学习单片机基础及应用

2023-11-17 理论教育版权反馈

【摘要】：1．基本组成微型计算机的基本组成如图1－2所示。图1－2微型计算机的组成框图中央处理器CPUCPU是计算机的核心部件，它由运算器和控制器组成，完成计算机的运算和控制功能。电池式NVRAM是由CMOS的SRAM、备用电池和切换电路组成，在电源断开或低于某值时切换电路把备用电池接入，对RAM进行写保护，防止意外数据写入和信息丢失。

1．基本组成

微型计算机的基本组成如图1－2所示。

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图1－2　微型计算机的组成框图

（1）中央处理器CPU

CPU（Central Processing Unit）是计算机的核心部件，它由运算器和控制器组成，完成计算机的运算和控制功能。

运算器又称为算术逻辑部件（ALU，Arithmetical Logic Unit），主要完成对数据的算术运算和逻辑运算。

控制器（Controller）是整个计算机的指挥中心，它负责从内部存储器中取出指令并对指令进行分析和判断，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。

CPU中还包括若干个寄存器，它存放运算过程中的各种数据、地址或其他信息。主要有：

累加器A（Accumulator）：是使用相对频繁的特殊通用寄存器，有重复累加数据的功能。

通用寄存器（Register）：向ALU提供运算数据，或保留运算中间或最终的结果。

程序计数器PC（Program Counter）：存放将要执行的指令地址。

指令存储器IR（Instruction Register）：存放从程序存储器中取出的指令。

（2）存储器M

存储器（Memory）是具有记忆功能的部件，用来存储数据和程序。

1）存储器的分类。根据其位置不同分为内存储器和外存储器，根据其保存的内容性质不同分为程序存储器和数据存储器。

内存储器（简称内存）和CPU直接相连，存放当前要运行的程序和数据，故也称为主存储器。它的特点是存取速度快，基本上可与CPU处理速度相匹配，但价格较贵，能存储的信息量较小。

外存储器（简称外存）又称为辅助存储器，主要用于保存暂时不用但又需长期保留的程序和数据。存放在外存的程序必须调入内存才能被执行。外存的存取速度相对较慢，但价格较便宜，可保存的信息量大。

程序存储器主要用于保存系统的程序、常数和表格等，在系统运行时此存储器的内容不允许改变。

数据存储器主要用于保存系统运行过程中暂存的参数、变量、数组和需要保存的数据等，在系统运行时此存储器的内容至少有一部分不断被刷新。

2）存储器的种类。单片机片内的存储器和外部扩展的存储器可能是不同的种类，对片内的存储器必须按照其种类正确使用，对片外要扩展的存储器必须按照其用途和要求选择存储器的种类。常用的存储器特点如下：

·掩膜ROM（Read Only Memory），只能作为程序存储器，存储的信息在制造芯片时生成，以后无法改变。用于大批量、保密性高的场合。

·OTP ROM（One-Time Programmable ROM），是一次性编程程序存储器，存储的信息可由用户写入，以后无法改变。在用户系统中很少使用。

·EPROM（Erasable PROM），只能作为程序存储器，因它需要高压编程输入、紫外线擦除，即具有不挥发性和电不可改写性，作为程序存储器使用大大提高了运行的可靠性。但不可带电修改又不方便内容的完善，读取速度较慢（150～200ns），容量也小，如2716（2K×8）、2732（4K×8）、2764（8K×8）、27128（16K×8）、27256（32K×8）、27512（64K×8）等，使用时主要是合理连接其允许输出端 pagenumber_ebook=24,pagenumber_book=17 和片选端），且芯片的最大读出速度、工作温度、电压容差等参数须满足使用要求。

·EEPROM（Electrically EPROM），采用快速电擦除／写入，特别是能在工作电压下读写的EEPROM，既有静态RAM读写操作简便又有EPROM在掉电时不丢失数据、速度快的优点，但容量小、价格昂贵。注意常见的有3种类型的芯片：高电压写入E2PROM（2816、2817），工作电压写入E2PROM（2816A、2817A、2864A），串行E2PROM（NCR59308、24C02）。使用时首先确定是作程序存储器还是数据存储器或既作程序存储器又作数据存储器使用，然后确定其允许输出端 pagenumber_ebook=25,pagenumber_book=18 ）、写端）、擦／写完毕端（RDY／BUSY）和片选端）的连接方式，且芯片的最大读出速度、工作温度、字节擦除／写入时间等参数须满足使用要求。

若只作程序存储器使用，允许输出端 pagenumber_ebook=25,pagenumber_book=18 ）接微处理器的取指令信号端，写端）和擦／写完毕端（RDY／BUSY）接高电平，片选端合理连接。

若只作数据存储器使用，允许输出端 pagenumber_ebook=25,pagenumber_book=18 接微处理器的读数据端，写端接微处理器的写数据端，擦／写完毕端（RDY／BUSY）接微处理器的某一端查询擦／写是否完毕，片选端合理连接。

