单片微机原理 与应用,主编 罗印升,第1章 微型计算机基础知识,(1) 理解微型计算机的组成、各部分的作用、工作原理与工作过程。 (2) 了解单片机的产生、应用与发展趋势，理解单片机的特点。 (3) 掌握进位计数制的表示及其相互转换的方法。 (4) 掌握机器数及其表示方法和运算。 1.1 微型计算机系统概述 1.2 计算机中的数制与编码 1.3 计算机中数的表示与运算,1.1 微型计算机系统概述,1.1.1 微型计算机系统的基本组成和各部分的作用 1.1.2 单片微型计算机的发展及其应用,1.1.1 微型计算机系统的基本组成和各部分的作用,1.中央处理单元 2.存储器 3.总线 4. I/O接口 5. I/O设备 6.微型计算机的基本工作原理与工作过程,1.1.1 微型计算机系统的基本组成和各部分的作用,图1-1 微型计算机的硬件组成,1.1.1 微型计算机系统的基本组成和各部分的作用,图1-2 微型计算机系统的组成,1.中央处理单元,中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，是一种大规模或超大规模集成电路器件。其内部包括运算器(Operator)、控制器(Controller)及寄存器组(Register Group)，具有运算和控制功能。,2.存储器,存储器(Memory)是计算机中用来存放指令、数据、运算结果和各种需要保存信息的器件或设备。存储器通常包括三类：用于存放当前正在执行的程序和数据的主存储器(内存储器)；为解决CPU与主存储器间的数据传输率差异而设计，以提高系统处理效率的高速缓冲存储器(Cache)；为增大微型计算机系统信息存储容量而设置的磁盘存储器和光盘存储器(外存储器)。,3.总线,微型计算机系统采用总线结构。总线(Bus)是微型计算机系统中各部件之间传递信息的信号线的集合。按总线的功能可分为地址总线(Address Bus，AB)、数据总线(Data Bus，DB)和控制总线(Control Bus，CB)。 地址总线传送由CPU发出的用于选择要访问部件的地址。,4. I/O接口,CPU按其固有的时钟和操作特点进行工作，而各种I/O设备也按各自的规定进行操作，因此两者之间的信息交换需要一个桥梁，这个桥梁就是I/O接口电路，简称I/O接口。I/O接口可实现信息的有效转换(信息的交换速度匹配、信息格式转换、信息类型转换及电平匹配等)、选择所需设备(一台主机可连接多个I/O设备)、对所选的设备发布命令(启动、停止、读和写命令)及将I/O设备的状态(“忙/闲”、缓冲器的“满/空”等)发给CPU等。,5. I/O设备,I/O设备的作用是负责从外部输入程序和数据，并将运算结果以人们可以识别的形式输出，如键盘、条码识别器、打印机、显示器等。,6.微型计算机的基本工作原理与工作过程,图1-3 程序执行过程示意图,1.1.2 单片微型计算机的发展及其应用,1.单片微型计算机介绍 2.单片机的发展过程 3. 51系列单片机 4.单片机的特点及应用 5.单片机的发展趋势,1.单片微型计算机介绍,在一块半导体芯片上集成CPU、一定容量的存储器(ROM和RAM)、输入/输出(I/O)接口、定时器计数器和中断系统等微型计算机的基本部件，所构成的一个完整的微型计算机，就称为单片微型计算机(Single Chip Microcomputer，SCM)，简称单片机。由于它的结构和功能均是按照工业控制要求设计的，主要用于嵌入式应用，即通常嵌入到各种智能化产品中，所以单片机也称为嵌入式微控制器(Embedded MicroController，EMCU)，国际上通常称为微控制器(Micro Controller Unit，MCU)。,2.单片机的发展过程,单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面广、发展十分迅速，现已发展为60多个系列、600多个机种。