单片机原理及其接口技术 教学课件 ppt 作者 严洁 主编 第1章 数制

1.1 数制、码制系统 1.2 数字电路基础 1.3 微型计算机工作原理 1.4 存储器基础 1.5 IO基本概念 1.6 单片机基本概念,1.1 数制、码制系统,1.1.1 进位计数制及各计数制间的转换,一、进位计数制 1、基数R(Radix)：它代表计数制中所用到的数码个数。如：在十进制计数中用到09十个数码，基数是10；二进制计数中用到0和1两个数码，基数是2；而十六进制计数中用到0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F共十六个数码，基数是16。一般地说，基数为R的数制（简称R进制）中，包含0、1、R1个数码，进位规律为“逢R进1”或“借当R”。 2、位权W(Weight),二、三种进制数间的相互转换 1、二进制数转换成十进制数：按权展成多项式 2、十进制数转换为二进制数：任一十进制整数N转换成二进制数的方法是连续除以2倒取余。 3、二进制数与十六进制数之间的相互转换 从个位开始向左4位为1组进行转换；若高位不足4位添0补足4位，便可将二进制数转换为十六进制数。 4、十进制数与十六进制数之间的相互转换 由于十六进制数是二进制数的缩写，二进制数与十进制数转换又较为方便，故十六进制数与十进制数之间的转换可通过二进制数进行。 三、二进制数的算术运算 二进制数的加、减法遵循“逢2进1”、“借1当2”的原则。,1.1.2 码制及其转换,1、原码 无符号数所有数位均为表示二进制数大小的数值位，其表示的十进制数的范围从0255。对于带符号二进制数而言，在计算机中通常把其最高位作为符号位，用0表示“”，用1表示“”，其余位作为数值位，称为带符号数的原码，或称机器数。而用正负号表示的带符号数称为X原的真值。 2、反码 正数的反码与其原码相同。保持负数原码的符号位不变，数值位逐位取反 3、补码 正数的补码与其原码相同。负数的补码在其反码最低位加1得出。 补码所表示的8位二进制数的范围从128127。真值需将结果先还原为原码，或利用互补的特点，继续求补，得到补码对应的原码，进而计算其真值。,1.1.2 码制及其转换,微型机只有加法器，没有专门的减法器，当进行减法时，对减数采用补码进行加法运算。,1.1.2 码制及其转换,二、BCD码（Binary Coded Decimal） BCD码是用二进制直接表示十进制数。1位十进制数有09共10个不同数码，故需要由4位二进制数来编码。4位二进制数有16种组合，可任取其中10种组合分别代表10个十进制数码，其余6种组合为非法码。常用8421BCD码，取十六进制数的前10种组合作为10个十进制数码，而A、B、C、D、E、F视为非法码，不允许出现。,1.1.2 码制及其转换,三、ASCII码（American Standard Code for Information Interchange） ASCII码包括10个十进制数码09，大写和小写英文字母各26个，大写字母AZ；小写字母az，32个通用控制符号；34个专用符号，共128个字符, 故采用7位二进制数进行编码。,1.2 数字电路基础,1.2.1 数字信号,数字信号在两个固定电流或电压值之间转换 ：0和1即低电平和高电平,1.2.2 门电路,门电路是构成数字电路的基本单元,另一种在计算机中广泛应用的门电路是三态门，它的输出b端除0和1两种状态外，还有第三种状态高阻态。当输入a端出现数据时，只有使能端EN信号c=1，数据才会传送至b端，若使能端EN信号c=0，则b端为高阻态。三态门广泛用于隔离或放大。 计算机各部件采用总线结构传递数据，总线是各部件的公共信息线，为防止总线冲突，每一时刻只能有一组信息在总线中出现。所有部件与总线采用三态门连接，当一个部件的使能信号有效时，令其它部件的使能信号均无效，与总线脱离，这就保证了数据不会发生冲突。 