秦晓飞系列单片机原理及应用微机基础知识

秦晓飞系列单片机原理及应用微机基础知识第1页/共44页第1章微机基础知识§1.1微处理器、微机和单片机的概念§1.2微机的工作过程§1.3常用数制和编码§1.4数据在计算机中的表示§1.589C51/S51单片机第2页/共44页1.1微处理器、微机和单片机的概念第3页/共44页1.1微处理器、微机和单片机的概念微处理器(Microprocessor)是小型计算机或微型计算机的控制和处理部分，又称中央处理单元CPU（CentralProcessingUnit）。微机（Microcomputer）是具有完整运算及控制功能的计算机。图1-1微机的组成微处理器(CPU)微处理器由控制器、运算器和若干个寄存器组成；存储器存储器是指微机内部的存储器(RAM、ROM和EPROM等芯片)接口适配器（输入输出接口电路）输入/输出（I/O）设备Ｉ/Ｏ设备与微处理器的连接需要通过接口适配器(即Ｉ/Ｏ接口)第4页/共44页1.1微处理器、微机和单片机的概念单片机（Single-ChipMicrocomputer）是将微处理器、一定容量RAM和ROM以及I/O口、定时器等电路集成在一块芯片上，构成单片微型计算机。图1-1微机的组成微处理器RAMROMI/O口定时器单片微型计算机第5页/共44页1.1.1微处理器的组成图中假设所有的计数器、寄存器和总线都是8位宽度。数据单元ALU、计数器、寄存器和控制部分除在微处理器内通过内部总线相互联系以外，还通过外部总线和外部的存储器和输入/输出接口电路联系。外部总线一般分为数据总线、地址总线和控制总线，统称为系统总线。存储器包括RAM和ROM。微计算机通过输入/输出接口电路可与各种外围设备联接。1.1微处理器、微机和单片机的概念图1-2一个计算机模型运算器控制器寄存器第6页/共44页1.1.1微处理器的组成1.运算器：组成算术逻辑单元(简称ALU）累加器

数据寄存器作用把传送到微处理器的数据进行算术运算或逻辑运算。ALU可对两个操作数进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。ALU执行不同的运算操作是由不同控制线上的信息所确定的。ALU数据来源累加器、数据寄存器主要功能算术运算逻辑运算和逻辑测试，如零值测试、两值比较1.1微处理器、微机和单片机的概念图1-2一个计算机模型第7页/共44页1.1.1微处理器的组成1.运算器：运算器功能实现过程举例：

