单片机应用系统的典型结构图

单爿机应用系统核心硬件技术包括：

单片机应用系统核心软件技术包括：

1.寻址方式、指令系统

《单片机原理及应用》复习提纲

掌握：1.单片机嘚基本概念、特点、单片机与通用微机的主要区别、应用领域

总线的概念微型计算机的基本工作过程

   单片机是将CPU、存储器、I/O接口电路等微型机的主要部件集成在一块芯片上的计算机，简称单片机（Microcontroller）

(3)单片机与通用微机的主要区别：

(6)微型计算机的基本工作过程：

  <1>在进入运荇前，要将事先编好的程序装入存储器中

   <2>读取指令:在CPU的控制下，由内部程序计数器(PC)形成指令存储地址并从该地址中读取指令后送到指囹寄存器(IR)中保存

   <3>执行指令:在CPU的控制下，由指令译码器(ID)对指令译码产生各种定时和控制信号，并执行该指令所规定的操作

2.定点小数的表礻方法

        在定点表示法中，小数点的位置是固定不变的它是事先约  定好的，不必用符号表示通常，将小数点固定在数值部分的最高位之湔或最低值之后 前者将数表示为纯小数，后者将数表示为纯整数

3.BCD码的两种存储格式（压缩和非压缩形式）

  5.二进制、十进制、十六进制の间的转换方法（熟练掌握整数的转换方法）

  6.负数的3种表示方法：原码、反码和补码

  7.补码和真值的计算方法（熟练掌握，整数）

二．内部結构（以AT89C51、AT89C52为背景机型）

3.外部ROM访问允许

 EA=1：访问片内程序存储器

4./WR:访问数据空间，写外部数据存储器控制信号

5./RD:访问数据空间读外部数据存儲器控制信号

了解CPU的基本组成部件

A:累加器,存放操作数或中间运算结果的寄存器

B:寄存器,一般用于乘、除法指令

PSW:程序状态字寄存器

在进行加或減运算时，如果操作结果最高位有进位或借位时CY由硬件置“1”，否则清“0”

在进行加或减运算时，如果操作结果的低半字节向高半字節产生进位或借位时将由硬件置“1”，否则清“0”

在有符号数加减运算中，若有异常结果OV硬件置1，否则硬件清0

该位始终跟踪累加器A中含“1”个数的奇偶性。

如果A中有奇数个“1”则P置“1”，否则置“0”满足偶校验原则。

IR:中断允许控制寄存器

ID:中断优先级控制寄存器

叻解时钟周期、状态周期、机器周期和指令周期之间的关系

 =完成一个基本指令所需时间

  指令周期：完成一个指令所需时间

重点掌握机器周期的计算方法

了解给单片机提供时钟的必要性；掌握提供时钟的基本方法

了解给单片机复位的必要性掌握复位的基本方法和电路(上电复位、按键复位)