若既作程序存储器又作数据存储器使用，微处理器的读数据端和取指令信号端进行或运算后接允许输出端 pagenumber_ebook=25,pagenumber_book=18 ，其他则和只作数据存储器使用时相同。

·RAM（Random Access Memory），是随机数据存储器，分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两种。SRAM无须考虑保持数据而设置的刷新电路，所以扩展电路简单，但是依靠电源保持存储器中的数据，所以消耗功率大，读／写速度快，如6116、6264。DRAM需要不断刷新电路才能保持数据不丢失，抗干扰能力弱，一般系统很少采用，如2186、2187。使用时主要是合理连接其允许输出端 pagenumber_ebook=25,pagenumber_book=18 ）、写控制端和片选端，且芯片的最大读写速度、工作温度等参数须满足使用要求。

·NVRAM（Nonvolatile RAM），是非挥发性RAM，断电后信息不丢失，主要有电池式NVRAM和形影式NVRAM两种。虽然速度快，但容量小、价格昂贵，在实际中很少使用，其使用与基本相同。

电池式NVRAM是由CMOS的SRAM、备用电池和切换电路组成，在电源断开或低于某值时切换电路把备用电池接入，对RAM进行写保护，防止意外数据写入和信息丢失。CMOS的功耗小，一般存储期限至少10年，如DS1220AB／AD（2K×8）、DS1225AB／AD（8K×8）、DS1230Y／AB（32K×8）电池使用寿命可达40年。电池式NVRAM与27系列EPROM的引脚兼容，常温下（锂电池允许的温度为0～70℃）可取代SRAM和EPROM。

形影式NVRAM是由CMOS的SRAM和EEPROM组成，SRAM和EEPROM的存储容量和组织全部相同，读／写结束后逐位一一对应，内容完全相同。读／写操作对SRAM和EEPROM而言都是以全部信息为操作对象，而不是以字节进行。CPU都与SRAM交换信息，读时先将EEPROM的内容读入SRAM，再由SRAM读入CPU，一般需要5ms；写时CPU先将内容写入SRAM，再由SRAM写入EEPROM，一般需要10ms。有并行式（X2001）和串行式（X2444）两种，如并行128×8位、512×8位，串行16×16位、256×8位、512×8位、2K×8位等。

·Flash ROM，即闪速存储器，具有电擦除、不挥发、速度快、容量大、高密度、价格低、在线编程、适应比较恶劣的环境等优点，因其只能是整片擦除，所以具有很大的潜力取代EPROM、EEPROM、NVRAM用作程序存储器，被应用系统广泛使用。如AT29C256、AT29C0101A、AT29C040A，其使用与基本相同。

3）存储器性能比较。上述几种存储器的性能见表1－5。作为程序存储器一般按Flash ROM、EPROM、EEPROM的顺序选择，作为数据存储器一般按SRAM、NVRAM的顺序选择。

表1－5　几种存储器性能比较

pagenumber_ebook=26,pagenumber_book=19 (www.chuimin.cn)

（3）I／O接口

输入／输出（I／O）接口由大规模集成电路组成的I／O器件构成，用来连接主机和相应的I／O设备（如键盘、鼠标、显示器、打印机等），使得这些设备和主机之间传送的数据、信息在形式和速度上都能匹配。不同的I／O设备必须配置与其相适应的I／O接口。

（4）总线

总线（BUS）是计算机各部件之间传送信息的公共通道。微机中有内部总线和外部总线两类。内部总线是指CPU内部之间的连线。外部总线是指CPU与其他外部器件之间的连线，在进行系统外部扩展时一般采用三总线结构。外总线有数据总线DB（Data Bus）、地址总线AB（Address Bus）和控制总线CB（Control Bus）3种。

数据总线DB：CPU和外部设备传输数据的通道。

地址总线AB：CPU和外部器件进行数据传输时，由地址线赋予外设一个唯一的地址，保证系统正常工作。

控制总线CB：不同的CPU、不同的结构、不同类型的工作模式所用的控制线是不同的，以此确定外接芯片的工作方式。

2．基本工作过程

根据冯·诺依曼原理构成的现代计算机的工作原理可概括为存储程序和程序控制。存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列（即程序）及运行中所需的数据，通过一定的方式输入并存储在计算机的存储器中。程序控制是指计算机能自动地逐一取出程序中的一条条指令，加以分析并执行规定的操作。

【例1－7】假设X和Y均已存放在存储单元中，看一下Z=X+Y的执行过程。

【解】（1）计算Z=X+Y的程序可参照表1－6，具体如下：

LOAD　X　；从地址为X的单元中取出X的值送到累加器A中

ADDY；把累加器中的X与地址为Y的单元的内容相加，结果存放在累加器中

STORE Z；把累加器中的内容送到地址为Z的单元中

表1－6　Z=X+Y说明表

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