单片微型机原理-第一章-计算机基础知识

信息工程学院自动化系单片微型计算机原理与应用任课教师：赵建敏zjm0823@126.com办公室：第二实验楼C304单片微型计算机原理与应用信息工程学院自动化系课程概况：原“微机原理与应用”、“单片机原理与应用”两门课合并学时88（70+18）考核方式：笔试70%+实验20%+平时成绩10%单片微型计算机原理与应用信息工程学院自动化系课程概况：自动化专业核心专业课实践性：注重动手能力综合性：培养系统性解决问题的能力课外科技创新活动全国大学生智能车竞赛Intel杯全国大学生电子设计竞赛各种课外科技创新社团活动第一章单片微型计算机基础知识1.1、微型计算机概述1.2、数制与编码1.3、处理器与存储器组织1.4、外设与总线1.5、单片机内部结构1.6、单片机的应用和应用系统结构信息工程学院自动化系内蒙古科技大学41.1.1计算机的发展、微型计算机的分类第一台计算机，1946，美国宾夕法尼亚大学，ENIAC

['i:niæk]计算机的发展：电子管计算机晶体管计算机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计算机按其性能分类：大型计算机中型计算机小型计算机微型计算机1.1.1计算机的发展、微型计算机的分类按规模分类单片机个人计算机笔记本电脑智能手机平板电脑1.1.2计算机的基本结构和工作原理人脑的简单计算CPU内部包含如下三部分：算术逻辑部件累加器和寄存器组控制器作具体的计算控制作用

微型计算机构成CPU、存储器输入/输出接口电路系统总线微型计算机构成记录原始数据和算题保存中间结果作具体的计算控制作用保存和输出最终结果11微型计算机的概念结构存储器I/O接口输入设备I/O接口地址总线AB输出设备CPU数据总线DB控制总线CBI/O接口AB:AddressBusDB:DataBusCB:ControlBus1.1.3微处理器、微型计算机和微型计算机系统逻辑运算部件累加器和寄存器组控制器内部总线微处理器存储器（ROM、RAM）输入输出接口系统总线微型计算机外围设备系统软件微型计算机系统13微型计算机系统的三个层次微处理器存储器I/O接口总线硬件系统软件系统微型计算机系统微型计算机(主机)外设ALU寄存器控制器键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱打印机、扫描仪系统软件应用软件14核心级——微处理器微处理器简称CPU，是计算机的核心，主要包括：

运算器ALU（算数逻辑单元）

控制器CU寄存器组RegistersCPU实现了运算功能和控制功能计算机的控制中心，提供运算、判断能力构成：ALU、CU、Registers例：Intel8088/8086、PIII、P4、Celeron、酷睿、i5CPU的位数（字长）：4位、8位、16位、32位、64位是指一次能处理的数据的位数15硬件系统级——微型计算机以微处理器为核心，配上只读存储器(ROM)、读写存储器(RAM)、输入/输出(I/O)接口电路及系统总线等部件，就构成了微型计算机。将CPU、存储器、I/O接口、总线等集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。16硬件系统级-存储器存放程序和数据的记忆装置用途：存放程序和要操作的各类信息（数据、文字、图像、。。。）内存：ROM、RAM特点：随机存取，速度快，容量小外存：磁盘、光盘、半导体盘、…特点：顺序存取/块存取，速度慢，容量大17硬件系统级-输入/输出接口简写为I/O接口，是CPU与外部设备间的桥梁提供驱动外设的电压或电流；匹配计算机与外设之间的信号电平、速度、信号类型、数据格式等；缓存发给外设的数据、控制命令和外设提供的运行状态信息；DMA控制和中断控制。CPUI/O接口外设18硬件系统级-总线BUS连接多个功能部件的一组公共信号线地址总线AB：用来传送CPU输出的地址信号，确定被访问的存储单元、I/O端口。地址线的根数决定了CPU的寻址范围。

