1 2 1 电子计算机的发展概述 1. 1 电子计算机的问世及其经典结构 3 单片机的发展过程及产品近况 3. 1 单片机的发展过程 1. 2 微型计算机的应用形态 3. 2 单片机产品近况 2. 1 存储器的概述 2. 3 I/O接口及外设 2. 2 CPU的组成及作用 2 计算机各组成部分的介绍 3 5 80C51系列概述 5. 1 MCS-51系列 5. 3 80C51典型产品资源配置 5. 2 80C51系列 4 单片机的特点及应用领域 4. 2 单片机的应用领域 4. 1 单片机的特点 6.3 单片机开发方式的发展 6 单片机应用系统开发简介 6.1 单片机应用系统的开发 6.2 单片机应用系统传统开发方式 4 一、二进制、十进制、十六进制 二、不同进制之间相互转换 三、原码、反码及补码 四、数据在计算机中的表示 补充 常用数制和编码 补充 数制与编码的简单回顾 1 数制 2 编码 5 1 电子计算机的发展概述 1946年2月15日\ufffd第一台电子数字计算机问世\ufffd这标志着计算机时代的到来。 ENIAC \ufffd“埃尼阿克”\ufffd 1.1 电子计算机的问世及其经典结构 ◆ENIAC是电子管计算机\ufffd时钟频率仅有100 KHz\ufffd但能在1秒钟的时间内完成5000次加法运算。\ufffd ◆与现代的计算机相比\ufffd有许多不足\ufffd但它的问世开创了计算机科学技术的新纪元\ufffd对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响 。 6 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\ufffd他又提出了“程序存储”和“二进制运算”的思想\ufffd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。 \ufffd EDVAC-ELECTRONIC DISCRETE VARIABLE AUTOMATIC COMPUTER\ufffd 存储器 输出设备 输入设备控制器 运算器 7 电子计算机技术的发展\ufffd相继经历了五个时代\ufffd \ufffd电子管计算机\ufffd \ufffd晶体管计算机\ufffd \ufffd集成电路计算机\ufffd \ufffd大规模集成电路计算机\ufffd \ufffd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。 8 1.2 微型计算机的应用形态 ◆多板机\ufffd系统机\ufffd 将CPU、存储器、I/O接口电路和总线接口等组装在一块主机板\ufffd即微机主板\ufffd。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软/硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内\ufffd再配上系统软件\ufffd就构成了一台完整的微型计算机系统\ufffd简称系统机\ufffd。 工业PC机 也属于多板机。 \ufffd 从应用形态上\ufffd微机可以分成三种\ufffd 9 ◆单板机 将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备\ufffd小键盘、LED显示器\ufffd等装配在一块印刷电路板上\ufffd再配上监控程序\ufffd固化在ROM中\ufffd\ufffd就构成了一台单板微型计算机\ufffd简称单板机\ufffd。 单板机 单板机的I/O设备简单\ufffd软件资源少\ufffd使用不方便。早期主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统\ufffd现在已很少使用。 10 ◆单片机 在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路\ufffd从而构成了单芯片微型计算机\ufffd即单片机。 单板机 单片机 系统机\ufffd多板机\ufffd 三种应用形态的比较 \ufffd 11 系统机\ufffd桌面应用\ufffd属于通用计算机\ufffd主要应用于数据处理、办公自动化及辅助设计。 单片机\ufffd嵌入式应用\ufffd属于专用计算机\ufffd主要应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统。 单片机体积小、价格低、可靠性高\ufffd其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。 12 2 计算机各组成部分的介绍 2.1 存储器的概述 存 储 体 地 址 译 码 输入输出控制 控制线 地址线 数据线 存储器框图 . · · 2.1.1存储器框图 13 \ufffd 2.1.2 存储器的作用 \ufffd 2.1.3 存储器的表达 \ufffd 2.1.4 存储器的种类、内部数据 \ufffd 2.1.5 存储器的访问 \ufffd 2.1.6存储器的容量及地址线的计算 地址线的根数\ufffd n 地址线空间\ufffd 2 n 地址\ufffd 从 n个0~ n个1 14 2.2 CPU的组成及作用 算术逻辑单元(简称ALU\ufffd 运算器 累加器 寄存器 CPU 运算器 控制器 2.2.1 CPU、运算器及控制器的组成 15 控制器的组成 程序计数器 指令寄存器 指令译码器 时序产生器 操作控制器 16 ALU可对两个操作数进行加、减、与、或、比较大小等操作\ufffd最后将结果存入累加器。 ALU执行不同的运算操作是由不同控制线上的信息所确定的。 ALU的两个主要的输入来源\ufffd 累加器、数据寄存器 2.2.2 运算器的作用 对指令进行译码或测试\ufffd并产生相应的操作控制信号\ufffd以便启动规定的动作。 指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。 2.2.3 控制器的主要功能 17 2.3 I/O接口及外设 每个外设与微处理器的连接必须经过接口适配器\ufffdI/O接口\ufffd。 