本章共有五节，主要介绍：本章共有五节，主要介绍： 1.1 电子计算机的发展概述电子计算机的发展概述 .2 1.2 单片机的发展过程及产品近单片机的发展过程及产品近.14 1.3 单片机的特点及应用领域单片机的特点及应用领域.19 1.4 单片机应用系统开发简介单片机应用系统开发简介.26 1.5 数制与码制数制与码制.321.1 电电子子计计算机的算机的发发展概述展概述1.1.1 1.1.1 电电子子计计算机的算机的问问世及其世及其经经典典结结构构 1946年年2月月15日日，第一台，第一台电电子数字子数字计计算机算机问问世，世，这标这标志志着着计计算机算机时时代代的到来。的到来。ENIAC ENIAC是是电电子子管管计计算算机机，时时钟钟频频率率仅仅有有100 KHz，但但能能在在1秒秒钟钟的的时时间间内内完完成成5000次次加加法法运运算。功耗算。功耗150kW，占地，占地170M2 ，造价，造价100万美元万美元 与与现现代代的的计计算算机机相相比比，有有许许多多不不足足，但但它它的的问问世世开开创创了了计计算算机机科科学学技技术术的的新新纪纪元元，对对人人类类的生的生产产和生活方式和生活方式产产生了巨大的影响生了巨大的影响 。 匈匈牙牙利利籍籍数数学学家家冯冯诺诺依依曼曼在在方方案案的的设设计计上上做做出出了了重重要要的的贡贡献献。1946年年6月月，他他又又提提出出了了“程程序序存存储储”和和“二二进进制制运运算算”的的思思想想，进进一一步步构构建建了了计计算算机机由由运运算算器器、控控制制器器、存存储储器器、输输入入设设备备和和输输出出设设备备组组成成这这一一计计算算机的经典结构。机的经典结构。(EDVAC-ELECTRONIC DISCRETE VARIABLE AUTOMATIC COMPUTER)电电子子计计算算机机技技术术的的发发展展，相相继继经经历历了了五五个个时时代：代： 电子管计算机；电子管计算机； 晶体管计算机；晶体管计算机； 集成电路计算机；集成电路计算机； 大规模集成电路计算机；大规模集成电路计算机； 超大规模集成电路计算机。超大规模集成电路计算机。计计算算机机的的结结构构仍仍然然没没有有突突破破冯冯诺诺依依曼曼提提出出的的计算机的经典结构框架。计算机的经典结构框架。微微型型计计算算机机系系统统硬件硬件微型计算机微型计算机（主机主机）微处理器微处理器 (CPU)软件软件外围设备外围设备运算器运算器控制器控制器主存储器主存储器 (内存内存)RAMROM外部设备外部设备辅助设备辅助设备 输入设备输入设备(键盘、扫描仪、语音识别仪键盘、扫描仪、语音识别仪) 输出设备输出设备(显示器、打印机、绘图仪、显示器、打印机、绘图仪、) 辅助存储器辅助存储器(磁带、磁盘、光盘磁带、磁盘、光盘)输入输入/ /输出接口输出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC) (I/O接口接口) 总线总线 (AB、DB、CB)系统软件系统软件( (操作系统，编辑、编译程序，故障诊断操作系统，编辑、编译程序，故障诊断, ,监控程序监控程序) )应用软件应用软件( (科学计算，工业控制，数据处理科学计算，工业控制，数据处理) )程序设计语言程序设计语言( (机器语言、汇编语言、高级语言机器语言、汇编语言、高级语言) )电源电路电源电路时钟电路时钟电路 1.1.2 1.1.2 微型微型计计算机的算机的组组成及其成及其应应用形用形态态一、微型一、微型计计算机的算机的组组成成 1971 1971年年1 1月，月，INTELINTEL公司的公司的特德特德霍夫在与日本商霍夫在与日本商业业通通讯讯公司合作研制台式公司合作研制台式计计算器算器时时，将原始方案的十几个芯，将原始方案的十几个芯片片压缩压缩成三个集成成三个集成电电路芯片。路芯片。其中的两个芯片分其中的两个芯片分别别用于存用于存储储程序和数据，程序和数据，另一芯片集另一芯片集成了运算器和控制器成了运算器和控制器及一些及一些寄存器，称寄存器，称为为微微处处理器理器（即（即Intel 4004Intel 4004）。）。4004微微处处理器理器 微微处处理理器器、存存储储器器加加上上I/O接接口口电电路路组组成成微微型型计计算算机机。各各部部分分通通过过地地址址总总线线（AB）、数数据据总总线线（DB）和和控控制制总总线线（CB）相相连连。（三三种种总总线线的的作作用用，数数据据总总线线宽宽度度，地地址址总总线线宽宽度度）。二、微型计算机的应用形态二、微型计算机的应用形态 从应用形态上，微机可以分成三种：从应用形态上，微机可以分成三种： 多板机（系统机）多板机（系统机） 将将CPU、存储器、存储器、I/O接口电路和总线接口等接口电路和总线接口等组装在一块主机板（即微机主板）。各种适配板组装在一块主机板（即微机主板）。