微机原理与单片机应用1-1

1、吴 栋南京师范大学物理科学与技术学院本课程要学的内容 ： 1计算机的基础知识（绪论，数制及转换，逻辑电路，二进制运算等） 2微机的组成电路，工作原理38086汇编语言程序设计 48086外部接口芯片的工作原理5单片机工作原理6. 单片机汇编语言设计 7. 单片机C语言程序设计8. 单片机应用技术绪论1 1、电子电子计算机发展简史计算机发展简史（1 1）1946-19581946-1958第一代第一代: :电子管计算机电子管计算机。磁鼓存储器，机器语言。磁鼓存储器，机器语言、汇编语言编程。世界上第一台电子数字计算机、汇编语言编程。世界上第一台电子数字计算机ENIACENIAC（Electroni

2、c Numerical Integrator And calculatorElectronic Numerical Integrator And calculator），），19461946年由美国宾夕法尼亚大学研制，字长年由美国宾夕法尼亚大学研制，字长1212位，运算速度位，运算速度50005000次次/ /秒秒，使用，使用1880018800个电子管、个电子管、15001500个继电器，功耗个继电器，功耗150kw150kw，占地，占地170m170m2 2，重达，重达3030吨，造价吨，造价100100万美元。见下页图。万美元。见下页图。 （2 2）1958-19641958-1964第

3、二代第二代: :晶体管计算机晶体管计算机磁芯作主存储器磁芯作主存储器, , 磁盘磁盘作外存储器，开始使用高级语言编程。作外存储器，开始使用高级语言编程。（3 3）1964-19711964-1971第三代：集成电路计算机第三代：集成电路计算机半导体存储器半导体存储器，出现多终端计算机和计算机网络。，出现多终端计算机和计算机网络。（4 4）1971- 1971- 第四代：大规模集成电路计算机第四代：大规模集成电路计算机出现微型计算出现微型计算机、单片微型计算机，外部设备多样化。机、单片微型计算机，外部设备多样化。（5 5）1981- 1981- 第五代：人工智能计算机第五代：人工智能计算机模拟人

4、的智能和交流模拟人的智能和交流方式。方式。2 2、计算机发展趋势、计算机发展趋势微型化微型化 便携式、低功耗便携式、低功耗高性能高性能 尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高速尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高速度度智能化智能化 模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力系列化、标准化系列化、标准化 便于各种计算机硬、软件兼容和升便于各种计算机硬、软件兼容和升级级网络化网络化 网络计算机和信息高速公路网络计算机和信息高速公路多机系统多机系统 大型设备、生产流水线集中管理大型设备、生产流水线集中管理( (独立控制、独立控制、 故障分散、资源共享故障分

5、散、资源共享) )绪论绪论微型计算机系统微型计算机系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)(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存储器存储器 ( (内存内存) )RAMRAMROMROM外部设备外部设备辅助设备辅助设备 输入设备输入设备( (键盘鼠标、扫描仪、摄像头键盘鼠标、扫描仪、摄像头) )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(PIO、SIOSIO、CTCCTC、ADCADC、DACDAC) )

6、( (I/OI/O接口接口) ) 总线总线 (AB(AB、DBDB、CB)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绪论绪论3 3、微型计算机、微型计算机系统的系统的组成与结构组成与结构运算器运算器 控制器控制器 寄存器组寄存器组 内存储器内存储器 总线总线输入输出输入输出接口电路接口电路外部设备外部设备 软

7、件软件微处理器微处理器微型计算机微型计算机微型计算机系统微型计算机系统微处理器、微型计算机、微型计算机系统之间的联系与区别：微处理器、微型计算机、微型计算机系统之间的联系与区别：单片机简介：单片机简介：单片机即单片微型计算机，是将计算机主机单片机即单片微型计算机，是将计算机主机(CPU(CPU、内、内存和存和I/OI/O接口等接口等) )集成在一小块硅片上的微型机。集成在一小块硅片上的微型机。单片机为工业测控而设计，又称微控制器单片机为工业测控而设计，又称微控制器。具有三高具有三高优势优势( (集成度高、可靠性高、性价比高集成度高、可靠性高、性价比高) )。主要应用于工业检测与控制、计算机外设

