单片型计算机原理及工程应用ppt课件完整版

1、单片型计算机原理及工程应用预备知识 数制与码制第一章 单片机的基础第三章 A)MCS-51单片机的指令系统第三章 B)MCS-51单片机的程序设计第四章 系统的扩展与接口第五章 中断、定时系统、串行通信第六章51单片机的接口应用第七章 单片机应用系统设计目录第二章 51单片机硬件系统结构课程教学要求达到的学习目的：通过对MCS-51单片机的深入学习，理解计算机工作原理。在实验开发系统上进行各类实验练习；自己设计、制作51系统板； 进行初步的应用系统设计。本课程是实践性较强的课程，注意理论知识学习和实验、实践的结合。通过课程的学习，掌握MCS-51单片机软件编程和硬件电路设计的方法，能够进行单片

2、机应用系统的设计、调试工作。课堂三个十分钟学生讲解课堂自修命题讨论第一章单片机基础知识前言：计算机原理计算机的第一条本质原理：将各类信息以某种信号进行存储。就如同录音机、电话的原理一样；数字信号（Digital Signals）：是“模拟信号（Analog Signals）”的相对，即数码。模拟信号在重现时会出现失真，而数字信号不会；存储器：如果计算机只存储信息，那计算机就只能叫数据仓库了。有了数据还需要处理数据的能力。数据和处理是世界的全部。I/O设备 ：计算机系统中，键盘，鼠标，扫描仪，数码相机等，可称为输入(Input)设备。显示器，打印机，称为输出(Output)设备。中央处理器（Ce

3、ntral Processor Unit）：电脑的心脏，处理几乎所有计算系统中的数据。但是CPU也只是一个工具，什么时候，什么方法，计算什么样的数据，有人来控制。计算机处理数据的方法，便是：程序！内存地址：计算机获得数据、存储数据的依据。笨、快、准计算机的特点：第一章单片机基础知识内容提要：了解工业计算机的基本原理；了解嵌入式系统的概念；什么是单片机；（重点）掌握计算机中数的表达及常见码制。（重点）学习难点：嵌入式微型计算机的组成与原理；MCS-51系列单片机的特性；码制。第一章单片机基础知识讲授内容目录： 微机及工业控制用计算机； 嵌入式系统与单片机； 单片机的发展； 计算机运算基础知识。回

4、顾计算机的发展历史1.1微机及工业控制用计算机 微型计算机的组成：微型计算机(Microcomputer，简称：C)系统是由硬件部分与软件部分组成： 五大硬件 ：运算器 (ALU: Arithmetic and Logic Unit)、控制器 (Control Unit)、存储器 (Memory Unit)、输入设备 (Input Device)、输出设备 (Out Device) ；软件组成：1.1微机及工业控制用计算机 微型计算机的工作原理 ：计算机的基本原理是存贮程序和程序控制，由美籍匈牙利数学家冯诺依曼于1945年提出，故称为冯诺依曼原理。 微控制器的两种架构 1.哈弗式2.冯诺依曼精

5、简指令集（RISC） 集中指令集（CISC）匈牙利数学家冯诺依曼提出了“程序存储”和“用二进制代替十进制运算”的思想；构建了计算机由运算器、控制器、存贮器、输入设备和输出设备所组成这一计算机的基本结构。冯诺伊曼结构也称普林斯顿结构。是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同。数据总线和地址总线共用。微控制器的两种架构 哈佛结构：采用数据存储器与程序代码存储器分开，各自有自己的数据总线与地址总线。但这是需要CPU提供大量的数据线，因而很少使用哈佛结构作为CPU外部构架来使用。但是对于CPU内

6、部，通过使用不同的数据和指令cache，可以有效的提高指令执行的效率，因而目前大部分计算机体系都是CPU内部的哈弗结构+CPU外部的冯.诺伊曼的结构。二、计算机的基本结构1.1微机及工业控制用计算机 微型计算机的形态：多板机单板机单片机 1.1微机及工业控制用计算机 控制用微机及其应用：单片机可编程控制器PLC工业控制计算机1.1微机及工业控制用计算机 控制用微机及其应用：单片机可编程控制器PLC工业控制计算机MCS系列PIC系列AVR系列MSP430系列97年,由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生, 共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR。与51单片机、PIC单片机

7、相比运行效率高很多，存储容量大。 Microchip公司PIC单片机（Peripheral Interface Controller）是一种用来开发的去控制外围设备的集成电路（IC）。一种具有多任务功能的CPU，性能稳定。MSP430 系列是美国德州仪器(TI)1996年推出的一个 16 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机 Intel公司推出,其后,多家公司购买了8051的内核,使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大,应用也最广泛。1.2嵌入式系统与单片机嵌入式系统的概念：IEEE（国际电机工程师协会）定义：嵌入式系统是“控制、监视或者辅助操作各种装置、机器和设备运

