第1章 从计算机到嵌入式计算机

80C51嵌入式系统教程肖洪兵李国峰李冰杨征北京航空航天大学出版社第1章从计算机到嵌入式计算机主要内容：计算机的基本概念微型计算机系统的组成及工作原理构成微型计算机的基本电路微型计算机的分类教学建议1.1，1.2节作为一般性内容介绍其他部分作为重点介绍内容。教学目的通过本章学习，使学生：了解计算机特别是微型计算机的有关概念和术语了解微型计算机系统的基本构成及工作原理熟悉嵌入式计算机的概念1.1计算机概述1.1.1计算机的技术发展史自1946年第一代电子计算机研制成功后，计算机的发展经历了电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、大规模集成电路计算机几代:电子计算机按体积、性能、价格分类：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机（70年）、单片机（82年）它们在体系结构和基本原理上无本质上的区别，常用的微型机采用了集成度相当高的器件，功能日益完善，体积大大缩小，得到广泛应用。第1章从计算机到嵌入式计算机1.1.2计算机中的信息表示1计算机中的数计算机中的数据是以二进制的形式进行存储和运算的，微型计算机也不例外。当然计算机中不仅要处理无符号数，还要处理带符号数和带小数点的数。（1）机器数为表示带符号数，通常规定数的最高位为符号位。符号位通常用“0”表示正数，用“1”表示负数。如在8位机中，+12表示为00001100B，−12表示为10001100B。这种能被计算机识别的带符号位的二进制数就称为机器数，而它所代表的真实值被称为机器数的真值。第1章从计算机到嵌入式计算机（2）带符号数的表示对带符号数，计算机中常见的有原码、反码和补码三种表示方法。①原码在表示带符号数时，正数的符号位为“0”，负数的符号位为“1”，数值位不变，这样就得到了原码。例如在8位机中：[+38]原=00100110B，[−38]原=10100110B其中，最高位为符号位，后面7位是数值。②反码正数的反码表示与原码相同，最高位为符号位，其余位为数值位。如在8位机中：[+4]反=[+4]原=00000100B而负数的反码应当表示为，该数的原码除符号位外按位取反。如在8位机中：[–4]反=11111011B③补码n位二进制数X以2n为模的补码为：[X]补=2n+X（mod2n）当X≥0时，X可表示为+X1X2…Xn-1，X的补码为：[X]补=2n+X=2n+X1X2…Xn-1=0X1X2…Xn-1=X（mod2n）当X0时，X可表示为–X1X2…Xn-1，X的补码为：[X]补=2n+X=2n–X1X2…Xn-1=11…1B–0X1X2…Xn-1+1=1+1（mod2n）即负数的补码等于负数的原码（符号位除外）求反加1。下面举例说明补码的求法与应用：[+3]补=[+3]原=[+3]反=00000011B[–3]补=[–3]反+1=11111100B+1=11111101B[–0]补=[–0]反+1=11111111B+1=00000000B这样，当负数采用补码表示时，就可以把减法运算转换为加法运算。（3）数的定点和浮点表示在实际运算中，计算机所处理的数一般是带有小数点的数，它既有整数部分，又有小数部分，这就提出一个小数点位置如何确定的问题。在计算机中，通常有两种方法，即定点表示法和浮点表示法。定点表示法在定点表示法中，小数点的位置是固定的。计算机在处理定点数时，常把小数点固定在数值位的最后或最前面，即分为定点纯小数与定点纯整数两类，如图1.1所示。图1.1定点纯小数和定点纯整数的表示浮点表示法在浮点表示法中，小数点的位置是浮动的。例如，63.8可表示为0.638×102或6.38×100或638×10-1等，由此，对于任意一个二进制数N也可表示为：N=S•2J其中，S称为数N的尾数，表示数N的全部有效数字，它决定了N的精度。将S表示为SfS1S2…Sn时，Sf是尾数的符号，称为尾符，S1S2…Sn表示尾数的数值。