单片机知识-单片机课程讲义

单片机普及讲稿

Gaojun

2007.3初稔

2007.7第一稿

、八—

刖§

东北大学秦皇岛分校高军

单片机的发展经历了兴盛到衰退再到兴盛的反复，近几

年单片机应用的迅速发展也强烈的激发了电子爱好者对单

片机的学习兴趣，但是与学习者的空前热情相比现在大多数

教材都是沿用十数年前的教学结构，没有及时进行知识概念

和教学理念的更新；更有些人故弄玄虚，把学习单片机这件

事情搞的复杂化，这样给一些基础薄弱的人的学习增加了难

度和压力。

我根据多年的教学和开发经验以及对学生的了解写了

这本讲稿，目的是让更多的人来单片机，学会单片机，因为

单片机应用是一门技能课，所以我认为教师的主要任务是将

单片机最基础的知识和技能用最通俗的语言最生动的形式

教授给学习者，让他们以轻松的心情走进单片机的世界，至

于单片机应用中的高级知识和技能则应该是学习者在实践

中不断的自学和充实，以此培养独立分析和解决问题的能

力。

这份讲稿不但讲述了单片机的基础知识，还详细讲解了

20个实际设计，配合硬件设备可以完成单片机学习中的所有

基础实验。

本文由于编撰时间仓促，难免存在文字上的错误，敬请

指正。

最后祝愿大家都能成为的单片机从业者。

目录

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东北大学秦皇岛分校高军

第一讲：为什么学习单片机6

1.单片概念及发展史6

2.单片机的特点7

3.单片机的主要用途8

4.单片机与嵌入式的关系8

5.单片机的就业10

6.学完单片机能做什么11

第二讲：学习单片机的几种方法11

1.传统教学方式11

2.七天学会单片机12

3.实验贯穿教程13

4.整体+基础+实践13

第三讲：数制的基础13

1.进位计数制14

2.进制间的转换19

3.数的定点与浮点表示25

4.机器数的表示28

5.计算机中常用的编码36

6.逻辑数据的表示38

第四讲：开发简单的单片机系统39

1.单片机的最小系统39

2.点亮发光管42

3.单片机编程的一般过程43

4.介绍一个简单的编译软件45

第五讲：初学单片机儿个不易掌握的概念46

1.总线46

2.数据、地址、指令47

3.P0口、P2口和P3的第二功能用法48

4.程序的执行过程49

5.堆栈49

6.仿真、仿真机50

第六讲：汇编指令学习51

1.汇编和C语言在开发单片机时各有哪些优缺点？51

2.单片机MCS-51系列指令快速记忆法52

3.学习51汇编指令的需要掌握的基本知识点56

第七讲简单的程序设计60

1.数据传送类指令及练习60

2.综合编程举例67

第八讲：51单片机内部硬件基础72

1.MCS-51单片机的引脚配置图72

2.MCS-51单片机的总线73

3.51存储空间结构74

4.I/O口结构82

第九讲：成为单片机从业者？86

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1.信心+快乐86

2.应该储备的知识和技能87

3.了解51家族87

4.单片机硬件系统设计原则89

第十讲：常用下载程序的使用91

1.stc单片机卜一载说明（使用STC89c52）91

2.独立ISP下载线使用说明（使用89s52/51）98

第一|—讲：I/O的应用实例100

1.实验一位移法流水灯100

2.实验二逐个送数法流水灯103

3.如何精确计算延时子程序的执行忖间？105

4.实验三蜂鸣器嘀嘀声106

5.实验四蜂鸣器报警声108

第十二讲：独立按键的设计109

1.一种简易的独立按键结构及程序设计109

2.一种标准的独立按键结构及程序设计110

3.键盘防抖（消抖）概念111

第十三讲数码管控制方法114

1.数码管的结构114

2.多位数码管的驱动方法115

3.实验六数码管显示116

4.实验七独立按键与数码管综合实验118

第十四讲行列式（矩阵式）键盘119

1.行列式键盘的基本结构119

2.常用的行列式结构与程序120

3.实验八行列式按键120

第十五讲S51/52看门狗121

1.什么是看门狗121

2.实验九S51/52看门狗演示121

第十六讲单片机中断与定时122

1.中断的基本知识122

2.实验十外部中断128

3.MCS-51单片机的定时器/计数器131

4.实验十一定时器计数器139

第十七讲串行口142

1.串行接口概述142

2.8051单片机的串行接口结构145

3.串行口的工作方式148

4.计算波特率150

5.串行口的应用范例152

6.异步通讯程序举例154

7.单片机和PC机串口通讯156

8.实验十二串行口通信158

9.多机通信接口163

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第十八讲KEILC的使用指导165

1.如何建立一个C项目165

2.如何进行工程详细设置173

3.操作过程视频录象178

第十九章单片机加强实验179

实验十三1602液晶179

实验十四12864液晶181

实验十五温度测量187

实验十六EEPROM192

实验十七继电器控制193

实验十八串行A/D实验195

实验十九串行D/A实验199

实验二十时钟芯片（DS1302）实验202

实验二T■•一步进电机调速实验205

实验二十二步进电机正反转实验210

附录151汇编指令表（以字母顺序排列）212

附录251汇编指令表（以功能顺序排列）256

附录3ANS1C标准关键字264

附录4C51编译器的扩展关键字266

附录5AT89C51特殊功能寄存器列表267

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第一讲：为什么学习单片机

1.单片概念及发展史

无论规模大小、性能高低，计算机的硬件系统都是由

运算器、存储器、输人设备、输出设备以及控制器等单元组

成。在通用计算机中，这些单元被分成若干块独立的芯片，

通过电路连接而构成一台完整的计算机。而单片机技术则将

这些单元全部集成到一块集成电路中，即一块芯片就构成了

一个完整的计算机系统。这成为当时这一类芯片的典型特

征，因此，就以SingleChipMicrocomputer来称呼这一

类芯片，中文译为“单片机”.这在当时是一个准确的表达。

但随着单片机技术的不断发展，“单片机”已无法确切地表

达其内涵，国际上逐渐采用MCU(MicroControllerUnit)