三态门还用于输入缓冲器。令使能信号EN=0，将计算机与输入信号隔离。待现场数据稳定后，再令EN=1，计算机可进行输入工作。,1.2 数字电路基础,1.2.3 触发器,触发器是一种具有记忆功能的基本逻辑单元,一、RS触发器 输入称置位端（SET），低电平时状态Q为1；称复位端（RESET），低电平时状态Q为0；两输入同时为1时，状态Q不变，记忆。在数字系统设计中，RS触发器可作为开关去抖电路。它同时也是其它触发器的基本组成单元。,二、D触发器 数据输入D在时钟脉冲CP（Clock Pulse）上沿（由0变1）作用下改变其状态Q。,D触发器通常作为寄存器的一个位，用来接收并存储数据。它还可以构成计数器，累加CP的个数,一位D锁存器，其逻辑功能同D触发器，仅时钟C1端没有三角符号，表示在时钟为1时接收数据D，时钟为0时数据不变，用于总线输出部件锁存总线数据。,1.2.4 常用集成芯片,一、分类 数字集成电路分为双极型和单极型两种。使用双极型技术的是TTL（三极管三极管逻辑），其型号有74和54两大系列；使用单极型技术的是CMOS（互补金属氧化物半导体），其型号有74HC和54HC两大系列。,二、常用中小规模集成芯片型号 常用中小规模集成芯片型号由74或54后面的数字表示其功能 1、门电路 常用器件型号：TTL系列：四2输入与门74LS08，四2输入或门74LS32，六反相器74LS04，四2输入与非门74LS00，双4输入与非门74LS20，四2输入或非门74LS32，四2输入异或门74LS86等等。门电路常用在单片机系统设计中形成控制信号。 2、译码器 译码器将输入的二进制代码转换成与代码对应的输出信号。如存储器系统设计常用的3-8译码器74LS138 。 通常译码器有M个输入，N个输出，称M-N译码器。有M个输入，便会有N=2M个输出。按输入输出个数分2-4译码（74LS139）、3-8译码（74LS138）、4-10译码（74LS145）、4-16译码（74LS154）,1.2.4 常用集成芯片,二、常用中小规模集成芯片型号 3、数据选择器 根据地址选择信号从多路输入数据中选择一路输出的器件，叫数据选择器 。常用器件：74LS151（8选1，同相输出），74LS153（双4选1，同相输出），74LS157（四2选1，同相输出），74LS158（四2选1，反相输出）。 4、数据锁存器 74LS373是一种带有三态输出门的8D锁存器，1D8D为数据输入端，1Q8Q为数据输出端。当允许控制端G为1时，8个锁存器同时接收数据，G变0后，数据保持不变，锁存。当输出控制端为0时，锁存器内的数据从1Q8Q端输出，当输出控制端1时，1Q8Q端高阻。,1.3 微型计算机工作原理,1.3.1 CPU（Central Processing Unit）结构,CPU是微型计算机的核心部件，它由运算器和控制器组成,一、运算器 运算器的核心是算术逻辑部件ALU（Arithmetic Logic Unit）,它协同暂存器1、暂存器2、累加器ACC、状态寄存器，负责完成算术功能（加、减、乘、除、加1、减1运算以及BCD加法调整）和逻辑功能（与、或、异或、求反、清0运算以及左移、右移、循环移位操作）。,1.3 微型计算机工作原理,1.3.1 CPU（Central Processing Unit）结构,CPU是微型计算机的核心部件，它由运算器和控制器组成,一、运算器 运算器的核心是算术逻辑部件ALU（Arithmetic Logic Unit）,它协同暂存器1、暂存器2、累加器ACC、状态寄存器，负责完成算术功能（加、减、乘、除、加1、减1运算以及BCD加法调整）和逻辑功能（与、或、异或、求反、清0运算以及左移、右移、循环移位操作）。,1.3 微型计算机工作原理,二、控制器（Controller） 控制器是整个计算机的指挥中心，它负责从程序存储器中取出指令并对指令进行分析、判断，并根据指令发出控制信号，使计算机的有关部件及设备有条不紊地协调工作，保证计算机能自动、连续地运行。