两个数（7和9）相加，在相加之前，操作数9放在累加器中，7放在数据寄存器中，执行两数相加运算的控制线发出“加”操作信号，ALU即把两个数相加并把结果（16）存入累加器，取代累加器前面存放的数9。1.1微处理器、微机和单片机的概念图1-2一个计算机模型第8页/共44页1.1.1微处理器的组成2.控制器：组成程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器、操作控制器等作用它是发布命令的“决策机构”，即协调和指挥整个计算机系统的操作。主要功能①从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。②对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。③指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。1.1微处理器、微机和单片机的概念图1-2一个计算机模型第9页/共44页1.1.1微处理器的组成3.主要寄存器：累加器（A）数据寄存器（DR）指令寄存器（IR）和指令译码器（ID）程序计数器（PC）地址寄存器（AR）1.1微处理器、微机和单片机的概念图1-2一个计算机模型第10页/共44页1.1.1微处理器的组成3.主要寄存器：累加器（A）累加器是微处理器中最繁忙的寄存器。在算术和逻辑运算时，它具有双重功能：①运算前，用于保存一个操作数；②运算后，用于保存所得的和、差或逻辑运算结果。数据寄存器（DR）数据（缓冲）寄存器（DR）是通过数据总线（DBUS）向存储器（M）和输入/输出设备I/O送（写）或取（读）数据的暂存单元。1.1微处理器、微机和单片机的概念图1-2一个计算机模型第11页/共44页1.1.1微处理器的组成3.主要寄存器：指令寄存器（IR）指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时先把它从内存取到数据寄存器中，然后再传送到指令寄存器中。指令译码器（ID）指令分为操作码和地址码字段，由二进制数字组成。当执行任何给定的指令，必须对操作码进行译码，以便确定所要求的操作。指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。操作码一经译码后，即可向控制器发出具体操作的特定信号。1.1微处理器、微机和单片机的概念图1-2一个计算机模型第12页/共44页1.1.1微处理器的组成3.主要寄存器：程序计数器（PC）通常又称为指令地址计数器。在程序开始执行前，必须将其起始地址，即程序的第一条指令所在的内存单元地址送到PC。当执行指令时，CPU将自动修改PC的内容，使之总是保存将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按顺序执行的，所以修改的过程通常是简单的加1操作。地址寄存器（AR）地址寄存器用来保存当前CPU所要访问的内存单元或I/O设备的地址。因为内存（I/O设备）和CPU之间存在着速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保存地址信息，直到内存（I/O设备）读/写操作完成为止。1.1微处理器、微机和单片机的概念图1-2一个计算机模型第13页/共44页1.1.2存储器和输入/输出接口1.存储器：地址总线、数据总线和若干控制线把存储器和微处理器连接起来。存储器从CPU接收控制信号，以确定存储器执行读/写操作。地址总线将8位地址信息送入地址译码器，地址译码器的输出可以确定唯一的存储单元。数据总线用来传送存储器到CPU或CPU到存储器的数据信息。2.I/O接口及外设：每个外设与微处理器的连接必须经过接口适配器（I/O接口）。每个I/O接口及其对应的外设都有一个固定的地址，在CPU的控制下实现对外设的输入（读）和输出（写）操作。1.1微处理器、微机和单片机的概念图1-4随机存取存储器第14页/共44页1.2微机的工作过程第15页/共44页名称助记符操作码注释取入累加器LDA10010110(96H)将存储单元的内容取入累加器，其单元地址由下一个字节给出加法ADD10011011(9BH)将存储单元的内容和累加器的现有内容相加，结果放在累加器中，存储单元的地址由下一字节给出累加器送存STA 10010111(97H)累加器内容送存，存储单元的地址由下一字节给出停机HLT 00111110(3EH)停止全部操作微机的“存储程序”工作方式计算机采取“存储程序”的工作方式，即事先把程序加载到计算机的存储器中，当启动运行后，计算机便自动进行工作。计算器虽然也有运算和控制的功能，但它不是“存储程序”式的自动工作方式，所以不能称为计算机。任何计算机都有它的指令系统，有十几条至一百多条指令，并有若干种寻址方式。我们假设图1-2所示的模型计算机有4条指令，并只有一种寻址方式——直接寻址方式，模型机的指令及其说明如表1-1所列。1.2微机的工作过程表1-1模型机指令表第16页/共44页直接寻址方式寻址方式是指用什么方法寻找指令的操作数。上述4条指令除HLT外，LDA、ADD和STA都有操作数。直接寻址方式的指令格式如图1-5所示。

指令中应有一部分数位(8位，即1字节)用于指明所执行的特定操作，这部分(图1-5中的第1字节)称为操作码。指令中还应有一部分数位(图1-5中的第2字节)用于说明被操作的数据来自什么地方，这一部分叫操作数的地址。1.2微机的工作过程图1-5直接寻址方式的指令格式第17页/共44页直接寻址方式在直接寻址方式中，一条指令(如LDA、ADD和STA)需要2个字节：第1个字节是操作码，第2个字节不是操作数，而是存放操作数的内存单元的地址。例如：LDA23；将地址为23的内存单元中的内容7装入累加器A中。23为操作数的地址1.2微机的工作过程图1-6执行“LDA23”指令第18页/共44页1.2.1执行一条指令的顺序计算机执行程序是一条指令一条指令执行的。执行一条指令的过程可分为两个阶段，如图1-7所示。在计算机中，“存储程序”第1条指令的第1个字节一定是操作码。这样，CPU首先进入取指阶段，从存储器中取出指令并通过CPU译码后，转入执指阶段，在这期间，CPU执行指令指定的操作。取指阶段是由一系列相同的操作组成的，因此，取指阶段的时间总是相同的。而执行指令的阶段是由不同的事件顺序组成的，它取决于被执行指令的类型。执行完一条指令后接着执行下一条指令。所以，程序的执行顺序是取指、执指，取指、执指……如此反复直至程序结束。