来称呼这一类计算机，并成为单片机界公认的、最终统一的

名词。但国内由于多年来一直使用“单片机”的称呼，已约

定俗成.所以目前仍采用“单片机”这一名词。

20世纪70年代，美国仙童公司首先推出了第一款单片

机F—8,随后Intel公司推出了MCS—48单片机系列，其它

一些公司如Motorola>Zilog等也先后推出了自己的单片机,

取得了一定的成果，这是单片机的起步与探索阶段。总的来

说，这一阶段的单片机性能较弱，属于低、中档产品。随着

集成技术的提高以及CMOS技术的发展，单片机的性能也随

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东北大学秦皇岛分校高军

之改善，高性能的8位单片机相继问世。1980年Intel公司

推出了8位高档MCS-51系列单片机，性能得到很大的提

高，应用领域也大为扩展。这是单片机的完善阶段。1983年

Intel公司推出了16位MCS—96系列单片机，加入了更多

的外围接口，如模/数转换器（ADC）、看门狗（WDT）、脉

宽调制器（PWM）等，其它一些公司也相继推出了各自的高

性能单片机系统。随后许多用在高端单片机上的技术被下移

到8位单片机上，这些单片机内部一般都有非常丰富的外围

接口，强化了智能控制器的特征，这是8位单片机与16位

单片机的推出阶段。

近年来，Intel、Motorola等公司又先后推出了性能更为

优越的32位单片机，单片机的应用达到了一个更新的层次。

随着科学技术的进步，早期的8位中、低档单片机逐渐

被淘汰。但8位单片机并没有消失，尤其是以80C51为内核

的单片机，不仅没有消失，还呈现快速发展的趋势。

2.单片机的特点

体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供

了便利条件。

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3.单片机的主要用途

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到

哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种

仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过

程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民

用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣

机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单

片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器

械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机

应用与智能化控制的科学家、工程师。

4.单片机与嵌入式的关系

嵌入式的概念：嵌入式系统是面向测控对象，嵌入到实

际应用系统中的计算机系统的统称。嵌入式系统按形态可分

为设备级（工控机）、板级（单板、模块）、芯片级（MCU、

SoC）o前两者是基于通用计算机系统，即将通用计算机系统

用于测控对象。后者是基于芯片形态的计算机系统，其中嵌

入式微处理器是在通用CPU基础上发展,增加满足测控对象

要求的外围接口电路，用于测控领域。

单片机是典型的嵌入式系统：单片机从体系结构到指令

系统都是按照嵌入式系统的应用特点专门设计的，它能很好

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地满足应用系统的嵌入、面向测控对象、现场可靠运行等方

面的要求，因此由单片机构成的系统是发展最快、品种最多、

数量最大、应用最广的嵌入式系统。由于单片机有嵌入式

应用的专用体系结构与指令系统，而量具有体积小、可靠性

高等特点，又具有各种各样的型号，可以满足不同的需求，

实际应用时，开发者可根据具体要求选用最佳型号的单片机

嵌入到应用系统中。

嵌入式系统的两种模式：（1）.电子系统模式：电子技

术应用工程师为主体，实现传统电子系统的智能化，而计算

机专业队伍并没有真正进入单片机应用领域。因此，电子技

术应用工程师以自己习惯性的电子技术应用模式，从事控

制、仪器仪表、机械电子等方面的应用开发。这种应用模式

最重要的特点是：软、硬件的底层性和随意性；对象系统专

业技术的密切相关性；缺少计算机工程设计方法。

（2）.计算机系统模式：虽然在单片机时代，计算机专

业淡出了嵌入式系统领域，但随着后PC时代的到来，网络、

通信技术得以发展；同时，嵌入式系统软、硬件技术有了很

大的提升，为计算机专业人士介入嵌入式系统应用开辟了广

阔天地。计算机专业人士的介入，形成的计算机应用模式带

有明显的计算机的工程应用特点，即基于嵌入式系统软、硬

件平台，以网络、通信为主的非嵌入式底层应用。

现在我们所说的“嵌入式系统”指具有与通用计算机相

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东北大学秦皇岛分校高军

同的操作系统（WINDOWSME和LINUX）,可以用通用计

算机上编程语言如C语言等编程，程序可移植到嵌入式芯片

上。因此“嵌入式系统”功能强大，技术复杂，开发周期长,

成本很高，适用于系统功能复杂（比如包含高级显示系统和

网络通讯系统等）的系统，而单片机系统简单灵活，开发周

期短，成本低，适用于系统功能简单的现场控制。二者各有

优点，功能互补，他们的选择应该由实际的需求决定，不要

出现“杀鸡用牛刀”或“小马拉大车”的现象。

学习“单片机”对“嵌入式”的好处：单片机是嵌入式

系统的基础，嵌入式系统是单片机发展的高级境界。如果没

有单片机的基础而从事高端嵌入式开发，就缺乏对硬件结构

的了解，是摘了一条腿的，一个全面的嵌入式系统开发人员

必须能够做到软件硬件都精通。

5.单片机的就业

深圳三年单片机工作经验一般6000以上。如果没6000千，

那就说明你实在不适合做这行。

“我在成都MOTOROLA,开发龙珠，用ARM9,月薪12000

元”

