单片微型运算机原理胡乾斌课后习题答案.docx

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单片微型运算机原理胡乾斌课后习题答案

习题1

1.1什么是单片微型运算机?

答：

单片微型运算机是将运算机的大体部件微型化并集成到一块芯片上的微型运算机，是运算机微型化的典型代表之一，通常片内都含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、按时器/计数器、中断操纵、系统时钟及系统总线等。

1.2单片机的进展经历了哪几个时期？

在哪一时期确立了单片机在嵌入式应用中的地位。

答：

单片机低级时期（1974—1976年），芯片化探讨时期（1976—1978年），8位单片机成熟时期（1978—1982年），从SCM向MCU过渡时期（1983—1990年），MCU百花齐放时期（1990年—至今）。

其中，芯片化探讨时期（1976—1978年）确立了单片机在嵌入式应用中的地位。

1.3单片机可分为几个系列？

简述每一个系列的要紧特性。

答：

单片机按系列可分为80C51系列、PIC系列和AVR系列等。

PIC系列单片机是MicroChip公司的产品，与51系列单片机不兼容。

1）PIC系列单片机最大的特点是从实际动身，重视产品的性能与价钱比，进展多种型号来知足不同层次的应用要求。

2）精简指令使其执行效率大为提高。

3）产品上市零等待（Zerotimetomarket）。

4）PIC有优越开发环境。

5）其引脚具有防瞬态能力，通过限流电阻能够接至220V交流电源，可直接与继电器操纵电路相连,不必光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。

6）完全的保密性。

7）自带看门狗按时器，能够用来提高程序运行的靠得住性。

8）睡眠和低功耗模式。

AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC（ReducedInstructionSetCPU）精简指令集高速8位单片机。

AVR单片机的要紧特性

1）

AVR单片机以字作为指令长度单位，将内容丰硕的操作数与操作码安排在一字当中（指令集中占大多数的单周期指令都是如此），取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。

2）AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器堆（32个寄存器文件）和单体高速输入/输出的方案（即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑）。

提高了指令执行速度（1MIPS/MHz），克服了瓶颈现象；同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。

3）AVR单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，擦写方便，支持ISP和IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新。

4）AVR单片机的I/O线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入/输出、可设定（初始）高阻输入、驱动能力强（可省去功率驱动器件）等特性，使得I/O口资源灵活、功能强大、可充分利用。

5）AVR单片机片内具有多种独立的时钟分频器，别离供URAT、I2C、SPI利用。

6）增强性的高速同/异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验帧错、两级接收缓冲、波特率自动调整定位（接收时）、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的靠得住性，方便程序编写，更便于组成散布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串口功能大大超过MCS-51/96单片机的串口，加上AVR单片机高速，中断效劳时刻短，故可实现高波特率通信。

7）面向字节的高速硬件串行接口TWI、SPI。

TWI与I2C接口兼容，具有ACK信号硬件发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能，能实现主/从机的收/发全数4种组合的多机通信。

SPI支持主/从机等4种组合的多机通信。

8）AVR单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路BOD，多个复位源（自动上电复位、外部复位、看门狗复位、BOD复位），可设置的启动后延时运行程序，增强了嵌入式系统的靠得住性。

9）AVR单片机具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行（5~2.7V），抗干扰能力强，可降低一样8位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的利用量。

10）AVR单片机技术表现了单片机集多种器件（包括FLASH程序存储器、看门狗、EEPROM、同/异步串行口、TWI、SPI、A/D模数转换器、按时器/计数器等）和多种功能（增强靠得住性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具有输入捕捉和比较匹配输出等多样化功能的按时器/计数器、具有替换功能的I/O端口等）于一身，充分表现了单片机技术的从“片自为战”向“片上系统SOC”过渡的进展方向

