Microcomputer Systems
Valvano，Jonathan W.
Texas Instruments inc Bangalore，India
Electronic systems are used for handing information in the most general sense; this information may be telephone conversation, instrument read or a companyrsquo;s accounts, but in each case the same main type of operation are involved: the processing, storage and transmission of information. in conventional electronic design these operations are combined at the function level; for example a counter, whether electronic or mechanical, stores the current and increments it by one as required. A system such as an electronic clock which employs counters has its storage and processing capabilities spread throughout the system because each counter is able to store and process numbers.
Present day microprocessor based systems depart from this conventional approach by separating the three functions of processing, storage, and transmission into different section of the system. This partitioning into three main functions was devised by Von Neumann during the 1940s, and was not conceived especially for microcomputers. Almost every computer ever made has been designed with this structure, and despite the enormous range in their physical forms, they have all been of essentially the same basic design.
In a microprocessor based system the processing will be performed in the microprocessor itself. The storage will be by means of memory circuits and the communication of information into and out of the system will be by means of special input/output(I/O) circuits. It would be impossible to identify a particular piece of hardware which performed the counting in a microprocessor based clock because the time would be stored in the memory and incremented at regular intervals but the microprocessor. However, the software which defined the systemrsquo;s behavior would contain sections that performed as counters. The apparently rather abstract approach to the architecture of the microprocessor and its associated circuits allows it to be very flexible in use, since the system is defined almost entirely software. The design process is largely one of software engineering, and the similar problems of construction and maintenance which occur in conventional engineering are encountered when producing software.
The figure1.1 illustrates how these three sections within a microcomputer are connected in terms of the communication of information within the machine. The system is controlled by the microprocessor which supervises the transfer of information between itself and the memory and input/output sections. The external connections relate to the rest (that is, the non-computer part) of the engineering system.
Fig.1.1 Three Sections of a Typical Microcomputer
Although only one storage section has been shown in the diagram, in practice two distinct types of memory RAM and ROM are used. In each case, the word lsquo;memoryrsquo; is rather inappropriate since a computers memory is more like a filing cabinet in concept; information is stored in a set of numbered lsquo;boxesrsquo; and it is referenced by the serial number of the lsquo;boxrsquo; in question.
Microcomputers use RAM (Random Access Memory) into which data can be written and from which data can be read again when needed. This data can be read back from the memory in any sequence desired, and not necessarily the same order in which it was written, hence the expression lsquo;randomrsquo; access memory. Another type of ROM (Read Only Memory) is used to hold fixed patterns of information which cannot be affected by the microprocessor; these patterns are not lost when power is removed and are normally used to hold the program which defines the behavior of a microprocessor based system. ROMs can be read like RAMs, but unlike RAMs they cannot be used to store variable information. Some ROMs have their data patterns put in during manufacture, while others are programmable by the user by means of special equipment and are called programmable ROMs. The widely used programmable ROMs are erasable by means of special ultraviolet lamps and are referred to as EPROMs, short for Erasable Programmable Read Only Memories. Other new types of device can be erased electrically without the need for ultraviolet light, which are called Electrically Erasable Programmable Read Only Memories, EEPROMs.
The microprocessor processes data under the control of the program, controlling the flow of information to and from memory and input/output devices. Some input/output devices are general-purpose types while others are designed for controlling special hardware such as disc drives or controlling information transmission to other computers. Most types of I/O devices are programmable to some extent, allowing different modes of operation, while some actually contain special-purpose microprocessors to permit quite complex operations to be carried out without directly involving the main microprocessor.
The microprocessor , memory and input/output circuit may all be contained on the same integrated circuit provided that the application does not require too much program or data storage . This is usually the case in low-cost application such as the controllers used in microwave ovens and automatic washing machines . The use of single package allows considerable cost savings to e made when articles are manufactured in large quantities . As technology develops , more and more powerful processors and larger and larger amounts of memory are being incorporated into single chip microcomputers with resulting saving in assembly costs in the final products . For the foreseeable future , however , it will continue to be necessary to interconnect a number of integrated circuits to make a microcomputer whenever larger amounts of storage or input/output are required.