8、行的装置”（原文为Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。通俗理解：嵌入式系统一般指非 PC 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。计算机嵌入应用对象体系中。组成：它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 计算机系统 通用式计算机系统（机） 嵌入式计算机系统（单片机为主要形式之一） 核心是嵌入式微处理器 1.2嵌入式系统与单片机单片机的概念：单片机是

9、一种典型的嵌入式系统微控制器(Embedded Controller) 。早期的单片机只是按嵌入式应用技术要求设计的计算机单芯片集成：如中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、输入/输出接口电路、定时器/计数器以及串行通信接口等集成在一块芯片中，构成一个完整的微型计算机，故名单片机-SCM (Single-Chip Microcomputer)。 。如今，单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统，同时，为了便于在嵌入式控制领域的应用，还集成了定时器/计数器、中断控制器、串行接口等。随着大规模集成电路的发展，以及应用领域的需求，单片机内还可以包含A/D、D/A转换器、WDT、

10、DMA通道、浮点运算等新的特殊功能部件，称为MCU (Micro Controller Unit)。下一代的发展趋势为SoC (System on Chip)。计算机系统 通用式计算机系统（机） 嵌入式计算机系统（单片机为主要形式之一） 附：单片机和PC的差别 项目PC 单片机概念形态标准，外部设备齐全，应用多个单片机和一个微处理器、通过装配不同的应用软件，多个部件组成的适应社会各个方面的计算机应用系统芯片级产品。它以某一种微处理器为核心，将RAM、总线、ROM/EPROM、总线逻辑、定时/计数器、并行I/O口、串行I/O口、看门狗、脉宽调制输出、A/D、D/A等集成到一块芯片内主机板复杂简单

11、CPU奔腾、AMD等片内集成存储器硬盘、内存条片内集成或外扩展芯片操作系统Windows或Linux等自己编制、自行发展输出CRT或LCD屏幕等端口输出电信号驱动LED数码管或LCD、发光管指示输入标准键盘、鼠标等端口输入非标准键盘及电信号编程语言VC、VB等汇编语言或C语言应用办公、家庭，计算、图文处理用于控制，嵌入到产品中，1.2嵌入式系统与单片机单片机的分类：按字长可分为：4位机、8位机、16位机、32位机等；按应用领域可分为：家电类，工控类，通信类，个人信息终端类等等；按通用性可分为：通用型和专用型。按总线结构可分为：总线型和非总线型。我们通常所说的单片机主要指通用型单片机。 单片机的

12、特点与优点：ROM和RAM是区分开I/O引脚通常是多功能单片机的外部扩展能力强功耗低、抗干扰能力强体积小、重量轻，性价比高品种多，型号全，使用方便 1.2嵌入式系统与单片机单片机的应用：单片机应用系统结构；单片机的应用领域；单片机的应用范围Motorola估测：2010年平均每人每天接触351片单片机。PC机内嵌入10余片单片机。室温传感器模式开关定时器风量开关温度设定冷热开关功 能 自动运行 定时工作 重启动延时 温度与设定显示 睡眠模式 扫风、风俗 除湿设定温度电源继电器风扇继电器加热继电器压缩机继电器温度显示其他显示INPUTOUTPUT空调控制微机单片机的应用范围Motorola估测：

13、2010年平均每人每天接触351片单片机。PC机内嵌入10余片单片机。（1） 工业控制。 （2） 智能仪表。 （3） 医疗设备。 （4） 通讯领域。 （5） 智能民用产品 （衣、食、住、行）。（6）汽车领域。1、工业控制数控车床数控线切割机床用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 2.制造与过程控制 自动化工厂、柔性制造系统（FMS）、无人物流小车、机器人、加工中心、核电站、污水处理系统、发（变）电站、能源控制系统、石化企业的控制设备、建筑设备等。3、智能仪器仪表上数字式测角仪交直流电压电流表

14、位移传感器单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。 4、家用电器1. 智能冰箱 2智能饭煲 3智能食品配料机 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。 每个家庭使用的嵌入式处理

15、器约3040个。 一台PC机中就可能使用了10来个嵌入式处理器。 5、计算机网络和通信领域现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制。手机电话机程控交换机楼宇自动通信呼叫系统列车无线通信日常工作中随处可见的移动电话集群移动通信，无线电对讲机等。6、医用设备医用呼吸机各种分析仪监护仪超声诊断设备病床呼叫系统等等电池分析仪 医用呼吸机麻醉信息管理系统汽车内部正迅速发展成为一个具有相当规模的局域网，如CAN（控制局域网）总线网络。 汽车中的GPS系统与电子导航系统（电子地图）、防碰撞

16、系统（安全气囊）、油/气比控制、车用电脑、音响、车灯、智能化的侧视镜。 据资料介绍，S级的梅塞德斯轿车，每辆车内平均装有64个微处理器。小知识：嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。简单的说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化，类似与BIOS的工作方式。具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点。特别适合于要求实时的和多任务的体系。7.汽车中嵌入式系统工业控制中智能家用电器、智能仪器设备、数控机床、自动生产线、智能玩具、相关的数据采集处理显示等等。日常生活中常见的霓虹灯显示、比赛抢答器、报警器、电子时钟、点阵和液晶显示屏等等。应用实例1.3单片机的发展单片机的发展历史：可

