MCS-51.doc

第 1 章 MCS-51系列單片機的組成1.1 計算機架構(gòu)1.1.1 數(shù)字計算機的硬件組成1. 馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成,硬件五大組成部分：運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備。美藉匈牙利科學家馮諾依曼結(jié)構(gòu)（John von Neumann）奠定了現(xiàn)代計算機的基本結(jié)構(gòu)。(1) 采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令(2) 采用存儲程序方式 這是諾依曼思想的核心內(nèi)容。如前所述，它意味著事先編制程序，事先將程序(包含指令和數(shù)據(jù))存入主存儲器中，計算機在運行程序時就能自動地、連續(xù)地從存儲器中依次取出指令且執(zhí)行。這是計算機能高速自動運行的基礎。(3) 由運算器、存儲器、控制器、輸入裝置和輸出裝置等五大部件組成計算機系統(tǒng)，并規(guī)定了這五部分的基本功能。其特點是：1）使用單一的處理部件來完成計算、存儲以及通信的工作。2）存儲單元是定長的線性組織。3）存儲空間的單元是直接尋址的。4）使用低級機器語言，指令通過操作碼來完成簡單的操作。5）對計算進行集中的順序控制。6）計算機硬件系統(tǒng)由運算器、存儲器、控制器、輸入設備、輸出設備五大部件組成并規(guī)定了它們的基本功能。7）采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令。8）在執(zhí)行程序和處理數(shù)據(jù)時必須將程序和數(shù)據(jù)通道從外存儲器裝入主存儲器中，然后才能使計算機在工作時能夠自動調(diào)整地從存儲器中取出指令并加以執(zhí)行。 這就是馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)存儲程序概念的基本原理。 2系統(tǒng)總線（三總線）v CPU、存儲器、I/O接口電路之間用三組總線相連: 地址總線(AB： Address Bus) 數(shù)據(jù)總線(DB： Data Bus) 控制總線(CB： Control Bus) 地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線通常統(tǒng)稱為系統(tǒng)總線。l 從傳輸方向上看，數(shù)據(jù)總線是雙向的，即數(shù)據(jù)可以從CPU傳送到其他部件，也可從其他部件傳送到CPU。l 地址總線是單向的，即地址只能由CPU傳送到存儲器或I/O端口，用以給出CPU將要訪問的部件的地址。l 控制總線中的信號線有的是單向的，也有的是雙向的。 4、中央處理器 CPU（central processing unit）意為中央處理單元，又稱中央處理器。CPU由控制器、運算器和寄存器組成，通常集中在一塊芯片上，是計算機系統(tǒng)的核心設備。計算機以CPU為中心，輸入和輸出設備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸和處理都通過CPU來控制執(zhí)行。微型計算機的中央處理器又稱為微處理器。 5、CPU的主要技術指標 （1） CPU字長 字長：是指CPU一次最多可同時傳送和處理的二進制位數(shù)，安長直接影響到計算機的功能、用途和應用范圍。如Pentium是64位字長的微處理器，即數(shù)據(jù)位數(shù)是64位，而它的尋址位數(shù)是32位。 u 4位u 8位 ：MCS-51系列 、 X86系列 I8088u 16位： X86系列80286、 80386、80486u 32位： ARM系列、 X86系列 奔騰 、PII、 PIII、PIVu 64位： X86系列 PIV（2）時鐘頻率和機器周期：時鐘頻率又稱主頻，它是指CPU內(nèi)部晶振的頻率，常用單位為兆（MHz），它反映了CPU的基本工作節(jié)拍。一個機器周期由若干個時鐘周期組成，在機器語言中，使用執(zhí)行一條指令所需要的機器周期數(shù)來說明指令執(zhí)行的速度。