龙珠：摩托罗拉与北航合作开发DragonBall龙珠微处理器,

应用到无线通信、导航、安全和移动商务设备解决方案中。

根据协议，摩托罗拉将向北航提供龙珠微处理器开发系统、

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技术资料、技术培训及支持。北航负责龙珠微处理器的教学、

研发和技术推广。

6.学完单片机能做什么

我们用大家都很熟悉的电梯来做一个直观的了解，电梯

的运行模式控制就是典型的单片机控制系统，它主要关心以

下几个参数：电梯是否超重，电梯的运行速度，电梯的对每

个楼层的请求数据的获取，然后根据现在的运行方向及请求

方向和楼层的相邻关系确定电梯是否停靠。如果甲从1楼上

到8楼，行至3楼获得5楼的请求，若请求为“上”，则电

梯在5楼停，若请求为“下”，则电梯不停，原因很简单，

如果你是电梯你会从5楼背着一个包袱到8楼再背回到3楼

吗？作为乘客也不愿意从5楼到8楼再到3楼。所以单片机

可以看作一个人，只不过智商IQ比较低，太复杂的事情他

做不了或者是做不好。

第二讲：学习单片机的几种方法

1.传统教学方式

按照教材教学顺序讲解，配合实验内容。存在一定的问

题：1.教学内容过多，教学时间分散，不易形成整体概念,

不易消化接受。2.实验内容固定且比较复杂，都是验证性

实验，把写好的程序烧进芯片里，出来实验结果就做完了。

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得不到真正的锻炼，效果很差。很多大学生都学过单片机，

但是毕业后能直接从事单片机开发的寥寥无几。

2.七天学会单片机

第一天:google上搜索“单片机”“C51”“入门”“开发

板”，尽量把找得到的网站走马观花的看一遍，重点推荐“老

古开发网”。看各网站的关于C51,51单片机的入门指导等精

华文章。使用时间3-5小时。

第二天：去新华书店买几本第一天的网站里推荐的新手

入门的书看看，重点看前面三章既可。

至少要有一本C51的书。使用时间2-3小时。

第三天：去当地电子市场购买开发板一个（含芯片

100-300元），烧片机一台（1000元以下）。用C51写一个非

常小的程序（闪烁的灯，代码不超过20行），熟悉编译器和烧

片机的使用，然后把片子烧一下，插到开发板上，上电运行,

直到看到开发板上的灯在闪烁。剩余时间看第二天买来的

书。使用时间1-5小时。

第四天：学习书上定时器的使用，可以将第三天编写的

程序中灯的闪烁时间精确设定在1秒。

剩余时间看书。使用时间1-5小时。

第五天：学习使用单片机的串口和电脑通讯，学习使用

中断，使用键盘。剩余时间看书。使用时间1-5小时。

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东北大学秦皇岛分校高军

第六天:将C51书上的例子选三到五个调试通过,不要将

光盘上的程序copy,要自己一行一行输入。使用时间5小时。

第七天：不需要编程序了，直接看看书上的剩余章节就

可以了。使用时间随意。

3.实验贯穿教程

此类教程不做系统完整讲解，直接通过做实验讲授相关

知识，这类教程往往是只见树叶不见森林，学习者往往停留

在点上，不容易掌握单片机的整体性。

4.整体+基础+实践

我们提倡的是：学习的整体性、基础性和实践性。先让

学习者对单片机的系统知识结构、系统的概念有一个整体的

认识，然后重点讲述学习单片机必须掌握的基本知识点同时

进行针对知识点的实验训练，强调自己分析自己动手。