1.4简述单片机技术进展的趋势。

答：

（1）单片机的大容量化

单片机内存储器容量进一步扩大。

以往片内ROM为1KB～8KB，RAM为64字节～256字节。

此刻片内ROM可达40KB，片内RAM可达4KB，I/O也不需再外加扩展芯片。

OTPROM、FlashROM成为主流供给状态。

而随着单片机程序空间的扩大，在空余空间可嵌入实时操作系统RTOS等软件。

这将大大提高产品的开发效率和单片机的性能。

（2）单片机的高性能化

高性能化主若是指进一步改良CPU的性能，加速指令运算的速度和提高系统操纵的靠得住性。

采纳精简指令集（RISC）结构，能够大幅度提高运行速度。

并增强位处置功能、中断和按时操纵功能；采纳流水线结构，指令以队列形式出此刻CPU中，因此具有很高的运算速度，有的乃至采纳多级流水线结构。

单片机的扩展方式从并行总线到进展出各类串行总线，并被工业界同意，形成一些工业标准。

如I2C、SPI串行总线等。

它们采纳3条数据总线代替现行的8条数据总线，从而减少了单片机引线，降低了本钱。

单片机系统结构加倍简化及标准化。

（3）单片机的小容量低廉化

小容量低廉的4位、8位机也是单片机进展方向之一。

其用途是把以往用数字逻辑电路组成的操纵电路单片化。

专用型的单片机将取得大力进展。

利用专用单片机可最大限度地简化系统结构，提高靠得住性，使资源利用率最高。

在大量量利历时有可观的经济效益。

（4）单片机的外围电路内装化

随着集成度的不断提高，能够把众多的外围功能器件集成到单片机内。

除CPU、ROM、RAM外，还可把A/D、D/A转换器、DMA操纵器、声音发生器、监视按时器、液晶驱动电路、锁相电路等一并集成在芯片内。

为了减少外部的驱动芯片，进一步增强单片机的并行驱动能力。

有的单片机可直接输出大电流和高电压，以便直接驱动显示器。

为进一步加速I/O口的传输速度，有的单片机还设置了高速I/O口，可用最快的速度驱动外部设备，也能够用最快的速度响应外部事件。

乃至单片机厂商还能够依照用户的要求量身定做，把所需要的外围电路全数集成在单片机内，制造出具有自己特色的单片机。

（5）单片机的全面CMOS化

单片机的全面CMOS化，将给单片机技术进展带来广漠的天地。

CMOS芯片除低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片性能够工作在功耗精细治理状态。

低功耗的技术方法可提高靠得住性，降低工作电压，可使抗噪声和抗干扰等各方面性能全面提高。

单片机的通盘CMOS化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高靠得住性、高抗干扰能力和产品的便携化。

（6）单片机的应用系统化

单片机是嵌入式系统的独立进展之路，单片机向MCU进展的重要因素，确实是寻求应用系统在芯片上的最大化解决。

因此，专用单片机的进展自然形成了SOC（SystemonChip）化趋势。

随着微电子技术、IC设计、EDA工具的进展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的进展。

因此，随着集成电路技术及工艺的快速进展，对单片机的明白得能够从单片微型运算机、单片微操纵器延伸到单片应用系统。

1.5单片机具有哪些突出优势?

举例说明单片机的应用领域。

答：

1．单片机寿命长

所谓寿命长，一方面指用单片机开发的产品能够稳固靠得住地工作十年、二十年，另一方面是指与微处置器相较生存周期长。

MPU更新换代的速度愈来愈快，以38六、48六、586为代表的MPU，几年内就被淘汰出局。

而传统的单片机如805一、68HC05等年龄已有二十多岁，产量仍是上升的。

一些成功上市的相对年轻的CPU核心，也会随着I/O功能模块的不断丰硕，有着相当长的生存周期。

2．8位、32位单片机一起进展

这是当前单片机技术进展的另一动向。

长期以来，单片机技术的进展是以8位机为主的。

随着移动通信、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32位单片机应用取得了长足、迅猛的进展。

3．低噪声与高速度

为提高单片机抗干扰能力，降低噪声，降低时钟频率而不捐躯运算速度是单片机技术进展之追求。

一些8051单片机兼容厂商改善了单片机的内部时序，在不提高时钟频率的条件下，使运算速度提高了很多。

Motorola单片机利用了琐相环技术或内部倍频技术使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率。

