计算机及智能硬件原理

本教材以计算机的组成和工作原理为知识主线，以智能硬件设计知识为能力主线组织学习内容，将“计算机原理”“单片机技术”“嵌入式系统设计”等多门课程整合为一门课程。本教材以单片机为模型机讲述计算机工作原理，将计算机原理的核心知识深度融入嵌入式微处理器的知识体系，通过汇编语言和C语言的对比学习和运用构建嵌入式软件编程能力，通过电子测量等项目实例对接工程应用，促使电子测量方法与传感技术等外延应用紧密结合，并加入了开源硬件内容，引导自学、课题组织和实践，形成抛砖引玉、学以致用的效果。本教材的内容整合不是简单的拼凑和压缩，而是抓住计算机原理与智能硬件应用的共性问题，去冗余、舍陈旧、铸主线，更加明晰原理和强化应用，摒弃分布在多个学期开设相关课程的现状，在原“计算机原理”课程开设学期直接实现多门核心课程的学习，在促使课程目标有效达成的同时大幅节约了学习时间，也为学生进行科技创新奠定了技术基础和预留了足够的时间。

智能硬件作为单片机与嵌入式系统发展的新阶段，作为智能仪器、智能传感器、物联网终端等的新概称，其知识体系和课程建设是“智能+”新工科建设的核心任务之一。本教材以计算机的组成和工作原理为知识主线，以智能硬件设计知识为能力主线组织学习内容。本教材以单片机为模型机，将计算机原理的核心知识深度融入嵌入式微处理器的知识体系，通过汇编语言和C语言的对比学习和运用构建嵌入式软件编程能力，通过电子测量等项目实例对接工程应用，并加入了开源硬件内容。本教材通过将计算机原理、接口技术和嵌入式软硬件技术的相互融汇来构建智能硬件设计的知识结构和能力结构，突出工程教育和OBE理念，培养面向解决复杂工程问题的智能硬件工程师。本教材可以作为电子信息类、仪器类、自动化类、电气工程类、机械类、计算机类等相关专业“计算机原理”“单片机技术”“嵌入式系统”等课程的教材或参考书，尤其适合不开设“计算机原理”课程而直接开设“单片机原理”或“嵌入式系统设计”课程的人才培养方案。此外，本教材也可供工程技术人员参考。

刘海成，男，副教授。现任黑龙江工程学院电气与信息工程学院副院长，大学生电子创新实践基地主任，兼任东北地区高校EDA/SOPC研究会理事，全国大学生电子设计大赛黑龙江赛区专家组成员。主要从事数字信号处理，数字电子与EDA技术、计算机与智能硬件等领域的教学与研究。主持教育部产学合作协同育人项目两项，主持省级教改项目两项，新工科建设项目一项，主持厅局和参与厅局级和横向项目多项，获校级教学成果一等奖4项。获得授权发明专利1项。