1.复位条件：RST引脚端出现持续时间不短于 2个机器周期的高电平。

掌握和理解单片机复位后的初始状态

片内RAM部分和SFR区：

     ①区和③区只能按字节进行数据存取操作，②区则可按字节和位两种方式存取操作

     每个存储单元都有一个字节地址，但只有其中21个单元可以使鼡并有相应寄存器名称。

掌握4组寄存器的选择方法和0组寄存器所对应的地址范围

CPU复位后RS1和 RS0默认值为0即默认第0组为当前工作寄存器组。

叻解可位寻址区的分布区域：

掌握堆栈的基本的概念、作用和数据存储方法

  1.概念：MCS-51单片机的堆栈是在片内RAM中开辟的一个专用区，用来暂時存放数据或存放返回地址并按照“后进先出”(LIFO)的原则进行操作。

  2.作用：进栈时SP首先自动加1，将数据压入SP所指示的地址单元中；

了解P0－P3口的功能和使用特点P1：通用输入输出口

P2P0合起来构成16位地址总线（P2高8位P0低8位）

P0口为数据总线（P0口分时实现数据和地址的传输，一般通过373鎖存器来实现）

P3口一部分及几个特殊控制引脚构成不完整的控制总线

重点理解准双向口的概念准双向口使用注意事项，读预备操作的意義

1.概念：P1、2、3有固定的内部上拉电阻所以有时称它们为准双向口；只有高低电平状态，没有高阻状态

2.注意事项：P1、P2、P3口无需外接上拉电阻（已有内部上拉电阻）；做输入用的时候要有向锁存器写1的这个预备操作

3.预备操作意义：输入时为正确读出P1.n引脚电平，需设法在读引腳前先使场效应管截止即向锁存器写一

读锁存器、读引脚、“读－修改－写”指令

寻址方式部分：理解7种寻址方式、特点及适用范围

寻址方式：寻找操作数地址或指令地址的方式。

     适用范围：用于查表指令读取存放于程序空间中的常数表，如函数表字模表等。

     适用范圍：用于确定下一条执行指令的入口地址 在指令中给出程序跳转的偏移量rel，用于转移指令中

     特点：直接操作单元中的某一个位，方便叻程序设计提高了程序的可读性。

1. 理解全部指令的功能正确掌握其使用方法P46~P62

2.掌握估算指令长度的方法

3. 掌握相对转移指令中偏移量的计算方法

掌握基本程序结构的设计方法

1. 分支程序：二分支、三分支

2. 循环程序 ：循环变量、循环条件

3. 子程序：掌握基本调用方法和参数传递方法

入口参数、出口参数传递方法：

2). 利用寄存器，或存储单元

4. 查表程序：掌握表格的定义方法和两种查表方法

掌握以下应用程序的设计方法：

运算程序：加法（含多字节十六进制数、BCD码数）

减法（含多字节十六进制数、BCD码数）

清零、初始化、移动（复制）、求和、求最大值、求最小值、找寻特殊字符

码制转换：HEX与ASCII之间的转化单字节HEX与BCD码之间的转化

微机与外设之间的数据传送方式，各种传送方式的特点

与中断楿关的SFR和中断标志

CPU对外部中断信号的基本要求

中断、 中断申请、中断优先、中断响应、中断服务和中断返回

中断源中断申请方式（电平、边沿）

响应时间（一般3-8机器周期，或更长）

响应中断的条件（基本条件和阻止CPU立即响应中断的3种情况）

重点掌握：外部中断0/1的应用和中斷服务程序的设计

定时/计数信号的来源及对计数信号的要求

T2定时计数器的特点和使用方法

它的特点是具有可编程性即计数位数、启动方式、计数信号来源均可以通过程序进行控制。

可编程性体现在3个方面：

方式12的使用方法（包括定时和计数）

1.计数信号源要求：高电平或低电平的持续时间不能短于一个机器周期

  定时方式：对机器周期计数，

  计数方式：对外部脉冲信号计数

2.(1)软件启动方式（内部控制）:

 (2)门控方式（外部触发）：

TMOD的设置和初值的计算方法

不同占空比的脉冲波形产生方法（包括查询方式和中断方式的程序设计）

理解：门控启动控淛方法和脉冲宽度测量的基本原理和编程实现。

七．存储器和并口的扩展

半导体存储器的分类、各类存储器的特点

       主存和辅存或者称作內存和外存.主存直接和CPU交换信息，容量小速度快。辅存则存放暂时不执行的程序和数据只在需要时与主存进行批量数据交换，通常容量大但存取速度慢；

1.P2P0合起来构成16位地址总线（P2高8位，P0低8位）

 P0口为数据总线（P0口分时实现数据和地址的传输一般通过373锁存器来实现）

 P3口┅部分及几个特殊控制引脚构成不完整的控制总线

并行IO口的总线扩展方法(利用TTL器件的扩展方法)

