微型计算机和单片机简介

微型计算机的组成及其应用形态

• 微处理器（中央处理单元，简称CPU）：将运算器，控制器，一些寄存器，集成在一个芯片上

• 存储器

• I/O接口

  

应用形态：多板机，单板机，单片机

单片机的发展过程

• 单片机的组成：将微处理器，一定容量的RAM和ROM以及I/O接口，定时器/计数器、通信接口，中断系统等电路集成在一块芯片上，构成单片微型计算机

-单片机分类
分为通用型和专用型两大类。
通用型：内部资源可开发，编写相应的程序来实现其测控功能。
专用型：专门针对某些产品的特定用途制作，例如各种家用电器的控制器等。

• 单片机的外形封装：分为双列直插（DIP）和方形封装（PLCC或TQFP封装）

  双列直插有40个引脚，方形封装有44个引脚。

• 系统机和单片机比较

  • 系统机（桌面应用）：主要用于数据处理，办公自动化及辅助设计
  • 单片机（嵌入式应用）：主要用于智能仪表及传感器，智能家电，智能办公设备，汽车及军事电子设备等系统。通常又把单片机称为微控制器、嵌入式控制器（EMCU）

• 单片机的发展过程

  • Intel推出的MCS-48系列单片机，组成：8位CPU，1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器

    特点：存储器容量小，寻址范围小，不大于4K，五串行接口，指令系统功能不强。

  • Intel推出MCS-51系列单片机：8位CPU，4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器，寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器

    特点：结构体系完善，性能已大大提高。

  • ATMEL推出的AT89S52：8位CPU，片内有8KB的Flash程序存储器ROM、256字节RAM、3个16位定时/计数器（比8051多出一个定时器，且具有捕捉功能）

单片机的特点

• 体积小、价格低，可靠性高
• 结构上突出控制功能：可直接操作I/O端口，位操作能力突出，CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，数据在传送时受干扰的影响小，且不易受环境条件的影响。

单片机的发展趋势

向高性能化，存储大容量，外围电路内装化等方面发展

• 存储器发展：片内存储器普遍采用Flash存储器，容量可达数十KB
• 片内I/O口的改进：增加了并行口驱动能力，设置了特殊的串行I/O功能
• 低功耗：CMOS工艺，功耗小，消耗电流仅在微安或纳安量级，便携
• 外围电路内装化：将外围电路装入片内，一片芯片就是一个测控系统

AT89S52单片机的片内硬件结构

熟悉AT89S52芯片内部结构

AT89S52单片机的硬件组成

• 单片机由总线连接，总线指的是能为多个部件服务的信息传送线，由导线组成

• CPU：8位，起到运算和控制（位处理和位控）功能

  

  CPU通过地址、数据和控制总线连接ROM和RAM

  • 数据总线：传输发送接收数据

  • 地址总线：传递一些地址信息，CPU将数据指令在存储器中的地址放到地址总线。

  • 控制总线：传送一些控制信号和时序信号，CPU在控制总线上发送一个读或写的信号

    • 读操作：从存储器指定位置读出数据并放在数据总线上
    • 写操作：CPU将数据输出到数据总线上

• 内部RAM（随机存取存储器）：256个RAM单元（每个单元8位）。用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。

  • 用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果，最终结果以及欲显示的数据等

• 片内程序存储器ROM：8KB闪存

  • 用以存放数据、一些原始数据和表格。但有些单片机内部不带ROM/EPROM,如8031、8032、80C31等

• 定时计数器：3个16位的定时计数器，

  • 用来计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。

• 并行I/O口：4个8位的I/O口（输入/输出），P0,P1,P2,P3，共有32位接口。

  • P0口既可以作为数据的输入输出口，也可以作为1-8位地址的输出口，p0口也叫做数据和地址的分时复用口，在CPU访问片外存储器时，P0口为分时复用的低8位地址总线和8位数据总线。

  • P2口：数据I/O口，也是高八位地址的复用口。

  • P3口：有第二功能

• 全双工URAT串行I/O口：

  • 全双工：可以同时（瞬时）进行信号的双向传输（A到B且B到A），如手机，电脑

  • 半双工：也是双向，即（A到B且B到A）但不能够同时传输，如对讲机

  • 单工：（A到B但B不能到A），如电视

• 中断控制系统：实时控制

  • 6个中断源

    • 外中断（信号来自单片机芯片的外部）：2个
    • 内部中断（信号来自单片机CPU的内部）：定时计数中断3个，串行中断1个

  • 有2级中断优先权（就是谁的中断优先级高，就先处理谁的中断请求）

• 时钟电路：分为时序逻辑电路（特点：工作过程必须要有时钟脉冲）和组合逻辑电路，可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ.

