单片机原理及精华总结

-1-2.1微机原理概述迄今为止，所有计算机的组成结构都是冯·诺伊曼型的，即：它是执行存储器中程序而工作的。计算机执行程序是自动按序进行的，毋需人工干预，程序和数据由输入设备输入存储器，执行程序所获得的运算结果由输出设备输出。因此，计算机通常有运算控制部件、存储器部件、输入设备和输出设备四部分组成，如图2-1所示。图2-1计算机组成框图输入设备能自动把人们编好的解题程序和原始数据转换成计算机能识别的二进制数码，送到存储器存放起来。常用的输入设备有键盘、纸带输入机和卡片读入机，等等。此外，当计算机从磁盘上读入程序和数据时，磁盘驱动器也是作为输入设备而工作的。因此，输入设备是计算机输入解题程序和原始数据不可缺少的部件。运算控制器有运算器和控制器两部分电子线路组成，是计算机赖以工作的核心部件。运算器主要包括加法器、移位、判断和寄存器电路等等，用于进行算术运算和逻辑操作；控制器由指令寄存器、指令译码器和控制电路等组成，是整个计算机的中枢，它根据指令码指挥着运算器、存储器、输入设备和输出设备自动协调地工作（如图中箭头所示）。因此，运算器和控制器唇齿相依，融为一体。过去，运算器和控制器采用电子管、晶体管和集成电路芯片组成，体积十分庞大。现在，运算器和控制器通常集成在单块或几块大规模集成电路芯片内，人们称为中央处理单元促CPU,即微处理器。通常，存储器分为内存储器和外存储器两种。内存储器工作速度快，但存储容量有限，过去采用磁心存储器，现在毫无例外地采用半导体存储器。外存储器称为海量存储器，它存储容量大，但存取速度慢，如磁盘、磁鼓、磁带和光盘等等。微型计算机中用的最广泛的是软磁盘和硬磁盘两种外存储器。输出设备用于输出计算机的中间结果和最终结果，也可以输出原始程序和实时信息。常见的输出设备有CRT显示器、打印机、绘图机和电传打字机，等等。外存储器，当它存储数据时也可以看作输出设备。因此，外存储器是一种既可以作输-2-入又可以作输出设备。常常称之为输入/输出设备。上述四部分统称为计算机硬件，各部分相互独立，但又相互相连，组成一个有机整体。其中，中央处理器CPU和内存储器又称为计算机的主机；输入/输出设备统称为外部设备或I/O设备。2.1.1微型计算机的基本机构微型计算机是在中小型计算机基础上发展起来的，并以大规模集成电路技术为条件的一种新型计算机。因此，它在结构上和通用计算机十分相似，但也有独到之处。和其它计算机相比，微型计算机的最大特点是采用总线结构，其中三总线结构尤为普遍，目前已成为微型计算机的一种基本结构，如图2-2所示。图2-2微型计算机的基本结构由图2-2可见，微处理器MPU是通过AB、DB和CD三总线同ROM存储器、RAM存储器及I/O接口相连的,虽然这个结构并不复杂，但并不好理解。为此，在分析微型计算机基本工作原理前，先对图中各部件作基本介绍是十分必要的。（1）ROM和RAM存储器这里的R()M和RAM是半导体存储器，是一种采用大规模或超大规模集成电路工艺制成的存储器芯片。这种芯片体积小、重量轻、集成度高，现已制成包含1.4亿只晶体管的8MBDRAM芯片,并已投放市场。ROM存储器是一种在正常工作时只能读不能写的存储器，故它通常用来存放固定程序和常数，固定程序和常数是利用特殊手段存放进去的，一旦写入便能长期保存，需要时便可读出使用。ROM种类虽然很多,但常按存储容量分类。例如：4K(1K=1024)×8ROM最多可以存放4096个8位二进制数。每片ROM上都有用于传送信号的引脚线。这些引线共分四组，地址线用于输送ROM的地址码：数据线是双向的，可以为芯片传送读/写数据；控制线用于传送控制信号,以控制芯片是否工作以及是读还是写等等；电源线可以供给芯片+5V直流电源。在这些引脚线中．地址线及数据线条数和芯片的存储容量有关。地址线越多，存储容量就越大；-3-数据线越多，每个二进制数的位数就越长。RAM存储器是一种在正常工作时既能读又能写的存储器，故它通常用来存放原始数据、中间结果、最终结果和实时数据等。