四川工商學(xué)院 屈召貴 汪光宅

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關(guān)于單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的教學(xué)探討

四川工商學(xué)院 屈召貴 汪光宅

摘 要：本文針對MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)教學(xué)，提出“三一三”教學(xué)模式及內(nèi)容，即三張結(jié)構(gòu)圖，一個演示實(shí)驗(yàn)和三大硬件區(qū)域。通過一系列實(shí)際對比驗(yàn)證，該教學(xué)模式能讓學(xué)生較系統(tǒng)、全面地掌握單片機(jī)硬件組成結(jié)構(gòu)及工作原理。

關(guān)鍵詞：課單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu) “三一三”教學(xué)模式 教學(xué)改革

MCS-51單片機(jī)自引入我國以來，一直作為高校電類專業(yè)的必修課程。單片機(jī)教學(xué)綜合了模擬電路、數(shù)字電路、傳感器等多種技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)元器件、電路設(shè)計(jì)到程序調(diào)測等一系列過程，是學(xué)生全面掌握專業(yè)知識的有效辦法。各院校都投入大量的人力、物力建立單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室，大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽也均以單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)為主題開展競賽活動，以此強(qiáng)調(diào)單片機(jī)應(yīng)用的重要性。

一、單片機(jī)內(nèi)核結(jié)構(gòu)“三一三”教學(xué)模式的內(nèi)容設(shè)計(jì)

單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)是單片機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容之首，學(xué)生掌握程度直接影響后續(xù)知識地學(xué)習(xí)。經(jīng)過實(shí)踐，本文提出“三一三”的單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)教學(xué)模式，即三張結(jié)構(gòu)圖、一個演示實(shí)例和三大硬件區(qū)域。

1.三張硬件結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì)

三張硬件結(jié)構(gòu)圖分別是：計(jì)算機(jī)的概念圖、基于總線的MCS-51單片機(jī)的框圖、MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)概念圖，分別如圖1、圖2和圖3所示。

講授內(nèi)容上先從圖1開始，該圖反映了從計(jì)算器到馮?諾伊曼計(jì)算機(jī)計(jì)演變過程。從圖1中引入總線，隨道集成電路的發(fā)展，總線被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)中。由圖1演變?yōu)閳D2，基于總線的MCS-51機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，將單片機(jī)上的存儲器、CPU、片上外設(shè)都掛接于總線上，大大提高了單片機(jī)的運(yùn)行效率。圖2是國內(nèi)大多數(shù)MCS-51單片機(jī)教科書上的硬件結(jié)構(gòu)圖，但此圖較粗略，不易理解。

在此基礎(chǔ)上，我們對CPU、運(yùn)算器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)一步細(xì)化，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了圖3，比較貼切充分的地反映CS-51單片機(jī)單片機(jī)的編程結(jié)構(gòu)，對MCS-51單片機(jī)內(nèi)部整個框架呈現(xiàn)出來，對該圖的理解是后續(xù)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。該圖也是“三一三”教學(xué)模式的核心。

圖2 基于總線的51單片機(jī)概念結(jié)構(gòu)簡化圖

圖3 MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)概念圖

2.一個演示實(shí)例設(shè)計(jì)

演示實(shí)例基于圖3，貫穿整個三大區(qū)域的講解演示。

實(shí)例：計(jì)算原始數(shù)據(jù)29h與單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲器中地址為30h單元的內(nèi)容相加，所得的“和”存放在單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲器的40h單元。匯編語言程序、機(jī)器碼、存儲地址如表1所示。

表1 實(shí)例匯編代碼

3.三大區(qū)域分解

如圖3所示，MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)分解為三大區(qū)域：核芯區(qū)、系統(tǒng)支持區(qū)和片上外設(shè)區(qū)。利用演示實(shí)例，采用掛圖或PPT動畫的教學(xué)方法。

（1）核芯區(qū)

