第一微型计算机基础

1、电气与电子工程学院2015年秋季学期 理论课程（40学时）： 讲述基本原理、基本结构和应用系统的设计方法 实验课程（24学时）： 熟练应用MCS-51单片机的集成开发环境和开发系统，进行单片机应用系统设计 课程设计（2周）： 锻炼应用单片机技术的实践动手能力，具备实际微机应用系统的初步设计开发技能 1、计算机的基础知识 (4学时) 2、MCS-51单片机的基本结构与工作原理(4学时) 3、MCS-51单片机的指令系统(6学时) 4、汇编语言程序设计（4学时) 5、MCS-51单片机扩展存储器的设计(2学时) 6、MCS-51单片机的中断系统(2学时) 7、MCS-51单片机的硬件资源应用(6学

2、时) 8、MCS-51单片机与键盘、显示器、A/D及D/A的接口设计(8学时) 9、MCS-51单片机应用系统设计(4学时)1）课程内容紧密与工程实际相联系，实践性强。 2）是一门既有软件又有硬件的课程, 硬件部分着重说明单片机的基本结构和工作原理，软件部分强调与硬件的结合。软件与硬件必须同时兼顾。3） 是一门在理论指导下，偏重于实际应用的课程，要求在学好理论的前题下，又具有一定的动手操作能力，才能学好本课程。课程特点1.1 微型计算机概述1.2 微型计算机的基本概念、术语和基本原理1.3 单片机概述1.4 嵌入式系统概述1.5 微型计算机中的数制和编码1.1 微型计算机概述1.2 微型计算机

3、的基本概念、术语和基本原理1.3 单片机概述1.4 嵌入式系统概述1.5 微型计算机中的数制和编码帕斯卡发明加法器（1642）莱布尼兹发明乘除法计算机（1642）第一台电子计算机ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer，1946)电子管计算机（IBM SSEC）晶体管计算机(IBM 1401)大规模、超大规模集成电路计算机集成电路计算机(IBM 360)计算机的发展趋势 一方面向着高速、智能化的超级巨型机的方向发展；另一方面向着微型机的方向发展。 巨型计算机主要用于大型科学研究和实验以及超高速数学计算。它的研制水平标志着整个国家的科

4、学技术和工业发展的程度，象征着一个国家的实力。 微型机的诞生揭开了计算机神秘的面纱。微型计算机与巨、大、中、小型机的区别主要是，其中央处理器CPU(Central Processing Unit)是集成在一个小硅片上，而巨、大、中、小型计算机的CPU则是由相当多的电路组成的。l第一代微处理器 例： Intel 40044位（1971）4004是Intel公司第一款推出的微处理器，也是全球第一款商用微处理器。当时的广告说它是“一件划时代的作品”。4004采用10微米制程，寻址能力4 KB，时钟周期1 MHz，成本不到$100。 微型计算机处理器的发展 l第二代微处理器 例：Intel 80808

5、位（1973）Intel 8080为英特尔早期发布的处理器。它于1974年4月发布，是一枚8位元处理器，主频为2MHz，它集成6000只晶体管，每秒运算29万次，拥有16位地址总线和8位数据总线，支持16位寻址 微型计算机处理器的发展 Apple II （1978）摩托罗拉 MOStek 6502Altair：世界上第一台PC（1975）Intel 8080 微型计算机处理器的发展 l第三代微处理器 例：Intel 808616位(1978)1978年INTEL推出8086微处理器，主频4.77MHz，采用16位寄存器、16位数据总线和29000个3微米技术晶体管，标志着第三代微处理器问世。I

6、BM公司1981年生产的第一台个人电脑就是使用这种芯片。这也标志着IBM PC兼容电脑的产生，微型计算机的应用得到空前普及。 微型计算机处理器的发展 l第四代微处理器 例：Intel 8038632位采用超大规模集成电路SLSI（Super Large Scale Integration），80386处理器被广泛应用在1980年代中期到1990年代中期的IBM PC兼容机中。这些PC机称为80386电脑或386电脑，。80386的广泛应用，将PC机从16位时代带入了32位时代。l第五代微处理器 例：Intel公司Pentium32位1993年，Intel推出Pentium微处理器，标志着超级3