我们的目标是让学习者能独立的实现简单单片机系统

的开发设计，同时适当培养学习者的自学能力和综合能力。

第三讲：数制的基础

计算机用于处理各种信息，首先需要将信息表示成具体

的数据形式。选择什么样的数制来表示数。对机器的结构、

性能和效率有很大的影响。二进制是计算机中数制的基础。

所谓二进制形式，是指每位数码只取二个值.要么是“0”,

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要么是“1"，数码最大值只能是1,超过1就应向高位进位。

为什么要采用二进制形式呢？这是因为二进制最简单.它仅

有二个数字符号，这就特别适合用电子元器件来表示。制造

有两个稳定状态的元器件一般比制造具有多个稳定状态的

元器件要容易得多。

计算机内部采用二进制表示各种数据，对于单片机而

言.其主要的数据类型分为数值数据和逻辑数据两种。下面

分别介绍数制概念和各种数据的机内表示、运算等知识。

按进位的原则进行计数，称为进位计数制，简称“数制”。

数制有多种，在计算机中常使用的有十进制、二进制和十六

进制。

1.进位计数制

人们最常用的数是十制数，计算机中采用的是二进制

数，有时为了简化二进制数据的书写，也采用八进制和十六

进制表示方法。下面将分别介绍这几种常用的进制。

1.十进制数

十进制数是大家熟悉的，用0,1,2,…，8,9十个不

同的符号来表示数值，它采用的是“逢十进一，借一当十”

的原则。每一位的位权都是以10为底的指数函数，由小数

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点向左，各数位按位权展开。依次为10°、10、102、1()3等;

由小数点向右，各数的位权分别为10,10-2、10-3等。

例如526.23,如果按各数的位权来展开，可以写成下

面的形式：

526.23=5X102+2X1O'+6X10°+2X10'+3X102

这里的10°,10I1(Aio)io-在数学上称为权。而

基数就是指计数制中数字符号状态的个数，因此十进制数的

基数是10。

这样，对于任意包含n位整数m位小数的十进制数N,

其表示方式为：

nHn-2

N=±[kn-1lO+kn-2lO-+kolO°+k-1lO

也可以缩写为：

N=±£[KilOlke[0,1,2...,9}

i=-m

式中m、n均为正整数，括号里的10是十进制的基数。

所谓基数，就是计数制中数字符号状态的个数。10,叫作“权”。

2.二进制数

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基数为10的计数制叫十进制；基数为2的计数制叫作

二进制。

二进制数的计算规则是“逢二进一，借一当二”。

一个数N的二进制表示形式为：

,*,

N-(an-ian2a,n-3,••a)ao.aia-2a-m)2

其中，n和m分别表示这个二进制数的整数部分位数和

小数部分位数。aiG{0,1},i=-m,-m+L­••,0,1,•••,

n-lo

在计算机中，任何数据都是用0和1表示的。因为计算

机要用电信号表示数字，数字符号越少，信号就越简单清楚,

因而出错的可能性也比较小。任何一个物理状态都有两种不

同的稳定状态，从原则上讲，可以用任何两个对立的物理状

态来表示0和1。而且二进制的运算规则简单，易于机器实

现。下面对二进制做详细的介绍。

⑴加法运算

0+0=00+1=1

1+0=11+1=10(逢2进1)