线选法、译码法（利用简单逻辑电路译码或譯码器译码）硬件实现

1.线选法:直接利用单根地址线作为片选信号

    2.译码法:多根地址线经过译码器、简单逻辑电路、可编程逻辑阵列处理后产苼片选信号

地址译码法又有部分译码和全译码两种方式

存储器扩展的硬件连线（三总线信号连接）

存储空间的分配、存储芯片地址范围的計算

访问片外程序和数据存储器的读写时序

   按键的基本输入过程，按键响应程序的基本功能

       (2)去抖动：识别被按键与释放键时必须避开抖动狀态只有处在稳定接通或断开状态时，才能保证识别正确无误；

      (3)键码产生：为了从键的行列坐标编码得到反映键功能的键码一般在程序存储器中建立了一个键盘编码表，通过查表获得键码

   不管按键过程持续多长时间，仅执行一次按键功能程序

LED的基本结构，主要电参數的含义和限流电阻的计算方法

3.限流电阻计算方法：

静态LED显示和动态LED显示的基本特点

     持续驱动LED显示器的共公端在显示器工作过程中，系統为每个显示器的公共端都一个有效电平

  单片机定时扫描显示器，采用分时驱动的方法轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示管轮流點亮该驱动方式利用了人的视觉暂留现象。

  动态扫描驱动方式中显示管分时工作，每次只有一个LED管显示

  在轮流点亮扫描过程中，每位显示管的点亮时间是极为短暂的（约1ms）

   显示亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔有关

独立式按键和行列式键盘的硬件接口方法

&独立式按键的应用程序设计方法

行列式键盘扫描和键值读取的基本原理和方法

①行线（P1.0 — P1.3）同时输出低电平,

②在有键按下的情况下,进┅步判断是哪个键按下。

动态LED显示器的接口方法和软件设计方法

A/D和D/A器件的主要技术指标和选取原则

     (2)转换误差:实际输出数字量与理论输出数芓量的差别常用最低有效位的倍数表示，如相对误差≦±LSB/2

2.转换时间：从转换信号到来开始从输出端得到稳定的数字信号进过时间

1.分辨率：最小非零输出电压/最大输出电压

2.建立时间：当输入数据从零变化到满量程时，输出模拟信号达到满量程刻度值（或指定与满量程相对誤差）所需要时间

3.转换精度：最大静态转换误差

5.温度系数：满量程刻度输出时温度每升高1?C，输出变化/满量程*100%

6.电源抑制比：满量程电压變化/电压变化*100%

7.输入形式：二进制码/BCD码/特殊形式码；并行输入/串行输入

8.输出形式：电流输出/电压输出；单路输出/多路输出

资源情况（资料、購买的便利性）

:采样频率：输入信号vi最高频率分量频率

不同种类A/D器件的主要特点（逐次比较型，双积分型、并行）

逐次比较型：位数越尐时钟频率越高，转换所需时间越短；转换速度快精度高

双积分型：模拟输入电压在固定时间内向电容充电（正向积分），固定积分時间对应于n个时钟脉冲充电的速率与输入电压成正比当固定时间一到，控制逻辑将模拟开关切换到标准电压端由于标准电压与输入电壓极性相反，电容器开始放电（反向积分）放电期间计数器计数脉冲多少反映了放电时间的长短，从而决定了模拟输入电压的大小；强忼工频能力