一般使用CPU類型和時鐘頻率來說明計算機的檔次。如P VI 3.2G等。 v 6、存儲器v 紙帶類介質(zhì)存儲（已基本淘汰）、磁帶v 磁盤（硬盤）存儲器（外存）v 半導體存儲器(內(nèi)存）q RAM （Random Access Memory） SRAM DRAM（Dynamic RAM），動態(tài)隨機存儲器 q ROM （Read Only Memory） ROM （Read-Only Memory） PROM（ Programmable Read-Only Memory）/One-Time Programmable (OTP)ROM EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory)可擦可編程只讀存儲器，一種可以重復利用的可編程芯片。其內(nèi)容始終不丟失，除非您用紫外線擦除它。一般給EPROM 編程或擦除內(nèi)容時，需要用專用的設備。 EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)電可擦可編程只讀存儲器-一種掉電后數(shù)據(jù)不丟失的存儲芯片。 EEPROM 可以在電腦上或?qū)Ｓ迷O備上擦除已有信息，重新編程。既可實現(xiàn)ISP或IAP功能 FLASH EEPROM （閃存）PC機存儲器的應用： 外存：硬盤-操作系統(tǒng)、應用程序 內(nèi)存： 1、EPROM/EEPROM/FALSH-BIOS 2、DRAM（RAM條）-在運行的操作系統(tǒng)、應用程序 3、SDAM緩存（Cache）-常運行的程序段代碼和數(shù)據(jù) EEPROM的編程：v 用編程器編程v ISP -In System Programming （即在系統(tǒng)編程）。v IAP- In Application Programming （即在應用中編程）。固件：在ROM中固化的程序叫固件 （Firmware ）7、單片機存儲器兩種存儲結(jié)構(gòu) q 哈 佛結(jié)構(gòu)：程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開。q 馮諾依曼結(jié)構(gòu)：程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并，編址。8、存儲器的單位 計算機中最基本的存儲單位為字節(jié)（B、Byte） 8位、16位、 32位、64位的尋址空間一般都可以字節(jié)為單位，但為了提高速率，16位、32位、64位機更多的用字為單位尋址。位/比特（bit）：這是內(nèi)存中最小的單位，二進制數(shù)序列中的一個0或一個1就是一比比特，在電腦中，一個比特對應著一個晶體管。字節(jié)（B、Byte）：是計算機中最常用、最基本的存儲單位。一個字節(jié)等于8個比特，即1 Byte8bit。 千字節(jié)（KB、Kilo Byte）：電腦的內(nèi)存容量都很大，一般都是以千字節(jié)作單位來表示。1KB1024Byte。 兆字節(jié)（MBMega Byte）：90年代流行微機的硬盤和內(nèi)存等一般都是以兆字節(jié)（MB）為單位。1 MB1024KB。 吉字節(jié)（GB、Giga Byte）：目前市場流行的微機的硬盤已經(jīng)達到4.3GB、6.4GB、8.1GB、12G、13GB等規(guī)格。1GB1024MB。 太字節(jié)（TB、Tera byte）：1TB1024GB。 v 存儲器工作過程如下： CPU地址地址譯碼器選中單元由CPU發(fā)出的“讀”或“寫”命令。 例如：q 讀操作：讀02H單元內(nèi)容 02H由AB 地址譯碼 找到02號單元； CPU發(fā)出“讀”信號； （02H）=#A3H（讀出的數(shù)據(jù)） D-BUS。 #A3H 指定寄存器 q 寫操作：數(shù)據(jù)#F7H 03H單元中； 03H由AB 地址譯碼 找到03號單元； CPU將F7H送到D-BUS上 CPU發(fā)出“寫”信號； #F7H （03H） 9、嵌入式CPU分類q MPU（微處理機）q MCU（微控制器-單片機）q DSP （數(shù)字處理、頻譜分析、通訊技術）q SOC （片上系統(tǒng)）單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。