17、分为四个发展阶段第一阶段：单片机初级阶段第二阶段：低性能单片机阶段第三阶段：高性能单片阶段第四阶段：巩固发展8位，推出16位、32位单片机阶段单片机的发展趋势：体系结构发展：SCM、MCU、SoC (System On Chip)单片机高性能化：增加CPU的字长或提高时钟频率存储器大容量化：ROM 64KB，支持ISP/IAP更多的外围电路内装化,增加芯片间串行总线接口单片机在工艺上的提高：低电压（降至2.7v或更低)与低功耗（Idle Mode、Power-down Mode时 间厂 家型 号位数197476FairchildF88197678INTEL80488INTEL80518Moto

18、rola68018197882ZilogZ88Phillips80518LG80518Winbow80518Atmel80518MicrochipPIC8TITMS32081982INTEL809616INTEL8052/875281.3单片机的发展单片机的发展趋势：体系结构变化：SCMMCU SOC速度提高：MCS-51系列常用外频12M，新品可达24M或更高，而ARM处理器可达百M至1GHz低电压与低功耗：目前单片机都提供低功耗工作模式，包括空闲模式（Idle Mode）和掉电模式（Power-down Mode）；工作电压下限降至2.7v或更低。在线编程技术： ISP (In Syste

19、m Programming)：程序停止，不拆芯片，通过专用串口写入更新程序 IAP (In Application Programming)：程序不停，不拆芯片，通过通用串口写入更新程序增加芯片间串行总线接口：如I2C、SPI、1-WIRE等支持在线仿真功能1.3单片机的发展8位单片机-MCS-51系列及其兼容机 ：目前我国比较流行的单片机Intel公司的MCS-51系列及其兼容机，采用集中指令系统的8位单片机；Microchip（微芯）公司的PIC系列，采用精简指令系统的8位单片机；TI的MSP430系列，采用精简指令系统的16位单片机；Atmel公司的AVR系列，即AT90系列，采用精简指

20、令系统的8位单片机；Atmel公司的ARM系列，即AT91系列，采用精简指令系统的32位ARM单片机；凌阳(SUNPLUS)公司的SPMC65(8位)、 SPMC75(16位)系列；MCS-51单片机系列 前身：MCS-48系列单片机，8位51子系列：基本型，根据片内ROM的配置52子系列：增强型，根据片内ROM的配置后继： MCS-96系列单片机，16位1.3单片机的发展Intel单片机性能对比 MCS-48系列MCS-51系列MCS-96系列CPU8位8位16位定时计数器1个8位23个16位2个16位，4个软件中断系统单级，2个2级，5个（6个）8级，20多个中断源I/O2个8位4个8位5

21、个8位串行口无1个全双工1个全双工硬件乘除指令硬件乘除指令，8个高速I/O单元，10位A/D 转换器，PWM，WDT表1-2MCS-51系列单片机配置一览表系列片内ROM型式ROM大小RAM大小寻址范围I/O特性中断源数无ROMEPROMEEPROMFLASH计数器并口518031805187514KB128B64KB2*164*8580C3180C5187C5189C5189S514KB128B64KB2*164*85528032805287528KB256B64KB3*164*8680C3280C5287C5289C5289S528KB256B64KB3*164*86/8注： C：CHMO

22、S 互补对称高密度金属氧化物半导体； S：FLASH ROM 支持ISP(在系统可编程)，ATMEL AT89S52，1000次擦写周期，33M频率；PHILIPS P89C58X2FN(ISPIAP 10000次)2022/8/27存储器：原来存放程序、数据的存储设备（半导体集成电路）。分类按照读写方式分：(a) RWM (Read/Write Memory)(b) ROM (Read Only Memory) 按照访问方式分：(a) RAM (Random Access Memory)(b) SAM (Sequential Access Memory) 按照掉电保持分：(a) VM (Vo

23、latile Memory)(b) NVM (Non-Volatile Memory)统称：RAM-RWM、RAM、VM ROM- ROM、SAM、NVM存储器类型1.3单片机的发展AT89系列单片机:目前我国比较流行的单片机由于AT89系列单片机继承了MCS-51单片机的原有功能，内部又含有大容量的Flash存储器，又增加了实用性的功能，如看门狗定时器WDT、ISP及SPI串行接口技术等，因此在电子产品开发、生产便携式商品、及智能化仪器仪表中有着广泛的应用，是目前取代MCS-51系列单片机的主流芯片之一。 ATMEL公司的Flash有四种档次的产品：商业C档(0+70)工业I档(-40+85