如果以8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可划分为以下几个阶段。,3. 51系列单片机,1) 无ROM(-)型，即8031(80C31)芯片内无程序存储器，应用时需要在片外扩展程序存储器。 2) 掩膜ROM型，只能由生产厂商一次性写入，用户无法写入，适合于批量生产。 3) EPROM型，通过紫外线照射擦除，用户需要通过写入装置写入程序，适合于研发。 4) Flash ROM (闪存)型，可电擦除或写入的程序存储器，用户使用最便利。,3. 51系列单片机,表1-1 51系列单片机的性能,3. 51系列单片机,表1-1 51系列单片机的性能,3. 51系列单片机,表1-1 51系列单片机的性能,4.单片机的特点及应用,(1) 单片机的特点 (2) 单片机的应用领域,(1) 单片机的特点,由于单片机结构及其所采用的半导体生产工艺，使之具有下列显著特点： 集成度高、体积小、功耗低、便于嵌入式应用。 性能价格比高、控制性能突出。 应用系统组成灵活、方便，可靠性高。,(2) 单片机的应用领域,1) 工业控制领域。 2) 机电一体化产品。 3) 智能化仪器仪表。 4) 信息通信技术领域。 5) 智能交通系统。 6) 家用电器领域。,5.单片机的发展趋势,1) 资源更丰富。 2) 性能更高。 3) 存储容量更大。 4) 功耗更低。,1.2 计算机中的数制与编码,1.2.1 进位计数制及其转换 1.2.2 编码,1.2.1 进位计数制及其转换,1.常用进位计数制 2.常用数制之间的转换,1.常用进位计数制,(1) 进位计数制 (2) 十进制数 (3) 二进制数 (4) 十六进制数,(4) 十六进制数,表1-2 数015的4种不同进位制的表示对照,2.常用数制之间的转换,(1) 其他进制数转换为十进制数 (2) 十进制数转换为其他进制数 (3) 二进制数与十六进制数之间的转换,1.2.2 编码,1.二进制编码的十进制数 8421 BCD码简称BCD码，是用4位二进制数表示1位十进制数，4位二进制编码从左到右的每一位都有固定的权，其权值分别是23=8、22=4、21=2、20=1，因此称其为8421码。由于4位二进制数可以表示16种状态或者16个编码(00001111)，而十进制数的基本数码有09这10个，所以BCD码只使用了00001001来表示十进制数的09，见表1-3。其余的6种状态10101111在BCD码中是非法编码。在书写BCD码时，每1位BCD码(4位二进制数)写成一组、中间加一个空格，再加上BCD下标即可，如(0010 0001 0101.1001 0010)BCD。 2.字符的编码,1.二进制编码的十进制数,(1) 8421码,(1) 8421码,8421 BCD码简称BCD码，是用4位二进制数表示1位十进制数，4位二进制编码从左到右的每一位都有固定的权，其权值分别是23=8、22=4、21=2、20=1，因此称其为8421码。由于4位二进制数可以表示16种状态或者16个编码(00001111)，而十进制数的基本数码有09这10个，所以BCD码只使用了00001001来表示十进制数的09，见表1-3。其余的6种状态10101111在BCD码中是非法编码。在书写BCD码时，每1位BCD码(4位二进制数)写成一组、中间加一个空格，再加上BCD下标即可，如(0010 0001 0101.1001 0010)BCD。,(2) BCD码与十进制数、二进制数之间的转换 (3) BCD码在计算机中的存储方式 (4) BCD码的运算,表1-3 十进制数与对应的BCD码,(2) BCD码与十进制数、二进制数之间的转换,解：(125.26)10=(0001 0010 0101.0010 0110)BCD 解：(0010 0011.0001 0010 0101)BCD=(23.125)10=(10111.001)2,(3) BCD码在计算机中的存储方式,计算机中的存储单元通常以字节(8位二进制数)为单位，在1字节中如何存放BCD码有两种方式，即压缩的BCD码和非压缩的BCD码。 