51单片机的硬件与工作原理

• （4）定时控制逻辑PLA(programmable logic array) 又称可编程逻辑阵列。ID送出的电平信号与 外部时钟脉冲在该电路中组合，形成各种内部CON 信号和外部控制信号。 • 它完成指令的执行有两种实现方式： • （a）微程序控制：微存储元中保持微码，每一个 微码对应于一个最基本的微操作，又称微指令。指 令译码以后，通过执行由这些微码确定的若干个微 操作，即可完成某条指令的执行。 • （b）逻辑硬布线控制：指令译码后，控制器通过 不同的逻辑门的组合，发出不同序列的控制时序信 号，直接去执行一条指令中的各个操作。 •
引例：
• （1）硬件： • 基本组成：运算器、控制器、存储器、 运算器、 运算器 控制器、存储器、 • 输入/输出设备及接口。 输入/输出设备及接口 • — 冯 · 诺依曼结构 • 中心思想是存储程序原则： 存储程序原则： 存储程序原则 • 指令和数据一起以二进制的形式存放在 存储器中。 存储器中。 • 由计算机之父美籍匈牙利数学家冯 · 诺 依曼1945年3月提出，标志着电子计算机时 代的真正开始。 • 结构如图1-1所示：
负责取指，执指，实现操作的核心部件，包括 运算器和控制器 控制器两大组成部分。 运算器 控制器 • 如果中央处理器的电路集成在一片或少数几片 大规模集成电路芯片上，就成为微处理器（MPU）。 微处理器（ 微处理器 ） •
• (2) 微型计算机、微型计算机系统 微型计算机、
• 以微处理器为核心，加配存储部件和输入输出 部件而成为微型计算机。
• 2、MCS-51单片机 MCS-51单片机 • 是Intel公司的8位系列单片机，包括51和52 两个子系列。两者的区别在于52子系列片内 ROM、RAM的容量翻倍，定时计数器增加 到3个。
• 单片机的供货状态： • 片内无ROM型：单片机片内无ROM，价格便 宜，使用时必须另外配置程序存储器EPROM， 实际上已成为8751。如8031、8032、80C31 • 片内ROM型：单片机片内带有掩膜ROM，用 户无法更改其程序。如8051、8052，用于大 规模专用产品。 • 片内EPROM型：单片机片内带有EPROM， 用 户 通 过 高 压 脉 冲 可 写 入 程 序 ， 如 8751 、 8752 • 3、单片机特点和应用（略） 单片机特点和应用（
• 1、数据总线（DB）： 数据总线（DB）
• 传送数据，双向，CPU的位数和外部数据总线的 位数一致。而数据可能是指令代码、状态量或控制 量，也可能是真正的数据。 2、地址总线（AB）： 地址总线（AB） 传送CPU发出的地址信息，单向，宽度（线数目） 决定了CPU的可寻址范围。 例如：2根地址线，可寻址22=4个字节单元； 16根地址线，可寻址216=64K字节单元； 3、控制总线（CB）： 控制总线（CB） 传送使微机协调工作的定时、控制信号，双向， 但对于每一条具体的控制线，都有固定的功能。控 制线数目受芯片引脚数量的限制。
以微型计算机为基础，加上外围设备、 电源、系统软件等就构成微型计算机系统 微型计算机系统 • 微机系统的组成可小结如下：
•
• 2、微型计算机的分类 • * 独立使用式微机：PC机 • * 嵌入式微机： • (1) 单片机：CPU、存储器、I/O接口等集成在
• 一 块硅片上 • (2) 单板机：CPU、存储器、I/O接口等装配在 • 一块电路板 • (3) 多板机：CPU、存储器、I/O接口等分做在 • 多块电路板上
能够根据网上的芯片资料进行接口设计 能够根据用户提出的要求设计并开发简单仪器设备 能根据新单片机的说明书进行设计
课程及要求
４、学习方法 理论联系实际 设计实际项目 动手制作项目 ５、课程安排 见首页。
• 微型计算机系统基本知识
• • §1-1 §1-2 概述 微型计算机基础
• 第一章 微型计算机系统基本知识 • §1-1 概述 • 一、电子计算机
• • • • • •
• 8位微机的DB总是8位，AB总是16位，而CB的 数目则随机型不同而不同。 。 •
•
二、微处理器的基本结构
微处理器（CPU）是微型计算机的核心，内部 （CPU） 采用单总线结构，由运算器和控制器两大部分组成。