每个I/O接口及其对应的外设都有一个固定的地址\ufffd在CPU的控制下实现对外设的输入\ufffd读\ufffd和输出\ufffd写\ufffd操作。 比较I/O接口与存储器的访问 常见的外设举例 18 3 单片机的发展过程及产品近况 3.1 单片机的发展过程 单片机技术发展过程可分为三个主要阶段\ufffd ◆单芯片微机形成阶段 1976年\ufffdIntel公司推出了MCS-48系列单片机 。8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。 特点是\ufffd存储器容量较小\ufffd寻址范围小\ufffd不大于4K\ufffd\ufffd无串行接口\ufffd指令系统功能不强。 19 ◆性能完善提高阶段 1980年\ufffdIntel公司推出了MCS-51系列单片机\ufffd8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K\ufffd并有控制功能较强的布尔处理器。\ufffd 特点是\ufffd结构体系完善\ufffd性能已大大提高\ufffd面向控制的特点进一步突出。现在\ufffdMCS-51已成为公认的单片机经典机种 。 20 ◆ 微控制器化阶段 特点是\ufffd片内面向测控系统外围电路增强\ufffd使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。 “微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。 1982年\ufffdIntel推出MCS-96系列单片机。 芯片内集成\ufffd16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。 21 \ufffdATMEL公司融入Flash存储器技术的AT89系列\ufffd \ufffdPhilips公司的80C51、80C552系列\ufffd \ufffd华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列\ufffd \ufffdADI公司的ADμ C8xx高精度ADC系列\ufffd \ufffdLG公司的GMS90/97低压高速系列\ufffd \ufffdMaxim公司的DS89C420高速\ufffd50MIPS\ufffd系列\ufffd \ufffdCygnal公司的C8051F系列高速SOC单片机。 ◆ 80C51系列单片机产品繁多\ufffd主流地位已经形成\ufffd近年来推出的与80C51兼容的主要产品有\ufffd 3.2 单片机产品近况 22 ◆非80C51结构单片机新品不断推出\ufffd给用户提供了更为广泛的选择空间 \ufffd近年来推出的非80C51系列的主要产品有\ufffd \ufffdIntel的MCS-96系列16位单片机 \ufffd \ufffdMicrochip的PIC系列RISC单片机 \ufffd\ufffd \ufffdTI的MSP430F系列16位低功耗单片机 。 23 4 单片机的特点及应用领域 4.1 单片机的特点 ◆控制性能和可靠性高 实时控制功能特别强\ufffd其CPU可以对I/O端口直接进行操作\ufffd位操作能力更是其它计算机无法比拟的。另外\ufffd由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内\ufffd各部件间的连接紧凑\ufffd数据在传送时受干扰的影响较小\ufffd且不易受环境条件的影响\ufffd所以单片机的可靠性非常高。 24 ◆体积小、价格低、易于产品化 单片机芯片即是一台完整的微型计算机\ufffd对于批量大的专用场合\ufffd一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择\ufffd同时还可以专门进行芯片设计\ufffd使芯片的功能与应用具有良好的对应关系\ufffd在单片机产品的引脚封装方面\ufffd有的单片机引脚已减少到8个或更少。从而使应用系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。 近期推出的单片机产品\ufffd内部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件\ufffd并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式\ufffd如在系统编程ISP\ufffd等方面都有了进一步的增强。\ufffd 25 4.2 单片机的应用领域 ◆智能仪器仪表 单片机用于各种仪器仪表\ufffd一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度\ufffd使仪器仪表智能化\ufffd同时还简化了仪器仪表的硬件结构\ufffd从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。如各种智能电气测量仪表、智能传感器等。 ◆机电一体化产品 机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体\ufffd具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。 26 ◆ 实时工业控制 单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中\ufffd利用单片机作为系统控制器\ufffd可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法\ufffd实现期望的控制指标\ufffd从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产线等 。 ◆分布式系统的前端模块 在较复杂的工业系统中\ufffd经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中\ufffd采用单片机作为分布式系统的前端采集模块\ufffd系统具有运行可靠\ufffd数据采集方便灵活\ufffd成本低廉等一系列优点。 