微机原理与接口技术

微控制单元 (Microcontroller Unit；MCU) ，又称单片微型计算机 (Single Chip Microcomputer )或者单片机，是把中央处理器 (Central Process Unit；CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存 (memory)、计数器 (Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。
与计算机的不同之处便是单片机通过集成电路将各部件融合到一个芯片上，而计算机是通过电路把各部分进行连接

微型计算机基础概论

硬件系统

（1）微处理器（或中央处理器、CPU）

CPU是微型计算机的核心芯片，是整个系统的运算和控制中心

1）运算器

运算器的核心部件是算术逻辑单元（ALU）

2）控制器

是整个CPU的指挥中心，控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令的“决策机构”，即协调和指挥整个微机系统的操作。. 其主要功能有：. (1) 从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。. (2) 对指令进行译码和测试，并产生相应的操作控制信号，以便于执行规定的动作。. (3) 指挥并控制 CPU 、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。

3）寄存器组

实质上是CPU内部的若干个存储单元

（2）存储器

主机系统中的存储器又叫内存或主存，是微型计算机的存储和记忆部件，用以存放数据（包括原始数据、中间结果和最终结果）和当前执行的程序，内存可以分为随机存取存储器RAM和只读存储器ROM。

（3）输入输出接口和输入输出设备

即IO口

（4）总线

1）数据总线 2）地址总线 3）控制总线

软件系统

包括系统软件和应用软件，应用软件是为解决各种实际问题（数学计算、检测、实时控制、音乐播放等）而编写的程序。系统软件主要包括操作系统（OS）和系统实用程序。操作系统是一套复杂的系统程序，用于管理计算机的硬件与软件资源、进行任务调度、提供文件管理系统、人机接口等。操作系统还包含各种IO设备的驱动程序。系统应用程序包括各种高级语言的翻译等

微处理器与总线

8088/8086CPU的特点

1）流水线工作

CPU采用并行地来完成工作
CPU内两个独立部件：执行单元（EU）和总线接口（BIU），EU负责分析指令、取操作数和写结果。这两个单元都能够独立的完成各自相应的工作。== 所以说这两个单元并行工作时，在大多数情况下，取指令操作和执行指令操作都可以重叠进行，因为BIU已经从存储器中将EU要执行的指令“预取”了出来，所以大多数情况下“省掉”了取指令的时间，从而加快了程序的运行速度==

2）内存的分段管理技术

例如8088和8086的内部的就寄存器都只有16位，而8088有20条地址总线，可寻址的最大物理量为1MB（2^20）,任何一个内存单元都有20位的地址，称为内存的物理地址（唯一的，而逻辑地址是为了使段中的单元更加充分利用，内存的分段管理就是指逻辑地址）。很明显不采用分段措施是无法访问1MB的内存空间的。

3）支持多处理器系统

总线

定义：是一组导线和相关的控制、驱动电路的集合。是计算机系统各部件之间传输的地址、数据和控制信息的通道。
总线的周期：CPU完成一次访问内存（或接口）操作所需要的时间
时序图：一个总线周期下，各引脚的电平变化或一组引脚是否有效

指令系统（简单介绍）

立即数

由指令直接给出，是常数的性质。无地址含义，只表示运算的数据

寄存器操作数

表示运算的数据存放在寄存器中，多数情况下是指通用寄存器。在三类操作数中运行所需的时间最短（在CPU内部）

存储器操作数

表示运算的数据放在内存中

存储器系统

内存储器（主存）

由半导体材料制成

1）RAM

特点：随机进行读写操作，但是掉电后内容丢失
类型（1）：静态随机存取存储器（SRAM）双稳态触发器构成
（2）：动态随机存取存储器（DRAM）以电容来存储信息

2）ROM

（1）：EPROM
特点：可多次编程写入（不可在主板上写）、掉电后内容不丢失、内容的擦除需用紫外线擦除器
EPROM芯片因其较高的稳定性，使用时常用作程序存储器，存放相应的控制程序，要在编程脉冲下才能写入
（2）：EEPROM（接口）
特点：可在线编程写入、掉电后内容不丢失、电可擦除
== 等到REDAY/BUSY端的状态由低电平变为高电平后才能开始下一字节的写入==
（3）：闪存FLASH（通过CPU总线）
特点：新型的EEPROM、通过内部的状态寄存器写入命令的方法来控制芯片的工作方式，对芯片所有的操作都要先向状态寄存器写入命令。而不用像EEPROM去接口读READY、BUSY的状态，会降低速度

