1、课程名称：计算机硬件技术基础,课程特色：河北省级精品课,授课教师：赵晓安,河北工业大学计算机科学与软件学院计算机基础教学部,计算机硬件技术基础,河北工业大学计算机科学与软件学院计算机基础教学部,主讲教师: 赵晓安,专题二 微机基础知识 专题三 单片机的基础知识（一）,第3讲,教学要求掌握、熟悉、了解,1掌握： 专题二、微机基础知识微型计算机的组成专题三、单片机的基础知识第2章 MCS-51单片机的结构和工作原理MCS-51单片机的基本组成MCS-51单片机内部结构和功能 2、熟悉MCS-51单片机的应用特性 3、了解嵌入式计算机系统单片微型计算机的发展及应用,教学重点、难点,重点：1）存储器（
2、1）半导体存储器的分类（2）两个重要指标2）MCS-51单片机的硬件结构（1）CPU（2）程序计数器PC及程序执行的原理（3）存储器的结构程序存储器、片内RAM 难点：片内RAM位寻址区,专题二 微机基础知识基本内容,1）微型计算机的组成 2）存储器（1）半导体存储器的分类（2）两个重要指标 3）微处理器MPU（1）控制器（2）运算器 4）了解嵌入式计算机的概念,专题三单片机的基本知识基本内容,1.6 单片微型计算机的发展及应用1.6.1 单片机的发展概述1.6.2 单片机的典型产品1.6.3 单片机的应用 第二章 MCS-51单片机的结构 21 MCS-51单片机的基本组成及应用特性22 M
3、CS-51单片机内部结构和功能掌握MCS-51单片机的硬件结构1）CPU2）程序计数器PC及程序执行的原理3）存储器的结构 作业,程序存储器 内部数据存储器128RAM,微型计算机的组成,半导体存储器的分类,特殊写入，在线只读,在线读/写,在线读/写,存 储 器 结 构,ROM和RAM芯片均有分四组引脚线： （ROM另有特殊的引脚线） 1、地址线 传送存储器的地址码，其根数决定存储单元个数即字数 2、数据线 传送对某一单元进行读/写的数据，双向决定一个单元内存储二进制数的位数，即字长 3、控制线 传送读/写控制信号，以控制读/写操作 4、电源线 +5V 和GED线,存储器的两个重要指标,存贮容
4、量存储容量2地址线条数数据线的条数bit 字数字长 例： 芯片2732 4KB 即 4 K 8bit=32Kb地址线 12根，数据线 8根 芯片 2114 1K 4bit 地址线 10根，数据线 4根 问？ 2764 8KB 地址线 ？根，数据线 ？根 存取周期存储器从接到存储单元地址开始，到读出或写入数据为止所用的时间。,存储单元个数,微处理器MPU,结构图,计算机的最新分类,嵌入式计算机 非嵌入的通用型计算机,摘自：基于MCS-51单片机的嵌入式系统设计李伯成“十五”国家重点图书出版规划项目电子工业出版社 2005年9月第2次印刷,1.5 嵌入式计算机系统,嵌入式计算机系统,定义：以应用为
5、核心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪、适应对功能、可靠性、安全性、体积、重量、成本、功耗、环境、安装方式等方面严格要求的专用计算机系统。实质上是实现某些特定要求的计算机应用系统。应用：从军用到民用、从工业企业到家庭、从天上到地下再到海里，所有用于监测和控制的计算机应用系统均可纳入嵌入式计算机系统的范畴。现在每年有超过40亿套大小不一的嵌入式计算机系统投入使用，工业年产值超过1万亿美元。,嵌入式计算机系统的构成,嵌入式计算机系统由两大部分构成：,嵌入式计算机硬件系统,嵌入式计算机软件系统,嵌入式操作系统,用户程序,嵌入式计算机 硬件系统,嵌入式计算机系统概念框图,输入设备 输出设备 外存,嵌入
6、式计算机硬件系统构成,1、嵌入式处理器 2、常规外设及其接口 3、专用外设及其接口 4、操作控制台和报警设备,核心部件，控制和调度其它部件。,1）cpu+内存+接口等构成 2）单片机为核心构成 3）数字处理器(DSP)为核心构成 4）专用处理器芯片 5）自己设计的ASIC构成,Application Specific Integrated Circuit,ASIC,专用集成电路,以太网,精简指令集,复杂指令集,PDA (Personal Digital Assistant) 个人数字助理,以无线方式发送和接收数据,Plasma Display Panel 等离子显示屏,嵌入式计算机软件系统,1