①程序存儲。程序指令是二進(jìn)制的形式存放在程序存儲器中，在圖3中演示存放表1中機(jī)器碼的過程。

指令獲取是通過PC完成的，只要給它提供指定存儲器中的某單元地址后，該單元機(jī)器碼指令即被取出，完成了指令的讀取。MCS-51單片機(jī)的PC寄存器是16位，因此它的“尋址范圍”為0～65535，即64KB。

②數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)存儲又稱隨機(jī)存儲器RAM，關(guān)斷電源以后，數(shù)據(jù)全部消失。

片內(nèi)RAM，對基本型51機(jī)而言，地址范圍為0h～0ffh，容量為256個單元。

片外RAM，地址范圍為0h～0ffffh，全空間地址范圍為0h～0ffffh。

片內(nèi)特殊功能寄存器：地址范圍80h～0ffh，在這個上128個地址的空間中，離散地分布著單片機(jī)的FSR，得點(diǎn)講述內(nèi)核寄存器A、B、SP、DPTR、PSW。

結(jié)合圖3和表1演示指令：ADD A，30h和MOV 40h，A的執(zhí)行過程，突出從RAM中取數(shù)據(jù)與存儲數(shù)據(jù)的過程。

③算術(shù)邏輯運(yùn)算器。ALU功能是進(jìn)行算術(shù)與邏輯運(yùn)算。通常是兩個源操作數(shù)在控制器管理下，分別通過數(shù)據(jù)選擇器或暫存器分別進(jìn)入運(yùn)算器參與運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果經(jīng)總線傳送到指定的目標(biāo)單元，運(yùn)算中的狀態(tài)由PSW存放。結(jié)合圖3演示指令：ADD A，30H在ALU中的過程，講解程序狀態(tài)寄存器PSW。

④控制器?？刂破鞯淖饔镁褪侵笓]單片機(jī)各部件協(xié)調(diào)完成指令的“執(zhí)行”。指令取出來首先存放在指令寄存器中，由控制器進(jìn)行譯碼，并進(jìn)一步把指令的操作“分解”為一系列“微操作”，統(tǒng)一調(diào)度單片機(jī)各部件協(xié)調(diào)工作，從而完成指令的“執(zhí)行”。

（2）系統(tǒng)支持模塊

電源是給單片機(jī)內(nèi)的各部分提供電源能量。

時(shí)基發(fā)生器作用是給單片機(jī)提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號，是保證計(jì)算機(jī)各部分協(xié)調(diào)工作的節(jié)拍信號、同步信號。

復(fù)位是對單片機(jī)的各部件及特殊功能寄存器進(jìn)行“初始化”操作，以保證單片機(jī)從一個確定的初始狀態(tài)開始工作。

（3）外圍模塊

在MCS-51單片機(jī)中，外圍模塊有通用I/O口、定時(shí)器、UART串行通信口、A/D、D/A、I2C總線接口、SPI總線接口等。這些模塊的應(yīng)將在后續(xù)章節(jié)講解。

二、“三一三”教學(xué)模式的效果分析

“三一三”教學(xué)模式已運(yùn)行兩年?，F(xiàn)分別對12級自動化專業(yè)（67人，采用“三一三”模式）和電子信息工程專業(yè)（51人，采用傳通模式）通過如下三項(xiàng)進(jìn)行對比，如表2所示。

表2 教學(xué)效果分析

三、結(jié)束語

本文針對當(dāng)前單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)教學(xué)的不足之處提出了“三一三”教學(xué)思路。隨著單片機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，教師應(yīng)不斷調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法，豐富教學(xué)手段，以適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的統(tǒng)一。

參考文獻(xiàn)：

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［5］羅偉華，湯 婕.單片機(jī)教學(xué)探討［J］.科技資訊，2014

（此文系基金項(xiàng)目：2013省級電子技術(shù)精品資源共享課項(xiàng)目；2013省級電子與電訊實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心項(xiàng)目）

文章編號：ISSN2095-6711/Z01-2016-01-0246