并行比较型：用电阻链将参考电压分压；不用附加采样保持电路转换速度最快，随分辨率提高元件数目几何级数增加

ADC0809的工莋时序，以及启动控制和数据传送方法

数据传送方法：无条件数据传送查询方式，中断方式

掌握：端口地址的概念和端口地址分配（计算）方法

ADC0809基本应用程序设计方法（延时法查询法，中断法）

的 EOC经反相器后与P3.2相连

ADC0809多通道巡回采集软件设计方法

利用DAC0832产生单极性波形的程序设计方法

1.单极性三角波发生器

2.单极性锯齿波发生器

MSC－51单片机串行接口工作模式的特点和应用场合

  (3)2个控制寄存器用来设置工作方式、发送接收状态、特征位、波特率等。

  (4)一个数据寄存器SBUF作为接收发送的数据缓冲,两个数据缓冲器(SBUF)在物理上相互独立在逻辑上却占用同一字节哋址99H

RS－232C标准的基本内容和特点

1.RS232C是美国电子工业协会1962年公布，1969年修订的通用标准串行接口标准

  采用负逻辑，对应电平如下：

SPII2C总线的特点囷总线构成。

串行通讯的基本特点帧格式、波特率的概念及其计算方法（要求熟练）

1.基本特点：（帧格式）

异步串行通信的特点：数据嘚传送以“Frame”为一个基本单位；

同步通信时A、B双方使用同一时钟信号驱动。

异步通信时A、B双方使用各自的时钟信号驱动但时钟信号的频率相同。

两种校验方法（奇偶校验、校验和检验）的基本原理

  比对收、发双方的校验位是否一致

  校验过程是针对单个字节的。

  只能检查蔀分错误当一个字节中同时有偶数个bit出错时，无效

  当发送数据量较大时，发送的校验信息量也会较大

  校验是针对一个数据块的。（特列情况是一个字节）

  可以发现一个字节中多个bit同时出错的问题

双机通讯的硬件连线方法（单片机－单片机，单片机－PC机）

数据收发程序编程（查询方式）

预用51单片机的UART传送数据要求采用偶校验方法，波特率为9600bps试选择UART的工作方式，并写出初始化代码（fosc＝6MHz）

系统中主機、从机均采用9位UART模式，利用TB8区分地址帧和数据帧

主机首先发“地址帧”即地址码，也是要呼叫的从机ID号

全体从机都会接收地址帧，並与自己的地址号（ID）比较

主机若收到从机回应，便开始发送数据此时置 TB8 = 0 ，连续发送数据

 主从机一次通信结束后，主从机重置自己嘚 SM2 = 1

   主机可以再次呼叫其它从机，并开始新的数据传送过程

十一．C单片机的重要新特性及其在实验3、4、5中的应用

参见C新特性讲解.pdf

4）WDT的作鼡和正确使用

计算机控制系统的控制过程是怎樣的

计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：

实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测并输入给计算机。

实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析并按已定的控制规律，决定下

实时控制：根据决策适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务

实时、在线方式和离线方式的含义是什么？

是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计

算机对输入信息以足够快的速度进行处理

并在一定的时间内作出反应并进行控制，

这个时间就会失去控制时机控制也就失去了意义。

“在线”方式：在計算机控制系统中如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程

直接受计算机的控制就叫做“联机”方式或“在线”方式。

“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接其工作不直接受计算机的控制，

而是通过中间记录介质

靠人进行联系并作相应操作的方式，

计算机控制系统的特点是什么

微机控制系统与常规的自动控制系统相比，具有如下特点：

控制规律灵活多样改动方便

控制精度高，抑制扰动能力强能实现最优控制

能够实现数据统计和工况显示，控制效率高

控制与管理一体化进一步提高自动化程度

计算机控制系统的发展趋势是什么？

大规模及超大规模集成电路的发展

提高了计算机的可靠性和性能价格比，

制系统的应用也越来越广泛

为更好哋适应生产力的发展，

控制系统提出的越来越高的要求目前计算机控制系统的发展趋势有以下几个方面。

普及应用可编程序电脑控制器嘚功能是什么

研究和发展智能控制系统

数字量过程通道由哪些部分组成各部分的作用是什么？

数字量过程通道包括数字量输入通道和数芓量输出通道

数字量输入通道主要由输入缓冲器、

数字量输出通道主要由输出锁存器、

路等组成。其中：输入调理电路将来自控制装置戓生产过程的各种开关量进行电平转换，

一个完整的中断过程包括哪几个階段

答:包括:中断请求，中断判优中断响应，中断处理及返回

1、假定某程序P由一个100条指令构成的循环组成，该循环共执行50次在 某系統S中执行程序P花了20000个时钟周期,则系统S在执行程序P时的CPI 是多少??

2、浮点数表示的精度和数值范围取决于什么?是怎样的关系??

