 该项技术已为多家厂家掌握 开发出多种指令兼容的增强型功能芯片 性能不断提高 用户广泛 生命力很强 MCU种类 MCU的供应形态 程序存放 MASKROM 工厂一次性写入程序 EPROM 基本不用 ROMless 基本不用 OTPROM 用户一次性写入 如Philips 可靠 FlashROM 改写方便 适合开发或小批量生产 按应用领域分 工控类 家电类 通讯类等按通用性分 通用型 专用型按总线结构分 总线型 三大总线 非总线型 一种先进的单片机 Cygnal公司C8051F系列SoC单片机 AnalogPeripherals 12 BitADC Programmablethroughputupto200ksps Two12 BitCurrentModeDACs TwoComparatorsSupplyVoltage2 0to5 25VHighSpeed8051 CCore50MHzsystemclockMemory 2304bytesinternaldataRAM 256 2048 32 16kBFlash In systemprogrammablein512bytesectors 64bytesbattery backedRAM DigitalPeripherals 24portI O push pulloropen drain upto5 25Vtolerance HardwareSMBus I2C Compatible SPI andUARTserialportsavailableconcurrently Fourgeneralpurpose16 bitcounter timers Programmable16 bitcounter timerarraywithsixcapture comparemodules WDT Internaloscillators 24 5MHz2 accuracysupportsUARToperation clockmultiplierupto50MHz32 PINLQFPor28 PIN5x5QFNTemperatureRange 40to 85 C MCU发展小结北京航空航天大学何立民 嵌入式应用中 由于应用对象及环境的特点 8位机一直占据低端应用的主流地位 在单片机家族中 MCS 51是一个独特的系列 Intel公司创建了8位机的经典系列结构 并实施技术开发政策 使这个系列历经沧桑而不老 PHILIPS等著名大电器商以自己在电子应用技术方面的优势 与Intel公司技术互补 发展了MCS 51 并迅速将单片微型计算机带入了微控制器 MCU 时代 创造了许多优异的单片机产品 形成了独特的 包含许多公司兼容产品的80C51系列 Cygnal公司推出C8051F系列 把80C51系列推上了一个崭新高度 将单片机从MCU带入了SoC时代 C8051F中的一些新技术定会在8位机中进一步普及与推广 MCS 51从单片微型计算机 SCMC 到微控制器 MCU 再到片上系统 SoC 内核 显示了嵌入式系统硬件体系典型的变化过程 在嵌入式系统SoC的最终体系中 MCS 51以8051处理器内核的形式延续下去 这对于国内外从事80C51教学和科研的广大人士来说 无论是过去 现在和未来都能感受它带来的好处