Another major engineering application of microcomputers is in process control. Here the pr
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微型计算机系统
电子系统用从最一般的意义上来说就是被用于信息传输，这些信息可能是电话交谈,仪器读取或一个公司的账户,但在每种情况下主要涉及到的相同操作类型：信息处理、存储和传输。在传统的电子设计中，这些操作都包含相同的水平，诸如使用计数器的电子时钟之类的系统的存储和处理能力遍布整个系统，因为每个计数器能够存储和处理数字。
目前的基于微处理器的系统脱离了这种传统的方法，将处理，存储和传输的三个功能分为系统的不同部分。这种划分为三个主要功能是由冯·诺依曼在20世纪40年代设计的，并没有特别设计用于微型计算机。 几乎每一台计算机都是用这种结构设计的，尽管它们的物理形式有很大的差异，但它们基本上都是一样的基本设计。
在基于微处理器的系统中，处理将在微处理器本身中执行。存储器将通过存储器电路，并且通过特殊的输入/输出（I / O）电路将信息传入和传出系统。在基于微处理器的时钟中识别执行计数的特定硬件是不可能的，因为时间将被存储在存储器中并且以规则的间隔递增，而不是微处理器。然而，定义系统行为的软件将包含作为计数器执行的部分。对于微处理器及其相关电路的架构来说，显然相当抽象的方法使其在使用中非常灵活，因为系统几乎完全被定义为软件。设计过程主要是软件工程之一，在生产软件时会遇到常规工程中存在的类似的施工维护问题。
图1-1说明了在机器内的信息和通信方面，微型计算机内的这三个部分是如何连接的。 该系统由微处理器控制，微处理器监控其本身与存储器和输入/输出部分之间的信息传输。 外部连接与工程系统的其余部分（即非计算机部分）相关。
图1.1典型微机三段
虽然图中仅显示了一个存储部分，但实际上使用了两种不同类型的存储器RAM和ROM。 在每种情况下，“记忆”这个词是不恰当的，因为计算机内存在概念上更像是文件柜; 信息存储在一组编号的“框”中，并且由相关的“框”的序列号引用。
微型计算机使用可以写入数据的RAM（随机存取存储器），并在需要时再次读取数据。该数据可以以任何期望的顺序从存储器读回，并不一定与写入的顺序相同，因此可以表示为“随机”存取存储器。使用另一种类型的ROM（只读存储器）来保持不受微处理器影响的固定信息模式；当功率消除时，这些模式不会丢失，并且通常用于保存定义基于微处理器的系统的行为的程序。 ROM可以像RAM一样读取，但与RAM不同，它们不能用于存储可变信息。一些ROM在制造过程中有其数据模式，而其他ROM可以由用户通过专用设备编程，并被称为可编程ROM。广泛使用的可编程ROM可以通过特殊的紫外线灯进行擦除，被称为EPROM，它是可擦除可编程只读存储器的缩写。其他新类型的器件可以在不需要紫外线的情况下被电擦除，这被称为电可擦除可编程只读存储器，还有其他类型的EEPROM。
微处理器在程序的控制下处理数据，控制与存储器和输入/输出设备之间的信息流。 一些输入/输出设备是通用类型，而其他设计用于控制特殊硬件，如磁盘驱动器或控制信息传输到其他计算机。 大多数类型的I / O设备在一定程度上是可编程的，允许不同的操作模式，而一些实际上则包含专用微处理器，可以在不直接涉及主微处理器的情况下执行相当复杂的操作。
微处理器，存储器和输入/输出电路都可以包含在相同的集成电路上，只是应用程序不需要太多的程序或数据存储。 这在低成本应用中通常是这样的，例如微波炉和自动洗衣机中使用的控制器。 单个包装的允许使用在大量制造制品时可以节省大量成本。 随着技术的发展，越来越强大的处理器和越来越多的内存被并入单片微型计算机，从而节省了最终产品的组装成本。 然而，在可预见的将来，如果需要更大量的存储或输入/输出，则仍然需要互连多个集成电路以制造微型计算机。