8、、智能仪器主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用电器等。仪表、通讯设备、家用电器等。 特别适合于嵌入式微特别适合于嵌入式微型机应用系统。型机应用系统。单片机实验系统用于实现单片机应用系统的硬、软件单片机实验系统用于实现单片机应用系统的硬、软件学习与开发。学习与开发。绪论绪论4 4、计算机主要技术指标、计算机主要技术指标字长：字长：CPUCPU并行处理二进制的数据位数并行处理二进制的数据位数 如：如：8 8位机、位机、1616位机、位机、3232位机和位机和6464位机。位机。内存容量：内存中能够存储的二进制信息的数量，位内存容量：内存中能够存储的二进制信息的数量，位

9、/ /字节字节/ /字。字。 容量单位：容量单位：1K=21K=21010=1024=1024，1M=21M=22020=1KK,=1KK, 1G=2 1G=23030=1KM =1KM ，1T=21T=24040=1KG=1KG。运算速度：运算速度：CPUCPU处理速度处理速度 相关参数：时钟频率、主频、每秒运算次数相关参数：时钟频率、主频、每秒运算次数 如：如：100MHz100MHz、3.2GHz3.2GHz。内存存取周期：内存读写速度内存存取周期：内存读写速度 如：如：5050nSnS 、70nS 70nS 、200nS 200nS 。绪论绪论5 5、计算机主要应用领域、计算机主要应用

10、领域v计算机应用通常分成如下各个领域计算机应用通常分成如下各个领域n科学计算，数据处理，实时控制，计算机辅助设计，人工智能，科学计算，数据处理，实时控制，计算机辅助设计，人工智能，v由于微型计算机具有如下特点由于微型计算机具有如下特点n体积小、价格低，工作可靠、使用方便、通用性强体积小、价格低，工作可靠、使用方便、通用性强v所以，微型计算机可以分为两个主要应用方向：所以，微型计算机可以分为两个主要应用方向：用于数值计算、数据处理及信息管理方向用于数值计算、数据处理及信息管理方向n通用微机，例如：通用微机，例如：PCPC微机微机n功能越强越好、使用越方便越好功能越强越好、使用越方便越好用于过程控

11、制及智能化仪器仪表方向用于过程控制及智能化仪器仪表方向n专用微机，例如：单片机、工控机专用微机，例如：单片机、工控机n可靠性高、实时性强可靠性高、实时性强n程序相对简单、处理数据量小程序相对简单、处理数据量小6 6、本门课程的研究内容及其地位与作用、本门课程的研究内容及其地位与作用研究内容：微机系统与单片机的组成与结构、工作原理及应用方法与技术。研究内容：微机系统与单片机的组成与结构、工作原理及应用方法与技术。本门课程在专业知识结构中的地位与作用：本门课程在专业知识结构中的地位与作用：绪论绪论7 7、学习方法建议、学习方法建议n复习并掌握先修课的有关内容复习并掌握先修课的有关内容n课堂：听讲与

12、理解、适当笔记。课堂：听讲与理解、适当笔记。n课后：认真阅读教材和参考书、独立完成作业。课后：认真阅读教材和参考书、独立完成作业。n实验：充分准备、勤于动手实践。实验：充分准备、勤于动手实践。n考核考核: : 理论成绩、实验成绩理论成绩、实验成绩8 8、学习资源、学习资源u书籍书籍u网络网络u硬件硬件绪论绪论第第1 1章章 计算机基础知识计算机基础知识1.1 1.1 数制数制1.1.11.1.1数制的基本概念数制的基本概念数制是人们利用符号来记数的科学方法，计算机科学中经常使用的数制有数制是人们利用符号来记数的科学方法，计算机科学中经常使用的数制有（1 1）有十个数码有十个数码0 09 9、逢

13、十进一。、逢十进一。 十进制是人们最熟悉的计数体制。十进制是人们最熟悉的计数体制。（2 2）两个数码两个数码:0:0、1, 1, 逢二进一逢二进一 二进制为计算机中的数据表示形式。二进制为计算机中的数据表示形式。有八个数码有八个数码0 07 7、逢八进一。、逢八进一。（4 4）十六个数码十六个数码:0:09, A9, AF, F, 逢十六进一。逢十六进一。 八进制和十六进制能够简化二进制数的表示。八进制和十六进制能够简化二进制数的表示。不同进制数以下标或后缀来区别不同进制数以下标或后缀来区别, ,十进制数可不带下标。十进制数可不带下标。如如:101:101、101101D D、101101B