CPU的寻址范围=2n，n-地址线根数数据总线DB：在CPU与存储器、I/O接口之间数据传送的公共通路。数据总线的条数决定CPU一次最多可以传送的数据宽度。控制总线CB：用来传送各种控制信号19系统级以微型计算机为中心，配以相应的外围设备以及控制微型计算机工作的软件，就构成了完整的微型计算机系统。微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机软件分为系统软件和应用软件两大类。20微型计算机的软件系统软件：为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。系统软件应用软件操作系统编译系统网络系统工具软件软件211.1.4计算机的工作过程存储程序计算机—又称为冯•诺依曼型计算机以运算器为核心、以存储程序原理为基础将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的程序，即程序是由多条有逻辑关系的指令组成，指令的长度不等（一般为1～4字节）数据和程序均以二进制代码的形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也是二进制形式由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行指令驱动22存储程序计算机的工作原理控制器按预先存放在计算机存储器中的程序的流程自动地连续取出指令并执行之。运算器输出设备控制器输入设备存储器指令流控制命令数据流23程序的执行过程程序指令1指令2指令3指令4指令n……取指令指令译码取操作数执行指令存结果指令周期操作码操作数执行1。CPU如何知道从哪里取出程序的第一条指令？——操作系统2。CPU如何按程序控制流执行指令？——程序计数器3。CPU如何知道从哪里取操作数？——地址、寻址方式24例：计算5+8汇编语言程序 对应的机器指令对应的操作------------------------------------------------------------------------------------MOVAL,5 10110000

将立即数1传送到累加寄存器AL中

00000101 ADDAL,8 00000100

计算两个数的和，结果存放到AL中

00001000 HLT

11110100

停机 指令执行过程见下页图25指令执行过程(取指/译码/执行)累加器A加法器数据寄存器DR指令寄存器IR指令译码器ID时序逻辑电路时序控制信号（控制命令）1011000000000101000001000000100011110100内部总线存储器01234程序计数器PC地址MOVA,5ADDA,8HLT地址总线+1③地址译码器读写控制电路④输出地址10110000⑦锁存指令锁存数据⑥置初值①②输出指令地址锁存地址②读写命令⑤⑧指令译码锁存输出地址寄存器AR补充：微型计算机的数据类型

常见名词术语（1）位：一个二进制位,是计算机中信息表示的最小单位。例如：1010B就有4个二进制位。字节：相邻的8个二进制位。例：10110110B为一个字节字：计算机内部进行数据传递、处理的基本单位。在PC微机中常把一个字定义为16位，即2个字节。例：0111101011101100B即为一个字。字长：一个字所包含的二进制位数。例：16位微处理器的字长为16。二进制数10110011有几位？数1011001100111110B有几个字节？微机原理

第1章微型计算机概述(27)补充：微型计算机的数据类型

常见名词术语（2）双字（DoubleWord)：32位，4个字节，是32位微计算机的字长。四字（QuadWord)：64位，8个字节，是32位微处理器的双倍精度字。双四字（DQW）：128位，16个字节。模：模是计量器的最大容量。一个4位寄存器能够存放0000~1111共计16个数，因此它的模为24。281.2数制和编码计算机中的常用计数制、编码及其相互间的转换；二进制数的算术运算和逻辑运算；符号数的表示及补码运算；二进制数运算中的溢出问题；基本逻辑门及译码器；定点数与浮点数的表示方法。291.2.1计算机中的数制了解：各种计数制的特点及表示方法；掌握：各种计数制之间的相互转换。30一、常用计数制十进制——符合人们的习惯二进制——便于物理实现十六进制——便于识别、书写31十进制特点：以十为底，逢十进一；

共有0-9十个数字符号。表示：权表达式n：整数位数m：小数位数32二进制特点：以2为底，逢2进位；只有0和1两个符号。(数后面加B)表示：n：整数位数m：小数位数33十六进制特点：有0--9及A--F共16个数字符号，

逢16进位。(数后面加H）表示：n：整数位数m：小数位数34任意K进制数的表示一般地，对任意一个K进制数S都可表示为其中：

Si

--

S的第i位数码，可以是K个符号中任何一个；

n,m–

整数和小数的位数；

K

--

基数；

Ki

--K进制数的权35例234.98或(234.98)101101.11B或(1101.11)2ABCD.BFH或(ABCD.BF)1636二、各数制间的转换非十进制数→十进制数：

