第1讲 单片机基础知识

51单片机原理及程序设计
1.1.1有关单片机的几个概念
4）嵌入式系统（Embedded system） 嵌入式系统，是一种完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统。相较于 我们平常使用的个人计算机（Personal Computer）系统，嵌入式系统通常执行的是有特定要求预先 设置的任务。嵌入式系统是面向具体应用的，它能够与应用紧密结合，并适应具体应用在功能，可 靠性，成本，体积，功耗等方面的严格要求。 嵌入式系统的出现，其核心单元最初是基于单片机的，但是随着嵌入式系统的发展，其核心 单元也有了许多变化。除了单片机之外，出现了基于DSP，ARM等多种处理器的嵌入式系统。 5）单片机（Single Chip Microcomputer） 单片微型计算机即单片机，是将CPU，RAM，ROM，定时器，中断系统，输入输出接口电路 等集成到一块芯片上的计算机。由于单片机在控制领域得到广发的使用，所以逐渐被称之为微控制 器（Microcontroller Unit），简称MCU。单片机属于微型计算机中的一种，具有普通微型计算机的 基本组成和功能。
51单片机原理及程序设计
1.1.2 单片机的发展历史
4）第四阶段（1982-1990） 这是16位单片机阶段。16位单片机除了CPU为16位外，RAM和ROM容量进一步增大，实时处 理的能力更强。如Intel 公司的MCS-96，其集成度已为120000管子/片，主振幅12MHZ，片内RAM 为232字节，ROM为8K字节，中断处理为8级，而且片内带有多通道10位A/D转换和高速输入/输出 部件（HSIO），实时处理的能力很强。 5）第五阶段（1990至今） 这是微控制器的全面发展阶段。各个公司产品在尽量兼容的同时向更高速度，更强运算能力， 更大寻址范围方面发展。典型的有美国Microchip公司推出的完全不兼容MCS-51的新一代PIC单片 机以及Intel公司推出的80960超级32位计算机等。许多高速，强运算能力，大寻址范围的8位/16位 /32位通用型单片机以及小而廉价的专用型单片机得到了广泛的发展和使用。
1.1.3 单片机的基本组成与特点
2）控制器
如果说运算器是计算机的运算中心，那么控制器就是计算机的指挥中心，其作用在于控制 MPU中各个部分协调工作，共同完成整个程序的自动执行。计算机中的典型工作过程为取指令， 分析指令，执行指令的过程。 取指令 计算机中要执行的指令放在内存中，MPU想要执行一条指令首先要从内存中找到将要执行指 令并将其取出。在单片机MPU中，有一个程序计数器PC用来存放将要执行程序的内存地址。计算 机根据PC中的内存地址取得想要执行的指令，取出指定后，PC自动加1指向下一条指令。 分析指令 分析指令的过程是一个译码的过程。在MPU中存在一个指令寄存器IR，用来暂时存放从内存 中获取的指令码。MPU从IR获取指令码后，通过指令译码器ID对指令码进行译码。在与时序系统 的配合下，MPU译码后将按时序产生控制信号，对响应部分进行控制。 执行指令 执行指令的过程就是一个将控制信号发送到I/O接口执行的过程。执行指令的过程也包括对计 算结果的处理以及MPU中转移地址的形成。
与特点
3.输入输出接口及设备（Input/Output Device）
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1.1.2 单片机的发展历史
1）第一阶段（1974-1976年） 这个阶段是单片机的探索阶段。1971年Intel首次宣布4004的4位微处理器开始，各大公司就开 始酝酿生产单片机。1974年12月Fair Child公司即推出8位单片机F8，但是实际上只包含8位CPU， 64B的RAM和两个并行口，还需加一块3851（由1K ROM、定时/计数器和2个并行I/O口构成）才能 组成一台完整微型计算机。 2）第二阶段（1976-1978年） 这个阶段是低性能单片机阶段。在这个阶段出现一些具有单片机结构功能的单片机型号，单 片机在工业控制领域得到了广泛的应用。但是这个阶段的单片机仍处于初级阶段，规模较小，功能 也比较简单。以Intel 公司推出的MCS-48为例，一块芯片内就含有8位CPU、并行I/O口、8位定时/ 计数器、RAM和ROM等，无串行I/O口。中断处理也比较简单，片内RAM和ROM容量较小，且寻 址范围有限，一般都不大于4K字节。 3）第三阶段（1978-1982年） 这个阶段是高性能单片机阶段。这一类单片机带有串行I/O，有多级中断处理，定时/计数器为 16位，片内的RAM和ROM相对增大，且寻址范围可达64K字节，有的片内还带有A/D转换接口。这 个阶段单片机的典型代表是Intel推出的MCS-51单片机，同时各大公司也争相研制发展出了自己的 单片机如Zilog公司的Z8系列等。由于这类单片机的性能价格比高，所以被广泛应用，目前仍是应 用数量最多的单片机。
第1讲 单片机基础知识
《51单片机原理及程序设计》 王欣飞、谢龙汉、谢锋然编著 清华大学出版社
51单片机原理及程序设计
第1讲 单片机基础知识
1.1 单片机概述
1.2 单片机中的预备知识
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1.1 单片机概述
1.1.1 有关单片机的几个概念 1.1.2 单片机的发展历史 1.1.3 单片机的基本组成与特点
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1.1.3 单片机的基本组成与特点
2）控制器