14、B、101101O O、101H101H十进制数据表达式十进制数据表达式例例 1234.5=11234.5=110103 3 +2+210102 2 +3+310101 1 +4+410100 0 +5+51010-1-1 加权展开式以加权展开式以1010为基数，各位系数为为基数，各位系数为0 09 9。一般表达式：一般表达式：N ND D= d= dn-1n-11010n-1n-1+d+dn-2n-21010n-2 n-2 + +d+d0 010100 0 +d+d-1-11010-1-1+ +数据表达式数据表达式例例 1101.101=11101.101=12 23 3+1+12 22 2

15、+0+02 21 1+1+12 20 0+1+12 2-1-1+1+12 2-3-3 加权展开式以加权展开式以2 2为基数，各位系数为为基数，各位系数为0 0、1 1。一般表达式：一般表达式： N NB B = b = bn-1n-12 2n-1 n-1 + b+ bn-2n-22 2n-2 n-2 + +b+b0 02 20 0 +b+b-1-12 2-1-1+ +第第1 1章章 计算机基础知识计算机基础知识数据表达式数据表达式例：例：DFC.8=13DFC.8=1316162 2 +15 +1516161 1 +12 +1216160 0 +8 +81616-1-1 展开式以展开式以161

16、6为基数，各位系数为为基数，各位系数为0 09 9，A AF F。一般表达式：一般表达式：N NH H= h= hn-1n-11616n-1n-1+ h+ hn-2n-21616n-2n-2+ + h+ h0 016160 0+ h+ h-1-11616-1-1+ + 进位计数制的一般表达式：进位计数制的一般表达式：a an-1n-1a an-2n-2a a1 1a a0 0a a-1-1a a-m-m= = a an-1n-1r rn-1n-1+a+an-2n-2r rn-2n-2+ +a+a1 1r r1 1a a0 0r r0 0a a-1-1r r-1-1a a-m-mr r-m-m其

17、中其中r r称为数制的基称为数制的基，r rn-1n-1、r rn-2n-2、r r1 1、r r0 0、r r-1-1、r r-m-m称为称为各位的权各位的权，a an-1n-1、a an-2n-2、a a1 1、a a0 0、a a-1-1、a a-m-m称为各位的称为各位的系数系数。第第1 1章章 计算机基础知识计算机基础知识第第1 1章章 计算机基础知识计算机基础知识1.1.21.1.2数制之间的转换数制之间的转换（1 1） 各位的系数乘以各位的权，然后全部加起来。各位的系数乘以各位的权，然后全部加起来。举例：举例：1011.10101011.1010B B=1=12 23 3+1+1

18、2 21 1+1+12 20 0+1+12 2-1-1+1+12 2-3-3=11.625=11.625DFC.8DFC.8H H =13 =1316162 2+15+1516161 1+12+1216160 0+8+81616-1 -1 = 3580.5= 3580.5 2 24 4=16 =16 ，四位二进制数对应一位十六进制数，四位二进制数对应一位十六进制数。举例举例：3AF.23AF.2H H = = 00110011 10101010 11111111. .00100010 = 1110101111.001 = 1110101111.001B B 3 A F 2 3 A F 2111

19、1101.111111101.11B B = = 01110111 11011101. .11001100 = 7D.C = 7D.CH H 7 D C7 D C第第1 1章章 计算机基础知识计算机基础知识1.1.21.1.2数制之间的转换数制之间的转换（3 3）十进制数转换成二、十六进制数）十进制数转换成二、十六进制数整数、小数分别转换整数、小数分别转换 1.1.整数转换法整数转换法“除基取余除基取余”：十进制整数不断除以转换进制基数，直至商为：十进制整数不断除以转换进制基数，直至商为0 0。每除一次。每除一次取一个余数，从低位排向高位。取一个余数，从低位排向高位。例题1：39转换成二进制数