7、2位微处理器时代的到来。Pentium俗称586，时钟频率60-100 MHz，制程0.8微米，后期有120, 133, 150, 166, 200, 和 233 MHz 版本出现，。 微型计算机处理器的发展 微型计算机处理器的发展 l第六代微处理器 例：AMD Athlon 6464位AMD64位技术是在原始32位X86指令集的基础上加入了X86-64扩展64位X86指令集，使这款芯片在硬件上兼容原来的32位X86软件，并同时支持X86-64的扩展64位计算，使得这款芯片成为真正的64位X86芯片。这是一个真正的64位的标准，X86-64具有64位的寻址能力。 按处理器的字长分类： 4位机

8、8位机 16位机 32位机 64位机 按微机的组装形式分类： PC机 将主机板（微处理器、内存储器、I/O接口电路、插槽等）和外存储器、电源、接口板卡等部件组装在一个机箱内，并配备键盘、鼠标、显示器等外设，以及系统软件等就形成PC机系统。 单片机 将微处理器、存储器、I/O部件及接口电路等组成微机的主要部件继承与一块集成电路芯片上的微机。 单板机 将微处理器、存储器、I/O电路以及部分外设（键盘、LED显示器等）安装于一块电路印刷板上的微机。1.1 微型计算机概述1.2 微型计算机的基本概念、术语和基本原理1.3 单片机概述1.4 嵌入式系统概述1.5 微型计算机中的数制和编码 计算机的基本结

9、构 硬件结构 软件结构 冯诺依曼（John Von Neumann）结构体系结构图输入设备输出设备存储器运算器控制器输入设备（Input Equipment）：人机交往的信息入口，将事先编制好的程序和数据送入计算机内。存储器（Memory）：存放数据、程序及计算机的运行结果。分为内存储器（内存）和外存储器（外存）。运算器(Arithmetic Unit)：对信息进行算术逻辑运算的部件，由加法器、寄存器、移位、判断等电路组成，核心为算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）。控制器（Control Block）：发出控制信息，由指令寄存器、指令译码器、逻辑电路、时序电路等组

10、成。输出设备（Output Equipment）：计算机的信息出口，将处理结果以数字、字符、图形等形式表现输入设备输出设备存储器运算器控制器 指令（Instruction）：为完成某种规定操作下达给计算机的命令。 指令系统（Instruction Set）：一种计算机所具有的全部指令集合。计算机的内部硬件电路与其指令系统对应。 程序（Program）：为完成某种特定任务而组织起来的有序的指令串。 机器语言（Machine Language） 以二进制代码予以表示的代码形式 MCS-51单片机中，6+8：0111 0100 0000 0110 0010 0100 0000 1000 汇编语言（A

11、ssemble） 助记符与一定的语法规则结合而成的计算机语言 MCS-51单片机中，6+8：MOV A, #06H; ADD A, #08H; 高级语言（High Level Language） 按照一定的语法规则，由表达各种意义的词和数学公式组成，非常接近人类自然语言习惯 C语言中，6+8：A=6+8 通用性 汇编指令与机器指令一一对应，只能在特定的机器上使用 高级语言与具体计算机的硬件结构和指令系统无关，可在任一配备了相应翻译软件的计算机上运行 硬件与软件支持 汇编语言可直接输入计算机被机器立即执行，且汇编程序占用的存储器容量较小； 高级语言无机器指令与其语句直接对应，须被翻译为机器语言后

12、才能执行，且翻译软件一般较大 运行效率 汇编语言与硬件关系密切，程序精炼高效 高级语言采用通用方法编写，运行效率较低 程序编写效率 汇编语言难以编制大型或具有复杂功能的程序 高级语言语句功能性强，编写效率较高控制总线数据总线地址总线存储器微处理器I/O接口I/O设备 总线（BUS）是指在微型机各芯片之间或芯片内部各部件之间传输信息的一组公共通道。 数据总线（DB，Data Bus）：用于传送数据信息。DB的宽度（位数）决定了CPU能并行输入/输出的二进制数据的位数。计算机能并行处理的二进制数码的位数称为计算机的字长（Word Length）。 地址总线（AB，Address Bus）：用于传递