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软/硬盘驱硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统软件，动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机）。机）。工业工业PC机机 也属于多板机。也属于多板机。 单板机单板机 将将CPU芯片、芯片、存储器存储器芯片、芯片、I/O接口接口芯片和简芯片和简单的单的I/O设备设备（小键盘、（小键盘、LED显示器）等装配在显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上一块印刷电路板上，再配上监控程序监控程序（固化在（固化在ROM中），就构成了一台单板微型计算机（简中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。称单板机）。单单板机板机单单板板机机的的I/O设设备备简简单单，软软件件资资源源少少，使使用用不不方方便便。早早期期主主要要用用于于微微型型计计算算机机原原理理的的教教学学及及简简单单的的测测控控系统系统，现在已很少使用。，现在已很少使用。 单片机单片机 在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片单芯片微型计算机，即单片机机。 三种应用形态的比较三种应用形态的比较 ：单单板机板机单单片机片机系系统统机（多板机）机（多板机） 系系统统机机（桌桌面面应应用用）属属于于通通用用计计算算机机，主主要要应应用用于于数数据据处处理理、办办公公自自动动化化及及辅辅助助设设计计等广泛领域。等广泛领域。 单单片片机机（嵌嵌入入式式应应用用）属属于于专专用用计计算算机机，主主要要应应用用于于智智能能仪仪表表、智智能能传传感感器器、智智能能家家电电、智智能能办办公公设设备备、汽汽车车及及军军事事电电子子设设备备等等应应用用系系统。统。 单单片片机机体体积积小小、价价格格低低、可可靠靠性性高高，其其非非凡凡的的嵌嵌入入式式应应用用形形态态对对于于满满足足嵌嵌入入式式应应用用需需求求具具有独特的优势。有独特的优势。 1.2 单单片机的片机的发发展展过过程及程及产产品近况品近况 1.2.1 1.2.1 单单片机的片机的发发展展过过程程 单单片机技片机技术发术发展展过过程可分程可分为为三个主要三个主要阶阶段：段： 单单芯片微机形成芯片微机形成阶阶段段 1976年，年，Intel公司推出了公司推出了MCS-48系列系列单单片机片机 。8位位CPU、1K字字节节ROM、64字字节节RAM、27根根I/O线线和和1个个8位定位定时时/计计数器数器。 特点是特点是：存：存储储器容量器容量较较小，小，寻寻址范址范围围小（不大于小（不大于4K），无串行接口，指令系），无串行接口，指令系统统功能不功能不强强。 性能完善提高性能完善提高 1980年，年，Intel公司推出了公司推出了MCS-51系列单片机：系列单片机：8位位CPU、4K字节字节ROM、128字节字节RAM、4个个8位并口、位并口、1个全双工串行口、个全双工串行口、2个个16位定时位定时/计数计数器。寻址范围器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处，并有控制功能较强的布尔处理器。理器。 特点是特点是：结构体系完善，性能已大大提高，：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在，面向控制的特点进一步突出。现在，MCS-51已已成为公认的单片机经典机种成为公认的单片机经典机种 。 特点是特点是：片内面向测控系统外围电路增强，使：片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。及设备。“微控制器微控制器”的称谓更能反应单片机的本质的称谓更能反应单片机的本质。 1982年，年，Intel推出推出MCS-96系列单片机。系列单片机。 芯片内集成：芯片内集成：16位位CPU、8K字节字节ROM、232字字节节RAM、5个个8位并口、位并口、1个全双工串行口、个全双工串行口、2个个16位定时位定时/计数器。寻址范围计数器。寻址范围64K。片上还有。片上还有8路路10位位ADC、1路路PWM输出及高速输出及高速I/O部件等。部件等。1.2.2 1.2.2 单单片机片机产产品近况品近况 ATMELATMEL公司融入公司融入FlashFlash存存储储器技器技术术的的AT89AT89系列；系列； PhilipsPhilips公司的公司的80C5180C51、80C55280C552系列；系列； 华华邦公司的邦公司的W78C51W78C51、W77C51W77C51高速低价高速低价系列；系列； ADIADI公司的公司的ADC8xxADC8xx高精度高精度ADCADC系列；系列； LGLG公司的公司的GMS90/97GMS90/97低低压压高速高速系列；系列； MaximMaxim公司的公司的DS89C420DS89C420高速（高速（50MIPS50MIPS）系列；系列； CygnalCygnal公司的公司的C8051FC8051F系列高速系列高速SOCSOC单单片机。