微型计算机原理和应用

课程的基本要求本课程是机电类专业（非计算机专业）学生学习和掌握微机硬件知识和汇编语言程序设计的入门课程。课程的任务是使学生从理论和实践上掌握微机的基本组成、工作原理、接口电路设计等，建立微机系统的整机概念，使学生具有微机硬件系统设计和软件开发的初步能力。目

录第一章

计算机基础知识第二章

89C51单片机的结构和原理第三章

89C51指令系统第四章

汇编语言程序设计知识第五章

中断系统第六章

定时器及应用第七章

89C51串行口及通信技术第八章

单片机小系统片外扩展第九章

应用系统配置及接口技术附录A

89C51指令系统表参考资料1、掌握一款单片机2、掌握一种开发环境与语言3、掌握一种软件仿真方法与软件4、掌握单片机电路的设计方法5、制作一个程序下载器6、制作一个单片机开发板/第一章计算机基础知识1、什么是单片机？有何作用？2、单片机内部结构的简单认识。3、什么是字长？4、机器码、助记符？5、特殊寄存器？是RAM还是ROM?6、单片机有几种I/O口?作用与区别？7、单片机的封装？8、单片机最小系统？9、单片机的动力来源？§1.计算机发展概述一.计算机的发展机械式→电子模拟式→电子数字式第一代：电子管.40年代第一台:1946年,美国宾西法尼亚大学ENIAC(

Electronic

Numerical

Integrator

AndComputer

)第二代:晶体管.50年代

第三代:集成电路.60年代第四代:大规模集成电路.70年代分类:(按规模)巨型机、大型机、小型机、微型机。二.微处理器、微型机、与单片机的发展⑴.微处理器、微计算机、单片机的概念：

微处理器：（Microprocessor）将计算机中的运算器、控制器两大部分（CPU）集成在一个芯片上，就组成了微处理器（MP、μP、MPU）

微计算机（Microcomputer）：以微处理器作为CPU，再加上存贮器、输入输出电路就组成了微计算机（MC、μC）

单片机（Single-Chip

Microcomputer,

Micro-controller）：将CPU、存贮器、输入输出电路均集成在一个芯片上。（2）微处理器发展简况：第一个微处理器：美国Intel公司，1971年，Intel

4004.（字长4位）8位微处理器：Intel

8080、8085Zilog：Z80Motorola：MC680016位微处理器：Intel：8086.Motorola：68000Zilog：Z800032位 微处理器：Intel

80386目前：Intel公司.：奔腾系列AMD公司（3）单片机发展简况：第一个单片机：美国仙童公司，1974年，F8➢4位单片机：美国NS（国家半导体）公司Cop4xx系列日本松下公司MN

1400 系列8位单片机：Intel公司：MCS－48、51系列

Motolola公司：M6805系列16位单片机：＜Microchip公司：PIC系列

Intel公司MCS－96／98系列

Motolola公司M68HC16系列32位单片机：Motolola

M68306系列目前以8位／16位单片机为主流，发展趋势是：高速度、多资源、强功能、低功耗。部分新型8051兼容单片机Acer

Lab M6032、M6975Aeroflex

UTMCADAtmelUT69RH051ADuC812AT89C2051、AT89C51Cybernetic

Micro

Systems P-51Cygnal

C8051FxxxEZ-USB

CY7C646xxDaewooDallasDMC60C51…DS2250(T)

Domosys、Honeywell、Infineon、Innovasic、Intel、ISSI、Maxim、Mentor、Micronas、OkI、Philips、Sharp、SMSC、SSST、TD

K、TI、Triscend、Winbond、XEMICS其他单片机如：PIC、AVR、凌阳、freescal(Motorola)§2

计算机中数的表示方法一.常用数制(一).十进制（Decimal）0―9

十个数码基数为10，逢十进位例：258.36可写成幂级数的形式：

2×102＋5×101＋8×100＋3×10－1＋6×10－2(二).二进制（Binary）(1).0－1两个数码

(2)．逢二进位例：%10110.11幂级数的形式：

1×24＋1×22＋1×21＋1×2－1＋1×2－2＝22.75➢➢字长：2进制信息的位数字节：每8位2进制数称为一个字节字：每16位2进制数称为一个字(三).十六进制（Hexadecimal）⑴ 0、1、2……9、A、B、C、D、E、F、16个数码⑵．基数为16，逢16进位例：70F.B1幂级数的形式：7×162＋F×160＋B×16－1＋16－2＝1807.69140625（四）标记方法十进制数：加后缀D（可省略）。例：85.7D、128二进制数：加后缀B。例：1011.0101B十六进制数：加后缀H。例：2AC.5FH二.各种数制之间的转换·带小数？㈠.二进制与十进制⑴.二翻十：按权展开相加例：11010.01B

=

1×24＋1×23＋1×21＋1×2－2＝26.25⑵.十翻二：·

整数：除2取余法.例：215结果：

215＝11010111B小数：乘2取整法例：0.6879结果：0.6879

＝

0.1011B·小数十翻二运算结果可能是无限小数，只要取足精度即可。㈡.十六进制与十进制⑴.十六翻十：按权展开相加⑵.十翻十六整数：除16取余小数：乘16取整。㈢.二进制与十六进制⑴.二翻十六：四位合一法（以小数点为基准）例：111110.101101B0011

1110.