0.2計算機編碼一、符號數(shù)的表示法 1、機器數(shù)與真值 符號的數(shù)碼化：將符號用“0正1負”表示，并以二進制數(shù)的最高位（D7位）作為符號位。例如：（原碼） +91=0 1011011 = 5BH； -91=1 1011011= -5BH 機器數(shù)：數(shù)據(jù)在計算機中連同數(shù)碼化的符號位一起表示的編碼數(shù)。 真 值：把機器數(shù)實際代表的數(shù)稱為機器數(shù)的真值。2、原碼表示法：D7位作為符號位（0正1負），D6D0為原來的二進制數(shù)值位。例如：（+55）原 =0 0110111 ；（- 55）原 =1 0110111 特點： 1）8位二進制數(shù)表示的范圍：-127 +127；2）（+0）原=00000000B 與 （- 0）原=10000000B 不相同；3）加、減運算困難。3、反碼表示法 正數(shù)的反碼 = 正數(shù)的原碼 負數(shù)的反碼 = 相應正數(shù)的原碼按位取反 例如：（+0）反 = 0 0000000；（+127）反 = 0 1111111 （- 0）反 = 1 1111111；（-127）反 = 1 0000000特點： 1）范圍 -127 +127； 2）+0、-0不相等； 3）求真值時，若D7=1，則按位取反。3、符號數(shù)的補碼表示法（1）引例一：鐘表調(diào)時10點6點可以逆時針撥，也可順時針撥： 逆撥： 10 4 = 6 （減） 順撥： 10 + 8 = 18 = 12 + 6 = 6 （加） 在順撥中，12可自然丟失，稱為模；而8被稱為是 4的補碼。 鐘表采用十二進制，系統(tǒng)所能表示的最大量程為12，故稱模為12。 8 = 12 4 =12 + （4） （ 4）補 = 12 4 =12 +（ 4） （MOD = 8） 即： （X）補 = 模 + X（2）二進制補碼的計算方法 正數(shù)的補碼 = 正數(shù)的原碼 負數(shù)的補碼 = 反碼加1(相應正數(shù)的原碼按位取反，再加1） 例：（-127）補 = 10000001 ；（-1）補 = 11111111 特點： 1）補碼的符號位作為數(shù)值的一部分，可以參加運算； 2）0只有一種表示，即 + 0 = - 0 = 00000000； 3）表示范圍：-128+127（80H7FH）； 4）比原碼多一種組合，即1000 0000（-128）其最高位“1” 既表示符號，又表示數(shù)值；5）求真值時，若D7 = 1，則通過對補碼再求補，添“-”而得；作用：補碼將減法運算轉(zhuǎn)換為加法運算，是計算機內(nèi)符號數(shù)的實用編碼練習： 1）十進制數(shù)8，18，113的補碼 （負數(shù)F8；EEH；8FH）， 2）補碼數(shù)1BH，C9H的真值 （+27；-55） 3）5 8=0000 0101B 00001000B=00000101B+1111 1000B=FDH 4） 8位二進制數(shù)的模？（ 256=1， 0000，0000B=1111 1111+1） 5）40H +（-32H）補 =40H+CEH = 10EH = 100H + 0EH =0EH （3）八位符號數(shù)的加、減運算1）加法： 正數(shù)+正數(shù)、負數(shù)+負數(shù)：可能產(chǎn)生溢出（超出-128+127）。無溢出時結(jié)果為正確。 正數(shù)+負數(shù)：不會溢出，結(jié)果總是正確。2）減法： 減去一個數(shù)，等與加上一個負數(shù)，補碼形式下成為加法，因此，相當于正數(shù)+負數(shù)，結(jié)果總是正確，也不會有溢出。3）進位與溢出v 數(shù)的進位：指運算結(jié)果最高位D7向更高位有進位或借位，稱為進位（CY）。v 數(shù)的溢出：運算結(jié)果超出了數(shù)的表示范圍（+127 - 128）時，稱為溢出（OV）。 溢出的判斷方法：若CY：進位位（第七位向第八位有進位）；CS：有沒有破壞符號位（第六位向第七位有進位），再觀察CYCS，異或結(jié)果為“1”時，OV位置1，即溢出。