7、）实时多任务的操作系统2）实时监控程序,用户程序:实现用户的功能要求。,嵌入式计算机软件系统分为： 嵌入式操作系统和用户程序两部分。 嵌入式操作系统的功能：对系统硬件资源的管理和实时响应。,最简单的嵌入式系统，以单片机为核心，不配操作系统或监控程序，系统硬件资源由用户程序进行管理。在实现用户功能的同时，还要实现对资源的管理和利用。如，对键盘、显示块、专用外设及CPU的管理等。,本课所学的嵌入式系统为：,1974年12月，美国仙童（Fairchild）公司推出了世界上第一台8位单片机F8。单片机的发展过程分为以下几个发展阶段。 第一代单片机（19741976年）单片机发展的起步阶段。集成度也较低
8、，并且采用了双片形式。代表产品有Fairchild公司的F8和Mostek公司的3870等。 第二代单片机（19761978年）这是单片机的发展阶段。 最典型的产品有Intel公司的MCS-48系列单片机。 第三代单片机（1979一1982年）这是8位单片机的成熟阶段。 代表产品有Intel公司的MCS-51系列机、Motorola公司的MC6801系列机、Zilog公司的Z8系列机等。 第四代单片机（1983年以后）1983年以后是16位单片机和8位高性能单片机并行发展的时代。,16 .1 单片机的发展概述,1八位低档系列机MCS-48系列是Intel公司1976年后推出的八位系列机单片机
9、2八位高档系列机MCS-51系列单片机是Intel公司1980年以后推出的8位高档机 3十六位单片机系列Intel公司从1984年开始推出高性能的十六位MCS-96系列单片机,162 单片机的典型产品,主流与多品种共存,现在虽然单片机的品种繁多，各具特色仍以80C51为核心的单片机占主流，80C51为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头;中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不
10、存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。,单片机作为嵌入式系统的核心，具有集成度高、结构简单、可靠性高、控制功能强、便于实现智能化控制，应用灵活方便和价格低等优点，因此广泛应用于国民经济的各个领域。单片机的应用提高了机电设备的技术水平和自动化程度，对各行各业的技术改造和产品更新换代起到了重要的推动作用。1在日常生活中的应用2在智能化的仪器仪表中应用3在工业控制中的应用 4. 在计算机网络和通信领域中的应用 5. 在军事和航天领域中的应用,163 单片机的应用,单片机成功地应用于玩具、游戏机、无绳电话、充电器、按摩器、IC卡电话、IC卡水表、IC卡煤气表、IC
11、卡电度表、流量温控仪表、家庭自动化、电子锁、电子秤、步进电机、防盗报警、电子日历时钟等这些日常生活的产品中。图形终端、彩色黑白复印机、软盘及硬盘驱动器、磁带机、打印机的内部都采用单片机进行控制。在各类仪器仪表中（包括医疗器械、色谱仪、温度、湿度、流量、流速、电压、频率、功率、厚度、角度、长度、硬度、元素测定等）引人单片机，使仪器仪表数字化、智能化、微型化，功能大大提高。网络通信，航天。,2.1 MCS-51单片机的基本组成及应用特性,2.1.1 MCS-51单片机的基本组成 2.1.2 MCS-51单片机的应用特性1. MCS-51单片机系列 (51/52)2. 单片机芯片的半导体工艺3. 片
12、内ROM存储器的配置形式及应用环境,2.1.1 MCS-51 单片机的基本组成,MCS-51单片机芯片有许多种：如8051、8031、8751、80C51、80C31等。 它由8个部件组成，1、中央处理器（CPU）核心2、时钟电路 12MHz3、程序存储器（ROM/EPROM） 4KB4、数据存储器（RAM） 128B+128B SFR5、并行I/O口（P0P3口）P0和P2兼作外总线6、串行口 全双工串行口7、定时器/计数器 2个16位8、中断控制系统 5个中断源，高级和低级两级优先级别它们都是通过单一总线连接，并被集成在一块半导体芯片上，为单片微型计算机（Single-Chip Micro
13、computer）,片内存储器,片内I/O接口,1. MCS-51单片机系列 两大系列：MCS-51子系列和MCS-52子系列。其中51子系列是基本型，而52子系列属于增强型。各子系列配置如表2-1所示。(P37),212 MCS-51单片机的应用特性,51子系统,52子系统,片内ROM形式无 ROM EPROM8031 8051 875180C31 80C51 87C518032 8052 875280C32 80C52 87C52,52子系列与51子系列相比，其功能增强的具体方面如下： 1片内RAM从128字节增加到256字节 2片内ROM从4KB 增加到8KB 3定时器/计数器从2个增加