24、)汽车A档(-40+125)军用M档(-55+125) 。型号中数字9表示内含Flash存储器，C表示CMOS工艺，LV表示低电压，S表示含有串行下载Flash存储器，51、52和8252等表示型号，WDT (Watch Dog Timer)指内建看门狗。其他MCS-51系列兼容单片机 常用MCS-51单片机及兼容机简介公司产品型号兼容性Intel公司MCS-51及其增强系列单片机与MCS-51兼容Atmel公司AT89X51系列Flash单片机Philips公司P8XC528XC552及89C66X系列高性能单片机Winbond公司W78C51及W78E51系列高速低价单片机STCSTC89

25、C52STC89LE51LG公司GMS90/97系列高速低压单片机Cygnal公司C8051F系列高速SOC单片机Motorola公司6801和6805系列高性能单片机与MCS-51不兼容Zilog公司Z8系列特殊应用设计单片机Microchip公司PIC系列RISC结构单片机Atmel公司AVR系列RISC结构单片机1.4计算机运算基础知识数制：是用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法。同一个数字之符号，用不同数制表示，形式不同，但数量相等。常见数制： 二进制八进制十进制十六进制BQDHBinaryOctalDecimalHexadecimal两个要件：基数 R（Radix）：可用数码

26、个数权重 W（Weight）：每位权重，以R为底的幂R进制数N形式表示:(1) 并列表示法：(N)R(K n-1 K n-2K1K0K-1 K -2 K-m)R(2) 多项式表示法： 二进制数 当 R=2 时, 称为二进位计数制, 简称二进制。在二进制数中, 只有两个不同数码: 0和1, 进位规律为“逢二进一”。任何一个数 N, 可用二进制表示为 例如, 二进制数 1011.01 可表示为 (1011.01)2=123+022+121+120+02-1+12-2 1.4计算机运算基础知识 八进制数 当R=8 时, 称为八进制。在八进制中, 有 0、1、2、7 共 8 个不同的数码, 采用“逢八

27、进一”的原则进行计数。如（503)8可表示为(503)8=582+081+380 1.4计算机运算基础知识 十六进制 当R=16时, 称为十六进制。在十六进制中, 有 0、1、2、 9、 A、B、C、D、E、F共 16个不同的数码, 进位方法是“逢十六进一”。 例如, （3A8.0D）16可表示为（3A8.0D)16= 3162+10161+8160+016-1+ 1316-2 各种进位制的对应关系 十进制二进制八进制十六进制十进制二进制八进制十六进制000091001119111110101012A2102211101113B3113312110014C41004413110115D5101

28、5514111016E61106615111117F71117716100002010810001081.4计算机运算基础知识各进制数转换成十进制数：按权多项式展开2D07.AH216313162016171601016-1 8192332870.62511527.625十进制数转换成各进制数：乘除法：分开处理，整数部分（除，逆向取余）和小数部分（乘，正向取整）；降幂法：凑出结果。 数制的转换方法1.4计算机运算基础知识 十进制数转换成二进制数 任意十进制数 N 转换成 二 进制数, 需将整数部分和小数部分分开, 采用不同方法分别进行转换, 然后用小数点将这两部分连接起来。 (1) 整数部分:

29、 除2(基)取余法。 分别用基数 R 不断地去除 N 的整数, 直到商为零为止, 每次所得的余数依次排列即为相应进制的数码。最初得到的为最低有效数字, 最后得到的为最高有效数字。 1.4计算机运算基础知识例 1 将（168)10转换成二进制数。 2 168 余数 84 0 最低位 42 0 21 0 10 1 5 0 2 1 1 0 0 1 最高位 (168)10=(10101000)21.4计算机运算基础知识1.4计算机运算基础知识 十进制数转换成二进制数 (2) 小数部分: 乘2(基)取整法。 分别用基数 2不断地去乘N的小数, 直到积的小数部分为零（或直到所要求的位数）为止, 每次乘得的

30、整数依次排列即为相应进制的数码。 最初得到的为最高有效数字, 最后得到的为最低有效数字。例 2 求十进制数0.625的二进制数。 用乘法竖式,步骤如下： 0.625 2 1.250 整数部分为1,即小数点后第一位为1 0.25 2 0.50 整数部分为0,即小数点后第二位为0 2 1.00 整数部分为1,即小数点后第三位为1 （0.625)10=(0.101)21.4计算机运算基础知识 各进制转换成十进制 ：按权展开法 例3 将数(10.101)2转换为十进制。 （10.101)2=121+020+12-1+02-2+12-3 =2+0+0.5+0.25+0.125 =2.625 1.4计算机

31、运算基础知识 （1）一个二进制数可以准确地转换为十进制数，而一个带小数的十进制数不一定能准确地用二进制数来表示，同样位数，高进制有更高的表达精度。 （2）带小数的十进制数在转换为二进制数时，以小数点为界，整数和小数要分别转换。 说明 二进制与十六进制之间的相互转换 由于24= 16, 故可采用“合四为一”的原则, 即从小数点开始分别向左、右两边各以4位为一组进行二十六换算: 若不足 4 位的以 0 补足, 便可将二进制数转换为十六进制数。反之, 采用“一分为四”的原则, 每位十六进制数用四位二进制数表示, 就可将十六进制数转换为二进制数。 例 4 将（101011.01101)2转换为十六进制