⑵减法运算

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0-0=00-1=1（有借位）

1-0=11-1=0

（3）乘法运算

0x0=00x1=0

1x0=01x1=1

（4）除法运算

0/1=01/1=1

下面通过举例来具体掌握一下二进制的四则运算。

［例3.1］计算（1010）2+（1101）2

进位1000

被加数1010十进制验算：10

加数+）1101+13

1011123

［例3.2］计算（110）2X（11）2

被乘数110

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乘数X)11

110

110

10010

3.八进制数

八进制数采用基数为八的计数制。八进制数主要采用0,

1,2,…，7这8个阿拉伯数字。八进制数的运算规则为“逢

八进一，借一当八”。一个任意的八进制数N的表示形式为:

0-21-m

N=±[kn-tS^+kn^S..+ko8°+k-18-+-k-m8]

4.十六进制数

十六进制数采用基数为十六的计数制。但只有0〜9这

十个数字，所以用A、B、C、D、E、F这6个字母来分别表

示10、11、12、13、14、15,字母不区分大小写。

十六进制数的运算规则为“逢十六进一，借一当十六”。

一个任意的十六进制数N的表示

形式为：

，

N—(311-13-11-23.0-3**3,13.0.CL-1£L-2..♦a.-m)16

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其中n和m分别表示N的整数部分位数和小数部分位数。

a,G（0,1,2,…，A,B,C,D,E,F）,i=-m,-m+1,…，

0,1,…，n-l

为区别不同进制的数，一般在数据末尾用B、0、D、H

来分别表示二、八、十、十六进制,如1011B或（1011）2,75o

或（75）8,123D或（123）1。等。

2.进制间的转换

由于人们习惯于十进制数，而计算机内部采用的是二进

制数，因此就产生了各种进制之间的转换规则。下面将分两

方面来介绍一下各个进制之间的转换问题。

1.十进制数与二进制数之间的相互转换

（1）十进制数转换成二进制

将十进制数转换成二进制数时，要把整数部分和小数部

分分别进行转换，然后再把转换之后的结果相加。

整数部分采用“除2取余”的方法，也就是只要将它一

次一次地被2除，直到商为0为止，得到的余数“自下而上”

（从最后一个余数）读取，这就是二进制数的整数部分。

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小数部分采用“乘2取整”的方法，也就是将它一次一

次地被2乘，取乘积的整数部分，再取其小数部分被2乘，

直到小数部分为0结束，得到的整数“自上而下”读取，这

就是二进制数的小数部分。

例题3.3将(136)］。转换为二进制数。

余数

0A

0

0

1

0

0

0

转化结果为(136)10=(10001000)2

例题3.4将十进制数0.625转换成二进制数

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0.625

X2

1.2501

X2

0.5000

X2▼

1.0001

转换结果为：(0.625)lo=(O.101)2

需要说明的是，有的十进制小数不能精确地转换成二进

制小数，这样乘积的小数部分就永远不能为0,此时可以根

据精度的要求，将它转换到所需的位数即可。

十进制数到二进制数的转换过程可以推广到十进制数

和八进制数、十六进制数之间的转换。也就是将“除2取余”

和“乘2取整”相应地转换为“除M取余”和“乘M取整”

(M即可代表8或16)。

(2)二进制数转换成十进制数

将二进制数转换成十进制数就相对简单点，可以将二进

制数按“权”展开，相加即可。

［例3.5］将二进制数11101.101转换成为十进制数。

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解:

43211

（11101.1O1）2=1X2+1X2+1X2+OX2+1X2°+1X2-+OX

2-2+lX23

=16+8+4+0+1+0.5+0.25+0.125

二（29.875）io

2.二进制数与八进制、十六进制之间的相互转换

计算机中采用的是二进制数，但二进制数的最大缺点就

是显示和书写不方便。在实际应用中，人们经常把八进制数

和十六进制数作为二进制数的辅助计数方式。下面介绍一下

二进制数和八进制数、十六进制数之间的相互转换。

二进制数和八进制数互换：二进制数转换成八进制数

时，只要从小数点位置开始，向左或向右每三位二进制划分

为一组（不足三位时可补0）,然后写出每一组二进制数所对

应的八进制数码即可。而二进制数和十六进制数则是将四位

二进制数作为一组对应十六进制数码，进行相应的转换。表

3.1给出了一组基本对应关系。

表3.1常用进制间对应关系

十进制数二进制数八进制数十六进制数

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0000

1111

21022

3113

410044

510155

611066

711177

81000108

91001119

10101012A

11101113B

12110014C

13110113D

14111016E

15111117F

［例3.6］将二进制数(11110101.111)2转换成八进制数:

011110101.111

3657

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即二进制数(11110101.111)2转换成八进制数是