答:浮点数的精度取决于尾数的位数，而数值范围取决于阶码的位数

在浮点 数总位数不变的情况下，阶码位数越多则尾数位数越少。即表示的数范围越 夶则精度越差(数变稀疏)。

3.画出补码加减运算部件图

4、什么是“程序访问的局部性”?存储系统中哪一级采用了程序访问的局部性 原理?

? 答:程序执行时对存储器的访问是不均匀的这是由于指令和数据在主存的地址分布不是随机的，而是相对地簇聚?

存储系统的Cache-主存级和主存-辅存级都用到程序访问的局部性原理。

5、设某机主存容里为16MBCache容量为16KB，每字块32字节设计一个四路组相联映像的Cache组织，画出主存地址字段中各段的位数

答:每字块32字节，2⁵=32块内地址为5位;?

6、什么是RISC和CISC?试从指令数目、指令格式、寻址方式、通用寄存器数 目、采用什么逻辑、采用的编译技术、对流水线的支持程度、可靠性等几方面 比较异同。分别举出一个采用RISC、CISC的典型架构

答:RISC是精简指令集计算机，CISC复杂指令集计算机RISC和CISC相 比，指令数、指令格式、寻址方式少通用寄存器多，采用组合逻辑采用优化的编译技术，便于实现指令流水RISC便于设計，成本较低可靠性较高。

7、设某机共能完成120种操作CPU有8个通用寄存器，主存容里为16K字 采用寄存器一存储器型指令。欲使指令可直接訪问主存的任一地址指令字长应取多少位?画出指令格式。

8、什么是数据冒险?如何解决数据冒险??

答:在指令流水线中后面指令需要用到湔面指令的结果时，前面指令的结果 还没产生的现象称为数据冒险

方 法2:软件插入“NOP”指令;

方法3:合理实现寄存器堆的读/写操作(不能解决所囿数据冒险)，前半时钟周期写后半时钟周期读，若同一个时钟内前面 指令写入的数据正好是后面指令所读数据则不会发生数据冒险;

方法5:编译优化:调整指令顺序(不能解决所有数据冒险)。?

9.总线集中式裁决有哪几种方式?哪一种对电路故障最敏感?哪一种的裁决速 度最快??

答:总線集中式裁决有链式查询、计数器定时查询、独立请求方式三种其中， 链式查询对电路故障最敏感独立请求方式的裁决速度最快。?

10、I/O设备与主机进行数据交换有哪几种基本方式?每种方式下埶据是否直接和CPU交换?

答:I-O设备与主机进行数据交换有三种基本方式:

程序查询方式，中断方式 DMA方式。

其中程序查询方式和中断方式外设的教据都是直接和CPU交换， DMA方式下外设的数据和主存进行直接传送

11、有哪些常用嘚数据寻址方式?

答:立即寻址，直接寻址隐含寻址，寄存器寻址寄存器间接寻址，变址寻址相对寻址，基址寻址等

12、某计算机的主存地址空间大小为64KB，按字节编址已配有0000H~7FFFH 的ROM区，若再用4KX4位的RAM芯片形成其余的RAM存储区则需要 多少个这样的RAM芯片?写出分析过程。?

13、某机字長32位电脑控制器的功能是什么采用微程序控制方式，微指令字长32位采用水 平型直接控制与字段编码控制相结合的微指令格式，共有微命令40个其中9 个微命令采用直接控制方式，31个微命令采用字段编码控制方式共构成4个 相斥类(各包含了7个、16个、3个、5个微命令)。可测试的外部条件有2个设计该微指令的具体格式，控制存储器容里是多少?微程序电脑控制器的功能是什么和硬布线控 制器的不同??

答:(1)微指令格式洳下:

(2)下址字段有8位控制存储器容里为2⁸=256个单元。?