J称为数N的阶码，底为2，指明了小数点的位置，决定了数N的大小范围，将J表示为JfJ1J2…Jn，Jf是阶码的符号位，称为阶符，J1J2…Jn表示阶码的数值。一般来说，任何一个数的浮点表示格式如图1.2所示。图1.2浮点表示法2计算机中的编码计算机中，数是用二进制表示的。而计算机又应能识别和处理各种字符，如大小写英文字母、标点符号、运算符号等，这些符号也只能用若干位的二进制码组合（即编码）来表示。（1）BCD码BCD码即十进制数的二进制编码。因为二进制数实现容易、可靠，且运算规律简单，所以在计算机中使用二进制数。但是，二进制数并不直观，于是在计算机的输入和输出时，通常还是采用十进制数，不过，这样的十进制数要用二进制编码表示，也就是二——十进制编码，简称BCD。（2）ASCII码（字符编码）在计算机中，字母和字符也必须按照特定的规定，用二进制编码表示。编码可以有各种方式，目前微机中最普遍采用的是ASCII码（AmericanStandardCordforInformationInterchange，美国标准信息交换码）。ASCII码使用7位二进制编码。可表示128个字符，其中包括数码（0~9），以及英文字母等可打印的字符。3计算机的术语在计算机中通常要用到一些计算机术语来描述微型计算机及其性能。（1）位、字节、字和字长（2）指令、指令系统和程序（3）主频、指令执行时间和速度（4）总线、接口和接口卡（5）计算机的几种称谓Micro-ProcessorUnit：简称MPU，即微处理器，和CPU的含义相同。Micro-Computer：即微型计算机。Micro-ComputerSystem：即微型计算机系统。1.2微型计算机系统的组成及原理计算机系统是以微型计算机为主体，并配备相应的外围设备和软件等就构成了计算机系统。概括地讲，一个完整的计算机系统由硬件和软件两大部分组成，如图1.3所示。1.2.1硬件组成按具体形态划分，硬件包括：主机和外部设备等。以个人PC机为例，主机就是指位于主机箱主板上的CPU、内存条和接口电路等。1各部分的主要功能（1）运算器（2）控制器（3）存储器（4）输入设备（5）输出设备2计算机的工作过程从图1.4中可以看出，计算机内部有两类信息在流动，一类是采用粗线表示的数据信息流，它包括原始数据、中间结果、计算结果和程序中的指令；另一类是采用单线表示的控制信息流，它是控制器发出的各种操作命令。程序和数据通过输入设备送入到存储器中，控制器从存储器中逐条取出命令并加以分析，按照命令的功能规定向各个部件发出一系列的控制信号来执行这条命令：存储器把参加运算的数据送给运算器，运算器按规定的运算操作进行计算，并把结果送回到存储器中保存。最后把处理的结果通过输出设备送给外设。1.2.2软件组成软件包括：系统软件、应用软件和程序设计语言等。1系统软件系统软件是为计算机用户提供最基本功能的软件，它针对一般应用领域而非特定领域。包括操作系统、语言处理程序、数据库管理系统和作为软件研究开发工具的编译程序、调试程序、装配程序和连接程序、测试程序等。2应用软件应用软件是指用户自己开发或外购的满足用户各种专门需要的应用软件包。如图形软件、Word2000文字处理软件、财会软件、计划报表软件、辅助设计软件AutoCAD和模拟仿真软件等。3程序设计语言程序设计语言是指用户编写程序的语言工具。计算机的程序设计语言有：低级语言、中级语言和高级语言。低级语言又叫机器语言，是面向机器（硬件）的语言；中级语言就是汇编语言；高级语言是面向用户（对象）的语言，其特点是易于被用户理解。需要指出的是，机器只识别机器语言，其他语言编写的程序需经过系统软件最终翻译成机器语言方能执行。1.3微型计算机的基本电路计算机是由若干的基本电路单元组成的，这些电路是组成计算机的硬件基础。现就计算机中常见的基本电路作一简单介绍。1常用逻辑电路计算机系统中存在着大量的逻辑运算，基本逻辑运算有“与”、“或”、“非”。实现逻辑运算的电路称为逻辑门电路，基本逻辑门电路有“与”门、“或”门、“非”门。（1）逻辑“与”和“与”门电路（2）逻辑“或”和“或”门电路（3）逻辑“非”和“非”门电路（4）复合逻辑门基本逻辑门电路经过简单的组合，便构成复合逻辑门电路。