片机。 80C5180C51系列系列单单片机片机产产品繁多，品繁多，主流地位已主流地位已经经形形成，成，近年来推出的近年来推出的与与80C5180C51兼容兼容的主要的主要产产品有：品有： 非非80C51结构单片机新品结构单片机新品不断推出，给用户提不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间供了更为广泛的选择空间 ，近年来推出的非，近年来推出的非80C51系列的主要产品有：系列的主要产品有： Intel的的MCS-96系列系列16位单片机位单片机 ； Microchip的的PIC系列系列RISC单片机单片机 ； TI的的MSP430F系列系列16位位低功耗低功耗单片机单片机 。1.3 单单片机的特点及片机的特点及应应用用领领域域1.3.1 1.3.1 单单片机的特点片机的特点 近期推出的近期推出的单单片机片机产产品，内部集成有高速品，内部集成有高速I/OI/O口、口、ADCADC、PWMPWM、WDTWDT等部件，并在低等部件，并在低电压电压、低功耗、串行、低功耗、串行扩扩展展总线总线、控制网控制网络总线络总线和开和开发发方式（如在系方式（如在系统编统编程程ISPISP）等方面都）等方面都有了有了进进一步的增一步的增强强。 控制性能和可靠性高控制性能和可靠性高 实时实时控制功能特控制功能特别别强强，其，其CPUCPU可以可以对对I/OI/O端口直接端口直接进进行行操作，操作，位操作能力位操作能力更是其它更是其它计计算机无法比算机无法比拟拟的。另外，的。另外，由于由于CPUCPU、存、存储储器及器及I/OI/O接口接口集成在同一芯片内集成在同一芯片内，各部件，各部件间间的的连连接接紧紧凑，数据在凑，数据在传传送送时时受干受干扰扰的影响的影响较较小小，且不，且不易受易受环环境条件的影响，所以境条件的影响，所以单单片机的片机的可靠性非常高可靠性非常高。体积小、价格低、易于产品化体积小、价格低、易于产品化 单片机芯片即是一台完整的微型计算机单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对于，对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择；同时还可以专门进行芯片品种间进行匹配选择；同时还可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系；设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系；在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到已减少到8个或更少。个或更少。从而使应用系统的从而使应用系统的印制板减小、接插件减少、印制板减小、接插件减少、安装简单方便。安装简单方便。1.3.2 1.3.2 单单片机的片机的应应用用领领域域 智能智能仪仪器器仪仪表表 单单片机用于各种片机用于各种仪仪器器仪仪表，一方面提高表，一方面提高了了仪仪器器仪仪表的使用功能和精度，使表的使用功能和精度，使仪仪器器仪仪表智能化，同表智能化，同时还简时还简化了化了仪仪器器仪仪表的硬件表的硬件结结构，从而可以方便地完成构，从而可以方便地完成仪仪器器仪仪表表产产品品的升的升级换级换代。如代。如各种智能各种智能电电气气测测量量仪仪表、表、智能智能传传感器感器等。等。机电一体化产品机电一体化产品机电一体化产品是集机械技术、微电子机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。的作用。典型产品如机器人、数控机床、典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机传真机、复印机等。等。实时工业控制实时工业控制单片机还可以用于各种物理量的采集与控单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如而提高生产效率和产品质量。典型应用如电电机转速控制、温度控制、自动生产线机转速控制、温度控制、自动生产线等等 。 分布式系统的前端模块分布式系统的前端模块 在较复杂的工业系统中，经常要采用分在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块，系统具有统的前端采集模块，系统具有运行可靠，运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉数据采集方便灵活，成本低廉等一系列优等一系列优点。