华东交通大学 单片机微机原理及应用基础教程 第1章 单片机基础知识导论

微机原理及接口技术MicrocontrollerPrincipleandInterfaceTechnique

MicroControlSystem51Series机械电子工程系主讲：陈慧

教学方法课堂讲授（46学时）习题讲解（2学时）实验/上机（8学时）

教学方法与考核方式（56学时）

考核方式期未考试（70%）平时成绩（30%）考勤（40%）作业（30%）上机/实验（15%）课堂表现（15%）微机原理及应用MicrocontrollerPrincipleandApplication

MicroControlSystem51Series机械电子工程系主讲：陈慧

教学方法（双语）课堂讲授（40学时）习题讲解（2学时）实验/上机（6学时）

考核方式期未考试（70%）平时成绩（30%）考勤（40%）作业（30%）上机/实验（15%）课堂表现（15%）

教学方法与考核方式（48学时）

第1章

第2章

第3章

第4章

第5章

第6章

第7章

第8章单片机基础知识导论51单片机硬件基础汇编语言及其程序设计51单片机中断、定时/计数器及串行接口单片机系统扩展的原理及方法接口芯片及其应用基础C51语言及其程序设计51单片机应用系统开发

课程目录1.1基本术语及定义1.2单片微型计算机概述1.3数制及数制间的转换1.4计算机中数的表示方法1.5计算机常用编码第1章单片机基础知识导论1.1.2字节(Byte)1.1.3字和字长(word)

1.1基本术语及定义1.1.1位(bit)1.1.5指令、指令系统和程序1.1.6寄存器1.1.4位编号1.1.7译码器1.1.8微型计算机主机的四大组成部件

位是计算机能表示的最基本最小的单位

在计算机中采用二进制表示数据和指令，故位就是一个二进制位，有两种状态，“0”和“1”。1.1.1位(bit)

相邻的8位二进制数称为一个字节

1Byte=8bit

如：1100001101010111

1.1.2字节(Byte)

字长：是每一个字所包含的二进制位数。它常与CPU内部的寄存器、运算装置、总线宽度一致。

字：CPU内部进行数据处理的基本单位。1.1.3字和字长[例]

某CPU内含8位运算器，则：参加运算的数及结果均以

8位

表示,最高位产生的进位或借位在8位运算器中不保存，而将其保存到标志寄存器中。10110101被加数8位

+10001111加数8位进位1

11111101000100和8位PSW标志寄存器运算器标志寄存器运算器被加数加数和进位1.1.3字和字长字长是衡量CPU工作性能的一个重要参数。不同类型的PU有不同字长。例如:Intel4004是4位，8080是8位，8088/8086/80286是16位，80386/80486、Pentium是32位。10101100011001011001100001000011被加数

+11000011110000110001010101011000加数进位

11111111111101110000001010001010110110011011和

4位8次

8位4次16位2次32位1次1.1.3字和字长位

1或01位字节

110000118位字

110000110011110016位双字

1100001100111100110000110011110032位高字节低字节

高字

低字

一个字定为16位，1Word=2Byte

一个双字定为32位

1DWord=4Byte1.1.3字和字长

为便于描述，对字节,字和双字中的各位进行编号。从低位开始，从右到左依次为0、1、2……，称为位编号。←位编号7654321010100010D7D6D5D4D3D2D1D0A7A6A5A4A3A2A1A0字节数据Data地址Address1.1.4

位编号D0D7D15D8158101010101010101070A0A7A15A8字的编号为15~0双字的编号依此类推，为31~01.1.4

位编号

指令是CPU能执行的一个基本操作。

如：取数、加、减、乘、除、存数等。1.1.5

指令、指令系统和程序程序是用户在使用计算机时，为要解决的问题，用一条条指令编写的指令序列。

指令系统是CPU所能执行的全部操作。不同的CPU，其指令系统不同。寄存器是用来存放数据和指令的一种基本逻辑部件。

根据存放信息的不同，有指令寄存器、数据寄存器、地址寄存器等。标志寄存器地址总线AB数据总线DB控制总线CB指令寄存器数据寄存器控制电路指令译码器地址寄存器指令指针寄存器R1R2R3R4寄存器组运算器IPCPU结构示意图1.1.6

寄存器

译码器是将输入代码转换成相应输出信号的逻辑电路。1.1.7

译码器指令是CPU能执行的一个基本操作，用户用编码形

式的指令进行编程，程序存放在内存中;CPU的设计者对CPU的所有指令进行编码;CPU从内存取来编码形式的指令，对指令进行译码，

发出执行该指令功能所需的信号CPU总线内存标志寄存器地址总线AB程序数据数据总线DB控制总线CB地址译码器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、数据1数据2数据3、、、指令寄存器数据暂存器控制电路指令译码器地址寄存器指令指针寄存器R1R2R3R4寄存器组运算器IP

根据译码内容的不同分：

指令译码器:将指令代码转换成该指令所需的各种控制信号。

地址译码器:将地址信号转换成各地址单元相应的选通信号。1.1.7

译码器1）微型计算机主机硬件构成CPU存储器输入/输出(I/O)接口总线构成部件1.1.8

微型计算机主机的四大组成部件

①总线

总线是连接多个功能部件的一组公共信号线。微机中各功能部件之间的信息是通过总线传输的。总线BUS存储器I/O接口输入设备I/O接口输出设备CPU

按信号的作用，总线分为三类：地址总线、数据总线、控制总线存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU

①总线地址总线的条数

决定CPU的寻址能力。10根→21010241K

20根→2201024K1M32根→232

22

×2304G36根→

23626

×23064G地址总线AB(AddressBus)：单向，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。

①总线数据总线DB(DataBus)：双向用来在CPU与存储器、I/O接口之间进行数据传送。存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU

①总线数据总线条数决定一次可最多传送数据的宽度

8根→一次传送8位16根→一次传送16位32根→一次传送32位64根→一次传送64位

①总线控制总线CB(ControlBus)：双向

用于传送各种控制信号。有的是CPU发出的，有的是发向CPU的。

存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU

①总线

计算机的核心部件。用来实现指令的自动装入和自动执行，实现计算机本身的自动化。存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU②中央处理器CPUCPU结构示意图地址信号标志寄存器指令寄存器数据暂存器控制电路指令译码器地址寄存器指令指针寄存器R1R2R3R4寄存器组运算器IP数据信号控制信号ALU②中央处理器CPU内存是存储程序和数据的部件，由地址译码器、内存单元等构成。n根CPU地址线AB数据线DB控制线CB地址译码器1100110000110011101010101111000010001000地址00...0000地址00...0001地址00...0010地址00...0011地址11…1111内存结构示意图③内存外设的电信号、运行速度与CPU不匹配，不能与CPU直接相连，必须通过I/O接口与CPU相连。

CPU通过对I/O端口进行读/写操作，实现对外设的控制。存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU④输入/输出接口（I/O接口）CPU和I/O设备的连接都是通过接口电路实现的I/O接口电路的作用

速度协调数据锁存三态缓冲数据转换④输入/输出接口（I/O接口）接口与端口接口：指计算机与外设之间在数据传送方面的联系，其主要功能是通过电路实现的，称接口电路，简称接口。端口：指在接口电路中用以完成某种信息传送，并可由编程人员寻址进行读写操作的寄存器，端口也简称口。④输入/输出接口（I/O接口）

一个接口可含有多个端口，数据端口、

状态端口、命令端口等。每个端口都有自己的端口地址。

CPU寻址外设是以端口作为地址单元。接口与端口④输入/输出接口（I/O接口）I/O接口结构示意图I/O端口1I/O端口2I/O端口3地址译码数据缓冲控制电路外设ABDBCBCPU④输入/输出接口（I/O接口）1.2.2什么是单片机1.2.3单片机的特点及应用

1.2单片微型计算机概述1.2.1微型计算机及其系统组成1.2.1微型计算机及其系统组成

1)微型计算机硬件结构笔记本电脑立式微机单片微机常见的微机外形显示器主机键盘鼠标1.2.1微型计算机及其系统组成

微机硬件由主机和外设组成运算器控制器CPU存储器输入接口电路输入设备输出设备输出接口电路硬件系统1.2.1微型计算机及其系统组成

微型计算机的内部硬件构成硬件系统——构成微机的实体和装置软件系统——微机系统所使用的各种程序的总称软件系统与硬件系统共同构成实用的微机系统，两者相辅相成、缺一不可。

软件系统+微型计算机系统运算器控制器CPU存储器输入接口电路输入设备输出设备输出接口电路硬件系统1.2.1微型计算机及其系统组成

2)微型计算机系统——包括硬件和软件系统“与“运算

0·0＝0,0·1＝1·0＝0,1·1＝1“或“运算

0＋0＝0,0＋1＝1＋0＝1,1＋1＝1②逻辑运算“非“运算

1＝0,0＝1“异或“运算

0⊕0＝0,1⊕1＝0,1⊕0＝0⊕1＝1

1.4.1真值与机器数1.4.2原码、反码与补码1.4.3补码运算规则及溢出判别

1.4计算机中数的表示方法1.4.4定点数与浮点数机器数：一个数在计算机中的表示形式。D7D6D5D4D3D2D1D000001011符号位数值位1.4.1

真值与机器数真值：一个数的数值，符号位用”+”、”－”表示。1.4.2

原码、反码与补码

[＋7]原＝00000111[－7]原＝10000111[＋0]原＝00000000[－0]原＝10000000原码：正数的符号位用“0”表示，负数的符号位用“1”表示；其余数值位表示真值的绝对值。这样规定

的二进制机器数称为原码，用[X]原表示。反码正数：反码与原码相同负数：反码等于该负数的原码除符号位外，将其余

的数值位按位取反。1.4.2

原码、反码与补码[＋7]反＝00000111[－7]反＝11111000[＋0]反＝00000000[－0]反＝11111111补码

[＋7]补＝00000111[－7]补＝11111001[＋0]补＝00000000[－0]补＝11111111＋1＝00000000正数：补码与原码相同负数：补码等于其反码加1。1.4.2

原码、反码与补码①补码运算规则

[X＋Y]补＝[X]补＋[Y]补[X－Y]补＝[X]补+[-Y]补[[X]补]补=[X]原1.4.3

补码运算规则及溢出判别[例]已知：

X＝＋37＝00100101B Y＝＋51＝00110011B

求:（1）X＋Y

（2）X－Y

（3）Y－X①补码运算规则例：X＝＋100＝01100100B Y＝＋50＝00110010B求X＋Y解：

[X＋Y]补＝[X]补＋[Y]补

=01100100＋00110010

＝10010110BX＋Y＝[[X＋Y]补]补＝11101010B

＝－106②溢出及其判别双高位判别法CS表示符号位的进位CP表示最高数值位的进位CS⊕CP＝0

运算正确CS⊕CP＝1

溢出②溢出及其判别例1:89(01011001B)加108(01101100B)例2:-20(11101100B)加-30(11100010B)有溢出无溢出定点整数例：N＝＋1011011符号位

数值位．010110111.4.4

定点数与浮点数①定点数表示方法

例：N＝－0.1011011符号位

数值位．11011011①定点数表示方法

定点小数N＝±M×2±EM：尾数，为纯小数E：阶码阶符阶码数符尾数例：N＝110.011=0.110011×2+11②浮点