四川工商學院 屈召貴 汪光宅

?

關于單片機硬件結構的教學探討

四川工商學院 屈召貴 汪光宅

摘 要：本文針對MCS-51單片機硬件結構教學，提出“三一三”教學模式及內(nèi)容，即三張結構圖，一個演示實驗和三大硬件區(qū)域。通過一系列實際對比驗證，該教學模式能讓學生較系統(tǒng)、全面地掌握單片機硬件組成結構及工作原理。

關鍵詞：課單片機硬件結構 “三一三”教學模式 教學改革

MCS-51單片機自引入我國以來，一直作為高校電類專業(yè)的必修課程。單片機教學綜合了模擬電路、數(shù)字電路、傳感器等多種技術的應用，設計元器件、電路設計到程序調(diào)測等一系列過程，是學生全面掌握專業(yè)知識的有效辦法。各院校都投入大量的人力、物力建立單片機實驗室，大學生電子設計競賽也均以單片機應用設計為主題開展競賽活動，以此強調(diào)單片機應用的重要性。

一、單片機內(nèi)核結構“三一三”教學模式的內(nèi)容設計

單片機硬件結構是單片機課程教學內(nèi)容之首，學生掌握程度直接影響后續(xù)知識地學習。經(jīng)過實踐，本文提出“三一三”的單片機硬件結構教學模式，即三張結構圖、一個演示實例和三大硬件區(qū)域。

1.三張硬件結構圖的設計

三張硬件結構圖分別是：計算機的概念圖、基于總線的MCS-51單片機的框圖、MCS-51單片機內(nèi)部結構概念圖，分別如圖1、圖2和圖3所示。

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

在此基礎上，我們對CPU、運算器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器進一步細化，創(chuàng)新設計了圖3，比較貼切充分的地反映CS-51單片機單片機的編程結構，對MCS-51單片機內(nèi)部整個框架呈現(xiàn)出來，對該圖的理解是后續(xù)學習的基礎。該圖也是“三一三”教學模式的核心。

圖2 基于總線的51單片機概念結構簡化圖

圖3 MCS-51單片機內(nèi)部結構概念圖

2.一個演示實例設計

演示實例基于圖3，貫穿整個三大區(qū)域的講解演示。

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

表1 實例匯編代碼

3.三大區(qū)域分解

如圖3所示，MCS-51單片機硬件結構分解為三大區(qū)域：核芯區(qū)、系統(tǒng)支持區(qū)和片上外設區(qū)。利用演示實例，采用掛圖或PPT動畫的教學方法。

（1）核芯區(qū)

①程序存儲。程序指令是二進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，該單元機器碼指令即被取出，完成了指令的讀取。MCS-51單片機的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)存儲又稱隨機存儲器RAM，關斷電源以后，數(shù)據(jù)全部消失。

片內(nèi)RAM，對基本型51機而言，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的FSR，得點講述內(nèi)核寄存器A、B、SP、DPTR、PSW。

結合圖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算術邏輯運算器。ALU功能是進行算術與邏輯運算。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入運算器參與運算，運算結果經(jīng)總線傳送到指定的目標單元，運算中的狀態(tài)由PSW存放。結合圖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，由控制器進行譯碼，并進一步把指令的操作“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

電源是給單片機內(nèi)的各部分提供電源能量。

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

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

（3）外圍模塊

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

二、“三一三”教學模式的效果分析

“三一三”教學模式已運行兩年?，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）通過如下三項進行對比，如表2所示。

表2 教學效果分析

三、結束語

本文針對當前單片機硬件結構教學的不足之處提出了“三一三”教學思路。隨著單片機技術的迅速發(fā)展，教師應不斷調(diào)整教學內(nèi)容，改進教學方法，豐富教學手段，以適應時代發(fā)展的需要，調(diào)動學生學習的積極性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，實現(xiàn)教與學的統(tǒng)一。

參考文獻：

［1］李學海.《PIC單片機原理》［M］.北京：北京航空航天大學出版社M，2007

［2］許 毅，劉國慶.以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為主的單片機教學探討［J］.裝備制造技術，2011

［3］唐 煒.單片機原理與應用教學改革探討［J］.電氣電子教學學報，2012

［4］趙 波，齊紅霞.基于實驗室的單片機教學模式探討［J］.中國教育技術裝備，2015

［5］羅偉華，湯 婕.單片機教學探討［J］.科技資訊，2014

（此文系基金項目：2013省級電子技術精品資源共享課項目；2013省級電子與電訊實驗教學示范中心項目）

文章編號：ISSN2095-6711/Z01-2016-01-0246