点。家用电器家用电器家用电器是单片机的又一重要应用领家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。玩具等。 另外，在交通领域中，汽车、火车、另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等黑匣子等 。1.4 单单片机片机应应用系用系统统开开发简发简介介 1.4.1 1.4.1 单单片机片机应应用系用系统统的开的开发发 正确无正确无误误的的硬件硬件设计设计和良好的和良好的软软件功能件功能设计设计是一是一个个实实用的用的单单片机片机应应用系用系统统的的设计设计目目标标。完成完成这这一目一目标标的的过过程称程称为单为单片机片机应应用系用系统统的开的开发发。 单单片机作片机作为为一片集成了微型一片集成了微型计计算机基本部件的集算机基本部件的集成成电电路芯片，与通用微机相比，它自身没有开路芯片，与通用微机相比，它自身没有开发发功能，功能，必必须须借助开借助开发发机（一种特殊的机（一种特殊的计计算机系算机系统统）来完成如）来完成如下任下任务务： 排除排除应应用系用系统统的的硬件故障硬件故障和和软软件件错误错误； 程序固化程序固化到内部或外部程序存到内部或外部程序存储储器芯片中。器芯片中。 指令的表示形式指令的表示形式指令是让单片机执行某种操作的命令指令是让单片机执行某种操作的命令。在单片机。在单片机中，指令按一定的顺序以二进制码的形式存放于程中，指令按一定的顺序以二进制码的形式存放于程序存储器中。为了书写、输入和显示方便，人们通序存储器中。为了书写、输入和显示方便，人们通常将二进制的机器码写成十六进制形式。常将二进制的机器码写成十六进制形式。如，二进制码如，二进制码0000 0100B可以表示为可以表示为04H。04H所对应的指令意义是累加器所对应的指令意义是累加器A的内容加的内容加1。若写成。若写成INC A则要清楚得多，这就是该指令的符号表示，则要清楚得多，这就是该指令的符号表示，称为称为符号指令符号指令。 汇编或编译汇编或编译 符号指令要转换成计算机所能执行的机器码符号指令要转换成计算机所能执行的机器码并存入计算机的程序存储器中，并存入计算机的程序存储器中，这种转换称为这种转换称为汇编。汇编。常用的汇编方法有三种：常用的汇编方法有三种：手工汇编；手工汇编；利用开发机的驻留汇编程序进行汇编；利用开发机的驻留汇编程序进行汇编；交叉汇编。交叉汇编。现在人们还可以常常采用高级语言（如现在人们还可以常常采用高级语言（如C51）进行单片机应用程序的设计。这种方法具有周进行单片机应用程序的设计。这种方法具有周期短、移植和修改方便的优点，适合于较为复期短、移植和修改方便的优点，适合于较为复杂系统的开发。杂系统的开发。1.4.2 1.4.2 单单片机片机应应用系用系统传统统传统开开发发方式方式 利用仿真器开发利用仿真器开发USB SST SST公司推出的公司推出的SST89C54SST89C54和和SST89C58SST89C58芯片芯片分分别别有有20KB20KB和和30KB30KB的的SuperFLASHSuperFLASH存存储储器，利器，利用用这这种存种存储储器可以器可以进进行高速行高速读读写的特点，能写的特点，能够实现够实现在系在系统编统编程（程（ISPISP）和在）和在应应用用编编程程（IAPIAP）功能。首先在）功能。首先在PCPC机上完成机上完成应应用程序用程序的的编辑编辑、汇编汇编（或（或编译编译）、模）、模拟拟运行，然后运行，然后实现实现目目标标程序的串行下程序的串行下载载。1.4.3 1.4.3 单单片机开片机开发发方式的方式的发发展展 Microchip Microchip公司推出的公司推出的RISCRISC结结构构单单片机片机PIC16F87XPIC16F87X中内置有在中内置有在线调试线调试器器ICDICD（In-In-Circuit ProgrammingCircuit Programming）功能；）功能； 该该公司公司还还配置了具有配置了具有ICSPICSP（In-Circuit In-Circuit Serial ProgrammingSerial Programming）功能的）功能的简单简单仿真器仿真器和和烧烧写器。通写器。通过过PCPC机串行机串行电缆电缆就可以完成就可以完成对对目目标标系系统统的仿真的仿真调试调试 。1.5 计算机运算基础计算机运算基础一一. 二进制二进制NB两个数码：两个数码：0、1, 逢二进一逢二进一例例 1101.101B=123+122+021+120+12-1+12-3 加权展开式以加权展开式以2为基数，各位系数为为基数，各位系数为0、1一般表达式：一般表达式： NB = bn-12n-1 + bn-22n-2 +b020 +b-12-1+ 1.5.1 进位计数制进位计数制二二. 