• 片内振荡器：需要外接晶振和电容

• 特殊功能寄存器（SFR）：有32个特殊功能寄存器

  • 用于CPU对片内各外设部件进行管理、控制和监视
  • 掌握AT89S52的存储器配置及特点

• 一个看门狗定时器（WDT）：当单片机由于干扰而使程序陷入死循环或跑飞状态时，可引起单片机复位，是程序恢复正常运行。

AT89S52与AT89C51单片机结构对比

- [x] CPU同

• 内部RAM同

• 并行I/O口同

• 串行口同

• 时钟电路同

• 内部ROM

• 定时计数器

• 中断控制系统

• 内部ROM：4kb掩膜ROM，存放程序，原始数据和表格。（固定不变的）

• 定时计数器：两个16位的定时计数器，实现定时或计数功能

• 中断控制系统：实时控制，5个中断源（外中断2个，定时计数中断2个，串行终断1）

AT89S52单片机的引脚功能

• 双列直插式（DIP）

  

  • 电源线：VCC（+5V)、VSS(接地线)

  • 按逆时针规律排列，有40个引脚

  • 振荡电路：XTAL1（反相放大器输出）、XTAL2（反相放大器输入），通过电容接在18、19引脚

    • 通常外接一个晶振和两个电容

      

  • 复位引脚：RST（高电平有效），接在9角，使单片机处于初始的复位状态。

  • 并行I/O口：P0,P1,P2,P3

    • 准双向：当I/O口作为输入时，应先向此口锁存器写入全1，此时该口引脚浮空，可作高阻抗输入。

  • EA（非）:内部ROM选择端，访问程序存储控制信号，因为程序存储器可能在单片机内部，也可能在单片机外部，这时候就由这个管脚的高低电平来选取内部或者外部的指令。

    • EA（非）：保持高电平时，先访问内ROM，但当PC（程序计数器）值超过8kb（1FFFH）时，将自动转向执行外ROM中的程序。
    • EA（非）：保持低电平时，则只访问外ROM，不管芯片内是否有内ROM。
    • Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM变成期间，施加编程电源Vpp（12-21V）

  • PSEN（非）：外部ROM读选通信号，当单片机中的CPU需要从外部程序存储器中选取指令时，可以通过这个管脚做一个选通的控制信号

    • 读控制端（OE非）低电平有效

  • ALE（PROG非）：地址锁存控制信号和片内EPROM编程脉冲（片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，在此引脚输入编程脉冲。

    • 所存P0口送出的低8位地址

第二功能

• P3口具有第二功能

• P3 0:RXD,P3 1:TXD：既可以作为一般的输入输出的I/O口的控制端子，同时可以作为串行通信的两条线，P3 0是串行口输入，P3 1是串行口输出

  • P3 2:INT0非,P3 3:INT1非：既可以作为I/O口的控制端子，还可以作为外部中断的请求输入信号

    • INT0:外部中断0请求输入端
    • INT1:外部中断1请求输入端

  • P3 4:T0,P3 5:T1：既可以作为I/O口的控制端子，也可以作为定时计数器对外部世界进行计数的输入端子，P3 4 是定时器0的外部输入，P3 5是定时器1的外部输入

  • P3 6:WR非,P3 7:RD非：P3 6,P3 7既可以作为I/O口的控制端子，也可以作*单片机与外部的数据存储器进行数据传输时的选通控制信号

    • WR非：片外数据存储器写选通，低电平有效（写选通控制输出）
    • RD非：片外数据存储器读选通，低电平有效（读选通控制输出）

​

• 方形封装式（PLCC）

  