68HC08单片机利用4.9MHz外部振荡器而内部时钟达32MHz。

三星电子新近推出了1.2GHz的ARM处置器内核。

4．低电压与低功耗

几乎所有的单片机都有Wait、Stop等省电运行方式。

许诺利用的电源电压范围也愈来愈宽。

一样单片机都能在3~6V范围内工作，对电池供电的单片机再也不需要对电源采取稳压方法。

低电压供电的单片机电源下限已由2.7V降至2.2V、1.8V。

0.9V供电的单片机已经问世。

5．低噪声与高靠得住性

为提高单片机系统的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，知足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机商家在单片机内部电路中采取了一些新的技术方法。

如ST公司的由标准8032核和PSD（可编程系统器件）组成的μPSD系列单片机片内增加了看门狗按时器，NS公司的COP8单片机内部增加了抗EMI电路，增强了“看门狗”的性能。

Motorola推出了低噪声的LN系列单片机。

6．ISP与IAP

ISP（In-SystemProgramming）技术的优势是不需要编程器就能够够进行单片机的实验和开发，单片机芯片能够直接焊接到电路板上，调试终止即成成品，免去了调试时由于频繁地插入掏出芯片对芯片和电路板带来的不便。

IAP（In-ApplicationProgramming）技术是从结构上将Flash存储器映射为两个存储体，当运行一个存储体上的用户程序时，可对另一个存储体从头编程，以后将程序从一个存储体转向另一个。

ISP的实现一样需要很少的外部电路辅助实现，而IAP的实现加倍灵活，通常可利用单片机的串行口接到运算机的RS232口，通过专门设计的固件程序来编程内部存储器，能够通过现有的INTERNET或其它通信方式很方便地实现远程升级和保护。

单片机的应用领域：

1）智能化家用电器：

各类家用电器普遍采纳单片机智能化操纵代替传统的电子线路操纵，升级换代，提高级次。

如洗衣机、空调、电视机、录像机、微波炉、电冰箱、电饭煲和各类视听设备等。

2）办公自动化设备：

现代办公室利用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。

如打印机、复印机、传真机、画图机、考勤机、电话和通用运算机中的键盘译码、磁盘驱动等。

3）商业营销设备：

在商业营销系统中已普遍利用的电子称、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机、出租车计价器和仓储平安监测系统、商场保安系统、空气调剂系统、冷冻保险系统等都采纳了单片机操纵。

4）工业自动化操纵：

工业自动化操纵是最先采纳单片机操纵的领域之一。

如各类测控系统、进程操纵、机电一体化、PLC等。

在化工、建筑、冶金等各类工业领域都要用到单片机操纵。

5）智能仪器仪表：

采纳单片机的智能化仪表大大提升了仪表的档次，强化了功能。

如数据处置和存储、故障诊断、联网集控等。

6）智能化通信产品：

最突出的是电话，固然电话内的芯片属专用型单片机。

7）汽车电子产品：

现代汽车的集中显示系统、动力监测操纵系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器（黑匣子）等都离不开单片机。

8）航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域：

单片机的应用更是不言而喻。

习题2

2.1MCS-51单片机内部包括哪些要紧逻辑功能部件?

答：

微处置器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、特殊功能寄放器（SFR）、并行I/O口、串行通信口、按时器/计数器及中断系统。

2.2说明程序计数器PC和堆栈指针SP的作用。

复位后PC和SP各为何值?