十六进制十六进制NH十六个数码十六个数码09、AF，逢十六进一，逢十六进一例：例：DFC.8H=13162 +15161 +12160 +816-1 展开式以十六为基数，各位系数为展开式以十六为基数，各位系数为09，AF一般表达式：一般表达式：NH=hn-116n-1+hn-216n-2+h0160+h-116-1 +1. 十进制十进制ND有十个数码有十个数码09、逢十进一、逢十进一十进制用于计算机输入输出，人机交互十进制用于计算机输入输出，人机交互三三. 进位计数制小结：进位计数制小结：2. 二进制二进制二进制二进制N NB B两个数码两个数码:0、1, 逢二进一逢二进一二进制为机器中的数据形式二进制为机器中的数据形式3. 十六进制十六进制十六进制十六进制N NHH十六个数码十六个数码:09, AF, 逢十六进一逢十六进一十六进制用于表示二进制数十六进制用于表示二进制数不同进位制数以下标或后缀区别不同进位制数以下标或后缀区别,十进制数可不带下标十进制数可不带下标如如:101、101D、101B、101H、101H1.5.2 不同进位计数制之间的转换不同进位计数制之间的转换先展开，然后按照十进制运算法则求和。举例先展开，然后按照十进制运算法则求和。举例：一一. 二、十六进制数转换成十进制数二、十六进制数转换成十进制数 进位计数制的一般表达式：进位计数制的一般表达式： Nr=an-1rn-1+an-2rn-2+ +a1r1a0r0a-1r-1a-mr-m将将 r1进制的数转换成进制的数转换成 r2进制的数：进制的数：先展开，然后按先展开，然后按r2进制的运算法则求和计算进制的运算法则求和计算DFC.8H=13162+15161+12160+816-1 = 3580.51011.1010B=123+121+120+12-1+12-3=11.625二二. 二进制与十六进制数之间的转换二进制与十六进制数之间的转换3AF.2H = 0011 1010 1111.0010 = 1110101111.001B 3 A F 210111000.0101B = 1011 1000. 0101=1111101.11B =0111 1101.1100 = 7D.CH 7 D CB8.5H2 24 4 =16=16 ，四位二进制数对应一位十六进制数。举例：，四位二进制数对应一位十六进制数。举例：三三.十进制数转换成二、十六进制数十进制数转换成二、十六进制数1.整数转换法整数转换法“除除2取余取余” 从低位排向高位。举例从低位排向高位。举例：(1) 39转换成二进制数转换成二进制数39 = 100111B 2 39 1 （ b0） 2 19 1 （ b1） 2 9 1 （ b2） 2 4 0 （ b3） 2 2 0 （ b4） 2 1 1 （ b5） 0 (2) 208转换成十六进制数转换成十六进制数 208 =D0H16 208 余余 016 13 余余 13 = DH 02. 小小数数转转换换法法：“乘乘基基取取整整”：从从最最高高位位排排到到最最低低位。举例位。举例：0.625转换成二进制数转换成二进制数 0.625 2 1.25 1 (b-1)0.25 2 0.5 0 (b-2) 2 1.0 1 (b-3)0.625 = 0.101B1.5.3 带符号数的表示方法带符号数的表示方法机器数：机器中数的表示形式机器数：机器中数的表示形式真值：真值： 机器数所代表的实际数值机器数所代表的实际数值一一. 机器数与真值机器数与真值 举例举例: :一个一个8 8位机器数与它的真值对应关系如下：位机器数与它的真值对应关系如下： 真值：真值：X1= +84= +1010100X1= +84= +1010100B B X2= -84=X2= -84= -1010100-1010100B B 机器数：机器数： X1X1机机= 01010100 X2= 01010100 X2机机= 11010100= 11010100 机器中，数的符号用机器中，数的符号用“0 0”、“1 1” 表示。表示。 最高位作符号位，最高位作符号位，“0 0”表示表示“+ +”, ,“1 1”表示表示“- -”最高位为符号位，最高位为符号位，0 0表示表示 “+ +”，1 1表示表示“”数值位与真值数值位相同数值位与真值数值位相同例例 8位原码机器数：位原码机器数： 真值：真值：x1= +1010100B x2=-1010100B 机器数：机器数：x1原原 = 01010100 x2原原=11010100B原码表示简单直观原码表示简单直观, ,但但 0 0的表示不唯一，加减运算复杂的表示不唯一，加减运算复杂有符号数通常使用三种表示方法：有符号数通常使用三种表示方法：二二. 原码原码正数的反码与原码表示相同正数的反码与原码表示相同 负数反码符号位为负数反码符号位为 1 1，数值位为原码数值各位取反，数值位为原码数值各位取反三三. 