14、到3个 4中断源从5个增加到67个,2. 单片机芯片的半导体工艺 MCS-51系列单片机采用以下两种半导体工艺生产HMOS芯片型号中不带有字母“C”的，功耗较大。CHMOS 芯片型号中凡带有字母“C”的，具有高速度、高密度、低功耗的特点 例如 8051的功耗为630mW，80C51的功耗只有120mW。在便携式、手提式或野外作业仪器设备或长期无人值守自动监测、监控的仪表上是非常有意义的。因此在这些产品中最好使用CHMOS型单片机芯片.,3. 片内ROM存储器的配置形式及应用环境MCS-51单片机内程序存储器的配置形式有三种：掩模ROM型 （由厂家一次写入，成本低）EPROM型 （由用户可反复写
15、入，成本较高）无ROM （需在片外扩展）各有特点，也各有其适用场合，可根据需要进行选择环境温度范围，划分为三个等级民用级 070工业级 4085军用级 65125因此在使用中应注意根据现场温度选择芯片。,2.2.1 中央处理器CPU 2.2.2 存储器结构2.2.2.1 程序存储器2.2.2.2 片内数据存储器1、片内数据存储器低128单元,22 8051单片机内部结构和功能,22 8051单片机内部结构和功能,一、运算器1算术逻辑单元（ALUArithmetic Logic Unit）2累加器（ACCAccumulator）3寄存器 B4程序状态字（PSWProgram Status Wor
16、d）5布尔处理器 二、控制器 1程序计数器（PCProgram Counter） 2指令译码器ID 3数据指针（DPTR） 4. 堆栈指针(SPStack Pointer),221 中央处理器CPU,一、运算器功能：运算部件实现算术、逻辑运算、位变量处理、移位、数据传送1算术逻辑单元（ALU）8位 其累加器是ACC二进制四则运算和布尔代数的逻辑运算 运算结果影响PSW的有关标志位2. 累加器（ACC）8位 存放操作数和中间结果工作频繁，大多数操作均通过它进行3寄存器B 8位 乘法时用于存乘数/积的高8位除法时用于存除数/余数4程序状态字（PSW）8位 特殊功能寄存器 5布尔处理器 1位它以进位
17、标志（CY）作为累加位 进行位操作,程序状态字PSW各位标志的含义,PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 PSW.0,CY (PSW.7) 进位标志位 AC（PSW.6） 辅助进位（或称半进位）标志 F0（PSW.5） 用户标志位 RS1和RS0（PSW.4，PSW.3）工作寄存器组选择位 OV（PSW.2） 溢出标志位 PSW.1 未定义位 P（PSW.0） 奇偶标志位,1程序计数器（PC）16位计数器（重要）PC是程序的字节地址计数器，其内容是将要执行的下一条指令的地址，寻址范围达64KB。PC 有自动加1功能，从而实现程序的顺序执行。可以通过
18、转移、调用、返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。,二、控制器,2指令译码器ID 指令取出指令寄存器IR指令译码器ID对该指令进行译码把指令转变成所需的电平信号CPU 根据ID输出的电平信号使定时控制电路定时地产生执行该指令所需的各种控制信号，以使计算机能正确执行程序所要求的各种操作。,程序 存储器,PC,取出 指令码,指令 寄存器IR,指令 译码器ID,把指令转变成所需要得电平信号,CPU 产生执行该指令所需的各种控制信号,取指令,分析指令,执行指令,2BH,程序执行过程举例 求2143和的程序机器码 机器码 助记符 功能0111010000010101B 7415H MOV A,#15H
19、 ；(A)15H0010010000101011B 242BH ADD A,#2BH ；(A)(A)2BH1000000011111110B 80FEH SJMP $ ； 停止,CY OV AC,0,0,1,PSW,15H,40H,15H,3数据指针（DPTR）16bit数据指针DPTR为16位寄存器。它的功能是存放16位的地址，作为访问外部程序存储器和外部数据存储器时的地址。编程时，DPTR既可按16位寄存器使用，也可以按两个8位寄存器分开使用。即：DPH DPTR的高8位DPL DPTR的低8位4. 堆栈指针(SP)8 bitSP的内容就是堆栈栈顶的存储单元地址。不论是数据进栈还是数据出栈