13、位置信息。AB的位数n决定了微机所能寻找的存储器空间范围是2n。8086：16位？80386：32位？ 控制总线（CB，Control Bus）：用于传输控制信息。CPU向其他部件发出的控制命令及其他部件向CPU提供的请求信息都需要通过控制总线传递。微型计算机：微处理器、存储器、I/O接口电路外部设备：键盘、显示器、打印机、外存储器（如磁盘）等电源软件：系统软件、应用软件微 型 计 算机系统1.1 微型计算机概述1.2 微型计算机的基本概念、术语和基本原理1.3 单片机概述1.4 嵌入式系统概述1.5 微型计算机中的数制和编码 单片机又称为微控制器（Micro-Controller Unit，

14、MCU），是微型计算机的一个非常重要的分支，是一种将计算机基本功能（CPU，存储器，定时/计数器，串行口，I/O接口电路等）集成于一小块芯片上的微型计算机。 自从20世纪70年代问世以来，就以其体积小、功能全、可靠性高、控制功能强、性价比高等特点在智能仪表、机电一体化、实时控制、家用电器、信息和通信产品领域得到了广泛的应用，对各行各业的改造和产品的更新换代起着非常重要的推动作用。按总线结构类型可分为： 冯诺依曼结构 （CISC结构，普林斯顿结构） CISC，Complex Instruction Set Computer 指令丰富，取指令和取数据分时进行使速度受限 哈佛结构 （RISC结构）

15、RISC，Reduced Instruction Set Computer 有限的简单指令集，取指令和取数据可同时进行我们可以把单片机的发展历史划分为四阶段：第一阶段（19761978年）：低性能单片机的探索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表，采用了单片结构，即在一块芯片内含有8位CPU、定时/计数器、并行I/O口、RAM和ROM等，寻址空间4k。无串行口。第二阶段（19781982年）：高性能单片机阶段，以Intel公司的MCS-51为代表，这一类单片机带有串行I/O口，8位数据线、16位地址线可以寻址的范围达到64k、控制总线、较丰富的指令系统等。这类单片机的应用范围较广，并在不断

16、的改进和发展。第三阶段（19831990年）：16位单片机阶段。16位单片机除CPU为16位外，片内RAM和ROM容量进一步增大，实时处理能力更强，体现了微控制器的特征。例如Intel公司的MCS-96主振频率为12M，片内RAM为232字节，ROM为8K字节，中断处理能力为8级，片内带有10位A/D转换器和高速输入/输出部件等。第四阶段（1990年）：微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速、强运算能力、寻址范围大以及小型廉价方面发展。 单片机的种类很多，到目前为止，世界各国厂商已研制出大约50个系列、30多个品种的单片机的产品。单片机产品已占整个微机产品的80%以上，其

17、中8位机的产量占整个单片机市场的80%。最具典型代表的应属Intel公司的MCS-51系列单片机。 虽然它仍然是8位的单片机，但其功能强，具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。因此，MCS-51应用非常广泛，直到现在MCS-51仍不失为单片机中的主流机型。这主要由于在工业控制、智能仪表、家用电器、IC卡等诸多应用领域，8位单片机系列在性能、价格两方面都做到了较好的兼顾。估计在未来十年内，8位单片机仍将是单片机中的主流机型。故而本课程仍以MCS-51系列单片机为主线来进行讲授。单片机的发展历史1.2.3 单片机的应用单片机的应用汽车电子 家用电器 航空航天 医疗设备 工业控制仪器仪表 通信

18、产品 单片机的应用民品：民品：0 0 - 70- 70 工业品：工业品：-40-40 - 85- 85 军品：军品：-65-65 - 125- 125市场上较有影响的单片机有如下一些系列：1. Intel公司生产的MCS-51和MCS-96系列。2. Motorola公司生产的M68HCXX系列。3. Microchip公司生产的PIC16C5X/6X/7X/8X系列。4. TI公司生产的MSP430FXX系列。5. ARM微处理器（Advanced RISC Machines）。MCS-51系列基本产品型号：系列基本产品型号：l8051、8031、8751、8951称为称为 51子系列。子系