反码反码 x= -4 x= -4 ： xx原原=10000100 =10000100 x x反反=11111011=11111011例例 求求 8位原码机器数位原码机器数： x= +4 x= +4 ： xx原原=00000100=00000100 xx反反=00000100=00000100四四. 补码补码正数的补码表示与原码相同正数的补码表示与原码相同 负数补码的符号位为负数补码的符号位为1 1，数值位等于反码加，数值位等于反码加1 1例：求例：求 8位补码机器数：位补码机器数：x=+4x=+4：xx原原=x=x反反=x=x补补=00000100=00000100x=-4x=-4： xx原原=10000100=10000100 xx反反=11111011=11111011 xx补补=11111100=11111100补码表示的优点：补码表示的优点：0 0的表示唯一，加减运算方便，用加法代替减法的表示唯一，加减运算方便，用加法代替减法数的补码与数的补码与“模模”有关有关, ,即与计数系统的量程有关即与计数系统的量程有关当当X0X0，XX补补= = 模模- -X X举例：钟表对时：举例：钟表对时：设时钟系统设时钟系统“模模”为为1212，标准时间为，标准时间为7 7点整点整8 8位二进制数的模为位二进制数的模为 2 28 8 = 256 = 256 ，求，求8 8位补码时位补码时当当X 0 X 0 ， X 补补= 2= 28 8 - -X = 256-= 256-X= 255-= 255-X+1+1 = =X 反码反码 + 1 + 1 9+-29+-2补补 = 9 + 10 = 7 + 12 = 7 (= 9 + 10 = 7 + 12 = 7 (舍弃模舍弃模) )8 8位机器数表示的真值位机器数表示的真值8位机器数位机器数有符号数有符号数十六进制十六进制二进制二进制无符号数无符号数原码原码反码反码补码补码00017F80FEFF00000000000000010111111110000000111111101111111101127128254255+0+1+127- 0-126-127+0+1+127- 127- 1- 0+0+1+127-128- 2- 1五五. 机器数与真值之间的转换机器数与真值之间的转换 1) 1)X1= +127X1= +127，X2= -127X2= -127，求，求XX原原 、XX补补 X1X1原原=X1=X1补补= 01111111=7FH= 01111111=7FH X2 X2原原= 11111111=FFH= 11111111=FFH X2 X2补补= 10000001=81H = 10000001=81H 1. 1. 真值真值机器数机器数 2) 2)X1= +255X1= +255，X2= -255 X2= -255 ，求，求XX原原 、XX补补 X1X1原原=X1=X1补补= 0000000011111111=00FFH= 0000000011111111=00FFH X2 X2原原= 1000000011111111=80FFH= 1000000011111111=80FFH X2 X2补补= 1111111100000001=FF01H= 1111111100000001=FF01H 1) 1) X1X1原原= 59H= 59H，X2X2原原= D9H= D9H，求真值？，求真值？ X1X1原原= =X1X1原原= =2. 2. 机器数机器数真值真值 注意机器数表示（原码、补码）注意机器数表示（原码、补码） 注意机器数符号位注意机器数符号位01011001010110011101100111011001 X1= +X1= +10110011011001B B=+89D X2= -1011001=+89D X2= -1011001B B=-89D=-89D 2) 2) X1X1补补= 59H = 59H ，X2X2补补= D9H= D9H，求真值，求真值 X1=+1011001X1=+1011001B B=+89D X2=-0100111=+89D X2=-0100111B B=-39D=-39D1.5.4 1.5.4 运算方法运算方法 原则：向高位扩展，真值不变。原则：向高位扩展，真值不变。 方法：用原补码数的符号位填充扩展的高位，即符号扩展。方法：用原补码数的符号位填充扩展的高位，即符号扩展。例：将下列例：将下列8 8位字长的有符号补码数扩展为位字长的有符号补码数扩展为1616位。位。 X1=01000101B=45HX1=01000101B=45H X2=11001010B=AAH X2=11001010B=AAH 解：解： X1=0000000001000101B=0045H X1=0000000001000101B=0045H X2=1111111111001010B=FFAAHX2=1111111111001010B=FFAAH一一. . 