第一章单片微型计算机概述及预备知识

单片机原理及应用第一章单片微型计算机概述及预备知识

1.1单片机的发展历史和发展趋势

1.2计算机的数制和码制及其数制间转换

1.3计算机中数的表示方法

1.4计算机的二进制数运算

1.5常用的单片机产品

1.6单片机的应用与选择二工大电子计算机是一种能够高速而精确地进行数据处理的机器。计算机的发展分为四个时代：第一代计算机是电子管时代

1946年美国宾夕法尼亚大学发明的ENIAC，用了18800只电子管，150平方米、30t、100kw、运算速度为5000次/秒。第二代计算机是晶体管时代

1957年美国研制了第一台晶体管计算机TRANSACS-1000；主存贮器为磁芯存贮器，辅存贮器为磁盘、软件已开始使用高级程序设计语言和操作系统。一、计算机的发展概况第一章单片微型计算机概述及预备知识二工大第四代计算机是大规模、超大规模集成电路时代

1971年IBM370

主要存贮器为半导体存贮器第三代计算机是中、小规模集成电路时代

1964年IBM推出的IBM360第一章单片微型计算机概述及预备知识二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识电子计算机是模仿人脑部分功能的一种工具，故俗称“电脑”。设想一下：人用算盘来计算2436+3748-4569

的过程，把算盘记为R，则计算过程为：二、计算机的系统组成5、记录（R）结果6、停止计算1、0R2、2436R4、(R）-4569R3、(R)+3748R二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识若用电子计算机模拟上述解题过程，计算机必须具备以下条件：1、机器内必须有相当于算盘的运算器；2、为了保存和记录原始数据、解题程序和运算的中间结果，机器内必须有容量足够大的存贮器；3、必须按照解题程序指挥、控制各个部件协同工作的控制器；4、必须具备将数据和程序送入机器内部的输入设备和给出计算结果的输出设备。二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识运算器、控制器、存贮器、输入/输出设备是计算机赖以工作的物质基础，称为硬件。当然只有硬件，而没有必要的程序，则计算机什么也干不了的，计算机中的程序称为软件。指令——执行某种操作的命令。程序——完成某种功能的一组指令。程序设计——编制解题程序的过程。二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识1.1单片机的发展历史和发展趋势一、单片机的发展历史第一阶段（1974~1976）：单片机采用双片形式，即需另加其它外围电路才能构成完整的微型计算机。eg:仙童公司的F8+3851第二阶段（1976~1978）：低性能的单片机阶段。单片机由一片芯片构成，性能低。eg:MCS-48(Intel)；8048，8035(I/O少，存贮器容量小)；二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识第三阶段（1978~）：高性能单片机阶段。CPU、并行口、串行口、定时器、RAM、ROM、A/D、多级中断处理，RAM、ROM容量大，I/O种类数量多，寻址范围大。

eg:MCS-51—8031、Motorona—6801、Zilog—Z8第四阶段（1982~）

8位单片机巩固发展及16位单片机推出。

eg:MCS-51—8031，MCS-96—8096（8098）二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识二、单片机的发展趋势（一）CPU功能的增强（二）内部资源增多

1、加大存贮容量。1、双CPU提高处理能力。2、增加数据总线宽度。

NEC

PD—7800系列，内部采用16位数据总线。3、采用流水线结构。指令以队列形式出现在CPU中。4、串行总线。SPI、I2C

用三条数据总线代替8位数据总线，减少引线，降低成本。二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识2、片内EPROM开始EEPROM化。鉴于EEPROM中数据写入后就能永久保存，因此，有的单片机将它作为片内RAM使用，有的甚至作片内通用寄存器。3、I/O数量、能力增强（驱动能力，传输速度、控制能力）（四）低功耗化（三）外围电路内装化二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识1.2计算机的数制和码制及其数制间转换一、计算机的数制

逢r进位，数的第i个数位对应于一个固定的值rn，rn

称为该位的“权”。小数点左面各位的权是一个基数r

的正次幂，小数点右面各位的权是一个基数r的负次幂。常用的数制有：二进制(Binary)、八进制(Octadic)

、十进制(Decimal)和十六进制(Hexadecimal)，分别用B、O、D和H表示。举例说明eg1：十进制数r=10其权为：···，102，101，100，10