19、列。l不同型号不同型号MCS-51单片机单片机CPU处理能力和指令处理能力和指令系统完全兼容，只是存储器和系统完全兼容，只是存储器和I/O接口的接口的配置配置有所不同。有所不同。MCS-51系列单片机简介区别：区别：无无ROM型：型：8031ROM型：型：8051EPROM型：型：8751EEPROM型：型：8951常用8位系列单片机简介1.2.1 Intel公司8位系列单片机1. 高性能化2. 存储大容量化3. 外围电路集成化4. 片内I/O口的改进5. 低功耗化、宽电压1.1 微型计算机概述1.2 微型计算机的基本概念、术语和基本原理1.3 单片机概述1.4 嵌入式系统概述1.5 微型计算

20、机中的数制和编码 国内普遍被认同的定义为嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应所设计应用系统对功能、可靠性、成本、功耗和体积有着严格要求的专用计算机系统。 事实上，嵌入式系统是一个外延极广的概念，如手机类移动通信工具、DVD机、数字机顶盒、数字电视、车载GPS系统、数控机床等都属于嵌入式系统范畴。 1.1 微型计算机概述1.2 微型计算机的基本概念、术语和基本原理1.3 单片机概述1.4 嵌入式系统概述1.5 微型计算机中的数制和编码1.微型计算机的常用术语微型计算机的常用术语l位（位（bit）：）： 位是计算机所能表示的最基本、位是计算机所能表示的最基本、最小的数

21、据单位最小的数据单位。位。位有两种状态：有两种状态：0和和1。l字节（字节（Byte）：）： 一个连续的一个连续的8位二进制数称位二进制数称为一个字节，即为一个字节，即：1Byte8bit，通常以字节为，通常以字节为单位来存放数据。单位来存放数据。l字（字（Word）：）：是计算机内部进行数据处理的是计算机内部进行数据处理的基本单位基本单位 。字。字通常与计算机内部的寄存器、通常与计算机内部的寄存器、算术逻辑单元、数据总线的宽度相一致。算术逻辑单元、数据总线的宽度相一致。微型计算机中的数据存储l数制数制：是按进位原则进行计数的一种方法，即进位是按进位原则进行计数的一种方法，即进位计数制计数制。

22、微型计算机中的常用数制有十进制、二进制、。微型计算机中的常用数制有十进制、二进制、十六进制十六进制l十进制数十进制数（1 1）记数符号：）记数符号：0 0、1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6、7 7、8 8、9 9；书写时用；书写时用“D D”（DecimalDecimal）作）作后缀（一般后缀（一般省略）。省略）。（2 2）进位原则：）进位原则：“逢十进一逢十进一”。（3 3）按权展开式：）按权展开式：1011081041051028 .2542微型计算机中的数制与编码l二进制数二进制数（1 1）记数符号：）记数符号：0 0、1 1；书写时用；书写时用“B B”（BinaryBi

23、nary）作）作后缀。后缀。（2 2）进位原则：）进位原则：“逢二进一逢二进一”；（3 3）按权展开式：）按权展开式：1012321212120211 .1011微型计算机中的数制与编码l十六进制数十六进制数（1 1）记数符号：）记数符号：0 0、1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6、7 7、8 8、9 9、A A、B B、C C、D D、E E、F F；书写时用；书写时用“H H”（HexadecimalHexadecimal）作）作后缀。后缀。（2 2）进位原则：）进位原则：“逢十六进一逢十六进一”；（3 3）按权展开式：）按权展开式：101216616161676 .7EAAE