有符号补码数的字长扩展有符号补码数的字长扩展 1. 1.加法运算：加法运算：X+YX+Y补补=X=X补补+Y+Y补补 二二. .有符号补码数的有符号补码数的加减运算加减运算符号作为数值直接参与运算符号作为数值直接参与运算, ,变减法为加法运算变减法为加法运算例例X1=+13X1=+13，Y1=+6Y1=+6，X2=-13X2=-13，Y2=-6Y2=-6，求，求X1+Y1X1+Y1、X2+Y2X2+Y2解：求解：求X1X1补、补、 Y1Y1补、补、X2X2补、补、Y2Y2补补0000110100001101+13+13补补 1111001111110011 -13 -13补补 + + 00000110 00000110 +6+6补补 + 11111010 + 11111010 -6 -6补补 00010011 00010011 +19 +19补补 1 11101101 -191 11101101 -19补补进位为模，舍弃进位为模，舍弃进位为模，舍弃进位为模，舍弃1111111011111110 -2 -2补补 1 00000010 +21 00000010 +2补补例：例：X1= +6X1= +6，Y1= +8Y1= +8，X2= -6X2= -6，Y2= -8Y2= -8，求，求X1-Y1X1-Y1、X2-Y2X2-Y2解：先求解：先求X1X1补补、 X2X2补补、 - -Y1Y1补补、 - -Y2Y2补补求补求补 X1X1补补= 00000110= 00000110 X2X2补补= 11111010 = 11111010 Y1Y1补补= 00001000 = 00001000 Y2Y2补补= 11111000= 11111000变补变补 -Y1-Y1补补=11111000=11111000-Y2-Y2补补= 00001000= 000010002.2.减法运算：减法运算：X-YX-Y补补=X=X补补-Y-Y补补=X=X补补+-Y+-Y补补00000110 00000110 +6+6补补 11111010 -611111010 -6补补 + + 11111000 11111000 -(+8)-(+8)补补 + 00001000 + 00001000 -(-8) -(-8)补补10100000 16010100000 160 1 1 10001100 14010001100 140进位为模，舍弃进位为模，舍弃1. 1. 字长的扩展：扩展的高位用字长的扩展：扩展的高位用0 0填充，即零扩展填充，即零扩展 2. 2. 加法运算：直接相加加法运算：直接相加 3. 3. 减法运算：变补相加减法运算：变补相加例：例：X= 150= 96= 150= 96H，Y= 10= 0= 10= 0AH，计算，计算X+ +Y= =？X- -Y= =？三三. . 无符号数的运算无符号数的运算10010110 15010010110 15010010110 15010010110 150+ + 0000101000001010 + 10+ 10 + 11110110+ 11110110 - 10- 10 机器数机器数 无符号数无符号数 补码补码1001011010010110 150150 -106 -106 0000101000001010 + 10+ 10 + +10+ +10 10100000 10100000 160160 -96 -96 但无符号数与补码的运算是否溢出的判断方法不同但无符号数与补码的运算是否溢出的判断方法不同计算机中有符号数补码与无符号数的加减运算方法相同：计算机中有符号数补码与无符号数的加减运算方法相同：加法直接相加，减法变补相加。加法直接相加，减法变补相加。例：例：X=74=4AH，Y=216=D8H，求，求 X+Y=？X-Y= =？01001010 01001010 74 74 01001010 01001010 74 74 + 11011000+ 11011000 + 216+ 216 + 00101000+ 00101000 - 216- 216 1 1 0010001000100010 34 0 34 0 0111001001110010 114 114 加法有进位，结果应为加法有进位，结果应为290290；减法无进位时有借位，有；减法无进位时有借位，有进位时，实际无借位；进位时，实际无借位；三. 