答：

程序计数器PC中寄存将要执行的指令地址，PC有自动加1功能，以实现程序的顺序执行。

它是SFR中唯一隐含地址的，因此，用户无法对它进行读写。

但在执行转移、挪用、返回等指令时能自动改变其内容，以实现改变程序的执行顺序。

程序计数器PC中内容的转变决定程序的流程，在执行程序的工作进程中，由PC输出将要执行的指令的程序存储器地址，CPU读取该地址单元中存储的指令并进行指令译码等操作，PC那么自动指向下一条将要执行的指令的程序存储器地址。

SP是一个8位的SFR，它用来指示堆栈顶部在内部RAM中的位置。

系统复位后SP为07H，假设不对SP设置初值，那么堆栈在08H开始的区域，为了不占用工作寄放器R0~R7的地址，一样在编程时应设置SP的初值（最好在30H~7FH区域）。

2.3程序状态字寄放器PSW的作用是什么?

其中状态标志有哪几位?

它们的含义是什么？

答：

PSW是保留数据操作的结果标志，其中状态标志有CY（PSW.7）：

进位标志，AC（PSW.6）：

辅助进位标志，又称半进位标志，F0、F1（PSW.五、PSW.1）：

用户标志；OV（PSW.2）：

溢出标志；P（PSW.0）：

奇偶标志。

2.4什么是堆栈?

堆栈有何作用?

什么缘故要对堆栈指针SP从头赋值?

SP的初值应如何设定?

答：

堆栈是一种数据结构，所谓堆栈确实是只许诺在其一端进行数据写入和数据读出的线性表。

其要紧作用有两个：

爱惜断点和爱惜现场。

堆栈区的设置原那么上能够在内部RAM的任意区域，但由于MCS-51单片机内部RAM的00H~1FH地址单元已被工作寄放器R0~R7占用，20H~2FH为位寻址区，故堆栈一样设在30H~7FH（关于8032系列芯片可为30H~0FFH）的区域内。

单片机复位后，SP的内容为07H，堆栈事实上由08H单元开始，考虑到08H~1FH单元别离属于1~3组的工作寄放器区，那么最好把SP值改置为1FH或更大的值。

2.5开机复位后，CPU利用的是哪组工作寄放器?

它们的地址如何?

CPU如何指定和改变当前工作寄放器组?

答：

开机复位后利用的是0组工作寄放器，它们的地址是00H~07H，对程序状态字PSW中的RS1和RS0两位进行编程设置，可指定和改变当前工作寄放器组。

RS一、RS0=00H时，当前工作寄放器被指定为0组；RS一、RS0=01H时，当前工作寄放器被指定为1组；RS一、RS0=10H时，当前工作寄放器被指定为2组；RS一、RS0=11H时，当前工作寄放器被指定为3组。

2.6MCS-51的时钟周期、机械周期、指令周期是如何概念的?

当振荡频率为12MHz时，一个机械周期为多少微秒?

答：

①时钟周期也称为振荡周期，概念为时钟脉冲的倒数，是运算机中最大体的、最小的时刻单位。

②CPU掏出一条指令至该指令执行完所需的时刻称为指令周期，因不同的指令执行所需的时刻可能不同，故不同的指令可能有不同的指令周期。

③机械周期是用来衡量指令或程序执行速度的最小单位。

它的确信原那么是以最小指令周期为基准的，即一个最小指令周期为一个机械周期。

④当振荡频率为12MHz时，一个机械周期1微秒

2.7MCS-51单片机的操纵信号、、有哪些功能？

答：

是访问程序存储器操纵信号。

当端接低电平常，那么不管芯片内部是不是有程序存储器，CPU只访问外部程序存储器。

对8031来讲，因其内部无程序存储器，因此该引脚必需接地。

当端接高电平常，CPU访问内部程序存储器，但当PC（程序计数器）值超过某一值时，将自动转向片外程序存储器1000H地址继续执行程序。

是地址锁存许诺信号。

当CPU访问外部存储器或I/O接口时，ALE输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。

在不访问外部存储器或I/O接口时，ALE端有周期性正脉冲输出，其频率为振荡频率的1/6。

可是，每当访问外部数据存储器或I/O接口时，在第二个机械周期中ALE只显现一次，即丢失一个ALE脉冲。

片外程序存储器读选通信号。

在CPU从外部程序存储器读取指令（或常数）期间，每一个机械周期两次有效，但在访问外部数据存储器或I/O接口时，信号将不显现。

端能够驱动8个TTL负载。

2.8MCS-51的片外程序存储器和片外数据存储器共处同一地址空间什么缘故可不能发生总线冲突?