• 微处理器典型结构如下图所示。
• 1、运算器
• （1）算术逻辑单元ALU (arithmetic logic unit) • 是运算器的主要组成部分，是一个纯粹的运 纯粹的运 算部件，没有寄存功能。 算部件，没有寄存功能 • （2）累加器A (Accumulator) • 是CPU中使用最忙的关键寄存器 最忙的关键寄存器。ALU进行运 最忙的关键寄存器 算时一个操作数必需来自累加器，同时也是运算结 果的寄存场所。 • （3）标志寄存器F（Flag） • 存放微机执行一条指令后所处状态的信息。不 同的计算机，标志有所不同。 • 常用的标志有：C、AC、OV、P等。
• 2、控制器
• 完成指令译码，并发出各个操作的控制信号， • 主要包括如下部件： • （1）程序计数器PC(program counter) • 存放要读取的指令所在地址的专用寄存器。 具有计数（加1）和接受转移地址的二种功能。 • （2）指令寄存器IR (instruction register) • 存放CPU从ROM中取出的正要被执行的指令， 使整个分析执行的过程，一直在该指令的控制下， 而指令的操作码送ID，指令中的操作数，一般为参 加运算的地址，被送到地址缓冲寄存器。 • （3）指令译码器ID (instruction decoded) • 接收IR送来的操作码并译码，生成与指令相应 的特定操作的启动 启动信息。 启动
• 1、单片机发展情况： 单片机发展情况： • 从1974年12月，仙童（ Fairchild）公司 仙童（ 仙童 ） 首先推出8位单片机F8，采用： ， •
• 双片形式F8（8位CPU＋64RAM＋2个并行I/O 口） ＋ 3851（1K ROM＋定时器/计数器＋2个并行 I/O）。 至今经历四代： 第一代：1974~78，典型代表如Intel公司的MCS-48 8位单片机，采用8位CPU、2个 I/O口、8位 定时器/计数器、64 RAM/ 1K ROM、简单 中断，寻址小于4K，且无串行口。
单片机系统设计
第1讲、51单片机的硬件与工作原理 讲 单片机的硬件与工作原理 第2讲、单片机的 语言设计 讲 单片机的C语言设计 第3讲、51单片机的片内系统 讲 单片机的片内系统 第4讲、单片机的系统扩展 讲
课程及要求
1、课程的地位
课程 微机原理 接口技术 单片机 模块功能 CPU内部 接口芯片 Both 模块使用 CPU内部 连接 Both 内部寄存器 CPU内部 接口芯片 Both 逻辑结构 CPU内部 接口芯片 Both 硬件结构 CPU内部 Both
• Intel4004，Intel8008。 • 第二代：1974~1978，中档8位机，典型代表 • Intel8080，MC6800，ZILOGZ80 • APPLE 6502等。 • 第三代：1978~1981，16位机，1981年，IBM公司 • 推出了以Intel8088为CPU的PC个人电脑。
• 3、微型计算机的发展
•
1971年，美国Intel公司研制出了Intel4004微 处理器芯片，以它为核心的MCS-4计算机，由该公 司年轻工程师马西安·霍夫研制，标志了世界上第 一台微机的诞生，至今，已经历了五代 经历了五代： 经历了五代 • 第一代：1971~1973，4位和低档8位机，典型代表
• §1-2 微型计算机基础 • 一、微机的三总线结构
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• 总线：微机系统中各部件和模块之间用于传送信息的一组 公 用导线。一般包括，数据总线、地址总线和控制总线。 • 地址：内存由许多存储单元组成，每个存储单元（字节） 有一个用于区分的编号，称为地址，一般用十六进制数表 示。 •
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• 微机的总线结构
• 第四代：1981~1992，32位微机，如 • Intel80386，Motorola MC68020 • 第五代：1993~至今，64位微机，奔腾微处理器芯 片
• 三、单片机概述