(365.7)8。反过来，将每位八进制数分别用三位二进制数表

示，就可完成八进制数到二进制数的转换。

二进制数和十六进制数互换：二进制数转换成十六进制

数时，只要从小数点位置开始，向左或向右每四位二进制划

分为一组(不足四位时可补0),然后写出每一组二进制数所

对应的十六进制数码即可。

［例3.7］将二进制数(10110110110.0111)2转换成十六进

制数：

010110110110.0111

5B67

即二进制数(10110110110.0111)2转换成十六进制数是

(5B6.7)16。反过来，将每位十六进制数分别用四位二进制

数表示，就可完成十六进制数和二进制数的转换。

八进制数、十六进制数和十进制数的转换：这三者转换

时，可用二进制数作为媒介，先把待转换的数转换成二进制

数，然后将二进制数转换成要求转换的数制形式。

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3.数的定点与浮点表示

由于计算机所处理的数据（二进制数表示）可能既有整数

部分，又有小数部分。这就提出了一个小数点位置如何表示

的问题，所以就出现了数的定点表示和浮点表示方法。

用定点表示法表示的数就是定点数，而用浮点方法表示

的数就是浮点数。

1.定点数表示法

定点表示法中约定机器中所有数据的小数点位置固定不

变。一般采用两种简单的约定：定点整数和定点小数。

定点整数约定小数点在数值位的最低位之后，此时计算

机中所表示的数一律为整数。

计算机中的整数有正整数（也称不带符号的整数）和整数

两大类（也称带符号的整数）。带符号的整数必须使用一个二

进位作为其符号位，一般总是最高位（最左面的一位），0表

示+（正数），1表示-（负数）。其余各位则用来表示数值的大

小，如图3-1所示。例如:0010如n=+43；10101011-43o

负数反码：原码各位数取反。负数补码：原码各位数取

反加lo正整数无论采用原码、反码还是补码表示，其编码

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都是相同的，并无区别（原码、补码和反码将在下一小节进

行介绍）。

QQO

NfNNN2N|N

符号位数值部分（n-l）位1小数点位置

图3-1

所有定点整数绝对值的表示范围：1WIXIW2L1用定点

表示法表示数据的机器称为定点计算机，定点计算机目前多

采用定点小数的表示方法。

定点小数是用最高位表示符号，其他n-l位二进制数表

示数值部分，将小数点定在数值部分的最高位左边，因此任

何一个小数可以表示为如图3-2的形式。

NfNgNz…N2N]NO

t小数点位置n-l位数值位

图3-2

2.浮点数表示法

浮点数是指小数点在数据中的位置可以左右移动的数

据。

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一个实数可以表示成一个纯小数和一个乘塞的积，例

如：56.725=102X(0.56725)。其中指数部分用来指出实数

中小数点的位置，括号括出的是一个纯小数。二进制数的情

况完全类同,例如：1001.Oll=2loox(O.1001011)o任意一

个实数，在计算机内部都可以用指数(这是整数)和尾数(这

是纯小数)来表示，这种用指数和尾数来表示实数的方法叫

做浮点表示法。通常可表示为N=土S*R土E。所以，在计算机

中实数也叫作浮点数。而整数则叫作定点数。浮点数在机器

中的表示格式如图3-3所示。

0189才

图3-3

［例3.8］若R=2,阶码用移码表示，尾数用补码表示

0.11010001X210100=010010100

11010001000000000000000

-0.11010001X210100=110010100

00101111000000000000000

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0.11010001X2-10100=001101100

11010001000000000000000

-0.11010001X2H0100=101101100

11010001000000000000000

目前计算机系统对阶码多数采用移码表示，由于浮点数N

的范围主要由阶码决定。阶码相当于定点数中所取的比例因

子，但它作为浮点数的一部分，说明小数点可以浮动。有效

数的精度则主要由尾数决定。为了充分利用尾数的有效位

数，一般采取规格化的办法，即让尾数的绝对值限定在一个

范围内。如果阶码以2为底，则满足0.5W|N|W1；如果尾

数用补码表示，对正数规格化浮点数的尾数最高位等于1;