20、39 =100111B2 39 1 （ b0） 2 19 1 （ b1） 2 9 1 （ b2） 2 4 0 （ b3） 2 2 0 （ b4） 2 1 1 （ b5） 0例题2：208转换成十六进制数 208 = D0H16 208 余余 016 13 余余 13 = DH 0“乘基取整乘基取整”：用转换进制的基数乘以小数部分，直至小数为：用转换进制的基数乘以小数部分，直至小数为0 0或达到转换精或达到转换精度要求的位数。每乘一次取一次整数，从最高位排到最低位。度要求的位数。每乘一次取一次整数，从最高位排到最低位。例例1 1：0.6250.625转换成二进制数转换成二进制数 0.6250.6

21、25 2 2 1.25 1 (b 1.25 1 (b-1-1) ) 0.25 0.25 2 2 0.50 0 (b 0.50 0 (b-2-2) ) 0.50 0.50 2 2 1.00 1 (b 1.00 1 (b-3-3) ) 所以所以0.625 = 0.101B0.625 = 0.101B第第1 1章章 计算机基础知识计算机基础知识第第1 1章章 计算机基础知识计算机基础知识例2：0.625转换成十六进制数 0.625 16 = 10.0 0.625 = 0.AH例3：208.625 转换成十六进制数 208.625 = D0.AH第第1 1章章 计算机基础知识计算机基础知识1.2 1.

22、2 逻辑电路逻辑电路逻辑电路是实现输入信号与输出信号之间逻辑关系的电路，计算机对于信逻辑电路是实现输入信号与输出信号之间逻辑关系的电路，计算机对于信息数据的处理都是由逻辑电路实现的，因此逻辑电路是计算机的硬件基础。息数据的处理都是由逻辑电路实现的，因此逻辑电路是计算机的硬件基础。常用的基本逻辑门电路有：与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门常用的基本逻辑门电路有：与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门、同或门、缓冲器等，这些基本门电路是构成逻辑电路的基本成分，利用它、同或门、缓冲器等，这些基本门电路是构成逻辑电路的基本成分，利用它们可以搭建多种多样的复杂的逻辑电路。基本逻辑门电路符号及表达

23、式如下们可以搭建多种多样的复杂的逻辑电路。基本逻辑门电路符号及表达式如下异或门异或门 或门或门 或非门或非门AXBX=AB X= AB X=A+B X=A+B XXXAAABBBAXX=A B X=A X=AB同或门同或门AXBAXB1&1= =1&1= =1XABABABXXXAABABABXXXX=A X=AB X= AB X=A+B X=A+B X=A B X=A B 第第1 1章章 计算机基础知识计算机基础知识1.3 1.3 布尔代数布尔代数布尔代数又称为开关代数或逻辑代数，是在布尔代数又称为开关代数或逻辑代数，是在18471847年由英国数学家乔治年由英国数学家乔治.

24、 .布尔布尔(George Boole)(George Boole)首先创立的，布尔代数研究逻辑变量之间的相互关系和变化首先创立的，布尔代数研究逻辑变量之间的相互关系和变化规律，它是分析和设计数字逻辑电路的理论基础和基本工具。规律，它是分析和设计数字逻辑电路的理论基础和基本工具。布尔代数的特点：布尔代数的特点：(1)(1)变量只有两种可能的取值：变量只有两种可能的取值：0 0或或1 1。(2)(2)只有只有3 3种基本的逻辑运算：种基本的逻辑运算：“与与”、“或或”、“非非”。1.3.1 1.3.1 基本逻辑运算基本逻辑运算最基本的逻辑操作：最基本的逻辑操作：“与与”（逻辑乘，符号（逻辑乘，符

25、号A AB B或或ABAB或或A AB B）、）、“或或”（逻（逻辑加，符号辑加，符号A+BA+B）、）、“非非”（逻辑非或逻辑反，符号（逻辑非或逻辑反，符号A A，或，或A A）。）。与操作的定义：与操作的定义：A=1A=1且且B=1B=1 AB=1AB=1或操作的定义：或操作的定义：A=1A=1或或B=1B=1 A+B=1A+B=1非操作的定义：若非操作的定义：若A=1A=1则则A=0A=0，若，若A=0A=0则则A=1A=1类似地可以定义多个变量的与操作和或操作。类似地可以定义多个变量的与操作和或操作。多位二进制数的逻辑运算定义为各对应位分别进行相应的逻辑运算。多位二进制数的逻辑运算定义为各对应位分别进行相应的逻辑运算。 见见P6-7P6-7例例1.5-1.5-例例1.71.7其它常用的逻辑操作