按相应的权表达式展开，再按十进制求和。例：24.AH=2×161+4×160+A×16-1=36.625注：A～F分别用10～15代入37十进制→非十进制数十进制→二进制：整数：除2取余；小数：乘2取整。十进制→十六进制：整数：除16取余；小数：乘16取整。以小数点为起点求得整数和小数的每一位。注：十进制转换成任意K进制数与上类似，整：除K取余，小数：乘K取整。38十进制到十六进制转换例400.25=（？）H400/16=25-----------余数=0（个位）25/16=1--------------余数=9（十位）1/16=0---------------余数=1（百位）0.25×16=4.0-----------整数=4（1/10）

即：400.25=190.4H39二进制与十六进制间的转换用4位二进制数表示1位十六进制数

0000-------------0H1001-------------9H1010-------------AH1011-------------BH1100-------------CH1101-------------DH1110-------------EH1111-------------FH40二进制与十六进制间的转换例：10110001001.110=(?)H

0101

1000

1001.1100589.C

注意：位数不够时要补041

无符号二进制数的运算二进制数算术运算逻辑运算无符号数有符号数:算术运算42一、无符号数的算术运算加法运算减法运算乘法运算除法运算43注意点：对加法：1+1=0（有进位）对减法：0-1=1（有借位）对乘法：仅有1×1=1，其余皆为0；乘以2相当于左移一位。对除法：除以2则相当于右移1位。44例00001011×0100=00101100B

00001011÷0100=00000010B

即：商=00000010B

余数=11B45二、无符号数的表示范围

一个n位的无符号二进制数X，其表示范围为：

0≤

X≤2n-1

若运算结果超出这个范围，则产生溢出。

溢出的判别方法：

运算时，当最高位向更高位有进位（或借位）时则产生溢出。46例：最高位向前有进位，产生溢出。本例中：运算结果为256，超出８位二进制数所能表示的范围255。三、逻辑运算与（∧）或（∨）非（▔）异或（⊕）掌握：逻辑关系（真值表）和逻辑门。特点：按位运算，无进位/借位。48“与”、“或”运算任何数和“0”相“与”，结果为0任何数和“1”相“或”，结果为1BACABC&≥1A∧B=CA∨B=C49“非”、“异或”运算“非”运算即按位求反两个二进制数相“异或”：相同则为0，相异则为1AABC1⊕B=AA

B=CB50“与非”、“或非”运算A∧B=CA∨B=CBACABC&≥151四、译码器74LS138译码器：G1G2AG2BCBAY0Y7••••3－8译码器原理译码使能端译码输入端译码输出端5274LS138真值表使能端输入端输出端G1G2AG2BCBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7

01

10

11

0

100100100100100100100100

000

001010011100101110111

11111111

11111111

11111111

11111111

01

111111

101

111111

1

01

1111

1

1

10

1

1111

1

1

1

01

11

1

1

1

1

1

0

1111111

10

111111

1

10

531.2.2

符号数的表示及运算计算机中的符号数的表示方法：

把二进制数的最高位定义为符号位。符号位：“0”表示正，“1”表示负。把符号也数值化了的数，称为机器数。机器数所表示的真实的数值，称为真值。注：后面的讲述均以8位二进制数为例。54例+52=+0110100=0

0110100

符号位数值位

-52=-0110100=1

0110100

真值机器数55一、符号数的表示：对于符号数，机器数常用的表示方法有原码、反码和补码三种。数X的原码记作[X]原，反码记作[X]反，补码记作[X]补。注意：对正数，三种表示法均相同。它们的差别在于对负数的表示。56原码[X]原最高位为符号位，用“0”表示正，用“1”表示负；数值部分照原样写出即可。优点：真值和其原码表示之间的对应关系简单，容易理解；缺点：计算机中用原码进行加减运算比较困难，0的表示不唯一。正式定义为：57数0的原码+0=00000000-0=10000000