27 ◆家用电器 家用电器是单片机的又一重要应用领域\ufffd前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。 另外\ufffd在交通领域中\ufffd汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等 。 使用温度\ufffd 民品\ufffd0°— +70°C 工业品\ufffd-40 — +85°C 汽车\ufffd-40— +105°C 军品\ufffd -55 — +125°C 28 5 80C51系列概述 \ufffd1\ufffdMCS-51是Intel公司生产的一个单片机系列名称。属于这一系列的单片机有多种\ufffd如\ufffd \ufffd8051/8751/8031\ufffd \ufffd8052/8752/8032\ufffd \ufffd80C51/87C51/80C31 \ufffd80C52/87C52/80C32等 。 5.1 MCS-51系列 29 \ufffd2\ufffd该系列生产工艺有两种\ufffd CHMOS是CMOS和HMOS的结合\ufffd既保持了HMOS高速度和高密度的特点\ufffd还具有CMOS的低功耗的特点。在产品型号中凡带有字母“C”的即为CHMOS芯片\ufffdCHMOS芯片的电平既与TTL电平兼容\ufffd又与CMOS电平兼容。\ufffd 一是HMOS工艺\ufffd高密度短沟道MOS工艺\ufffd。二是CHMOS工艺\ufffd互补金属氧化物的HMOS工艺\ufffd。 30 \ufffd3\ufffd在功能上\ufffd该系列单片机有基本型和增强型两大类\ufffd 增强型\ufffd 8052/8752/8032 80C52/87C52/80C32 基本型\ufffd 8051/8751/8031 80C51/87C51/80C31 \ufffd4\ufffd在片内程序存储器的配置上\ufffd该系列单片机有三种形式\ufffd即掩膜ROM、EPROM和ROMLess(无片内程序存储器)。如\ufffd \ufffd80C51有4K字节的掩膜ROM\ufffd \ufffd87C51有4K字节的EPROM \ufffd \ufffd80C31在芯片内无程序存储器。 31 \ufffd4\ufffd在片内程序存储器的配置上\ufffd该系列单片机有三种形式\ufffd即掩膜ROM、EPROM和ROMLess(无片内程序存储器)。如\ufffd \ufffd80C51有4K字节的掩膜ROM\ufffd \ufffd87C51有4K字节的EPROM \ufffd \ufffd80C31在芯片内无程序存储器。 32 5.2 80C51系列 \ufffd Intel的\ufffd80C31、80C51、87C51\ufffd80C32、80C52、87C52等\ufffd \ufffd ATMEL的\ufffd89C51、89C52、89C2051等\ufffd \ufffd Philips、华邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的许多产品 。 80C51是MCS-51系列中CHMOS工艺的一个典型品种 \ufffd其它厂商以8051为基核开发出的CMOS工艺单片机产品统称为80C51系列。当前常用的80C51系列单片机主要产品有\ufffd 33 5.3 80C51典型产品资源配置 34 6 单片机应用系统开发简介 ◆正确无误的硬件设计和良好的软件功能设计是一个实用的单片机应用系统的设计目标。完成这一目标的过程称为单片机应用系统的开发。 ◆单片机作为一片集成了微型计算机基本部件的集成电路芯片\ufffd与通用微机相比\ufffd它自身没有开发功能\ufffd必须借助开发机\ufffd一种特殊的计算机系统\ufffd来完成如下任务\ufffd \ufffd排除应用系统的硬件故障和软件错误\ufffd \ufffd程序固化到内部或外部程序存储器芯片中。 6.1 单片机应用系统的开发 35 ◆指令的表示形式 指令是让单片机执行某种操作的命令。在单片机中\ufffd指令按一定的顺序以二进制码的形式存放于程序存储器中。为了书写、输入和显示方便\ufffd人们通常将二进制的机器码写成十六进制形式。 如\ufffd二进制码 0000 0100B可以表示为04H。04H所对应的指令意义是累加器A的内容加1。若写成INC A则要清楚得多\ufffd这就是该指令的符号表示\ufffd称为符号指令。 36 ◆汇编或编译 符号指令要转换成计算机所能执行的机器码并存入计算机的程序存储器中\ufffd这种转换称为汇编。常用的汇编方法有三种\ufffd \ufffd手工汇编\ufffd \ufffd利用开发机的驻留汇编程序进行汇编\ufffd \ufffd交叉汇编。 现在人们还可以常常采用高级语言\ufffd如C51\ufffd进行单片机应用程序的设计。这种方法具有周期短、移植和修改方便的优点\ufffd适合于较为复杂系统的开发。 37 6.2 单片机应用系统传统开发方式 RS-232C目标系统仿真头仿真器 ◆利用独立型仿真器开发 38 ◆利用非独立型仿真器开发 RS-232C目标系统仿真头仿真器 39 SST公司推出的SST89C54和SST89C58芯片分别有20KB和30KB的SuperFLASH存储器\ufffd利用这种存储器可以进行高速读写的特点\ufffd能够实现在系统编程\ufffdISP\ufffd和在应用编程\ufffdIAP\ufffd功能。首先在PC机上完成应用程序的编辑、汇编\ufffd或编译\ufffd、模拟运行\ufffd然后实现目标程序的串行下载。 6.3 单片机开发方式的发展 ◆在系统编程ISP ISP\ufffdIn-System Programming\ufffd在系统可编程\ufffd指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码\ufffd 而不需要从电路板上取下器件\ufffd已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程。ISP技术是未来发展方向。 40 ISP的工作原理 ISP的实现相对要简单一些\ufffd一般通用做法是内部的存储器可以由...