• • • 单片微型计算机：Single单片微型计算机：Single-Chip Microcomputer OneOne-Chip Microcomputer 在一片芯片上集成CPU、存储器、I / O接口 等组成一台完整的微型计算机。 • 单片机作为工业控制和数据处理的计算机， 也被称为“微控制器”、 “微处理器”（Microcontroller, Micro-processor）。 • 主要有：4位、8位、16位、32位等
• （2）软件 •
是计算机上运行的程序，是计算机系统中的 逻辑部件而不是物理部件，是人的思维结果 人的思维结果，它 人的思维结果 总是要通过某种物理介质来存储和表示的。其分 类如下：
• 二、微机 • 1、微处理器、微型计算机、微型计算机系统 微处理器、微型计算机、 • (1) 中央处理器Central Processing Unit-CPU
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2、发展 发展
ENIAC： 5千次/秒，18000个电子管
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电子管式→晶体管式→中小规模集成电路→ ↑1946 ↑1958 ↑1965 → 大、超大规模集成电路（微机时代） 四代。 ↑1971 Intel4004： 6万次/秒，2300只/3×4㎜2 3、基本结构 、
• （4）暂存寄存器TR (temp register) • 用来存放参加ALU运算的另一个操作数，该操 作数必须先暂存在TR中，以免数据发生冲突。 • （5）地址和数据缓冲器（ABuffer、DBuffer）
协调CPU与存储器、I/O接口电路之间在运行 速度、工作周期等方面必然存在的差异。 • （6）寄存器阵列（RA）(register array) • • 包括通用寄存器和专用寄存器两种。 通用寄存器组：作为CPU内部的小容量高速存储器， • 用来存放一些中间数据，以减少CPU • 对存储器的频繁访问 • 专用寄存器组：PC、SP、F、AB、DB等。
EDA 初级 基本 高级
对象 板块 编程芯片 定制芯片
方法 绘原理图—仿真—设计PCB 以上加编程—仿真—调试 编程（硬件）—仿真—调试
典型例 Protel MCU/CPLD/FPGA/DSP 专用工作站
课程及要求
2、基本要求：
明确基本结构 读懂程序 懂简单接口 会编写简单程序 会进行简单设计
３、一般要求：
• 以存储程序的方式、自动地进行算术和逻辑运算 • 的数字电子装置称电子计算机
• 1、历史 历史
• 1946年2月15日，世界上第一台数字式电子计算机 1946年 15日 • 是在美国费城宾夕法尼亚大学 宾夕法尼亚大学莫尔学院研制成功并 宾夕法尼亚大学 (ENIAC)。1955 运行，名为(ENIAC) 1955年10月切断电源。 (ENIAC) 1955年10月 • 从公元10世纪中国古代的算盘到现代计算机的 问世经历了一个漫长的阶段。
3、CPU执行指令的过程 CPU执行指令的过程
一条指令的执行过程包括取指和执指 取指和执指两个阶段。 取指和执指 指令执行前，首先要一条指令的地址送到程序计数器 PC中，然后开始执行指令。具体过程如下： 例如：执行指令 MOV A，#05H 机器码为： 第一单元74H（指令码）；第二单元05H（数据码）
• • • 型 • • •
第二代：1978~83，高档8位单片机，如MCS-51， MC6801，Zilog公司的Z8等。 增 加 功 能 ： 串 行 I/O 、 多 级 中 断 、 16 定 时 / 计 数 器 、 片 内 RAM/ROM 增 大 ， 寻 址 64K ， 片 内 带A/D转换器接口。 第三代：1983~90年代初，16位单片机出现，如MCS96系列的8096、8098芯片。增加性能：16位CPU， RAM/ROM 增 大 ， 中 断 能 力 增 强 、 A/D 、 HSIO等 • 第四代：90年代至今，高档16位产品和32位产品的 出 现 ， 如 80196 ， MC8300 等 ， 性 能 、 速 度 大 大 提高。 • •