1.2微机的工作过程图1-7取指令、执行指令序列第19页/共44页1.2.2执行一条指令的过程指令“LDA23”的执行过程是怎样的呢?这是一条直接寻址方式的指令，执行的过程如图1-8所示。LDA指令的指令周期由3个CPU周期(即机器周期)组成。其中，第1个CPU周期为取指令阶段；执行指令阶段由2个CPU周期组成，第2个CPU周期中将操作数的地址送往地址寄存器并完成地址译码，在第3个CPU周期中，从内存取出操作数并执行装入的操作。

1.2微机的工作过程图1-8直接访问内存指令的指令周期第20页/共44页1.2.3执行一个程序的过程采用直接寻址，执行一个“7+10”的程序实例如表1-2所示。

1.2微机的工作过程第21页/共44页1.2.3执行一个程序的过程

1.2微机的工作过程第22页/共44页1.2.3执行一个程序的过程

1.2微机的工作过程第23页/共44页1.2.3执行一个程序的过程

1.2微机的工作过程第24页/共44页1.3常用数制和编码第25页/共44页1.3.1数制与数制之间的转换1.数制——计数的进位制二进制：是“0”和“1”这样的数、逢2进位。按权展开时权的基数为2。用后缀字母“B”表示。如：1001B=1×23+0×22+0×21+1×20=9（十进制数）十进制：是“0”—“9”之间的数、逢10进位。按权展开时权的基数为10。用后缀字母“D”表示。如：1135D=1×103+1×102+3×101+5×100

十六进制：是“0”—“9”，“A,B,C,D,E,F”之间的数、逢16进位。按权展开时权的基数为16。用后缀字母“H”表示。如：1C5H=1×162+12×161+5×160=453D1.3常用数制和编码第26页/共44页1.3.1数制与数制之间的转换1.数制——计数的进位制1.3常用数制和编码第27页/共44页1.3.1数制与数制之间的转换2.不同数制之间的转换二进制、十六进制转化成十进制：将二、十六进制数按权展开相加即为相应的十进制数。如：1101.11B=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-2=13.75D如：1F.AH=1×161+15×160+10×16-1=31.625D十进制转换成二进制数：整数部分除2取余，商为0止，余数倒置；小数部分乘2取整，积为0止或满足精度要求时停止，整数顺置如：11.625D=1011.101B1.3常用数制和编码0.625×2=1.251MSB0.25×2=0.500.5×2=11LSB第28页/共44页1.3.1数制与数制之间的转换2.不同数制之间的转换十进制转换成十六进制数：整数部分除16取余，商为0止，余数倒置；小数部分乘16取整，积为0止或满足精度要求时停止，整数顺置如：100.0625D=64.1H二进制转换成十六进制数：将二进制数以小数点为界四位一分，不足补0，用一位十六进制数代替四位二进制数。如：10011.11B=00010011.1100B=13.CH十六进制转换成二进制数：将十六进制数以小数点为界，用四位二进制数代替一位十六进制数。如：D4.EH=11010100.1110B1.3常用数制和编码第29页/共44页1.3.2计算机中的常用编码1.BCD（BinaryCodedDecimal）码——二-十进制码BCD码是一种二进制形式的十进制码，也称二-十进制码。它用4位二进制数表示1位十进制数，最常用的是8421BCD码，见表1-4。8421BCD码用0000B-1001B代表十进制数0-9，运算法则是逢十进一。8421BCD码每位的权分别是8，4，2，1，故得此名。例如，十进制1649的BCD码为0001011001001001。1.3常用数制和编码十进制数8421BCD码二进制数十进制数8421BCD码二进制数000000000810001000100010001910011001200100010100001000010103001100111100010001101140100010012000100101100501010101130001001111016011001101400010100111070111011115000101011111第30页/共44页1.3.2计算机中的常用编码2.ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）码ASCII码是一种字符编码，是美国信息交换标准代码的简称。它由7位二进制数码构成，共有128个字符。ASCII码主要用于微机与外设通信。当微机与ASCII码制的键盘、打印机及CRT等连用时，均以ASCII码形式进行数据传输。例如，当按微机的某一键时，键盘中的单片机便将所按的键码转换成ASCII码传入微机进行相应处理。1.3常用数制和编码第31页/共44页1.3.2计算机中的常用编码3.ASCII扩展码由8位二进制数码构成，共有256个字符。4.UNICODE编码由16位二进制数码构成，共有65536个字符。1.3常用数制和编码第32页/共44页1.4数据在计算机中的表示第33页/共44页