1011

0100结果：3E.B4H⑵.十六翻二：一化四位法（以小数点为基准）例：7C.5A0111

1100.

0101

1010结果：1111100.0101101B*由于二进制与十六进制转换十分方便，所以计算机中的二进制数在人工书写时常写成十六进制数，以便于阅读。**

十进制与二进制之间的转换可以十六进制数为桥梁，通过计算器实现。三.二进制数的运算规则㈠.算术运算⑴．加法：0＋0＝00＋1＝1＋0＝11＋1＝0（向邻近高位进位1）⑵．减法:0－0＝01－1＝01－0＝10－1＝1（向邻近高位借1当做2）⑶．乘法0×0＝01×0＝0×1＝01×1＝1⑷.

除法利用判断、减法、移位实现㈡．逻辑运算⑴．“与”运算（逻辑乘）0∧0＝01∧0＝0∧1＝01∧1＝1⑵. “或”运算（逻辑加）0∨0＝01∨0＝0∨1＝11∨1＝1⑶. 取反运算（逻辑非）ō＝1ī＝0⑷. “异或”运算0⊕0＝1⊕1＝01⊕0＝0⊕1＝1四.有符号数的表示.㈠．原码：（true

form）最高位用以表示符号，0正1负。例：X＝＋1010B，Y＝-1010B则其8位二进制原码分别为：[X]原＝00001010B，[Y]原＝10001010B㈡.反码：(One’s

complement)正数的反码与原码相同，负数的反码求法是保持其原码的符号位“1”，然后将其数值位按位取反。㈢.补码:(Two’s

complement

）正数的补码与原码相同，负数的补码等于其反码加1。利用补码可以方便地将减法转换为加法。设X、Y均为正数，则:X－Y＝X＋[-Y]补(四)、求真值：在计算机中都是三用补.码原表码示码一、个反带符码号及的数补据码。最高位是0：正数。最高位是1：负数。当给出一个补码表示的有符号二进制数（十六进制数）时，怎样得到其对应的十进制数，就是求真值的问题。（1）正数：因为：正数它的补码与原码相同，所以：直接将其按权展开相加。（最高位0：正数）例如：有符号数：0001

0101

B=+21

D（2）负数：将补码表示的负数，按位取反，再+1，再按权展开相加，在得到对应的十进制数前加负号。(最高位1：负数）例如：有符号数：1010

0111

B所以：取反：0101

1000

B加1：+

1

B=

0101

1001

B

=89

D因此：

1010

0111

B

=

-

89

D练习：有符号数：0111

1111

B，1001

1101B（五）

八位计算机的数值范围*

无符号数：0000

0000

B

～

1111

1111

B00

H

～

FF

H0

D

～

255

D*

有符号数：正数：0000

0000

B

～

0111

1111

B00

H

～

7F

H0

D

～

127

D负数：1000

0000

B

～

1111

1111

B80

H

～

FF

H-128

D

～

-1

D五.计算机中的二进制编码㈠.BCD码（Binary

Coded

Decimal）：利用四位二进制数表示1位十进制数，常用的是8421码。

0－0000,

1－0001,……

9－1001例：85－10000101B；85H*单从10000101B这个代码并不能识别究竟代表十进制数85还是十六进制的85H，但程序编制者根据数据的来源可以识别,并按相应的运算规则进行处理。㈡.ASCII码（American

Standard

Coded

forInformation

Interchange）共128个字符编码，用7位二进制数表示，习惯上用8位二进制数（一个字节）表示，最高位空闲，可用做奇偶校验位。常用的ASCII码：➢➢➢➢➢➢数字0－9：30H－39H大写字母A－Z

：41H－5AH小写字母a－z：61H－7AH空格（SP）：20H回车（CR）0DH删除（DEL）：7FHASCII码表§3

微计算机组成及工作原理一.微计算机软硬件系统组成㈠．硬件（hardware）⑴．微机主机：微处理器（MPU、CPU）：运算器（ALU）、控制器（CU）存贮器：只读存贮器（ROM）、随机存贮器（RAM）输入输出接口电路（I／O接口）：并行I／O、串行I／O⑵．外部设备（I／O设备）：输入设备：键盘、鼠标、扫描仪输出设备：CRT显示器、LCD显示器、打印机、绘图仪外存贮器：硬盘驱动器、软盘驱动器、USB存贮卡（U盘）光盘驱动器（CD－ROM）㈡．软件（Software）系统软件：监控程序（BIOS）、操作系统（windows、MSDOS、UNIX）