对负数规格化尾数为0；因此，规格化的浮点数，其尾数最

高位永远是符号位的反码。

4.机器数的表示

一个二进制数值数据，包括二进制表示的定点小数、定

点整数和浮点小数。这里所指的表示方法是指如何方便地表

示正数、零和负数。常用的编码方式有以下三种：原码、反

码、补码。

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在日常生活中人们习惯用正负号加上绝对值来表示一个

数的大小。数值数据在计算机中的编码表示称为机器数，而

把机器数所代表的实际数值称为机器数的真值。

例如：S=+0.110110是真值,S=0.110110为机器数

D-0.010011是真值,D=l.010011为机器数

前面提到的符号数的表示方法是一种最简单的表示方

法，为原码表示法。除原码以外，还有补码和反码等表示方

法。在介绍这些表示方法之前，先介绍模的概念与性质。

模是指一个计量系统的计数范围，计算机也可以看成是

一个计量器，它也有一个计量范围，即都存在一个“模”。

例如：时钟的计量范围是。〜11,模=12。

表示n位的计算机计量范围是。〜2忆1,模=2工

模实质上是计量器发生“溢出”的量，它的值在计量器

上表示不出来，计量器上只能表示模的余数。任何有模的计

量器，均可将减法转化为加法运算。

例如：设当前时针指向10点，而准确时间是6点，调整

时间可有以下两种拨法：一种是倒拨4小时，即：10-4=6；

另一种是顺拨8小时：10+8=12+6=6。在以12为模的系统中，

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加8和减4效果是一样的，因此凡是减4运算，都可以用加

8来代替。

对模而言，8和4互为补数。实际上以12为模的系统中,

H和1、10和2、9和3、7和5、6和6都有这个性质,共

同的特点是两者相加等于模。对于计算机，其概念和方法完

全一样。n位计算机，设n=8,所能表示的最大数是11111111,

若再加1变为100000000（9位），但因只有8位，最高位1

自然丢失，又变成00000000,所以8位二进制系统的模为

8

20在这样的系统中减法问题也可以化成加法问题，只需把

减数用相应的补数表示就可以了。把补数用到计算机对数的

处理上，就是补码。这个问题在讲到补码的时候再具体讲述。

下面分别以定点小数和定点整数为例给出三种编码的定

义。

1.原码表示法

原码表示法中最高位表示符号，其中如果符号位为0表

示该数为正，符号位为1则表示该数为负。

若［X］原=X°X|X2…X”，则原码定义如下：

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rXOWXS

［X］小\定点小数"

1+xT〈xWO。

X0<X<25

或［X］萨\定点整数，

12n+X-(2r-l)^X<0p

原码的表示方法简单易懂，而且与真值转换方便，但是

在做加法运算时就遇到了麻烦。当两个数相加时，如果是同

号，则数值相加，符号不变；如果是异号，数值部分实际上

是相减，而且必须比较两个数哪个绝对值大，才能确定减数

与被减数，这件事在手算时比较容易，而在计算机中这是一

件繁琐的工作。为了便于计算机进行加减法运算，需要使用

补码。

用二进制原码表示的数中，所用的二进制位数越多，所

能表示的数的范围就越大。例如，八位二进制原码表示的范

围是-128〜+127;十六位二进制原码表示的范围是-32768〜

+32767o

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原码的特点：所有正数的原码，最左边的一位是0,负数

是1。

[例3.9]X=+0.1011[X]原=01011

x=-o.ion[x]原=nou

原码的缺点:

⑴运算(加、减法)低效

(2)0有两种表示方法

+0:00000-0:10000

2.反码表示法

正数的反码和原码相同，负数的反码是保持负数原码的

符号位不变，而其余各位取相反码即为机器数的反码的表示

形式。因此，从补码定义可以推出反码的定义为:

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ZX0WXC1P

[X]干J定点小数。

<(2-2F)+X-1<XWO，

X0〈X<2)

或[Xk=J定点整数.，

12n-1+X-2n<X^0.'

从以上定义可以看出，在反码表示法中最左边一位是符

号位。当X为正数时，由于OWXa、反码表示法的最左边

一位是0；当X为负数时，2T为n位1,-2VXW0,其尾数

不会大于n-1个1,此时反码表示法的最左边一位是lo

反码也可以看作是以2n-l为模的补码，因此也叫作对1

的补码。

反码“0”也有两种表示方法：

[+0]反=0000...0[-0]反=1111...1

[例3.10][+11^=00000001,[+127]反=01111111

[-1]反=11111110,[-127]反二10000000

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特点:

①反码的和等于和的反码

②有两个零+0=00000-0=11111

③当最高位有进位而丢掉进位（即2）时，要在最低位加

1（循环进位）

3.补码表示法

前面已经介绍过模的概念，在这里就不再叙述了。计算

机的运算部件都有一定的字长限制，因此它的运算也是一种

模运算。对于定点小数，可以在模为2的前提下，实现正负

数数间的互补。对于n+1位的定点整数，取模为2向，下面

给出二进制数补码的定义：

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zXOWXJ

值］补=<定点小数，

<2+X-1<XW0P

X0WX<2)

或氏］补=J定点整数。

［2n<+X-2n<X<0.'