为了实现上述所说的典型工作过程，CPU控制器需要包括以下几个部分的控制功能： 指令控制 指令控制指的是控制计算机按照取指令，分析指令，执行指令步骤对指令进行操作的过程。 指令控制是控制器的基本功能。如前所述，控制器中包含了程序计数器PC，指令寄存器IR以及指 令译码器ID来实现指令控制功能。 时间控制 时间控制指的是MPU控制器对指令执行过程中操作时间的控制过程。如前所述，MPU译码后 会按照时序产生控制信号，这个时序信号就是用来完成MPU的时间控制的。 操作控制 操作控制指的是MPU控制器按照译码后的控制信号完成控制的过程。通过操作控制，MPU可 以完成指令操作。
1.1.4 单片机的应用
1.1.5 单片机的发展趋势
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1.1.1有关单片机的几个概念
1）微处理器（Microprocessor Unit） 微处理器即MPU，是由一块或者几块大规模集成电路组成的中央处理器（CPU），具有控制 运算功能。1971年计算机发展进入了大规模集成电路时代，微处理器得以诞生并开始高速发展。从 第一代4位处理器开始，历经8位处理器，16位处理，32位处理器，现在64位处理器也已经得到广泛 的使用。由于是将CPU集成在一个半导体芯片上，所以相较传统的CPU具有体积小，重量轻以及容 易模块化的特点。微处理器是构成微型计算机的核心部件。 2）微型计算机（Micro Computer） 微型计算机简称微机，是以微处理器为核心单元，配以存储器，输入输出设备接口电路以及 相应辅助电路构成的裸机。依据组成微型计算机电路板数量类型的不同，我们可以将微型计算机分 为多板微型计算机、单板微型计算机以及单片微型计算机。其中单片微型计算机即我们通常所说的 单片机，也就是说单片机是微型计算机中的一种。 3）微型计算机系统（Micro Computer System） 以微型计算机为核心，再配以相应的外围设备，电源，辅助电路和控制微型计算机工作的软 件就构成了完整的微型计算机系统。因此我们说单独的微型计算机并不是一个微型计算机系统，一 般而言，微型计算机系统包含了硬件以及软件两个部分。 从微处理器到微型计算机再到微型计算机系统，这三个概念包含范围依次递增，微处理器是 微型计算机的核心单元，微型计算机又是微型计算机系统的核心单元。
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1.1.3 单片机的基本组成与特点
2. 微处理器（MPU）
微处理器是微机的核心单元，是微机的运算以及指挥控制中心。一般而言，微处理器的组成 包括运算器，控制器以及内部总线。微处理器MPU基本结构如下图1-2所示。下面简单介绍微处理 器的运算器与控制器。
数 据 寄 存 器 指令寄存器IR 程序计数器PC 指令译码器ID +1 PSW 控制逻辑 累加器A TMP
地址总线AB
MPU
数据总线DB 控制总线CB
存储器
I/O接口
外设
图1-1 单片机基本组成框图
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1.1.3 单片机的基本组成与特点
1．存储器（Memory）
存储器是计算机用以存放程序以及数据的单元。存储器容量单位有Byte，KB，MB，GB，TB 等。其中1Byte简称1B，容量为8个2进制数，即8个bit。1KB大小为1024个Byte，1MB大小为 1024KB，1GB大小为1024MB，1TB大小为1024GB。在存储中我们又将两个字节（Byte）称作一个 字（Word），把两个字称作双字（Double Word）。存储器的读写速度指的是读或者写一条指令的 时间，它是影响计算机速度的主要因素之一。存储器可分为如下两种： 1）只读存储器（Read Only Memory） 掩膜ROM 可编程存储器（Programmable ROM，PROM） 可编程存储器（Programmable ROM，PROM） 可擦除可编程存储器（ Erasable Programmable ROM，EPROM） 电擦除可改写可编程只读存储器（Electrically Erasable PROM，E2PROM或者EEPROM） Flash 存储器（Flash Memory） 2）随机存取存储器（Random Access Memory） 静态随机存储器（Static RAM，SRAM） 动态随机存储器（Dynamic RAM，DRAM）
算术逻辑单元ALU 地 址 寄 存 器
控制信号
图1-2 MCU结构框图 51单片机原理及程序设计
1.1.3 单片机的基本组成与特点
1）运算器
一般而言运算器包括了算术逻辑单元，累加器A，暂存器TMP，状态寄存器PSW以及通用寄存器几 个部分。 算术逻辑单元ALU（（Arithmetic-Logic Unit） 算术逻辑单元是运算器的核心部件，它以全加器为基础，配合移位和控制逻辑进行加减乘除以及各 种逻辑运算。 累加器A（Accumulator） 累加器是一个移位寄存器，用于运算前存放操作数以及运算后存放运算结果。在MPU中，单操作 数运算多从累加器中获取操作数，多操作数运算也常常从累加器中获取一个操作数。 暂存器TMP（Temporary） 暂存器也是一个移位寄存器，用来存放ALU运算中所需的操作数或者操作结果。从本质上说暂存 器的作用在于解决MPU处理速度与内存速度不匹配的问题。通过将少量需要重复使用的数据存放 于暂存器中可以避免MPU频繁向内存索取数据，从而提高计算机数据处理速度。 程序状态字PSW（Program Status Word） 程序状态字PSW包含8个触发器，用来存放ALU运算过程中产生的状态。运算过程中最高位是否有 进位或者借位，低四位是否向高四位进位等都通过程序状态字中的状态位表示。 通用寄存器PS（General Purpose Register） 通用寄存器是相对专用寄存器而言的，上面所说的以及后面提及的程序计数器PC等都是专用计数 器，他们的功能固定。在MPU中还有部分寄存器，他们可以被指定用来存放操作数或者运算结果， 这部分寄存器被称为通用寄存器。 51单片机原理及程序设计