例：127+1= 01111111+00000001=0 1 0000000 CY=0 CS=1 CYCS=1 溢出 OV=1 127-1=127+（-1）補=01111111+11111111=1 0 1111110 CY=1 CS=1 CYCS=0 不溢出 OV=0 -127-1=（-127）補+（-1）補 = 10000001+11111111=1 1 0000000 CY=1 CS=1 CYCS=0 不溢出 OV=0 -127-2=（-127）補+（-2）補 = 10000001+11111110=0 1 1111111 CY=1 CS=0 CYCS=1 溢出 OV=1 二、常用編碼 計算機中表示的數(shù)、字母、符號等都以二進制數(shù)表示的。 常用編碼有以下幾種： 1、BCD碼（Binary Code Decimal）表示法 二十進制數(shù)（BCD）：用4位二進制數(shù)表示一個十進制數(shù)。因共有24=16種組合狀態(tài)，故可選其中十種編碼來表示09十個數(shù)字，不同的選法不同相應編碼方案。 2、BCD碼：4位二進制碼的權分別為8、4、2、1碼，是一種最常用的編碼。 特點： 09，由四位二進制數(shù)（00001001）表示； 逢“十”進一； 需DA調(diào)整，即加法運算和數(shù)（結(jié)果）大于9時，需加6修整。是否調(diào)整有DA A判別。例如：（1001 0001 0111 0010）BCD=9172； 35=（0011 0101）BCD例如：求BCD碼48+69=？117低4位向高4位進位，表明低位和大于9，需加6修正，而高位由于獲得進位而出現(xiàn)非法碼，因此也需要加6修正，修正后，結(jié)果為117，正確。思考：BCD碼減法，如何修正？（求減數(shù)對9A的補碼）2、ASCII碼：American Standard Code for Information Interchange（美國標準信息交換碼）。 在計算機中，除要處理大量的數(shù)據(jù)信息外，還需處理一些字母、符號，它們也要用二進制編碼來表示。目前，普遍采用的ASCII碼用7位二進制編碼來表示字符。共有27=128種組合狀態(tài)。它們是 52大小寫英文字母； 10個十進制數(shù)； 7個標點符號； 9個運算符號；50個其他符號。緒 論 補充習題1、馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)計算機的硬件由那些功能部件構(gòu)成？2、人們在馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)的基礎上又構(gòu)架出哈佛體系結(jié)構(gòu)的目的是什么？請說出該二種體系結(jié)構(gòu)的主要差別。 3、隨機存取存貯器RAM和只讀存貯器ROM在應用時主要差別是什么？ 4、已知下列補碼，求真值X：(1) X補=10000000；(2) X補=11000011；(3) X補=10110111。 5、一個完整的單片機芯片內(nèi)至少有哪些部件？ 6、用二進制數(shù)寫出下列數(shù)值的8421BCD碼 （1）10=( )BCD ; (2）99=( )BCD （3） 9=( )BCD; （4）50=( )BCD 7、寫出下列數(shù)值的ASCII碼 （1）0 = H ; （2）A = H （3）a = H ; （4）空格（Sbace）= H1.1 51系列單片機經(jīng)典組成結(jié)構(gòu)1、系統(tǒng)資源 MCS-51單片機是Intel公司1980推出的高檔8位單片機，采用40腳雙列直插封裝或44腳方形封裝，51、52系列功能兼容。8031內(nèi)包括：1個8位CPU；128個字節(jié)RAM； 21個特殊功能寄存器；4個8位并行I/O口； 1個全雙工串行口（二根線）； 2個16位定時計數(shù)器器；1個片內(nèi)振蕩器和時鐘電路； 5個中斷源2個中斷優(yōu)先級；8051/8751：帶有4KB ROM/EPROM；52子系列的RAM/ROM容量為：256B/8KB2、性能特點 單片機為哈佛結(jié)構(gòu)的計算機，除上述基本資源外，還具有如下特點：l 外部程