32、数。 即 （101011.01101)2= (2B.68)160010 1011 . 0110 10002 B . 6 8 1.4计算机运算基础知识1.4计算机运算基础知识二进制运算：或运算 OR符号：+或（加法运算）规则: 0+0=0; 0+1=1; 1+0=1; 1+1=10(有进位) 减法运算规则: 0-0=0; 1-1=0; 1-0=1; 0-1=1(有借位) 与运算 AND符号： *或（乘法运算）规则: 00=0; 01=10=0; 11=1非运算NOT符号： 规则: /1=0; /1=0异或运算XOR符号：或规则:相异为1，相同为01.4计算机运算基础知识门电路符号：或运算 OR与

33、运算 AND非运算NOT异或运算XOR被乘数 00011011 （27）乘 数 110 （6） 00000000 00011011 00011011积 0010100010 （162）例 3A 求00011011B110B。 乘法、倍数运算：被乘数 00110101 （53）乘 数 10 （2） 00000000 00110101积 0 01101010 （106）注意：被乘数与结果比对！例 4 求00110101B10B。 例 3B 求00011011B110B。 2倍结果：00110110B（左移一位）+ ) 4倍结果：01101100B（左移两位） 6倍结果：10100010B返回本章首

34、页1.4计算机运算基础知识码制计算机内部的各种信息都是用二进制的不同编码形式存储的，常用的编码有补码、BCD码、ASCII码等。对带符号数而言，有原码、反码、补码 计算机只能识别0和1, 故我们将一个二进制数的最高位用作符号位来表示该数的正负。符号位用“0”表示正, 用“1”表示负，即机器数（符号+真值）。X=-1101010B, Y=+1101010B, 在计算机中用8位二进制数 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 X表示为: Y表示为:1 11010100 11010101.4计算机运算基础知识码制原码、反码、补码 原码：当正数的符号位用0表示, 负数的符号位用1表示, 数值部

35、分用真值的绝对值来表示的二进制机器数称为原码, 用X原表示反码：对原码取反而得到的就是该数的反码。补码：使正负数加减运算统一为加法运算。“模”是指一个计量系统的计数量程或此系统所能表示的最大数，它会自然被丢掉。计算机中，带符号数的运算均采用补码。+115原= 01110011B; -115原= 11110011B1.4计算机运算基础知识码制原码、反码、补码 注意: 由于+0原=00000000B, 而-0原=10000000B, 所以数 0的原码不唯一。 原码简单易懂，但是符号位不能同数值一道参加运算，不便于计算，故引入补码概念。8位二进制表达范围： 8位二进制原码能表示的范围是: -127+

36、127。 8位二进制补码能表示的范围为: -128 +127。补码的优点：将减法运算转换为加法，且数值连同符号位可一起参加运算关于原码与补码 1、8位码的范围 原码：-127+127 补码：-128 +127 2、“0”的码 原码 +0原=00000000B -0原=10000000B 补码 +0补=00000000B -0补=00000000B 3、 “-127”、“-128”的补码 -128补=10000000B -127补=10000001B -1补= ？1.4计算机运算基础知识补码的运算规则：X + Y补X补Y补X - Y补X补-Y补X补补X原补码的优点：将减法运算转换为加法，且数值连

37、同符号位可一起参加运算正数的补码为其本身, 负数的补码为真值与模数相加而得。 例如, n=8时, +75补=01001001B -73补=10000000B+（- 01001001B）=10110111B 0补=+0补=-0补=00000000B负数补码的求法:定义法：模数 真值绝对值 符号位不变，其他数位取反加1原码尾数右侧第一个1及其右侧0不变，左部取反，符号不变例如: -30补=111110补=100001+1=100010B。 8位二进制补码能表示的范围为: -128 +127, 若超过此范围, 则为溢出。 1.4计算机运算基础知识例1 有X1=-1101011，X2=-1110010

38、，求：X1补=？X2补=？ （模为28）解：X1=-1101011 X2=-1110010 X1原=1 1101011 X2原=1 1110010 X1补=1 0010100+1 X2补=1 0001101+1 =10010101 B =100001110B 1.4计算机运算基础知识码制原码、反码、补码 1）补码加法： X+Y补=X补+Y补 （mod 2n）2）补码减法： X-Y补= X +（-Y）补=X补+-Y补（mod 2n）1.4计算机运算基础知识码制原码、反码、补码的转换 X反 符号位不变数值位 不变(符号位为0) 变反(符号位为1) +,0,1 X真值 X原数值位不变 数值位 不变(

39、符号位为0) 变反加1(符号位为1) 符号位不变 X补例2 已知：X1110101，X21110111 （mod 28）求：X1X2？溢出判断：OV101，有溢出，结果错误。因为本题中X100110101B53，X201110111B119，X1X253119172127，超出了范围，产生错误。 解：X1补00110101B X2补01110111B根据X1X2补X1补X2补规则 X1补 00110101 X2补 01110111 X1补X2补 10101100例3 X1110101B，X21110111B （mod 28）求：X1X2？溢出判断OVC6C7000，无溢出X1X2X1X2补补1