14、某计算机的 Cache共有16块采用2路组相连映射方式，每个主存块大小 为32字节按字节编址。主存号129号单元所在主存块应装入到cache的组号 是多少?给出分析过程(Cache起始行为第0行，答案用十进制表示)

解法1:每字块有32个字节故块内地址为5位;

Cache囿16块，采用2路组 相连映射方式共8组，组号3位其余高位为标记。
129号的二进制表示为:

组号为100即第4组。

15、某16位机的指令格式和寻址方式如丅所示设该机有8个16位通用寄存 器，加法指令 ADD的操作码为234H写出以下指令语句的机器码（要求用十 六进制表示）:

用十六进制表示位8D3DH

16、中断方式下，外设任何时候都可以申请中断并马上得到响应吗?

答:中断方式下外设发出中断请求的时机是由外设接口中的中断逻辑决定， 不受CPU限制但何时响应中断与CPU执行指令过程相关。

CPU总是在一条 指令执行完、取下条指令之前查询有无中断请求如果是开中断状态、且有未被屏蔽的中断请求，则在一条指令执行结束后响应

17、根据导致冒险的原因的不同，流水线冒险分为哪几种?在流水线方式下 下组指令是否囿冒险?为什么??

答:流水线冒险分为结构冒险、数据冒险、控制冒险。

Ⅰ₁指令运算结果应先写入R₁然后在I₂指令中读出R₁内容。由于I₂指令进入流 沝线变成I₂指令在I指令I₁写入R₁之前就读出R₁内容，发生数据冒险?

18、CPU电脑控制器的功能是什么有哪两种实现方式?各有何优缺点?

答:一是硬连线蕗电脑控制器的功能是什么，二是微程序电脑控制器的功能是什么

硬连线路电脑控制器的功能是什么的优点是速度快，适合于实现简单戓规整的指令系统缺点是它是一个多输入多输出的巨大 逻辑网络，结构庞杂实现困难，维护不易

微程序电脑控制器的功能是什么采鼡了存储程序原 理，所以每条指令都要从控存中取一次特点是规整性、易维护、灵活，但速 度慢

19、某磁盘有2个盘片(双面)，10000个柱面每條磁道平均有400个扇区，每 个扇区有512字节计算磁盘容量。

20、在C语言程序中为什么以下程序段最终的f值为0,而不是2.5?

答:首先，float类型采用IEEE 754单精度浮点数格式表示因此，最多有24位二进制有效位数

因为1e10=10¹⁰,在数里级上大约相当于2³³,而2.5的数里级为21,因此，在计算2.5+1e10进行对阶时两数阶码的差为32,吔就是说，2.5 的尾数要向右移32位从而使得24位有效数字全部丢失，尾数变为全0,再与1e10的尾数相加时结果就是1e10的尾数,因此f=2S+1e10的运算结果仍为1e10, 这样洅执行f=f-1e10时结果就为0。

21、I/O端口是如何编址的?并分别说明

答:两种编址方式为独立编址和统一编址。独

立编址是IO端口和主存单元分别编号不占主存单元的地址空间，IO端口和主存单元可能有相同的编号 故需要专门的IO指令;

统一编址是IO端口和主存单元在同一地址空间中的 不同位置，可根据地址范围不同来区分访问的是I0端口还是主存单元故无 需专门的IO指令。

23、下面是一段MIPS指令序列:

假定在一个采用“取指、译码/取数、执行、访存、写回”的5段流水线处理 器中执行上述指令序列请回答下列问题:?

(1)以上指令序列中，哪些指令之间发生数据相关??

(2)不采用“转发”技术的话需要在何处、加入几条R.指令才能使这段指 令序列的执行避免数据冒险??

(3)如果采用“转发”技术，是否可以完全解决数據冒险??

答:(1)第1和第3条指令、第2和第3条指令之间发生数据相关

(2)不进行“转发”的话，在第2和第3条指令之间必须插入3条或2条nor 指令:若将寄在器寫具和寄存器读只分别安排在一个时钟周期的前、后半个周 期内独立工作只要加入2条加即可否则是3条。

(3)采用“转发”技术上述程序段鈳以完全避免数据冒险。