单片机原理及应用第一章课件(基础知识)

1、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 电子计算机的发展概述电子计算机的发展概述1.1.1 1.1.1 电子计算机的问世及其经典结构电子计算机的问世及其经典结构 1946年年2月月15日日，第一台电，第一台电子数字计算机子数字计算机问世，这标志问世，这标志着计算机时代着计算机时代的到来。的到来。ENIAC

2、ENIAC是电子管计算机，时钟频率仅有是电子管计算机，时钟频率仅有100 KHz，但能在，但能在1秒钟的时间内完成秒钟的时间内完成5000次加法运次加法运算。功耗算。功耗150kW，占地，占地170M2 ，造价，造价100万美元万美元 与现代的计算机相比，有许多不足，但与现代的计算机相比，有许多不足，但它它的问世开创了计算机科学技术的新纪元，的问世开创了计算机科学技术的新纪元，对人对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响类的生产和生活方式产生了巨大的影响 。 匈牙利籍数学家匈牙利籍数学家冯冯诺依曼诺依曼在方案的设计上做出了重在方案的设计上做出了重要的贡献。要的贡献。1946年年6月，他又提出了月

3、，他又提出了“程序存储程序存储”和和“二进制运算二进制运算”的思想，进一步构建了的思想，进一步构建了计算机由运算计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成这一这一计算机的经典结构。计算机的经典结构。(EDVAC-ELECTRONIC DISCRETE VARIABLE AUTOMATIC COMPUTER)电子计算机技术的发展，相继经历了五个时电子计算机技术的发展，相继经历了五个时代：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

4、。超大规模集成电路计算机。计算机的结构仍然没有突破冯计算机的结构仍然没有突破冯诺依曼提出的诺依曼提出的计算机的经典结构框架。计算机的经典结构框架。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)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

5、、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 微型计算机的组成及其应用形态微型计算机的组成及其应用形态一、微型计算机的组成一、微型计算机的组成 1971 1971年年1 1月，月，INTELINTEL公司的公

6、司的特德特德霍夫在与日本商业通霍夫在与日本商业通讯公司合作研制台式计算器讯公司合作研制台式计算器时，将原始方案的十几个芯时，将原始方案的十几个芯片压缩成三个集成电路芯片。片压缩成三个集成电路芯片。其中的两个芯片分别用于存其中的两个芯片分别用于存储程序和数据，储程序和数据，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，称为寄存器，称为微处理器微处理器（即（即Intel 4004Intel 4004）。）。4004微处理器微处理器 微处理器、存储器加上微处理器、存储器加上I/O接口电路组成微接口电路组成微型计算机型计算机。各部分通过地址总线（。各部分通过地址总线（AB

7、）、数）、数据总线（据总线（DB）和控制总线（）和控制总线（CB）相连。（三）相连。（三种总线的作用，数据总线宽度，地址总线宽种总线的作用，数据总线宽度，地址总线宽度）。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、软板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软/硬盘硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系

8、统驱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软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机）。（简称系统机）。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）。单板机单板机单板机的单板机的I/O设备简单，软件资

9、源设备简单，软件资源少，使用不方便。早期主要用于微少，使用不方便。早期主要用于微型计算机原理的型计算机原理的教学教学及及简单的测控简单的测控系统系统，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 ：单板机单板机单片机单片机系统机（多板机）系统机（多板机） 系统机系统机（桌面应用桌面应用）属于通用计算机，主）属于通用计算机，主要应用于数据处理、办公自动化及辅助设计要应用于

10、数据处理、办公自动化及辅助设计等广泛领域。等广泛领域。 单片机单片机（嵌入式应用嵌入式应用）属于专用计算机，）属于专用计算机，主要应用于智能仪表、智能传感器、智能家主要应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统。应用系统。 单片机单片机体积小体积小、价格低价格低、可靠性高可靠性高，其非其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。求具有独特的优势。 1.2 单片机的发展过程及产品近况单片机的发展过程及产品近况 1.2.1 1.2.1 单片机的发展过程单片机的发展过程

11、单片机技术发展过程可分为三个主要阶段：单片机技术发展过程可分为三个主要阶段： 单芯片微机形成阶段单芯片微机形成阶段 1976年，年，Intel公司推出了公司推出了MCS-48系列单片机系列单片机 。8位位CPU、1K字节字节ROM、64字节字节RAM、27根根I/O线线和和1个个8位定时位定时/计数器计数器。 特点是特点是：存储器容量较小，寻址范围小（不大于：存储器容量较小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强。），无串行接口，指令系统功能不强。 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

12、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

13、。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 单片机产品近况单片机产品近况 ATMELATMEL公司融入公司融入FlashFlash存储器技术的存储器技术的AT89A

14、T89系列；系列； PhilipsPhilips公司的公司的80C5180C51、80C55280C552系列；系列； 华邦公司的华邦公司的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低压高速低压高速系列；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单片机。

15、单片机。 80C5180C51系列系列单片机产品繁多，单片机产品繁多，主流地位已经主流地位已经形成，形成，近年来推出的近年来推出的与与80C5180C51兼容兼容的主要产品有：的主要产品有： 非非80C51结构单片机新品结构单片机新品不断推出，给用户不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间提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 单片机的特点