微型计算机的另一个主要工程应用是在过程控制中。这里，微型计算机的存在通常对于用户来说更为明显，因为是指为特定应用的微型计算机进行编程。在过程控制应用中，将整个系统适用于单个芯片的优点通常被所涉及的高设计成本所重视，因为这种设备以较小的数量生产。此外，过程控制器通常更复杂，因此更难以将其作为单个集成电路。两种方法是可能的；控制器可以被实现为通用微型计算机，而不是像爱好计算机一样更完善的版本，或者作为“封装的”系统，用于基于诸如电磁继电器的旧技术来替换控制器。在前一种情况下，系统可能以常规编程语言编程，例如稍后介绍的编程语言，而在另一种情况下可能使用专用语言，例如允许描述控制器功能的语言在中继互联方面，无论哪种情况，程序都可以存储在RAM中，这样可以将它们进行更改，以适应应用的变化，但这使整个系统容易受到损失，除非使用电池来确保电源的连续性。或者程序可以存储在ROM中，在这种情况下，它们实际上成为电子“硬件”的一部分，通常被称为固件。更复杂的过程控制器需要小型计算机实现，尽管可以使用大规模集成电路来区分微型和微型计算机，各种产品和过程控制器代表了当今大多数微机应用，具体数字取决于人的解释的“产品”一词。几乎所有的微型计算机的工程和科学用途都可以分配到这些类别中的一个或其他类别。但在系统中，我们最先研究的是压力和压力变送器。当在一个区域上施加力时会产生压力。如果力量是一牛顿，均匀地在一平方米的面积上，压力被指定为一帕斯卡。压力是一个通用的加工条件。它也是地球上生命的一个条件：我们生活在向上延伸许多英里的大气海洋的底部。这种空气质量有重量，这种向下压力的重量会产生大气压力。水是生命的基本必需品，在我们大部分人的压力下供应。在典型的工艺设备中，压力影响沸点温度，凝结点温度，工艺效率，成本和其他重要因素。在典型的工艺设备中测量和控制压力或缺乏，真空也显得至关重要。
工厂的工作设备通常包括简单的压力表，精密记录仪和指示器，以及气动和电子压力变送器。 压力变送器进行压力测量，并产生与被感测的压力成正比的气动或电信号输出。
在工厂生产中，将控制仪器定位在过程附近是不切实际的。 大多数测量也不容易，如从一些偏远地区传输也是如此。 压力测量是一个例外，但如果某些危险化学品的高压要从测量点指示或记录几百英尺，那么危险可能来自压力或来自化学品的危险。
为了消除这个问题，开发了一种信号传输系统。 该系统通常是气动或电动的。 并控制仪器在一个位置， 这使得最少数量的操作员有效地运行工厂，并使得它更加实用。
当采用气动传动系统时，测量信号由变送器测量值从0到100％的变送器转换为气动信号。 该变送器在安装过程中接近测量点，气动变送器的变送器输出 - 空气压力被输送到记录或控制仪器。 气动变送器的标准输出范围为20至100kPa，几乎普遍使用。
当使用电子压力变送器时，压力转换为可能是电流或电压的电气信号。 其标准范围为4至20mA直流电流信号或1至5V直流电压信号。 现在，正在变得普遍的另一种类型的电信号是数字或离散信号，它使用基于计算机的仪器和控制系统或强制使用这种类型的信号。
有时，分析重要的是获取描述传感器/变送器行为的参数。 一旦知道跨度，获得相当简单。考虑一个范围为0~600kpa.A的电子压力变送器，这收益就是
定义为输出变化除以输入变化。 在这种情况下，输出为电信号（4~20madc），输入为过程压力0~600kpa.A，得到增益。 另外我们必须测量温度，其测量在工业控制中是重要的，作为系统或产品状态的直接指示，以及诸如反应速率，能量流，涡轮机效率和润滑剂质量等因素的间接指示。 目前的温度计已经使用了大约200年，最早的仪器是基于气体和液体的热膨胀。 尽管许多其他类型的仪器是可用的，仍然使用这种填充系统。 代表性的温度传感器包括：填充的热系统，液体玻璃温度计，热电偶，电阻温度检测器，恒温器，双金属器件，光学和辐射高温计和温度敏感的涂料。
电气系统的优点包括高精度和灵敏度，切换或扫描几个测量点的实用性，测量元件和控制器之间可能的更大距离，组件更换（而不是完整系统），快速响应和测量更高温度的能力。 在电气温度传感器中，热电偶和电阻温度检测器被广泛使用。
描述
AT89C51是一种低功耗，高性能CMOS 8位微处理器，具有4K字节的闪存可编程和可擦除只读存储器（PEROM）。 该器件使用Atmel的高密度非易失性存储器技术制造，并且符合行业标准的MCS-51指令集和引脚排列。 片上闪存允许程序存储器在系统中或由常规的非易失性存储器编程器重新编程。 通过将多功能8位CPU与闪存组合在一块单片芯片上，Atmel AT89C51是一款功能强大的微型计算机，为许多嵌入式控制应用提供了高度灵活且经济高效的解决方案。