40、0111110补11000010B1000010B解：X1X2X1X2补补X1X2补X1补X2补001101011000100110111110B例4 X11111111B，X2101B （mod 28）求：X1X2？OV110，无溢出X1X2X1X2补补01111010补 01111010B1111010B 解：X1X2X1X2补补X1补X2补补因X2补00000101，所以X2补11111011B X1补 01111111 X2补 11111011 X1X2补 101111010例5 X11111101B，X2110B 求：X1X2？OV011，有溢出，结果错误。 解： X1X2 X1X2

41、补补X1补X2补补X1补11111101补10000011BX2补00000110补00000110B, X2补11111010B X1补 10000011 X2补 11111010 X1X2补 101111101返回本章首页溢出的判别：补码的运算结果超出规定字长的机器数的取值范围，称为溢出(overflow)。为判断溢出，引进两个符号：CS和CP。CS ：若符号位发生进位，则CS1；否则CS0。CP ：若最高数值位发生进位，则CP1；否则CP0。1.4计算机运算基础知识（1）当此加法运算为无符号数运算时，此式=192+129=321255，结果中最高位的“1”为进位。（2）当此加法运算为有符

42、号数补码运算时，结果出错，称为溢出；最高位的“1”是两符号相加的结果。溢出的原因是结果超出了8位二进制所能表示的补码（即-128 +127 ）。导致结果错误。 1100 0000 （-64） + 1000 0001 （-127） 1 0100 0001 （+65）OVC6C71 有溢出，结果错误 0 无溢出，结果正确1.4计算机运算基础知识码制BCD码 （Binary Code Decimal）BCD码就是用二进制编码表示十进制数。十进制数 8421BCD码 十进制数 8421BCD码 000005010110001601102001070111300118100040100910018421

43、BCD码 1个字节表示2位十进制数的代码，称为压缩的BCD码。例如：25的压缩BCD码为25H，十六进制值为19H。例6 十进制加法及BCD码加法对照实例（1） 十进制加法BCD码加法-非法码的处理非法码：4位代码在1010B1111B范围时按二进制相加可能出现非法码十进制调整（加6）对所得结果进行调整 58+ 34 92 0101 1000 + 0011 0100 1000 1100 大于9 1000 1100 + 0000 0110 1001 0010 29+ 48 77 0010 1001 + 0100 1000 0111 0001 有进位 0111 0001 + 0000 0110 0

44、111 0111例6 十进制加法及BCD码加法对照实例（2） 十进制加法BCD码加法非法码：4位代码在1010B1111B范围时按二进制相加可能出现非法码十进制调整（加6）对所得结果进行调整 92+ 89 181 1001 0010 + 1000 1001 10001 1011 有进位 大于9 10001 1011 + 0110 0110 11000 0001 42+ 33 75 0100 0010 + 0011 0011 0111 0101 不需调整1.4计算机运算基础知识码制格雷码（Gray code）又叫循环二进制码、反射二进制码，在任意两个相邻的数之间转换时，只有一个数位发生变化，减少

45、了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。 自然二进制码与格雷码的对照表 十进制数自然二进制数格雷码十进制数自然二进制数格雷码0000000008100011001000100019100111012001000111010101111300110010111011111040100011012110010105010101111311011011601100101141110100170111010015111110001.4计算机运算基础知识码制ASCII码 (American Standard Code for Information Interchange)美国信息交换标准代码 。它是用七

46、位二进制数码来表示的，七位二进制数码共有128种组合状态，包括图形字符96个和控制字符32个。第8位通常作为奇偶校验位，帮助验证数据传输的正确性。所谓奇校验，就是在D7位添加0或1，使得被传送的字符代码含奇数个1；所谓偶校验，就是在D7位添加0或1，使得被传送的字符代码含偶数个1。 A为0100 00011.4计算机运算基础知识汉字信息也采用二进制的数字化信息编码。目前的汉字编码方案有二字节、三字节甚至四字节的。汉字编码：国家标准信息码、汉字机内码、输入编码和字型编码。输入码： 汉字输入码是指直接从键盘输入的各种汉字输入方法的编码，属于外码。 汉字输入方案大致可分为以下4种类型：(1) 音码：

47、如全拼、双拼、微软拼音等(2) 形码：如五笔字型、郑码、表形码等(3) 音形码：如智能ABC、自然码等(4) 数字码：如区位码、电报码等码制A汉字信息编码 所有的国标码汉字及符号组成一个94*94的方阵。每一行称为一个“区”，每一列称为一个“位”。组成一个有94个区(编号由01到94)，每个区有94个位(编号由01到94)的汉字字符集。 一个汉字所在的区号和位号的组合就构成了该汉字的“区位码”。其中，高两位为区号，低两位为位号。这样区位码可以唯一地确定某一汉字或字符，没有重码。国标码规定，每个汉字(包括非汉字的一些符号)由2字节代码表示。每个字节的最高位为0，只使用低7位。啊：16011.4计