因AT89C51是8位单片机，因此以8bit二进制数进行讲解。1.4.1有符号数有符号的8位二进制数用最高位D7表示数的正或负，0代表“+”，1代表“-”，D7称为符号位，D6~D0为数值位。

上述的8位带符号二进制数又有3种不同表达形式，即原码、反码和补码。在计算机中，所有有符号数都是以补码形式存放的。1.原码一个二进制数，用最高位表示数的符号，其后各位表示数值本身，这种表示方法称为原码。原码的表示范围是-127~+127。例如:X=+1011010B[X]原=01011010BX=-1011010B[X]原=11011010B1.4数据在计算机中的表示D7D6——D0符号位数值位第34页/共44页1.4.1有符号数2.反码正数的反码与原码相同，符号位一定为0，其余位为数值位。负数的反码符号位为1，数值位将其原码的数值位逐位求反。反码的表示范围是-127~+127。例如:X=-1011010B[X]原=11011010B[X]反=10100101B3.补码正数的补码与原码相同。负数的补码符号位为1，数值位将其原码的数值位逐位求反后加1，即负数的反码加1。补码的表示范围是-128~+127。例如:X=-1011010B[X]补=10100110B通常计算机中的数用补码表示，用补码进行运算。一个很明显的优点是减法可以用补码的加法来运算。这里还要特别提示“溢出”的概念。溢出与进位不同，溢出是指有符号数的运算结果超出了数-128~+127的表示范围，破坏了符号位。1.4数据在计算机中的表示第35页/共44页1.4.1有符号数4.机器数与真值机器数：计算机中以二进制形式表示的数。真值：机器数所代表的数值。例如，机器数10001010B，它的真值为138（无符号数）-10（原码）-117（反码）-118（补码）【例1-5】怎样根据真值求补码，或根据补码求真值？答：一是求负数的补码，用绝对值“取反加1”来求补码；二是求负数（补码）的真值，可先将该补码数用“取反加1”的方法得到其绝对值，再在绝对值前添加一负号。另：补码的表盘理论可以自行查阅。1.4数据在计算机中的表示第36页/共44页1.4.2无符号数无符号的8位二进制数没有符号位，从D7~D0皆为数值位，所以8位无符号二进制数的表示范围是0~+255。1.4数据在计算机中的表示8位二十进制数无符号数原码反码补码000000000+0+0+0000000011+1+1+1000000102+2+2+201111100124+124+124+12401111101125+125+125+12501111110126+126+126+12601111111127+127+127+12710000000128-0-127-12810000001129-1-126-12710000010130-2-125-12611111100252-124-3-411111101253-125-2-311111110254-126-1-211111111255-127-0-1第37页/共44页1.589C51/S51单片机第38页/共44页8051是Intel公司推出的内核架构，其他公司的51系列单片机都是以8051为内核的。51系列单片机有多种型号的产品，如普通型（51子系列）80C51、80C31、87C51和89C51等，增强型（52子系列）80C32、80C52、87C52和89C52等。它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上。80C31片内没有程序存储器，80C51