,程序计数器PC（Program Counter）用来控制程序的走向。开机上电后，它提供程序第一条指令在存储器中的地址，CPU从该地址取出要执行的指令，执行第一条指令。当顺序程序执行时，程序计数器具有自动加1功能；当程序需要发生转移时，程序计数器根据指令提供的信息将其内容更新为转移程序的目标地址继续执行程序。 指令寄存器的作用是将指令取出并存放，其操作码送指令译码器。指令译码器用来对指令中的操作码进行译码，以形成相应的控制命令，控制计算机各部件协调工作。 时序电路包括时钟和节拍发生器，用来产生计算机的时钟脉冲和节拍，控制计算机按节拍工作。 寄存器（Register）CPU中还包括一些寄存器，存放最活跃的信息。在计算机的编程结构中，寄存器的地位是非常重要的。,1.3.1 总线结构,总线是一组公共信息线，负责将计算机中的数据从一处传到另一处。,一、数据总线 因为数据总线用来传递进出CPU的信息，数据总线一般与CPU字长等宽。数据总线可以是单向或双向的。8051单片机数据总线8位，以D0D7标记。 二、地址总线 地址总线用来识别和CPU相连的I/O设备和存储器，所以地址总线数目越多，可以被寻址的I/O设备和存储器的数目就越多，地址总线的数目反映CPU的寻址能力的大小。地址线的根数越多，寻址能力越强。如一个具有16位地址总线的CPU可访问65536（216=26×210=64K）个字节的存储单元。地址总线总是单向的，由CPU发出的。8051单片机地址总线16位，以A0A15标记。 三、控制总线 包含CPU发出的控制信号和I/O设备发出的状态信号。因为半导体存储器和CPU都是速度相差无几的超大规模集成电路，所以只用读/写信号控制数据的流向，用地址锁存信号解决地址、数据线复用问题。,1.3.2 指令执行过程,计算机的工作过程就是指令的执行过程。指令是对计算机发出的命令，它们被按执行顺序预先存入计算机的程序存储器。程序执行时，计算机在程序计数器的指示下，自动地从程序存储器中取出一条指令，送至指令译码器，然后程序计数器加1，通过指令译码器对指令中的操作码加以分析，并执行对应的操作，接着程序计数开始取下一条指令，直至一段程序执行完毕。因此，指令的执行过程可归纳为：取指令分析指令执行指令取指令分析指令执行指令三个动作不断循环的过程。,1.4 存储器基础,1.4.1 信息的基本单位,位bit 1字节Byte=8bit 1字Word=2B,一个存储器由成千上万个存储单元组成，一个单元存放一个字节的信息。为了区别不同单元，用二进制数对其编号，称编址。每个单元分配一个地址，n位二进制数，可对2n个单元编址。,1.4.2 存储器系统结构,当CPU对某一单元寻址时，就通过地址总线给出该单元的地址信号，通过译码电路，选中该单元，并将其中的数据与CPU数据总线接通。读写控制信号决定数据的传输方向，片选信号用于在多芯片系统中选择一片芯片与CPU交换数据。三态数据缓冲器用来解决多芯片系统的总线冲突问题。,1.4.3 存储器的性能指标,一、容量 每个存储芯片所能存储的二进制数的位数，称位容量。如6264是RAM芯片，其位容量是64Kbit，或8K×8bit。27128是ROM芯片，其位容量是128Kbit或16K×8bit。 通常由多片上述存储芯片构成存储器组织，以字节为容量，每个单元存放一个字节的信息。存储器组织单位分别是B、KB、MB、GB。 二、存取时间 CPU给出有效的存储器地址到数据出现在数据总线的时间。一般几ns几百ns。,1.4.4 存储器分类,一、ROM（Read Only Memory） 计算机断电后ROM中的信息不会丢失，非易失性的，因此一般用来存放一些固定程序，如监控程序、子程序、字库及数据表等 1、掩膜工艺ROM（Mask ROM） 2、可一次编程ROMPROM（Programmable ROM） 3、可擦除的PR