第一章-微型计算机基础

第1章微型计算机基础

1.1微型计算机概述1.2微型计算机基础知识1.3单片微型计算机概述1.1微型计算机概述1.1.1基本概念1.1.2计算机基本构成1.1.3微型计算机基本构成1.1.4微型计算机的基本工作原理1.1.1基本概念1．微处理器微处理器也可称为中央处理器CPU，它主要由控制器和运算器组成。将控制器和运算器集成在同一块芯片上，这种具有中央处理器功能的大规模集成电路器件，被统称为“微处理器”。2．微型计算机微型计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。3．单片机把微型计算机集成在一个芯片上即构成单片微型计算机，简称单片机。4．单板机单板机是将CPU、存储器、I/O接口、中断系统等集中在同一块电路板上。5．微型计算机系统由微型计算机配以相应的外围设备及其他专用电路、电源、面板、机架以及足够的软件构成的系统叫做微型计算机系统。6．微型计算机开发系统微型计算机开发系统是一种具有专门用途的微型计算机系统，用来开发单片机应用系统，是单片机系统开发调试的工具。7．半导体存储器半导体存储器是一种以半导体电路作为存储媒体的存储器，按其功能分可分为只读存储器（ROM）和随机存储器(RAM)1.1.2计算机基本构成1．硬件系统典型的计算机硬件有五大部分组成，即控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备。图1-1

计算机硬件结构框图

（1）运算器 运算器是对信息进行处理和运算的部件。经常进行的运算是算术运算和逻辑运算。核心是加法器。还有若干个通用寄存器或累加寄存器，用来暂存操作数和运算结果。（2）控制器控制器是整个计算机的指挥中心，它的主要功能是按照指令预先确定的操作步骤，控制整个计算机的各部件有条不紊地自动工作。（3）存储器存储器是用来存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，也是计算机能够实现“存储程序控制”的基础。（4）输入设备输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去，并且将它们转换成计算机内部所能识别和接收的信息方式。按输入信息的形态可分为字符输入、图形输入、图像输入及语音输入等。（5）输出设备输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机。目前最常用的输出设备是打印机、显示器等。

2．软件系统计算机软件一般分为系统软件和应用软件两类。系统软件如操作系统、诊断程序、编译程序、语言处理程序、数据库管理程序等。它与具体的应用领域无关。应用软件是面向用户应用的功能软件，专门解决某个应用领域中的具体任务。图1-2计算机软件系统

1.1.3微型计算机基本构成微型计算机的结构特点是含有CPU，且采用总线结构。所谓总线是指连接多个部件的公共信息通路。按照在总线上传送信息的内容，可分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。

图1-3微型计算机的典型结构

1.1.4微型计算机的基本工作原理

微型计算机是通过按顺序执行存储器中的程序而工作的，下面结合一个例子说明微机的工作过程：

MOVAL，08H；把数据08H送人累加器AL中

ADDAL，12H；把AL中的内容与12H相加结果送人累加器中

HLT；暂停

上述指令用二进制代码表示，3条指令共5个字节存放在存储器00H—04H5个单元中。

图1-4指令在存储器中存放示意图

微机的工作过程包括取指令阶段和执行阶段。图1-5微机工作过程示意图1.2微型计算机基础知识

1.2.1数制及其转换1.2.2二进制算术与逻辑运算1.2.3微型计算机码制与编码

1.2.1数制及其转换

数制是一种科学的计数方法，是用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法。数码：数制中表示基本数值大小的不同数字符号。例如，十进制有10个数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9；二进制有0和1两个数码。基数：数制所使用数码的个数。例如，二进制的基数为2；十进制的基数为10。位权：数制中某一位上的1所表示数值的大小。例如，十进制的123，1的位权是100，2的位权是10，3的位权是1。1．十进制（Decimal）十进制数据是用0~9十个数码来表示的数。它的基数为10，进位规则是“逢10进1”，借位规则是“借1当10”，其位权是以10为底的幂。

例如，十进制数2004.98可以表示为：2．二进制（Binary）二进制数据是用0和1两个数码来表示的数。它的基数为2，进位规则是“逢2进1”，借位规则是“借一当二”，其位权是以2为底的幂。

例如，二进制数11010.11可以表示为：3．十六进制（Hexadecimal）采用0、1、2、…9、A、B、C、D、E、F16个数码，它的基数为16，进位规则是“逢16进1”，借位规则是“借1当16”，其位权是以16为底的幂。例如，十六进制数2EB5.C9可以表示为：

4．二进制数和十进制数间的转换（1）二进制数转换成十进制数二进制数转换成十进制数只要把欲转换数按权展开后相加即可，也可以从小数点开始每4位一组按十六进制的权展开并相加。例如，将二进制数11010.11转换成十进制数：（2）十进制数转换成二进制数①十进制整数转换成二进制整数十进制整数转换成二进制整数的方法有好多种，但最常用的是“除2取余数法”。“除2取余数法”的法则是用2连续去除要转换的十进制数，直到商小于2为止，然后把各次余数按最后得到的为最高位，最早得到的为最低位，依次排列起来所得到的数便是所求的二进制数。