第1章计算机与智能硬件1
1.1从有限状态机到数字计算机1
1.2计算机的组成及工作模型3
1.2.1计算机的存储器、系统总线及字长3
1.2.2CPU与程序的执行4
1.2.3函数调用与栈7
1.3计算机的体系结构9
1.3.1通用计算机与嵌入式系统9
1.3.2计算机的指令集体系结构10
1.3.3计算机的系统级存储器访问体系结构11
1.4嵌入式微处理器与智能硬件12
1.4.1嵌入式系统与智能硬件12
1.4.2嵌入式微处理器13
1.551系列单片机15
1.5.1经典型51单片机15
1.5.2经典型51单片机的最小系统19
1.651系列单片机的存储器结构20
1.6.151系列单片机的存储器构成20
1.6.251系列单片机的外设寄存器23
习题与思考题26
第2章指令系统与汇编程序设计28
2.1汇编指令及伪指令28
2.1.1指令与汇编语言28
2.1.2指令系统与指令格式28
2.1.3伪指令29
2.2寻址方式32
2.2.1寻址方式及三种面向32
2.2.2数的寻址33
2.2.3指令寻址35
2.3数据传送指令36
2.3.1普通传送指令36
2.3.2数据交换指令39
2.3.3栈操作指令40
2.3.4位传送指令40
2.4算术运算指令41
2.4.1加法指令41
2.4.2减法指令43
2.4.3乘法和除法指令44
2.5逻辑运算指令45
2.5.1逻辑与、逻辑或和逻辑异或指令45
2.5.2累加器的逻辑运算指令46
2.5.3位逻辑操作指令48
2.6控制转移指令与汇编软件设计48
2.6.1无条件转移指令49
2.6.2子程序调用及返回指令50
2.6.3条件转移指令及应用54
2.6.4空操作指令与软件延时62
习题与思考题63
第3章嵌入式C程序设计与开发调试66
3.151系列单片机的C编译器66
3.2C51/Cx51的数据类型及定义68
3.2.1C51/Cx51的数据类型68
3.2.2C51/Cx51的存储类型71
3.2.3C51/Cx51的存储模式72
3.3C51/Cx51中绝对地址的访问73
3.4KeilμVision嵌入式集成开发环境75
3.5嵌入式开发工具与调试81
3.5.1嵌入式系统的开发工具81
3.5.2嵌入式系统的调试83
习题与思考题84
第4章中断与中断系统85
4.1异步事件的查询工作方式和中断工作方式85
4.1.1异步事件的查询工作方式85
4.1.2异步事件的中断工作方式85
4.2计算机的中断系统及中断响应过程86
4.2.1中断系统87
4.2.2中断响应过程88
4.351系列单片机的中断系统及软件设计方法90
4.3.1经典型51单片机的中断源和中断系统90
4.3.251系列单片机中断程序的编制92
4.4外中断94
4.4.1外中断及其中断请求触发方式94
4.4.2经典型51单片机的外中断及软件设计94
4.4.3多外部中断源查询中断系统设计95
4.5外设及存储器的DMA工作方式97
习题与思考题100
第5章GPIO及人机接口技术初步101
5.1微处理器的GPIO101
5.1.1GPIO的基本结构101
5.1.2GPIO的输出驱动电路103
5.2经典型51单片机的GPIO107
5.3LED数码管显示器接口技术111
5.3.1LED数码管显示器及译码方式111
5.3.2LED数码管的显示驱动方式114
5.4机械键盘接口技术117
5.4.1键盘的工作原理117
5.4.2矩阵式键盘及驱动接口120
5.4.3键盘的工作方式124
习题与思考题128
第6章系统总线与系统扩展技术129
6.1系统总线及时序129
6.1.1微处理器的系统总线129
6.1.2经典型51单片机的系统总线130
6.1.3经典型51单片机的系统总线时序131
6.2系统级存储器的综合扩展134
6.2.1系统总线的共享原则134
6.2.2相同控制信号系统级器件的综合扩展135
6.2.3同时扩展程序存储器与数据存储器138
6.3基于系统总线扩展系统级外设140
6.3.1基于系统总线扩展系统级GPIO140
6.3.2基于系统总线扩展系统级外设举例：扩展A/D转换器（ADC0809）143
6.41602字符液晶及其6800时序接口技术145
6.4.16800系统总线及时序模拟146
6.4.21602字符液晶及软件驱动设计149
习题与思考题154
第7章嵌入式微处理器的定时/计数器及应用156
7.1嵌入式微处理器的定时/计数器外设156
7.2Timer0和Timer1157
7.2.1Timer0、Timer1的结构及相关SFR157
7.2.2Timer0和Timer1的16位计数方式159
7.3定时/计数器的自动重载工作方式162
7.3.1Timer0和Timer1的8位自动重载工作方式162
7.3.2Timer2及16位自动重载工作方式164
7.3.3利用自动重载计数器扩展外中断的原理和方法167
7.4基于定时器的周期信号发生技术168
7.4.1基于定时器产生PWM波的原理168
7.4.2基于DDS原理和DAC产生波形170
7.5时间间隔、时刻差测量与Timer2的捕获工作方式174
7.5.1GATE位与脉宽测量174
7.5.2脉宽测量项目——双积分型A/D转换器（ICL7135）接口技术175
7.5.3Timer2的捕获工作方式与时刻差测量179
7.5.4时刻差测量的典型应用项目及分析181
7.6矩形波的频率测量183
7.6.1频率的直接测量方法——定时计数方法184
7.6.2频率的间接测量方法——测量周期法186
7.6.3优化测量法186
7.6.4频率测量的典型应用项目及分析190
习题与思考题191
第8章UART与智能硬件通信技术192
8.1串行通信与UART192
8.1.1数据通信与串行通信192
8.1.2串行通信的位同步与UART193
8.2RS-232和RS-485串行通信接口195
8.2.1RS???232接口195
8.2.2RS???485接口198
8.351系列单片机的UART及软件设计200
8.3.151系列单片机串行口的UART200
8.3.2UART的波特率设置及初始化202
8.3.3UART点对点通信实例204
8.4单主多从的现场总线多机通信系统211
8.4.1UART的单主多从多机通信模式及多机通信原理212
8.4.2单主多从现场总线与校验技术216
习题与思考题223
第9章智能硬件的串行扩展技术224
9.1SPI总线扩展接口及时序224
9.1.1SPI总线及其应用系统结构224
9.1.2SPI总线的接口时序225
9.1.3经典型51单片机串口的方式0——8位LSB半双工SPI主机226
9.1.4SPI与DSPI、QSPI扩展接口232
9.2软件模拟SPI主机时序实例233
9.2.1串入并出扩展输出口233
9.2.2扩展A/D转换器——TLC2543234
9.3I2C串行总线扩展技术237
9.3.1I2C总线拓扑及引脚结构237
9.3.2I2C总线的数据传送239
9.3.3I2C主机的软件模拟242
9.3.4I2C总线接口E2PROM248
9.4单色图形点阵液晶和OLED屏249
9.5DS18B20温度传感器与单总线扩展技术253
9.5.1DS18B20及操作命令253
9.5.2DS18B20的单总线组网与识别256
9.5.3DS18B20的单总线读写时序258
9.5.4单片DS18B20测温应用程序设计259
习题与思考题262