48、算机运算基础知识码制A汉字信息编码字型点阵码：用点阵方式来构造汉字字型，然后存储在计算机内，构成汉字字模库。目的是为了能显示和打印汉字。 。 在汉字系统中，一般采用点阵来表示字形。16 * 16点阵字形的字要使用32个字节(16 * 16/8= 32)存储，24 * 24点阵字形的字要使用72个字节(24 * 24/8=72)存储。 一般来说，表现汉字时使用的点阵越大，则汉字字形的质量也越好，当然每个汉字点阵所需的存储量也越大。1.4计算机运算基础知识码制A汉字信息编码1.4计算机运算基础知识码制定点数与浮点数 ：计算机中小数的表示方法定点表示法：在计算机中，将小数点的位置固定不变。定点整数表

49、示法-2 n-1N2 n-1-1定点小数表示法-(1-2 1-n)N1-2 1-n 符号位数 值 位浮点表示法：小数点位置并不是固定不变的，而是可以改变的。用浮点法表示的实数，叫做浮点数。 NM 2E M：尾数，是纯二进制小数，表示N的全部有效位，尾数M前面的符号称作数符，表示数的正、负；E：阶码，它前面的符号称为阶符，指明尾数小数点向右或向左浮动的方向，而阶码E指明尾数小数点移动的位数，所以阶符和阶码表明了数值N小数点的位置。设阶码E的位数为m位，尾数M的位数为n位，则浮点数N的取值范围为：2 n 2 -(2m-1)|N|(1-2-n) 2(2m-1) 本章重点微型计算机由硬件系统和软件系统

50、两大部分组成。 控制用计算机有哪些？各自特点是什么。嵌入式系统的概念。单片机的概念。了解MCS-51及其兼容单片机的类型。计算机中使用二进制的原因？使用十六进制的目的？各种进制间的转换。逻辑运算的种类和方法。负数在计算机中的表示方法；原、反、补码及补码的求法。BCD码。计算机中减法和乘法的实现。返回本章首页要求查阅资料，写一篇报告。说明单片机的种类、特点及应用，给出例子，并说明单片机的功能。报告要求第4周交。 下载、阅读AT89S52 的 Datasheet（从互联网下载），中英文各一。下节课，学生准备P19，控制信号介绍。作业：END微处理器微处理器（Microprocessor，简称：P或

51、MPU）组成：小型计算机或微型计算机的控制和处理部分(CPU)发展历史：问世于70年代，历经了4、8、16、32、64位不断升级的发展过程 1971年1月，INTEL公司的特德霍夫在与日本商业通讯公司合作研制台式计算器时，将原始方案的十几个芯片压缩成三个集成电路芯片。其中的两个芯片分别用于存储程序和数据，另一芯片集成了运算器和控制器及一些寄存器，称为微处理器（即Intel 4004）。4004微处理器返回复杂指令集 Complex Instruction Set Computing（CISC）:复杂指令集是相对于精简指令集（RISC）而言的传统指令集，它是一种为了便于编程和提高内存访问效率的芯

52、片设计体系。早期的计算机使用汇编语言编程，由于内存速度慢且价格昂贵，使得CISC体系得到了用武之地。计算机指令复杂化的目的是提高硬件功能，提高编程效率和程序的兼容性，但同时也影响了指令的运行效率。在20世纪90年代中期以前，大多数CPU都是采用CISC体系，包括英特尔的X86和摩托罗拉的68K系列等，直到今天，约有75%个人计算机、服务器和工作站仍基于CISC体系。精简指令集 Reduced Instruction Set Computing（RISC）: 精简指令集RISC是相对于复杂指令集（CISC）而言的。1975年，IBM的设计师在研究时发现，计算机指令集中占总指令数的20%的简单指令

53、在程序调用中占了80%，而占指令数80%的复杂指令却只有20%的机会用到。由此提出了精简指令集的概念：在CPU的指令集中将简单指令从复杂指令集中精简出来，组成新的指令集，即RISC。RISC的最大特点是指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式少，大多数简单指令都能在一个时钟周期内完成，易于设计超标量与流水线，指令执行速度明显加快，CPU时钟频率易于提升。但RISC也使得程序编写的代码量比CISC增多，RISC体系的CPU需要更快的内存，这通常集成于CPU的内部，也就是一级缓存（L1 Cache）。RISC体系在价格和运行速度上均优于CISC体系，被许多硬件厂商认为代表了微处理器的发展特征，是下一