即：数0的原码不唯一。58原码的例子真值：X=+18=+0010010X=-18=-0010010原码：[X]原=00010010[X]原=10010010符号符号位n位原码表示数值的范围是：对应的原码是1111～011159反码[X]反对一个数X：若X>0，则[X]反=[X]原若X<0，则[X]反=对应原码的符号位不变，数值部分按位求反。正式定义为：60反码例X=-52=-0110100[X]原=10110100[X]反=11001011610的反码[+0]反=00000000[-0]反=11111111即：数0的反码也不是唯一的。n位反码表示数值的范围是对应的反码是1000～011162补补码[X]补定义：若X>0，则[X]补=[X]反=[X]原若X<0，则[X]补=[X]反+1正式定义为：补码的引入（0问题、减法加法化）“0”的原码并不惟一，0的原码可以表示为00000000(即+0)，也可以表示为10000000(即- 0)；用原码表示时，减法并不能转化为加法运算；

反码也存在类似问题。但是，带符号数用补码表示后，减法可以转化为加法运算补码的定义如下：

正数的补码与反码、原码相同；

负数的补码等于它的反码加1。例如，-23H补码的过程如下：对应正数23H的原码00100011；按位求反后为11011100，即-23H的反码；反码加1后为11011101，即-23H的补码(0DDH)。

减法加法化：

56H-23H=56H-23H+100H(100H是8位二进制bit8溢出) =56H+（100H-23H）

=56H+0DDH =133H=33H(133H是8位二进制bit8溢出)

显然，56H-23H的结果与56H+0DDH相同，即引入补码后，减法可以用加法来完成。（在8位二进制中，23H与0DDH互为补码。)用补码表示时，最高位为0时，表示该数为正数，数值部分就是真值；而最高位为1时，为负数，数值部分并不是它的真值，必须再求补后，才得到该数的绝对值

-23H的补码为11011101, 按位取反后为00100010，加1后为00100011，即23H。

8位二进制数，补码表示的范围是-128～+127；16位二进制数，补码表示的范围是-32768～+32767。例如，16位二进制数中-23H的补码：对应正数23H的原码为0000000000100011，按位取反后为1111111111011100；加1后为1111111111011101(即16位二进制数-23H的补码，相当于无符号数的0FFDDH)。可见，对于同一个数，作为8位二进制数的补码和作为16位二进制数的补码不同。

670的补码[+0]补=[+0]原=00000000[-0]补=[-0]反+1=11111111+1=100000000

n位补码表示数值的范围是对应的补码是1000～0111对8位字长，进位被舍掉68特殊数10000000该数在原码中定义为：-0在反码中定义为：-127在补码中定义为：-128对无符号数，（10000000）B=128698/16位符号数的表示范围对8位二进制数：原码：-127~+127反码：-127~+127补码：-128~+127对16位二进制数：原码：-32767~+32767反码：-32767~+32767补码：-32768~+3276770符号二进制数与十进制的转换对用补码表示的二进制数：

1）求出真值

2）进行转换71例将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数。[X]补=00101110B真值为：0101110B

正数所以：X=+46[X]补=11010010B真值不等于：-1010010B

负数而是：X=[[X]补]补=[11010010]补

=-0101110=-4672二、符号数的算术运算通过引进补码，可将减法运算转换为加法运算。即：[X+Y]补=[X]补+[Y]补

[X-Y]补=[X+(-Y)]补

=[X]补+[-Y]补其中X，Y为正负数均可，符号位参与运算。73补码的运算是基于模的运算

模(module)就是一个计数系统的最大容量。例如钟表的模为12，8位二进制数的模为28，等等。

凡是用器件进行的运算都是有模运算，运算结果超过模的部分会被运算器自动丢弃。因此，当器件为n位时，有

X=2n+X(mod2n)根据定义，

[X]补=2n+X(mod2n)因此可得，

[XY]补=2n+

2n+(XY)(mod2n)

=(2n+X)+(2nY)(mod2n) =[X]补+[Y]补74例X=-0110100，Y=+1110100，求X+Y=？[X]原=10110100[X]补=[X]反+1=11001100[Y]补=[Y]原=01110100所以：[X+Y]补=[X]补+[Y]补

=11001100+01110100=01000000X+Y=+100000075符号数运算中的溢出问题两个8位带符号二进制数相加或相减时，若

C7C6＝1

则结果产生溢出。其中：C7为最高位的进(借)位；

C6为次高位的进(借)位。对16位或32位的运算，也有类似结论。76观察以下四种情况哪个溢出？10110101

+1000111110100010001000010+011000111010010101000010

+110011011