1，10

2，···(987.32)10=9×102+8×101+7×100+

3×10-1+2×10-2二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识eg2：二进制数r=2其权为：···，22，21，20，2-1，2-2，···(1011.101)2=1×23+0×22+1×21+

1×20+

1×

2

1+0×2

2+

1×

2

3eg3：八进制数r=8其权为：···，82，81，80，8-1，8-2，···(70613.304)8=7×84+0×83+6×82+

1×81+

3×80+3×

8

1+0×8

2+

4×

8

3eg4：十六进制数r=16其权为：···，162，161，160，16-1，16-2，···(-A0.8F)16

=-（10×161+0×160+8×16

1+15×16

2二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识二、计算机的码制BCD（BinaryCodedDecimal）码为用二进制表示的十进制数。

常用二进制编码的十进制数有：

8421码、2421码、5211码、余3码eg：7（0111、1101），（1100、1011）

ASCII码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange），即美国信息交换标准码。ASCII码为一种8位代码，但采用7位代码编码（一般其最高位为0），共可编码为128个字符编码。表示的十进制数不唯一常用二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识三、各数制间的转换

1、直接相乘法数M是r

进制数，转换成十进制数，方法是：将M

的各位数字用十进制数字来表示，然后作乘法和加法。好麻烦！二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识2、余数法此方法适合于整数部分转换。数M

是r

进制数，转换成t进制数的整数，除以t

,取余数。eg：十进制数62转换为二进制数同理：(62)10=(76)8862···6 7(62)10=(3E)161662···E 32622312152723210011111低位高位∴

(62)10=(111110)2二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识3、取整法此方法适合于小数部分转换。数M

是r

进制数，转换成t进制数的小数，乘以t,取整数。eg：十进制数0.375转换为二进制数同理：

（0.375）10=（0.3）8=0.（3×8-1）

0.375×8=3.000······整数为3（0.375）10=（0.6）16=0.（6×16-1）

0.375×16=6.000······整数为60.375×2=0.75······整数为0高位

0.75×2=1.5······整数为10.5×2=1.0······整数为1低位∴（0.375）10=（0.011）2

=0.（0×2-1+1×2-2+1×2-3）二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识eg：676.53转换为十六进制数0.53×16=8.48······整数为80.48×16=7.68······整数为70.68×16=10.88······整数为A166761642······4162······A0······2∴

（676.49）10=（2A4.87A）164、二进制与十六进制间的转换1110101.10100111(75.A7)16

(5A.3C)1601011010.00111100二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识1.3计算机中数的表示方法一、真值和机器数一个数是由符号和数值两部分组成的。

eg:+74=+100101001001010

-74=-100101011001010

真值机器数机器本身只能表示0，1，不能表示+、-，故一般用“0”表示“+”，用“1”表示“-”。真值：

直接用正号“+”和负号“-”来表示的二进制数。机器数：一个数在机器中的表示形式。

二、带符号数的表示Dn-1Dn-2...D0

符号位数值部分二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识eg:

11001010=-(26+23+21)=-74

机器数最高位为符号位，用“0”表示“+”，用“1”表示“-”。其余的（n-1）位为数值部分。三、无符号数的表示无符号数没有符号位，机器的全部有效位都用来表示数的大小。Dn-1···Dn-2D0（11001010）2=（202）10例如：D7D6···D010011001二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识定点数：小数点固定。浮点数：小数点不固定（位置不固定）随阶码浮动。四、数的定点和浮点表示1、定点表示法符号.数值部分或符号数值部分.小数点固定在数值部分的最高位之前或最低位之后。

eg:1.101011或1101011.2、浮点表示法阶符阶码数符尾数决定小数点位置二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识N=

S*2

PS——二进制小数，称 “尾数”，S≥0P——称为数N的阶码,为非负正数2——阶码“底”尾数符阶码数符五、原码、补码、反码原码、补码、反码都是带符号数在机器中的表示方法1、原码原码——把真值的符号部分用0或1表示。

N1=+1001010[N]原=

01001010

N2=-1001010[N]原=

11001010二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识2、补码模数——一个计量器的容量。eg：一个n位二进制数它的容量为2n,所以它的模数为2n。同余——如果两个整数a、b,当用某一个正整数M（模）去除所得余数相等时，则称a和b对模M是同余的。eg：16=4（mod12)即：16和4对12是同余，即16点钟和4点钟在以12为模的钟面上，其指示是一样的。若 x=