20、，都是对堆栈的栈顶单元进行的，即对栈顶单元的写和读操作。,2.2.2 存储器结构,8051单片机在系统结构上采用了哈佛型，其存储器在物理结构上分程序存储器（ROM） 和数据存储器（RAM）。有四个物理上相互独立的存储空间 ：其配置如图2-3/2-4所示。,片内ROM,片外ROM,片内RAM,片外RAM/I/O口,60KB,4KB,64KB,128B RAM,128B SFR,8051单片机在系统结构上采用了哈佛型，其存储器在物理结构上分程序存储器（ROM） 数据存储器（RAM）有四个物理上相互独立的存储空间 ：,片内ROM,片外ROM,片内RAM,片外RAM/I/O口,60KB,4KB,64K
21、B,128B RAM,128B SFR,64KB,程序存储器 （ROM）,数据存储器 （RAM）,64KB,无,2.2.2 存储器结构,有关存储器的说明,1、用户使用的角度上看 8051存储空间分为三类： 片内、片外统一编址0000H0FFFFH的64K字节的程序存储器地址空间； 256字节数据存储器地址空间； 64K字节片外数据存储器/I/O口地址空间，地址也从0000H0FFFFH。,2、上述三个空间地址是重叠的，即程序存储器中片内外低4K字节地址重叠；数据存储器与程序存储器64K地址全部重叠；数据存储器中片内外低256个字节地址重叠。虽然地址重叠，但由于采用了不同的操作指令及控制信号EA
22、、PSEN的选择，因此不会产生混乱。,有关存储器的说明,2.2.2.1 程序存储器,1、程序存储器配置图,片内ROM,片外ROM,60KB,4KB,特殊单元：0000H-0002H（开机复位单元） 3个0003H-000AH（INT0中断地址区） 8个000BH-0012H（T/C0中断地址区） 8个0013H-001AH（INT1中断地址区） 8个001BH-0022H（T/C1中断地址区） 8个0023H-002AH（串行口中断地址区） 8个,2.2.2.1 程序存储器,程序存储器用来存放程序和常数，分为片内和片外两部分，其中8051内部有4kB的ROM，地址范围是0000H-0FFFH，
23、片外用16位地址线扩充64kB的ROM，两者统一编址。（从片内还是从片外取指取决于EA引脚。）,当CPU的引脚EA接高电平时，PC在0000H0FFFH范围内，CPU从片内ROM取指令； 而当PC0FFFH后，则自动转向片外ROM去取指令。当引脚EA接低电平时，8051片内ROM不起作用，CPU只能从片外ROM取指令，地址可以从0000H开始编址对于片内无ROM的 8031、8032单片机，EA应接地。以便从外部扩展EPROM中取指令。8051从片内ROM和片外ROM取指时执行速度相同。,数据存储器用来存放运算的中间结果、标志位，及数据的暂存和缓冲等。8051系列单片机的数据存储器分为： 片内
24、数据存储器：最大可寻址256个单元的RAM.1、低128字节RAM2、高128字节SFR 片外可寻址16位（64kB）数据存储器或I/O口的地址，两者统一编址.,数据存储器,2.2.2.2.片内数据存储器（RAM),00H,7FH,1、低128字节RAM,1、工作寄存器（00H1FH)RS1 RS0 寄存器组 片内RAM地址0 0 第0组 00H07H0 1 第1组 08H0FH1 0 第2组 10H17H1 1 第3组 18H1FH,R0R7,4个,这16个单元（共计128位）的每一位都有一个8位表示的位地址，位寻址范围为00H7FH，如表2-3所示P44。位寻址区的每一个单元既可作为一般R
25、AM单元使用，进行字节操作，也可以对单元中的每一位进行位操作。MCS-51布尔处理器的存储空间就是指这个位寻址空间。,47H,46H,45H,44H,43H,42H,41H,40H,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,28H 字节地址,位地址,2、可位寻址区（20H2FH),28H 字节地址,MOV 28H,#56H,SETB 43H,CLR 42H,1,0,字节操作,位操作,30H7FH是供用户使用的一般RAM区，也是数据缓冲区，共80个单元。对用户RAM区的使用没有任何规定或限制，一般用于存放用户数据及作堆栈区使用。,3、用户RAM区（30H7FH）,作 业,P35思考题 1-9 1-13 1-15 1-20 1-21 P63思考题 2-1 至 2-7、 2-9,第三讲结束 谢谢！,