答：

MCS-51的片外程序存储器和片外数据存储器共处同一地址空间，地址范围都是0000H～FFFFH（64KB），但可不能发生总线冲突。

因片外程序存储器和片外数据存储器的读写操纵信号不同，片外程序存储器的读信号是，而片外数据存储器的读信号为、写信号为,访问片外程序存储器和片外数据存储器的指令也不同，因此它们可不能发生总线冲突。

2.9简述MCS-51内部数据存储器的存储空间分派。

答：

内部数据存储器分为3个区域：

1.工作寄放器区（00H~1FH）；

2.位寻址区（20H~2FH）；

3.堆栈和数据缓冲器区（30H~7FH或30H~0FFH）。

2.10位地址和字节地址有何区别?

位地址20H具体在内存中什么位置?

答：

MCS-51的位存储器由之内部RAM中20H~2FH单元和特殊功能寄放器中地址为8的倍数的特殊功能寄放器两部份组成。

其中每一个单元的每一名都有一个位地址映像，它们既能够像一般内部RAM单元一样按字节存取，也能够对单元中的任何一名单独存取。

字节地址是内部RAM中和特殊功能寄放器中每一个存储单元的地址。

位地址20H是内部RAM24H中的D0位。

2.118051的4个I／O口作用是什么?

8051的片外三总线是如何分派的？

答：

MCS-51单片机有4个8位并行I/O端口，别离记作P0、P一、P二、P3口。

①在访问片外扩展存储器时，P0口分时传送低8位地址和数据，P2口传送高8位地址。

P1口通常作为通用I/O供词用户利用。

P3口具有第二功能，为系统提供一些操纵信号。

在无片外扩展存储器的系统中，这4个口都可作为通用I/O端口利用。

在作为通用I/O端口利历时，这4个口都是准双向口。

②在访问片外扩展存储器时，片外三总线的组成：

P0口传送低8位地址经锁存器所存组成低8位地址总线，高8位地址总线由P2口组成。

P0口作为单片机系统的低8位地址/数据线分时复用，在低8位地址锁存后，P0口作为双向数据总线。

由P3口的第二功能输出数据存储器的读、写操纵信号与片外程序存储器读选通信号，访问程序存储器操纵信号，地址锁存许诺信号组成操纵总线。

习题3

3.1汇编语句是由4个部份（字段）组成的，简述各部份的含义。

答：

汇编语句的4个部份为：

[标号：

][操作码][操作数]；[注释]