溢出（运算结果超出范围）的判断溢出（运算结果超出范围）的判断1 1无符号无符号数溢出判断数溢出判断最高位是否产生进位或借位最高位是否产生进位或借位 8 8位无符号数表示范围：位无符号数表示范围：0 0255255计算机用进位标志位计算机用进位标志位Cy来判断无符号数是否溢出：来判断无符号数是否溢出：数据加数据加/ /减最高位产生进位减最高位产生进位/ /借位时，借位时，Cy=1Cy=1；否则；否则Cy=0Cy=0解：解：X1X1补补=2DH=2DH，Y1Y1补补=2EH=2EH，X2X2补补=5AH=5AH，Y2Y2补补=6BH=6BH0010110100101101+45+45补补 0101101001011010 + 90+ 90补补 + + 0010111000101110 +46+46补补 + 01101011+ 01101011 +107+107补补 0 010110110 01011011+91+91补补 0 110001010 11000101 -58 -58 补补例：例：X1=+45X1=+45，Y1=+46Y1=+46，X2=+90X2=+90，Y2=+107Y2=+107，求，求 X1+Y1X1+Y1、X2+Y2X2+Y2 2有符号数补码溢出判断有符号数补码溢出判断符号位和最高数值位进符号位和最高数值位进位是否相同位是否相同 同号数相加或异号数相减时，可能产生溢出同号数相加或异号数相减时，可能产生溢出 正确，无溢出正确，无溢出 结果变负，有溢出结果变负，有溢出正数相加：同时无进位正数相加：同时无进位 CyCy6 6 =Cy=Cy7 7=0=0，则无溢出；，则无溢出；不同时有进位不同时有进位 CyCy6 6 Cy Cy7 7 则有溢出，结果出错则有溢出，结果出错计算机用溢出标志位计算机用溢出标志位 OV 来判断补码是否溢出来判断补码是否溢出 逻辑关系：逻辑关系： OV= Cy= Cy6 6 Cy Cy7 7 补码加补码加/ /减产生溢出时，减产生溢出时， OV=1=1，否则，否则 OV=0=0例：例：X1=-5, Y1=-2X1=-5, Y1=-2，X2=-105,Y2=-91,X2=-105,Y2=-91,求求X1+Y1X1+Y1、X2+Y2X2+Y2解：解： 1111101111111011-5-5补补1001011110010111-105-105补补 + 11111110+ 11111110 -2-2补补 + 10100101+ 10100101 - 91- 91补补 1 1 11111001 11111001 -7-7补补 1 001111001 00111100+ + 补补 正确，无溢出正确，无溢出 结果变正，有溢出结果变正，有溢出负数相加：同时有进位：负数相加：同时有进位：CyCy6 6 = Cy= Cy7 7= 1 = 1 结果正确无溢出结果正确无溢出 不同时有进位不同时有进位 CyCy6 6 Cy Cy7 7 结果错有溢出结果错有溢出 1.5.5 二二十进制编码十进制编码BCD码码例：求十进制数例：求十进制数876876的的BCDBCD码码876876BCD BCD = 1000 0111 0110 = 1000 0111 0110 876 = 36C876 = 36CH H = 1101101100= 1101101100B BBCD码码( (Binary Coded Decimal)Binary Coded Decimal)二进制代码表示的十进制数二进制代码表示的十进制数一一.8421 .8421 BCD码码二二. . BCD码运算码运算BCD码运算：先按二进制法则计算，再进行十进制调整码运算：先按二进制法则计算，再进行十进制调整十进制调整：当计算结果有非十进制调整：当计算结果有非BCD码或产生进位码或产生进位/ /借位时，借位时，进行进行 +6 +6 或或 -6 -6 调整运算调整运算例：计算例：计算BCD码码 78+69=78+69=？ 0111 10000111 1000 78 78BCDBCD + 0110 1001+ 0110 1001 + 69+ 69BCDBCD 1110 0001 1110 0001 产生非产生非BCDBCD码和半进位码和半进位 + 0110 + 0110 01100110 + 66H + 66H调整调整1 0100 0111 1 0100 0111 带进位结果：带进位结果：147 147 1.5.6 1.5.6 字符编码字符编码 美国标准信息交换码美国标准信息交换码ASCII码，用于计算机与计算码，用于计算机与计算机、计算机与外设之间传递信息机、计算机与外设之间传递信息思考思考题题与与习题习题 1.1.第一台第一台计计算机的算机的问问世有何意世有何意义义？ 2.2.计计算机由哪几部分算机由哪几部分组组成？成？ 3.3.微型微型计计算机由哪几部分构成？算机由哪几部分构成？ 4.4.数据、地址数据、地址总线宽总线宽度的作用是什么？度的作用是什么？ 4.4.微微处处理器与微型理器与微型计计算机有何区算机有何区别别？ 5.5.什么叫什么叫单单片机？其主要特点有哪些？片机？其主要特点有哪些？ 6.6.微型微型计计算机有哪些算机有哪些应应用形式？各适于什么用形式？各适于什么场场合？合？ 7.7.当前当前单单片机的主要片机的主要产产品有哪些？各有何特点？品有哪些？各有何特点？ 8.8.简简述述单单片机的开片机的开发过发过程。程。 9.9.常用的常用的单单片机片机应应用系用系统统开开发发方法有哪些？方法有哪些？