+

xn-2

xn-3···x1x0则： [x]补=2n+x=

0xn-2

xn-3···x1x0二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识若 x=

-

xn-2

xn-3···x1x0则：[x]补

=1xn-2

xn-3···x1x0+1

按位取反加1[x]补=x

0

x

2n-12n+x -2n-1

x

0 （mod2n）①当x为正数时，补码与原码相同。②当x为负数时，2n+x=2n

|x|性质：

[x+y]补=[x]补

+[y]补

[x-y]补=[x]补

-[y]补

当x为纯小数时，x=

x-1x-2···x-n-1二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识3、反码用0代替符号位符号位为1，其它位按位取反[x]反=0xn-2

xn-3···x1x0 0

x

2n-11xn-2

xn-3···x1x0 -2n-1

x

0

1.4计算机的二进制数运算一、算术运算

1、加法运算二进制加法法则为：0+0=0；1+0=0+1=1；1+1=10； （向邻近高位有进位）1+1+1=11； （向邻近高位有进位）二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识例：两个二进制数X=10110110B，Y=11011001B，试求X+Y。解：X+Y可写成如下竖式：

X10110110BY11011001BX+Y110001111B被加数

加数和∴

X+Y=10110110B+11011001B=110001111B两个二进制数相加时要注意低位的进位，两个8位二进位数的和最大不会超过9位。

二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识二进制减法法则为：0

0=0；1

1=0；1

0=1；0

1=1 ； （向邻近高位借1当作2）例：两个二进制数X=10010111B，Y=11011001B，试求X

Y。解：由于Y>X，故有X

Y=

（Y

X），相应竖式为：

被减数

Y 11011001B

减数

X 10010111B

差数

Y

X 01000010B∴

X

Y=

01000010B2、减法运算二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识∴X·Y=1101B×1011B=10001111B3、乘法运算二进制加法法则为：1×0=0×1=0；1×1=1；例：两个4位二进制数X=1101B和Y=1011B，试用手工算法求出X×Y之值。

被乘数

1101B

乘数

× 1011B

110111010000+1101

乘积

10001111B

二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识除法是乘法的逆运算。与十进制类似，二进制除法也是从被除数最高位开始，查找出够减除数的位数，并在其最高位处上商1和完成它对除数的减法运算，然后把被除数的下一位移到余数位置上。若余数不够减除数，则上商0，并把被除数的再下一位移到余数位置上。若余数够减除数，则上商1，余数减除数。4、除法运算例：设X=10101011B，Y=110B，试求X÷Y之值。解：X÷Y的竖式是：∴

X÷Y=10101011B÷110B=11100B·········余11B二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识

逻辑乘又称逻辑与，常用“∧”运算符表示，逻辑乘运算法则为：

0∧0=0；1∧0=0∧1=0；1∧1=1

两个二进制数进行逻辑乘，其运算方法类似于二进制算术运算。二、逻辑运算1、逻辑乘运算∴ X∧Y=01100000B解：X∧Y的运算竖式为：

01100110B∧11110000B01100000B例：已知X=01100110B，Y=11110000B，试求X∧Y的值。二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识2、逻辑加运算

逻辑加又称逻辑或，常用算符“∨”表示，逻辑加的运算规则为：0∨0=0；1∨0=0∨1=1；1∨1=1例：已知X=01100110B，Y=11110000B，试求X∨Y的值。解：X∨Y的运算竖式为：

01100110B∨11110000B11110110B

∴ X∨Y=11110110B二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识3、逻辑非运算4、逻辑异或运算逻辑异或又称为半加，是不考虑进位的加法，常采用“

”算符表示。逻辑异或的运算规则为：

0

0=1

1=0；1

0=0

1=1例：已知X=10110110B，Y=11110000B，试求X

Y的值。解：X

Y的运算竖式为：10110110B

11110000B01000110B∴X

Y=10110110B

11110000B=01000110B逻辑非运算又称逻辑取反。运算规则为：0=1；1=0例：已知X=11000011B，试求X的值。解：∵X=11000011B，∴X=00111100B二工大第一章单片微型计算机概述及预备知识1.5常用的单片机产品目前生产单片机的厂商主要有Intel公司、Motorola公司、Philips公司、ATMEL公司、WinBond公司、Microchip公司、AMD公司、Zilog公司等，产品型号规格众多，性能各具特色。型号ROM/EPROMRAM时钟速度(MHz)I/O线定时器/计数器串行口中断源