54、代CPU的发展方向。但同时，由于英特尔、AMD等CISC体系的拥护者的努力，CISC和RISC体系的结构发展越来越接近，RISC和CISC孰优孰劣在一段时间内仍是业界争论不断的话题。单片型计算机原理及工程应用第二章51系列单片机基本结构 第二章51系列单片机基本结构内容提要：了解51内核单片机的体系结构；掌握51单片机引脚的功能定义；（重点）掌握51系列单片机的复位电路、时钟电路及指令时序； 掌握51系列单片机的存储空间结构及SFR；（重点）了解AT89系列单片机的增强功能。学习难点：51单片机引脚的功能；51系列单片机并行口结构；单片机的RAM分布、ROM结构及地址形成；单片机的工作时序。2

55、.151单片机逻辑结构与引脚51单片机片内结构：按功能可分成8个部件，通过片内单一总线连接；控制方式：SFR对各功能部件集中控制；CPU运算部件控制部件BRAMP0口P2口ROM(EPROM)串行口 C / T中断系统SFRP1口8P3口888XTAL1XTAL2PSEN ALE EA RESETVccVss1.微处理器2.数据存储器3.程序存储器4.I/O口5.串行口6.定时/计数器7.中断系统8.特殊功能寄存器片内总线2.151单片机逻辑结构与引脚51单片机的内部总体结构图2.151单片机逻辑结构与引脚51单片机的封装：HMOS制造工艺：多为双列直插封装(DIP) ；CHMOS制造工艺：除

56、采用DIP封装，还采用方形封装。40引脚的双列直插44脚的PLCC方形封装2.151单片机逻辑结构与引脚51单片机外部连接51单片机系统在外扩程序存储器、数据存储器及I/O接口时,藉由引脚而采用并行总线扩展方法。 CPUABDBCB存储器接口部件键盘显示器数码管打印机定时计数器2.151单片机逻辑结构与引脚51单片机的引脚 ：8051单片机多为40条引脚双列直插式封装；引脚可分为三个部分。控制引脚并行I/O口引脚电源及时钟引脚2.151单片机逻辑结构与引脚51单片机的引脚 ：并行I/O口引脚 （32根） ：P0口 8位双向三态I/O口； 使用外存时，分时复用地址线(低8位)/数据总线P1口8位

57、（带上拉电阻）准双向I/O口；P2口 8位准双向I/O口；访问外存时只输出地址高8位。P3口8位准双向I/O口；每个口线还具有第二功能：引脚转义引脚功能说明P3.0RXD串行数据接收端P3.1TXD串行数据发送端P3.2INT0外部中断0请求P3.3INT1外部中断1请求P3.4T0计数器0外部输入P3.5T1计数器1外部输入P3.6WR外部数据存储器写P3.7RD外部数据存储器读电源及时钟引脚 （4根） ：X1 接外部晶体的一端，又是内部振荡器的输入端；X2 接外部晶体的另一端，又是内部振荡器输出端；VCC，VSS 电源和地；2.151单片机逻辑结构与引脚51单片机的引脚 ：控制引脚（4根）

58、：ALE（30脚）：地址锁存控制信号/编程脉冲输入端。用于访问外存时锁存低8位地址；无RAM时，ALE为晶振6分频；/PSEN （29脚）：片外程序存储器读选通有效信号；/EA（31脚）：访问程序存储器控制信号EA=1从内部开始执行程序；EA=0只访问外程序存储器；RST/VPD（9脚）：复位/掉电保护信号输入端；MCS-51单片机引脚逻辑示意图 2.2单片机的微处理器中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件。运算器控制器位处理器（布尔处理器）中央处理器(CPU)CPU的功能:负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作,完成运算和控制输入/输出功能等操作2.2单片机的微处理器运算部件 ：1、

59、算术逻辑单元ALU及组成8位，完成算术/逻辑运算。含加法器（乘法器、除法器） 、暂存器、布尔处理器运算器的组成：算数逻辑单元(ALU)累加器A寄存器B暂存器(TMP1、TMP2)程序状态寄存器PSW2、布尔处理机是一个一位处理机子系统; 17条布尔指令+存储器位空间+CY 构成单片机布尔处理机有自己累加器CY，数据存储器（可位寻址空间）用途：逻辑电路的仿真、开关量的控制、设置状态标志位等2.2单片机的微处理器控制部件 ：功能：以主频为基准，控制CPU的时序，读指令、进行指令译码、控制各硬件环节协调工作。它包括时钟发生器、复位电路、定时控制逻辑、 指令寄存器、 译码器以及信息传送控制等部件。 程

60、序计数器PC指令寄存器IR指令译码ID数据指针DPTR堆栈指针SPRAM地址寄存器时钟发生器定时控制逻辑控制器组成：2.2单片机的微处理器与CPU有关的专用寄存器组：专用寄存器组，又称为特殊功能寄存器 (SFR，即Special Function Registers)，是计算机中一类与硬件工作密切相关、有专门用途的特殊存储单元；与CPU有关的特殊功能寄存器，包括累加器A、通用寄存器B、程序状态字PSW寄存器，堆栈指针SP、数据指针DPTR，以及至关重要的寄存器-程序计数器PC。 1、程序计数器PC（Program Counter） 16位，其内容为单片机将要执行的指令机器码所在存储单元的地址；