RAM中存入的信息不能长久保存，停电后便立即消失，故它又称为易失性存储器。RAM存储器的规格品种也很多，如4KB、8KB、32KB、64KB、256Kb、1MB，等等。ROM和RAM的内部结构大致相同，所不同的是存储每位二进制数码的基本电路不一样。ROM的基本存储电路采用特殊的FAMOS管,由FAMOS管浮栅内有电荷和无电荷表示存“0”还是存“1”；RAM的基本存储电路是触发器，用触发器的两个暂稳状态来表示存“0”或存“1”。为使读者对存储器内部结构有一个基本了解，我们在图2-3中示出了一个容量为16×8RAM芯片的内部结构。图2-316×8RAM的内部结构框图由图中可见，A3～A0为地址线，共4条，传送地址码；D7～D0是数据线，共8条，传送一个二进制数的八位；RD和WR为控制线,传送读/写控制信号，存储阵列是芯片的主体，它有16个地址单元，分别对应于4条地址线的16种组合，每个地址单元有8个触发器，用于存储一个八位二进制数，故它可以存储16个八位二进制数。在16个地址单元中，哪一个工作是由地址译码器输出的16条地址选择线中哪一条为高电平决定的。地址译码器的译码信号由地址译码器输出的16条地址选择线中哪一条为高电平决定的。地址译码器的译码信号由地址线上地址译码经地址寄存器暂存后送来。因此，地址线条数和存储容量间关系通常为：存储容量=2n其中，n为地址线条数。数据线条数和每个地址单元中二进制数位数一一对应，并应和所有地址单元中的基本存储电路（即触发器）相通。对于一个有16条地址线和8条数据线的ROM存储器，如果它的16条地址线皆为高电平（即：地址为FFFFH），则必定选中读出FFFFH号地址单元中的内容，且读出数据是送到数据线上的；如果16条地址线上的地址码为0000H(即全为低电平)，则必定选中0000H单元工作。因此，一个有16条地址线的存储器，其存储器容量的地址范围为0000H～FFFFH,共64KB。（2）微处理器MPU-4-现代微处理器MPU的内部结构极其复杂，要像电子线路那样画出它的全部原理图来加以分析介绍是根本不可能的，为了弄清它的基本工作原理，现以图2-4中的模型机框图为例加以概述。(1)运算器运算器用于对二进制数进行算术运算和逻辑操作；其操作顺序是在控制器控制下进行的。运算器由算术逻辑单元ALU、累加器A、通用寄存器R0、暂存器TMP和状态寄存器PSW等五部分组成。图2-4模型MPU结构框图累加器A是一个具有输入/输出能力的移位寄存器，由8个触发器组成。累加器A在加法前用于存放一个操作数。加法操作适用于存放两数之和，以便再次累加，故因此得名。TMP为暂存器，也是一个8位寄存器，用于暂存另一操作数。ALU为算术逻辑单元，主要由加法器、移位电路和判断电路等组成，用于对累加器A和暂存器TMP中两个操作数进行四则运算和逻辑操作。PSW为程序状态宇，也由八位触发器组成，用于存放ALU操作过程中形成的状态。例如：累加器A中的运算结果是否为零，最高位是否有进位或借位，低四位向高四位是否有进位或借位，等等，都可以记录到PSW中去。R0为通用寄存器GR，用于存放操作数或运算结果。(2)控制器控制器是发布操作命令的机构，是计算机的指挥中心，相当于人脑的神经中枢、控制器由指令部件、时序部件和微操作控制部件等三部分组成。①指令部件：是一种能对指令进行分析、处理和产生控制信号的逻辑部件，也是控制器的核心。通常，指令部件由程序计数器PC、指令寄存器IR和指令译码器IS等三部分组成。指令是一种能供机器执行的控制代码，有操作码和地址码两部分，指令不同，-5-相应的代码长度也不一样。因此，指令可分为单字节、双字节和三字节指令，等等。指令的有序组合称为程序，程序必须先放在存储器内，机器执行程序应从第一条指令开始逐条执行。这就需要有一个专门寄存器用来存放当前要执行指令的内存地址，这个寄存器就是程序计数器PC。当机器根据PC中地址取出要执行指令的一个字节后，PC就自动加1，指向指令的下一字节，为机器下次取这个字节时作好准备。