24、微型计算机中的数制与编码记住：十六进制与十进制、十六进制与二进制对应关系。记住：十六进制与十进制、十六进制与二进制对应关系。1.二进制二进制及其他进制转换为十进制数及其他进制转换为十进制数l二进制、八进制和十六进制转换十进制的方法二进制、八进制和十六进制转换十进制的方法是：将二进制、八进制或十六进制写成按权展开是：将二进制、八进制或十六进制写成按权展开式，然后各项相加，则得相应的十进制数。式，然后各项相加，则得相应的十进制数。【例例】把二进制数把二进制数10101.1011B转换成相应的十转换成相应的十进制数。进制数。解解：10101.1011B 12402312202112012-112-3

25、12-421.6875D数制之间的相互转换2.十进制数转换成二进制数十进制数转换成二进制数l十进制数据转换成二进制数是将整数部分按十进制数据转换成二进制数是将整数部分按“除除2倒读余数法倒读余数法”的原则进行转换；小数部的原则进行转换；小数部分按分按“乘乘2顺读整数法顺读整数法”的原则进行转换。的原则进行转换。【例例】把十进制数把十进制数15.625转换成为对应二进制数。转换成为对应二进制数。解：解：数制之间的相互转换所以十进制数所以十进制数15.6251111.101B3.二进制数与十六进制数相互转换二进制数与十六进制数相互转换l二进制数转换成十六进制数时，从小数点开始，分二进制数转换成十六

26、进制数时，从小数点开始，分别向左、向右每别向左、向右每4位二进制数划为一组，整数部分不位二进制数划为一组，整数部分不足足4位前面添位前面添0，小数部分不足，小数部分不足4位后面添位后面添0，然后每一，然后每一组（组（4位二进制数）用位二进制数）用1位十六进制数代替（位十六进制数代替（4位二进位二进制数与制数与1位十六进制数对应关系见表），小数点位置位十六进制数对应关系见表），小数点位置保持不变。保持不变。 【例例】二进制数二进制数1111000111.100101B转换成为转换成为十六进制数。十六进制数。解：解： 1111000111.100101B0011 1100 0111.1001 01

27、00B3C7.94H数制之间的相互转换3.二进制数与十六进制数相互转换二进制数与十六进制数相互转换l十六进制数转换成二进制数时，十六进制数转换成二进制数时，1位十六进制位十六进制数用数用4位二进制数来替换，小数点位置保持不变。位二进制数来替换，小数点位置保持不变。【例例】将十六进制数将十六进制数2F5.CH转换成为二进制数转换成为二进制数解：解： 2F5.CH0010 1111 0101.1100B 1011110101.11B4.十进制数转换十六进制数十进制数转换十六进制数l先将十进制数转换成二进制数，再将二进制数先将十进制数转换成二进制数，再将二进制数转换成十六进制数。转换成十六进制数。数

28、制之间的相互转换1 1加法运算加法运算l加法规则：加法规则： 0 00 00 0 ；0 01 11 1；1 10 01 1；1 11 11010l进位原则：逢二进位。进位原则：逢二进位。【例例】求求0111B0111B与与0110B0110B之和。之和。解：解： 0 1 1 1 0 1 1 1 （7 7） ）0 1 1 0 0 1 1 0 （6 6） 1 1 0 1 1 1 0 1 （1313） 0111B0111B0110B0110B1101B1101B二进制数的算术运算2 2减法运算减法运算l减法规则：减法规则： 0 00 00 0 ；1 10 01 1；1 11 10 0；0 01 11

29、 1（借位）（借位）【例例】求求1110B0101B？解：解： 1 1 1 0 （14） ）0 1 0 1 （5） 1 0 0 1 （9） 1110B0101B1001B二进制数的算术运算3乘法运算乘法运算l在计算机系统中，都是将乘法作为连续的加法来执行。在计算机系统中，都是将乘法作为连续的加法来执行。其中，自身相加的数为被乘数，相加的次数为乘数。其中，自身相加的数为被乘数，相加的次数为乘数。【例例】求求1101B11B？解解：1101B11B 1101B1101B1101B 100111B4除法运算除法运算l除法可以归结为连续的减法，即从被除数中不断地减除法可以归结为连续的减法，即从被除数中