标号是用户设定的一个符号，表示寄存指令或数据的存储单元地址。

标号由以字母开始的1―8个字母或数字串组成，以冒号结尾。

不能用指令助记符、伪指令或寄放器名来作标号。

标号是任选的，并非是每条指令或数据存储单元都要标号，只在需要时才设标号。

如转移指令所要访问的存储单元前面一样要设置标号。

一旦利用了某标号概念一个地址单元，在程序的其它地址就不能随意修改那个概念，也不能重复概念。

操作码是指令或伪指令的助记符，用来表示指令的性质或功能。

关于一条汇编语言指令，那个字段是必不可少的。

操作数给出参加运算（或其它操作）的数据或数据的地址。

操作数能够表示为工作寄放器名、特殊功能寄放器名、标号名、常数、表达式等。

这一字段可能有，也可能没有。

假设有两个或三个操作数，它们之间应以逗号分开。

注释字段不是汇编语言的功能部份，只是增加程序的可读性。

言简意赅的注释是汇编语言程序编写中的重要组成部份。

3.2举例说明MCS-51单片机的7种寻址方式，各寻址方式的寻址空间。

1.当即寻址当即寻址方式的寻址空间为程序存储器。

例如：

MOVA，#3FH；3FH→A

1.直接寻址直接寻址方式中操作数存储的空间有三种：

1.内部数据存储器的低128个字节单元（00H～7FH）

例如：

MOVA，30H；（30H）→A

指令功能是把内部RAM30H单元中的内容送入累加器A。

⑵位地址空间

例如：

MOVC，00H；直接位00H内容→进位位

⑶特殊功能寄放器

例如：

MOVIE，#85H；当即数85H→中断许诺寄放器IE。

1.寄放器寻址寄放器寻址方式的寻址空间为工作寄放器和特殊功能寄放器等。

例如：

MOVA，R6；（R6）→A

1.寄放器间接寻址寄放器间接寻址空间为内部RAM128字节，外部RAM

例如：

MOVA，@R0；（（R0））→A

1.变址寻址变址寻址空间为程序存储器。

例如：

MOVCA，@A＋DPTR；（（DPTR）＋（Ａ））→A

MOVCA，@A＋PC；（（PC）＋（Ａ））→A

1.相对寻址相对寻址空间为程序存储器。

2.当前PC值是指相对转移指令所在地址（源地址）加转移指令字节数。

即：

当前PC值=源地址+转移指令字节数

1.偏移量rel是有符号的单字节数，以补码表示，相对值在-128～+127范围内，负数表示从当前地址向上转移，正数表示从当前地址向下转移。

因此转移的目的地址为：

目的地址=当前PC值+rel=源地址+转移指令字节数+rel

例如：

JNC2AH,JZF8H

1.位寻址位寻址空间为内部RAM20H~2FH的128位和SFR中的83位。

例如：

MOVC，30H，MOVP1.0,C

3.3指出以下指令的寻址方式和操作功能：

INC40H;直接寻址（40H）+1→40H

INCA;寄放器寻址（A）+1→A

INC@R2;寄放器间接寻址（（R2））+1→（R2）

MOVCA,@A+DPTR;基址加变址寄放器寻址（（A）+（DPTR））→A

MOVA,#6EH;当即寻址6EH→A

SETBP1.0;位寻址P1.0置1

3.4设内部RAM中3AH单元的内容为50H，写出当执行以下程序段后寄放器A、R0和内部RAM50H，51H单元的内容为何值？

MOVA，3AH;（A）=50H

MOVR0，A;（R0）=50H

MOVA，#00H;（A）=00H

MOV@R0，A;（50H）=00H

MOVA，#25H;（A）=25H

MOV51H，A;（51H）=25H

答：

（A）=25H,（3AH）=50H,（R0）=50H,（50H）=00H,（51H）=25H

3.5设堆栈指针SP中的内容为60H，内部RAM30H和31H单元的内容别离为27H和1AH，执行以下程序段后，61H，62H，30H，31H，DPTR及SP中的内容将有何转变？

PUSH30H；（SP）+1→SP,（30H）→61H

PUSH31H;（SP）+1→SP,（31H）→62H

POPDPL;（62）→DPL,（SP）-1→SP

POPDPH;（61）→DPH,（SP）-1→SP

MOV30H，#00H;00H→30H

MOV31H，#0FFH;FFH→31H

答：

（61H）=27H,（62H）=1AH,（30H）=00H,（31H）=FFH,（DPTR）=271AH,（SP）=60H

3.6设（A）=30H，（R1）=23H，（30H）=05H。

执行以下两条指令后，累加器A和R1和内部RAM30H单元的内容各为何值？

XCHA，R1

XCHDA，@R1

答：

（A）=25H,（R1）=30H,（30H）