16、及应用领域单片机的特点及应用领域1.3.1 1.3.1 单片机的特点单片机的特点 近期推出的单片机产品，内部集成有高速近期推出的单片机产品，内部集成有高速I/OI/O口、口、ADCADC、PWMPWM、WDTWDT等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式（如在系统编程控制网络总线和开发方式（如在系统编程ISPISP）等方面）等方面都有了进一步的增强。都有了进一步的增强。 控制性能和可靠性高控制性能和可靠性高 实时控制功能特别强，其实时控制功能特别强，其CPUCPU可以对可以对I/OI/O端口直接进行端口直接进行操作，操作，位操作

17、能力位操作能力更是其它计算机无法比拟的。另外，更是其它计算机无法比拟的。另外，由于由于CPUCPU、存储器及、存储器及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，各部件间的连接紧凑，数据在传送时间的连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响较小受干扰的影响较小，且不，且不易受环境条件的影响，所以单片机的易受环境条件的影响，所以单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

18、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 单片机的应用领域单片机的应用领域 智能仪器仪表智能仪器仪表 单片机用于各种仪器仪表，一方面提高单片机用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度，使仪器仪了仪器仪表的使用功能

19、和精度，使仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪表产品结构，从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。如的升级换代。如各种智能电气测量仪表、各种智能电气测量仪表、智能传感器智能传感器等。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

20、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

21、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

22、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 单片机应用系统开发简介单片机应用系统开发简介 1.4.1 1.4.1 单片机应用系统的开发单片机应用系统的开发 正确无误的正确无误的硬件设

23、计硬件设计和良好的和良好的软件功能设计软件功能设计是一是一个实用的单片机应用系统的设计目标。个实用的单片机应用系统的设计目标。完成这一目标完成这一目标的过程称为单片机应用系统的开发的过程称为单片机应用系统的开发。 单片机作为一片集成了微型计算机基本部件的集单片机作为一片集成了微型计算机基本部件的集成电路芯片，与通用微机相比，它自身没有开发功能，成电路芯片，与通用微机相比，它自身没有开发功能，必须借助开发机（一种特殊的计算机系统）来完成如必须借助开发机（一种特殊的计算机系统）来完成如下任务：下任务： 排除排除应用系统的应用系统的硬件故障硬件故障和和软件错误软件错误； 程序固化程序固化到内部或外部

24、程序存储器芯片中。到内部或外部程序存储器芯片中。 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。在单片机中，指令按一定的顺序以二进制码的形式存放于机中，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，人们程序存储器中。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。通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

25、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

26、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 单片机应用系统传统开发方式单片机应用系统传统开发方式 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芯片芯片分别有分别有20KB20KB和和30KB30KB的的SuperFLASHSuperFLASH存储器，利存储器，利用这种存储器可以进行高速读写的特点，能用这种存储器可以进行高速读写的特点，能够实现在系统编程（够实现在系统编程（ISPISP）和在应用编程）和在应用编程（IAPIAP）功能

27、。首先在）功能。首先在PCPC机上完成应用程序机上完成应用程序的编辑、汇编（或编译）、模拟运行，然后的编辑、汇编（或编译）、模拟运行，然后实现目标程序的串行下载实现目标程序的串行下载。1.4.3 1.4.3 单片机开发方式的发展单片机开发方式的发展 Microchip Microchip公司推出的公司推出的RISCRISC结构单片机结构单片机PIC16F87XPIC16F87X中内置有在线调试器中内置有在线调试器ICDICD（In-In-Circuit ProgrammingCircuit Programming）功能；）功能； 该公司还配置了具有该公司还配置了具有ICSPICSP（In-Ci

28、rcuit In-Circuit Serial ProgrammingSerial Programming）功能的简单仿真器）功能的简单仿真器和烧写器。通过和烧写器。通过PCPC机串行电缆就可以完成机串行电缆就可以完成对目标系统的仿真调试对目标系统的仿真调试 。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 +b0

29、20 +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. 两个数码两个数码:0、1,

30、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-1

31、rn-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 2 10111000.0101B = 1011 1000.

32、 0101= 1111101.11B =0111 1101.1100 = 7D.CH 7 D CB8.5H ，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

33、数 208 =D0H16 208 余余 016 13 余余 13 = DH 0 2. 小数转换法小数转换法：“乘基取整乘基取整”：从最高位排到最低：从最高位排到最低位。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

34、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

35、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=10

36、000100 =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=00000100 x=-4x=-4： xx原原=10000100=10000100 xx反反=

37、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

38、 - -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

39、- 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=X

40、1=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010

41、11001010110011101100111011001 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

42、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

43、：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 + 111

44、11010 -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=

45、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 + 0000

46、1000 -(-8) -(-8)补补10100000 16010100000 160 1 1 10001100140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1001011015010010110

47、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计算机中有符号数补码与无符号数的加减运算方法相同：同：加法直接相加

48、，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

49、. 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 01

50、01101001011010 + 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

51、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1001011110010111-105-10