一个BCD码有4个二进制位，所以在1字节中可存放两个BCD码，这种存储方式称为压缩BCD码表示法。以压缩BCD码表示十进制数时，1字节表示两位十进制数。 在1字节中若低4位为BCD码，高4位全为0，这种存放形式称为非压缩的BCD码形式。,(4) BCD码的运算,BCD码的加法运算：BCD码的低位与高位之间是“逢十进一”，而4位二进制数是“逢十六进一”。因此，用二进制加法器进行BCD码加法运算时，若BCD码的各位之和在09之间，则其加法运算和二进制运算规则一致，即结果是正确的；若BCD码的各位之和大于9或者产生进位，则此位需要“加6修正”。 BCD码的减法运算：BCD码的低位向高位借位是“借一当十”，而4位二进制数是“借一当十六”。因此，进行BCD码减法运算时，若某位有借位时，则此位需要“减6修正”。 【注意】 多位BCD码运算时，每一位均需要按上述方法修正。,1W1.TIF,2.字符的编码,表1-4 ASCII编码表,2.字符的编码,表1-4 ASCII编码表,1.3 计算机中数的表示与运算,1.3.1 机器数及其表示方法 1.3.2 数的运算,1.3.1 机器数及其表示方法,1.无符号数的表示 2.有符号数的表示,1.无符号数的表示,(1) 无符号数的表示形式 (2) 无符号二进制数的表示范围,(1) 无符号数的表示形式,用来表示数的符号的数位称为符号位。无符号数没有符号位，数的所有数位Dn-1D0均为数值位。其表示形式为,(2) 无符号二进制数的表示范围,一个n位的无符号二进制数X，它可以表示的数的范围为0X2n-1。若结果超出了数的可表示范围，则会产生溢出，出错。,2.有符号数的表示,(1) 原码 (2) 反码 (3) 补码 (4) 定点数与浮点数,2.有符号数的表示,图1-4 有符号数的表示形式,(4) 定点数与浮点数,1) 定点数表示法。 2) 浮点数表示法。,(4) 定点数与浮点数,图1-5 定点数的表示,图1-6 浮点数的表示,1.3.2 数的运算,1.无符号数的运算 11010101 0000 2.有符号数的运算 1. IA-32(Intel 2.原码、反码、补码的理解 3.十进制数转换为其他进制数时高低位顺序的确定 4. 32位单片机简介,1.无符号数的运算,(1) 二进制数的加减运算 (2) 二进制数乘法运算,(1) 二进制数的加减运算,二进制加法运算，每一位遵循如下法则： 0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=0(向高位有进位)，逢二进一。微型计算机中两个二进制数相加的和向更高位有进位时，进位标记为1。 二进制减法运算，每一位遵循如下法则： 0-0=0，1-1=0，1-0=1，0-1=1(向高位有借位)，借一为二。微型计算机中两个二进制数相减的结果向更高位有借位时，借位标记为1。,(2) 二进制数乘法运算,解法一：按照十进制数的乘法过程有 解法二：采用移位加的方法，则有,解法一：按照十进制数的乘法过程有,1W2.TIF,解法二：采用移位加的方法，则有,乘数被乘数 部分积 11010101 0000 乘数为1，加被乘数到部分积上、被乘数左移1位01010 0101 乘数为0，不加被乘数到部分积上、被乘数左移1位010100 0101 乘数为1，加移位后的被乘数到部分积上、被乘数左移1位0101000 011001 乘数为1，加移位后的被乘数到部分积上1000001B 两种方法运算的结果是相同的，本质上两者也是相同的。,(3) 二进制数除法运算,【例1-13】 除数为101，被除数为011010，求商的值。 解：二进制数除法商的过程和十进制数有些类似，首先将除数和被除数的高n位进行比较，若除数小于被除数，则商为1，然后从被除数中减去除数，得到部分余数；否则商为0。将除数和新的部分余数进行比较，直至被除数所有的位数都处理为止，最后得到商和余数。,1W3.TIF,(4) 无符号二进制数的溢出判断