30、不断地减去除数，所减的次数是相除的商，而剩下的值则是相除去除数，所减的次数是相除的商，而剩下的值则是相除的余数的余数。注意：因为减法可以转换为加法（见二进制数补码的加注意：因为减法可以转换为加法（见二进制数补码的加减运算），所以除法也能转换成加法。这样，二进制数减运算），所以除法也能转换成加法。这样，二进制数的加、减、乘、除都可以转换加法运算。的加、减、乘、除都可以转换加法运算。二进制数的算术运算机器数与真值 在计算机系统中，只有0和1两个数字。为了能表示带符号数，必须将“+”、“-”数字化，常用二进制数的最高位表示数的符号，且用“0”表示正号，“1”表示负号。 在机器中被用到、符号数字化的数

31、据称为机器数 机器数所代表的数据的实际值称为机器数的真值例1： 某数的十进制数真值为+23，对应的二进制数真值为+0001 0111B，则其机器数可表示为0001 0111B或者17H。例2： 某数的十进制数真值为-23，对应的二进制数真值为-0001 0111B，则其机器数可表示为1001 0111B或者97H。原码 用最高位做为符号位，其余各位为数的绝对值的形式来表示的带符号数。 优点：简单直观，有符号数最简单的编码方式；例如，用8位二进制表示一个数，+11的原码为00001011，-11的原码就是10001011。 缺点：原码不能直接参加运算。例如数学上，1+(-1)=0，而在二进制中0

32、000 0001+1000 0001=10000010=-2。 0的原码有两种方式：+0=0000 0000B=00H; -0=1000 0000B=80H反码： 正数的反码和正数的原码相同；负数的反码其符号位为1，而数值位是按位取反。例： +7反=0000 0111反=00000111B=07H -7反=1000 0111反=1111 1000B=F8H0的反码有两种方式：+0反=0000 0000B=00H; -0反=1111 1111B=FFH补码 正数的补码和正数的原码相同；负数的补码其符号位为1，而数值位是其反码加一。例： +7补=0000 0111补=00000111B=07H -

33、7补=1000 0111补=1111 1000B + 0000 0001B=1111 1001B=F8H0的补码只有一种方式：+0补=0000 0000B=00H; -0补=1111 1111B + 0000 0001B=0000 0000B=00H 计算机系统中，数值通常用补码表示和存储： 在数的表示上通过人为的定义来消除编码映射的不唯一性 将减法运算转化为加法运算。符号位不需要单独处理，符号位与数值位一起参加运算。这一点对简化硬件电路结构具有重要意义。例：5-9：5补+-9补=0000 0101补+1000 1001补=0000 0101+1111 0111=1111 1100 补码111

34、1 1100对应的反码1111 1011，对应的原码1000 0100=-4注意：在原码和反码，注意：在原码和反码，0有两种表示法，即有两种表示法，即0和和0的表示的表示法不同；而在补码中法不同；而在补码中0的表示法只有一种。的表示法只有一种。原码、反码与补码 定点数是指小数点位置固定不变的数。 定点数可分为定点整数和定点小数两类。（1111）定点整数=-7（1111）定点小数=-0.875 定点表示法运算直观，但数的表示范围较小，不同的数运算时要考虑比例因子的选取，以防止溢出。 与定点数相反，若小数点的位置在数中不固定而是浮动可变的，则称这类数为浮点数。 任意一个十进制数N可写为N=K10b

35、 同理，任意一个二进制数N可写为N=K2b 其中K为纯小数，称为尾数，前面的符号为尾符，b为整数，称为阶码，其符号为阶符例： = 3.1415926.10（十进制）。当在一个支持17位尾数的计算机中表示时，它会变为11.001001000011111=0.11001001000011111 22 这样就可以把任意二进制数分解为一个纯小数（尾数）和一个整数（阶码）的组合，阶码指出小数点的位置，尾数指出数的全部有效数字 浮点数的格式：三字节、四字节。D7D6D5D4D3D2D1D0阶符阶符阶码阶码尾符尾符尾数高尾数高7位位尾数中字节尾数中字节尾数低字节尾数低字节0.11001001000011111 220000001