应用软件：语言处理程序（VB、VC、）、数据

库管理程序、文字处理程序、CAD程序、图像处理、游戏、工具软件、各种用户自编软件。二.微计算机的结构图1－1微机基本结构框图㈠．基本结构框图典型的微机结构如图1－1所示，由以下几部分组成：微处理器

（MPU，含运算机、控制器）；存贮器

（含RAM、ROM）；I／O接口（接口适配器）；I／O设备（外设）由MPU引出三组总线，RAM、ROM、I／O接口通过总线与CPU相连而I／O设备通过I／O接口连到总线上。总线（BUS）：信息传送的公共通道。按功能分为三类。⑴.地址总线（AB）：单向总线，传送MPU发出的地址信息。（8位字长的MPU一般

AB为16条）⑵.数据总线（DB）：双向总线，传送数据信息和指令码。（一般与MPU字长相同，8位MPU一般DB为8条）⑶.控制总线（CB）：双向总线，传送各种控制信号，如读／写信号、中断请求、中断响应等。*

由于采用总线结构，存贮器、I／O接口均“挂”在总线上，数量可多可少，配置灵活。㈡．微处理器（模型机）MPU图1－2微处理器结构运算器：①．累加器A （Accumulator)：8位触发器，具有数据输入／输出及移位功能，存放一个操作数并保存运算结果。②．算术逻辑单元（ALU）：进行算术逻辑运算。由加法器、移位电路、判断电路组成。数据输入：累加器A；数据寄存器（DR）数据输出：累加器A；进位寄存器（标志寄存器F、程序状态字PSW）控制器（CU）：由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器、操作控制器组成，发布各种控制命令。① 控制从内存中取出指令。（取指）② 对取出的指令译码，产生相应的操作信号。③ 控制数据流向。㈢．MPU中主要寄存器⑴．累加器A⑵．数据寄存器（DR）：暂存由数据总线输入（读）或输出（写）的数据。⑶．指令寄存器（IR）和指令译码器（ID）：IR保存当前正执行的指令（操作码）；ID则对指令的操作码进行译码，向操作控制器发出相应的操作信号。⑷ 程序计数器（PC）：保存“下一条要执行的”指令地址。每取完一条指令后，PC自动加1，当程序需要“跳转”时，新的指令地址值送入PC。⑸．地址寄存器（AR）：与地址总线相连，保存MPU将要“访问”（读或写）的存贮单元或I／O接口地址。（四）存贮器与I／O接口⑴．存贮器存贮器分内存贮器与外存贮器两类，内存直接与三总线相连，其内容可直接被MPU访问；外存通过I／O接口与三总线相连，其内容一般先传入内存，然后被

MPU访问。这里主要介绍内存。①．存贮体：由一系列存贮单元组成，每单元存放一个数据（单元内容），各单元的编号称为地址。②．地址译码器：对地址总线上的地址信号进行译码，以“选中”相应的存贮单元。③．控制部分：产生读写等控制信号。基本操作“读”操作：选中单元的内容→MPU“写”操作：MPU→选中的存贮单元。图1－3 存贮器结构主要引线：地址线：与地址总线相连，2

n个单元，需要n根地址线。数据线：与数据总线相连，n位的存贮单元具有n根数据线（一般与数据总线位数相同）控制线：“读”、“写”、（仅RAM具有）、“芯片选择”等。*内存分

RAM、ROM两类，从框图上基本相同，但制作工艺不同。RAM：保存随机数据、当前使用的程序。（断电后内容丢失）ROM：保存固定的程序、数据。⑵．I／O接口：MPU与外部设备连接的桥梁。每个I／O接口有一个固定的地址。三．微机的工作过程指令：控制计算机进行某种操作的命令。(一般由操作码、操作数两部分组成)指令系统：MPU所能识别并执行的全部指令集合。（由MPU型号确定）程序：为实现某项任务而编制的指令序列。以下以一个“模型机”为例，说明微机的工作过程。指令系统：见表1－1例：LDA

23第一字节：10010110第二字节：00010111操作码操作数地址(注意23=17H)㈠．一条指令的执行过程·

指令的执行分“取指”和“执行”两个阶段。图1－4一条典型指令的执行过程㈡．一个程序的运行过程：编好的程序预先“加载”到内存中，在微处理器控制下，逐条执行。例：实现运算。7＋10＝