常见的有：“与非”门、“或非”门、“异或”门。2触发器触发器是计算机记忆装置（如寄存器）的基本单元，它具有把以前输入的信息“记忆”下来的功能，一个触发器能存储一位二进制代码。计算机中常用的触发器有R-S触发器、D触发器和J-K触发器等。3寄存器触发器就是一位寄存器，可以存放1位二进制信息，并且具有接收和输出二进制数的功能。N个触发器便可构成N位寄存器。图1.12所示为由D触发器构成的4位寄存器。4计数器在数字电路和计算机中，计数器是最基本的部件之一，它能累计输入脉冲的个数。当输入脉冲的频率一定时，又可作为定时器使用。计数器既可进行加法计数又可进行减法计数。需要指出的是，计算机中的复杂器件都是由上述的单元电路组合而成的。所以，在了解上述简单电路的基础上再分析复杂器件就容易一些了。1.4微型计算机的分类1.4.1现代计算机技术的两大分支计算机专业领域集中精力发展通用微型计算机系统的软硬件技术，不必兼顾嵌入式应用要求，通用微处理器迅速从286、386、486到奔腾系列，操作系统则迅速扩张计算机基于高速海量的数据文件处理能力，使通用计算机系统进入到尽善尽美阶段。嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路，这条独立发展的道路就是单芯片化道路，它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士，接过起源于计算机领域的嵌入式系统，承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务，迅速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代。因此，现代计算机技术发展的两大分支的意义在于它不仅形成了计算机发展的专业化分工，而且将发展计算机技术的任务扩展到传统的电子系统领域，使计算机成为进入人类社会全面智能化时代的有力工具。1.4.2通用微型计算机通用微型计算机（以下简称通用计算机）是指具有海量高速数值计算、信息处理、多媒体和网络应用等功能的计算机，如PC机。通用计算机的运算功能主要由中央处理器CPU来完成，因此计算机性能的优劣取决于CPU的性能。在微型机中，CPU通常是一个大规模的集成电路芯片，也称为微处理器（μP）。所以，探讨通用计算机的情况从微处理器的发展情况入手。表1-4所示概括了各阶段通用微处理器的总体情况。表1.4微处理器发展概况1971.10Intel40044位μP1972.3Intel8008低档8位μP1973Intel8080中档8位μP1974.3MotorolaMC68001975-76ZilogZ80高档8位μP1976Intel80851978Intel80861979ZilogZ800016位μPMotorolaMC680001983ZilogZ800001984.7MotorolaMC6802032位μP1985Intel80386Intel系列32位μP(85.10)(89.4)(93.3)(95.11)8038680486PentiumPentiumPro奔腾高能奔腾(97.1)MMX(PentiumwithMMX)多能奔腾(带多媒体扩展技术)(97.5)PII(PentiumII)(奔II)(99.3)PIII(PentiumIII)(奔III)(2000.6.28)P4(Pentium4)(奔IV)(2000.11)Itanium（安腾）—64位μP1.4.3嵌入式计算机计算机由于大大提高了现场环境的可靠性，体积小型化，从而走出机房，迈入微型计算机时代；同时，微型计算机强化了I/O驱动功能，对外部的控制管理功能以及抗干扰性能得以增强，将计算机嵌入到对象体系中完成对象的智能化控制要求，诞生了嵌入式计算机。嵌入式计算机，就是将计算机嵌入到对象体系中，实现嵌入式应用要求的计算机。不难理解，嵌入式计算机属于专用计算机。此时的计算机失去了原有形态，功能也动态地发生变化。嵌入式计算机是面向测控对象，具有对象交互、嵌入式应用、I/O管理功能的计算机。需要特别指出的是，嵌