3）存储器扩展技术

包括位扩展、字扩展、字节扩展

输入输出和中断技术

输入输出系统

端口：接口电路用于缓存数据及控制信息的部件
端口的编址：为确保CPU能够访问到每个不同的端口

输入接口

要求对数据具有控制能力：即只有当外部数据准备好、CPU可以读取时才将数据送上数据总线==常用三门态实现

输出接口

要求对数据具有锁存能力：由于外设的速度比较慢，要使数据能正确写入外设，CPU输出的数据一定要能够保持一段时间

基本输入输出方式

（1）：无条件传送
（2）：查询式传送
（3）：中断方式传送
（4）：直接存储器存取（DMA）

QRD：发出请求信号
HOLD：把信号转给CPU（总线请求输入端）
HLDA：应答信号，可以由DMAC控制总线，CPU放弃总线权
DACK：告诉外设能到控制权

中断技术

（1）中断的请求
外部可屏蔽中断请求信号：INTR、中断请求信号应保持到中断被处理为止、CPU响应中断后，中断请求信号应及时撤销
（2）中断源的识别（中断的判优）
（3）中断的响应
外部可屏蔽中断响应信号
（4）中断处理
用IRET指令返回
（5）中断返回

外部中断

（1）非屏蔽中断：不受中断允许标志IF的限制
（2）可屏蔽中断：受IF的约束，只有当IF=1时，CPU才会响应中断，反之不响应

常用的数字接口电路

并行通信

（1）：以数据字节或字为单位进行数据传送
（2）：适合近距离传送
（3）：并行传送方式中，8位、16位、或四个字节的数据线进行数据的交换

串行通信

==是指两个功能模块只通过一条或两条数据线进行数据交换 ==

同步通信

是指在约定的通信速率下，发送端和接收端的时钟信号频率和相位始终保持一致（同步）

异步通信

是指通信中两个字符之间的时间间隔时不固定的，而在一个字符内各位的时间间隔时固定的这种用起始位、停止位结束所构成的一串信息称为帧

模拟量的输入和输出

模拟量的输入输出通道

（1）传感器
用于将工业生产现场的某些非电物理量转换为电量（电流、电压）的器件
（2）变送器
传感器输出的电信号都比较微弱，有些传感器的输出甚至是电阻值、电容等非电量，为了易于与信号处理环节衔接，就需要将这些微软的电信号及电阻值等非电量转换成一种统一的电信号
（3）信号处理环节
主要包括信号的放大及干扰的去除
（4）多路模开关
使多个模拟信号共用一个A/D转换器进行采样和转换，以降低成本
（5）采样保持电路
在数据采样期间，保持输入信号的不变
（6）A/D转换器
将输入的模拟信号转换成计算机识别的数字信号

A/D转换器

相当于输入接口（对数据要有控制能力）
工作原理（ADC0809）

逐位反馈型A/D的工作原理类似于用天平秤重
先将SAR清零，设最高位为1，经D/A转化为模拟量与模拟输入电压比较，若模拟量输入电压大于转化后的模拟量，则SAR寄存器中最高位的1保留，否则清零。若砝码比物体轻就要保留砝码，否则去掉，以此类推直到SAR的所有位被确定。

D/A转换器

组成：模拟开关、电阻网络、运算放大器

左边类似于8位二进制，开关闭合则一位为1
DAC0832的内部结构示意图

无线传感器接口