在8位微处理器MPU中，程序计数器通常为16位。指令寄存器IR有八位长，用于存放从存储器中取出的当前要执行指令的指令码。该指令码在IR中得到寄存和缓冲后被送到指令译码器ID中译码，指令操作码译码后就知道该指令进行哪种操作，并在时序部件帮助下去推动微操作控制部件完成指令的执行。②时序部件：由时钟系统和脉冲分配器组成，用于产生微操作控制部件所需的定时脉冲信号。其中，时钟系统产生机器的时钟脉冲序列，脉冲分配器又称“节拍发生器”，用于产生节拍电位和节拍脉冲。③微操作控制部件：可以为ID输出信号配上节拍电位和节拍脉冲，也可和外部进来的控制信号组合，共同形成相应的微操作控制序列，以完成规定的操作。（3）地址总线、数据总线和控制总线所谓总线是指信息传送的公共通道，实际上是印刷电路板上的短路线，这些短路线是沟通微型计算机各种器件的桥梁。①地址总线AB地址总线AB也叫地址母线,因其上仅传送MPU的地址码而得名。当微处理器MPU和存储器或外部设备交换信息时，必须指明要和哪个存储单元或哪个外部设备交换。因此，地址总线AB必须和所有存储器的地址线对应相连，也必须和所有I/O接口的设备码线相连。这样，当微处理器MPU对存储器或外设读/写数据时，只要把存储单元的地址码或外部的设备码送到地址总线上便可选中它们工作,地址总线条数由所选MPU型号决定.在8位机中．它通常为16条。②数据总线数据总线也叫“数据母线”，因其上传送的是数据和指令码而得名。数据总线条数常和所用微处理器字长相等，但也有内部为16位运算而外部仍为8位数据总线的情况。由于MPU有时需要把数据写入存储器或从外设输出数据，有时又需要从存储器或输入设备输人数据，因此数据总线是双向的。在8位机中，数据总线通常有8条。③控制总线CB控制总线也叫控制母线，用于传送各类控制信号。控制总线条数因机器而异，每条控制线最多传送两个控制信号。控制信号有两类：一类是MPU发出的控制命令，如读命令、写命令、中断响应信号等；另一类是存储器或外设的状态信息，如外设的中断请求、复位、总线请求和中断请求，等等。总之，微果汁算机采用总线结构是一大特点，它使得存储器扩充和I/O接口板-6-的增删十分方便。（4）I/O接口和外设I/O接口是架设在微处理器和外设间的桥梁，是一种过渡的大规模集成电路芯片。由于大多数外部设备部是机电型的，工作速度较慢，因此微处理器MPU通常不和它们直接相连，而是通过I/O接口缓冲后再和外设相连，以便实现速度、电平和信号性质的匹配。2．1．2微型计算机的基本工作原理微型计算机是通过执行程序来工作的，机器执行不同程序就能完成不同的运算任务。因此，微型计算机执行程序的过程实际上也体现了微型计算机的基本工作原理。为此，我们先从指令和程序谈起。（1）．微处理器的指令系统和程序编制前面已经谈到，指令是一种可以供机器执行的控制代码，故它又称为指令码。指令码由操作码和地址码构成；操作码用于指示机器执行何种操作，地址码用于指示参加操作的数在哪里，其格式为：指令码的二进制形式既不便于记忆，又不便于书写，故人们通常采用助记符形式来表示。如表2-1所列。表2-1指令的三种形式指令的集合或指令的全体称为“指令系统”。微处理器类型不同，它的指令系统也不一样。例如：Z82有698条，Intel8085有78条，MCS-51系列单片机有111条指令,等等。所谓程序就是采用指令系统中的指令根据题目要求排列起来的有序指令的集合。程序的编制称为“程序设计”。通常，设计人员采用指令的汇编符(即助记符)形式编程的，这种程序设计称为汇编语言程序设计。显然，设计人员如果不熟悉机器的指令系统是无法编出优质高效程序的。（2）微型计算机执行程序的过程为了弄清微型计算机的工作原理，现以如下的Y=5+10求和程序来说明微型计算机的工作过程。7405HMOVA,#05H;A←05H240AHADDA,#0AH;A←5+1080FEHSJMP$;停机-7-该程