［例3.11］X=+1OO1O1［X］补=0100101

X=-100101［X］补=1011011

特点：

①补码的和等于和的补码，符号位和数值位一样参加运

算，不必单独处理，即：［X］补+［Y］补=［X+Y］补

②补码相减：［X］补-［Y］补二［X］补+［-丫］补

［Y］补一［-丫］补：符号位连同数值位一起取反加lo

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5.计算机中常用的编码

在计算机中，所有的信息都采用二进制表示，如大小写

的英文字母、标点符号、运算符号等，也必须采用二进制编

码来表示，因为这样计算机才能进行识别，下面来了解一下

计算机常用的两种编码。

1.ASCII码：

人们需要计算机处理的信息除了数值外，还有字符或字

符串。但在计算机中，所有信息都用二进制代码表示。为了

在计算机中能够表示不同的字符，为使计算机使用的数据能

共享和传递，必须对字符进行统一的编码。这样人们可以通

过n位二进制代码来表示不同的字符，这些字符的不同组合

就可表示不同的信息。常用的编码方式为美国标准信息交换

码(AmericanStandardCodeforInformationInterchange,

ASCH码)，它是使用最广泛的一种编码。

基本的ASCH码有128个，每一个ASCH码与一个8位

(bit)二进制数对应，其第七位是0,称为基本的ASCH码，

相应的十进制数是0〜127。如，数字“0”的编码用十进制

数表示就是48。另外128个扩展的ASCII码,最高位都是1,

用于表示一些图形符号，是扩展ASCH码。

2.BCD码

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计算机中采用二进制数表示，但二进制不是很直观，所

以在计算机的输入输出时通常用十进制数表示。不过这样的

十进制数要采用二进制的编码来表示。这样的二进制数编码

具有十进制数的特点，但形式上是二进制数。BCD码是一种

用四位二进制数字来表示一位十进制数字的编码，也称为二

进制编码表示的十进制数(BinaryCodeDecimal),简称BCD

码。表3.2列出了十进制数0〜15的BCD码。

表3.2BCD编码表

十进制数BCD码十进制数BCD码

0000081000

1000191001

200101000010000

300111100010001

401001200010010

501011300010011

601101400010100

701111500010101

BCD码有两种格式：

(1)压缩BCD码格式(PackedBCDFormat)0用4个二进

制位表示一个十进制位，就是用0000B〜1001B来表示十进

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制数0〜9。例如：十进制数4256的压缩BCD码表示为：

0100001001010110

(2)非压缩BCD码格式(UnpackedBCDFormat)

用8个二进制位表示一个十进制位，其中，高四位无意

义，一般用XXXX表示，低四位和压缩BCD码相同。例如：

十进制数4256的非压缩BCD码表示为：

xxxxOlOOxxxxOOlOxxxxO101xxxxO110

6.逻辑数据的表示

为了使计算机具有逻辑判断能力，就需要逻辑数据，并

能对它们进行逻辑运算，得出一个逻辑式的判断结果。每个

逻辑变量或逻辑运算的结果产生逻辑值，该逻辑值仅取“真”

或“假”两个值。判断成立为“真”，判断不成立为“假，

在计算机内常用0和1表示这两个逻辑值，0表示假，1表

示真。

最基本的逻辑运算有'与"、“或”、“非”3种。这3种运

算分别描述如下。

1.逻辑“与”

逻辑“与”也称之为逻辑乘，最基本的“与”运算有

两个输入量和一个输出量。

逻辑“与”可以用两个串联的开关来等效。用语言描述就

是：只有两个输人量都是“1”时，输出才为“1”；或者说

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“有0为0,全1出1”。

2.逻辑“或”

逻辑“或”也叫逻辑加，最基本的逻辑“或”有两个输人

量和一个输出量。

逻辑“或”可用两个并联的开关来等效。用语言描述就是:

只有两输人量都是“0”时，输出才为“0”；或者可以这样

说“有1为1,全0出0”。

3.逻辑“非”

逻辑“非”即取反逻辑“非”的运算规则

逻辑“非”可以用灯的并联开关来等效。用语言描述就是:

1的反是0,0的反是1o

若在一个逻辑表达式中出现多种逻辑运算，可用括号指定

运算的次序；无括号时按逻辑“非”、逻辑“与”、逻辑“或”

的顺序执行。

第四讲：开发简单的单片机系统

1.单片机的最小系统

是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，一般应该

包括:单片机、晶振电路、复位电路.