• 控制线：EA,ALE,PSFN,RST

AT89S52单片机的CPU

• 控制器：用于指挥和控制计算机工作的部件

  • 分为程序计数器PC，数据指针DPTR

    • 单片机有一个与16位地址线对应的16位寄存器，存放程序存储器的地址，成为程序计数器PC，具有自动加1的功能。

      • PC中存放的是下一条将要执行的指令的地址

      • AT89S52单片机共有16根地址线，有低八位地址总线（P0）和高八位地址总线（P2）。故最大空间为2^16=64kb

    • 数据指针DPTR：指针指某存储单元或变量的地址，DPTR主要用于存放片外数据存储器的地址。

      • 数据指针一边可以访问外部数据存储器的地址寄存器，存放数据地址，也可以访问外部程序存储器的基址寄存器，存放程序基地址。也可以做普通的16位寄存器使用，也可以做两个8位寄存器使用，高8位为DPH，低八位为DPL

    • PC访问程序存储器，DPTR访问数据存储器。

    • PC和DPTR都是16位寄存器，都与地址有关，只是PC只能存放程序存储器地址，而DPTR能存放程序，数据存储器地址。

    • DPTR和PC的寻址方式可以是变址寻址（机制寄存器+变址寄存器间接寻址）

      • 变址寻址：以某个寄存器的内容为基地址，在这个基地址的基础上加上地址偏移量形成真正的操作数地址。

      • 单片机中采用DPTR或PC为变址寄存器，A（累加器）的内容为地址偏移量。

      • 变址寻址只能访问程序存储器，访问范围是64KB.

      

    如题所示，move移动累加器和数据指针到这个累加器，DPTR和A相加就是程序存储器地址。本题0302H，再找到0302H对应的数据就是1EH，再把1EH送到累加器中去，最终的累加器的数据就是1EH，不是0302H，0302H是一个地址，不是数据

  • 指令寄存器IR，指令译码器、控制逻辑

    • 一条指令都会有对应的操作码和操作数，而在AT89S52单片机中共有三种指令长度。

      

    • 指令寄存器IR：专门存放指令操作码的寄存器

    • 指令译码器：分析操作码功能的寄存器

    • 控制逻辑：根据译码结果发出一系列控制信号，控制单片机各个功能部件执行相应操作。

• 运算器

  • 用于对数据进行算数运算和逻辑操作的执行部件。

  • 分为累加器A，寄存器B，程序状态字PEW，算术逻辑运算单元ALU

    • 累加器A，是最常用的8位寄存器，用于数据传送、运算、控制转移各类指令中。存放操作数和运算的最终结果。

    • 寄存器B，可以进行乘法运算，除法运算和暂存器（作为数据的暂存）。

    • 程序状态字PEW，8位寄存器，反映当前CPU工作状态和运算结果的状态。

      

      • CY表示进位状态，进位或借位标志位。可进行加减法运算，如FFH+01H=100H,00H-01H=1FFH（注：某些控制转移类指令影响CY，如CJNE指令。）

      • AC表示半进位状态，辅助进位或借位标志位加减法运算，如：00001111+00000001=00010000

      • OV表示溢出标志位：加减法运算（用于判断有符号数运算结果是否发生溢出），乘法运算：乘积>255，OV=1，除法运算：除数=0，OV=1

      • P表示奇偶校验位：判断累加器A内容的奇偶性，奇数个1则P=1

• 一些寄存器

掌握AT89S52的存储器配置及特点

• 存储器组织：分为两种结构，冯诺依曼结构和哈佛结构

  • 冯诺依曼结构：特点：程序、数据、外设寄存器位于统一的存储空间，地址无重叠，结构简单。

    

  • 哈佛结构：特点：1.程序、数据存储器独立分开编址，地址可能重叠，结构复杂。2.地址，数据总线独立，速度快。

    

    注：AT89S52单片机不用哈佛结构

• 存储器结构，存储器组织有七种类型，分为程序存储器（CODE），外部数据存储器（XDATA/PDATA），内部存储区（DATA/IDATA/SFR/BIT）

  • 存储器都是由0000到FFFF，最大64K。

​