功能特点
AT89C51提供以下标准功能：4K字节的闪存，128字节的RAM，32个I / O线，两个16位定时器/计数器，五向量两级中断架构，全双工串行端口，片上 振荡器和时钟电路。 此外，AT89C51还设计有静态逻辑，用于零频率运行，并支持两种软件可选省电模式。 空闲模式停止CPU，同时允许RAM，定时器/计数器，串行端口和中断系统继续运行。 掉电模式保存RAM内容，但冻结振荡器将禁用所有其他芯片功能，直到下一次硬件复位为止。
引脚说明
VCC：电源电压。
GND：接地。
端口0：
端口0是8位开漏双向I / O端口。 作为输出端口，每个引脚可以吸收8个TTL输入。 当1s写入端口0引脚时，引脚可以用作高阻抗输入。端口0也可以被配置为在外部程序和数据存储器访问期间被复用的位数地址/数据总线。 在该模式下，P0具有内部上拉电阻.Port 0也在Flash编程期间接收代码字节，并在编程期间输出代码字节。 在编程过程中需要外部上拉。
端口1
端口1是具有内部上拉的8位双向I / O端口。端口1输出缓冲器可以吸收/输出四个TTL输入。当1被写入端口1引脚时，它们被内部上拉拉高，并且可以 用作输入。 作为输入，外部拉低的端口1引脚将由于内部上拉电流而导致电流（IIL）。在Flash编程和验证期间，端口1还接收低位地址字节。
端口2
端口2是具有内部上拉的8位双向I / O端口。端口2输出缓冲器可以吸收/输出四个TTL输入。当1被写入端口2引脚时，它们被内部上拉拉高，可以是 用作输入。 作为输入，外部拉低的端口2引脚将由于内部上拉电流而导通电流。端口2在从外部程序存储器提取期间以及在使用16位地址的外部数据存储器访问期间发出高位地址字节 。 在这种应用中，当发射1s时，它使用强大的内部上拉电阻。 在访问使用8位地址的外部数据存储器时，端口2发出P2特殊功能寄存器的内容。端口2还在Flash编程和验证期间接收高位地址位和一些控制信号。
端口3
端口3是具有内部上拉的8位双向I / O端口。端口3输出缓冲器可以吸收/输出四个TTL输入。当1被写入端口3引脚时，它们被内部上拉拉高，可以是 用作输入。 作为输入，外部拉低的端口3引脚由于上拉电流而导致电流（IIL）。端口3还具有以下列出的AT89C51的各种特殊功能：
端口3还接收一些用于Flash编程和验证的控制信号。
RST
复位输入 当振荡器运行时，该引脚上的两个机器周期的高电平将复位器件。
ALE / PROG
地址锁存使能输出脉冲，用于在访问外部存储器期间锁存地址的低字节。 该引脚在闪存编程期间也是编程脉冲输入（PROG）。在正常操作中，ALE以振荡器频率的1/6的恒定速率发射，可用于外部定时或时钟目的。 但是请注意，在每次访问外部数据存储器期间都会跳过一个ALE脉冲。
如果需要，可以通过设置SFR位置8EH的位0来禁用ALE操作。 位置1后，ALE仅在MOVX或MOVC指令期间有效。 否则，引脚被弱拉高。 如果微控制器处于外部执行模式，则设置ALE禁用位无效。
PSEN
程序存储启用是对外部程序存储器的读选通。当AT89C51从外部程序存储器执行代码时，除了在每次访问外部数据存储器期间跳过两个PSEN激活之外，每个机器周期都会激活两次PSEN。
EA / VPP
外部访问启用。 EA必须绑定到GND，以使器件能够从0000H直到FFFFH从外部程序存储单元获取代码。 但是，请注意，如果锁定位1被编程，则EA将在复位时内部锁存.EA应该被绑定到VCC以进行内部程序执行。该引脚在闪存编程期间还接收到12伏编程使能电压（VPP），用于 需要12伏VPP的部件。
XTAL1
输入到反相振荡器放大器并输入到内部时钟工作电路。
XTAL2
反相振荡器放大器的输出。
振荡器特性
XTAL1和XTAL2分别是可以配置为用作片上振荡器的反相放大器的输入和输出，如图1所示。可以使用石英晶体或陶瓷谐振器。 为了从外部时钟源驱动器件，XTAL2应该在XTAL1被驱动时保持不连接，如图2所示。对外部时钟信号的占空比没有要求，因为内部时钟电路的输入通过 二分之一触发器，但必须遵守最低和最高电压高低时间规格。
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