例如，将十进制数45转换为二进制数：把所得余数按箭头方向从高到低排列起来便可得到最后结果45=101101B

（2）十进制数转换成二进制数②十进制小数转换成二进制小数十进制小数转换成二进制小数通常采用“乘2取整法”。“乘2取整法”法则是用2连续去乘要转换的十进制小数，直到所得积的小数部分为0或者满足所需精度为止，然后把各次整数按最先得到的为最高位，最后得到的为最低位，依次排列起来所对应的数便是所求的二进制小数。

例如，将十进制数0.3125转换成二进制小数：

把所得整数按箭头方向从高位到低位排列后得到最后结果:0.3125D=0.0101B5．十六进制数和十进制数间的转换（1）十六进制数转换成十进制数十六进制数转换成十进制数和二进制转换成十进制的方法类似，即把欲转换的十六进制数按权展开后相加即可。例如：将十六进制数3FEAH转换成十进制数（2）十进制数转换成十六进制数①十进制整数转换成十六进制整数十进制整数转换成十六进制整数可以采取“除16取余数法”，“除16取余数法”法则是用16连续去除要转换的十进制数，直到商小于16为止，然后把各次余数按最后得到的为最高位，最早得到的为最低位，依次排列起来所得到的数便是所求的十六进制数。

例如，将十进制数3915转换为十六进制数：把所得余数按箭头方向从高到低排列起来便可得到最后结果：3901=F3DH

②十进制小数转换成十六进制小数十进制小数转换成二进制小数，通常采用“乘16取整法”。“乘16取整法”法则是用16连续去乘要转换的十进制小数，直到所得积的小数部分为0或者满足所需精度为止，然后把各次整数按最先得到的为最高位，最后得到的为最低位，依次排列起来所对应的数便是所求的十六进制小数。

例如，将十进制数0.76171875转换成十六进制小数：把所得整数按箭头方向从高位到低位排列后得到最后结果：0.76171875D=0.C3H6．二进制数和十六进制数的转换（1）二进制转换成十六进制数二进制转换成十六进制数采取“四位合一位法”，是从二进制数的小数点开始，或左或右每4位为一组，不足4位以0补足之，然后分别把每组用十六进制数码表示，并按序相连。例如，将二进制数10110001101011.1111001B转换为十六进制数：

所以，10110001101011.1111001B=2C6B.F2H。（2）十六进制数转换成二进制数十六进制数的每位用4位二进制数码表示，然后把它们连成一体。例如把十六进制数3AC.4B5转换为一个二进制数：所以，3AC.4B5H=11101011000100.10110101B1.2.2二进制算术与逻辑运算1．二进制的算术运算（1）加法运算

0+0=00+1=11+0=11+1=0（向邻近高位有进位） 例如，设两个8位二进制数X=10110110B，Y=11011001B，试求出X+Y的值。 所以，X+Y=10110110B+11011001B=110001111B（2）减法运算

0−0=00−1=11−0=11−1=0

例如，设两个8位二进制数X=10010111B，Y=11011001B，试求X-Y的值。由于Y>X，故有X-Y=-(Y-X)，相应竖式为： 所以，X-Y=-01000010B=-66（3）乘法运算

0×0=01×0=00×1=01×1=1

用乘数的每一位分别去乘被乘数，所得的结果的最低位与相应乘数位对齐，最后把所有的结果加起来，便得到积，这些中间结果又称为部分积。

例如：设两个4位二进制数X=1101B和Y=1011B,试用手工算法求出X×Y之值。 所以，X×Y=1101B×1011B=10001111B（4）除法运算 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并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并进行余数减除数。这样反复进行，直到全部被除数的各位都下移到余数位置上为止。

例如：设X=10101011B，Y=110B，试求X÷Y之值。 所以，X÷Y=10101011B÷110B=11100B…余11B。2．逻辑运算（1）逻辑与（And） 逻辑与又称逻辑乘，常用∧算符表示。逻辑与运算规则为：0∧0=00∧1=01∧0=01∧1=1

例如：已知X=10111001,Y=11110000,求X∧Y的值。

所以，X∧Y=10110000B。（2）逻辑或（Or） 逻辑或又称逻辑加，常用∨算符表示。逻辑或运算规则为：

0∨0=00∨1=11∨0=11∨1=1

例如：已知X=10111001,Y=00001111,求X∨Y的值。

（3）逻辑非（Negate）逻辑非又称逻辑取反，常用“￣”运算符表示。运算规则为： 例如，已知X=10110011B，求它的逻辑非值： 因为X=10110011B，所以=01001100B（4）逻辑异或（Exclusive−Or

） 逻辑异或又称为半加，是不考虑进位的加法，常用⊕运算符表示，逻辑异或的运算规则为：0⊕0=00⊕1=11⊕0=11⊕1=0

例如，X=10110001B，Y=11001010B，求X⊕Y的值：

X⊕Y=10110001B⊕11001010B=01111011B。1.2.3微型计算机码制与编码1．微型计算机码制 在微型计算机中，通常规定一个数的最高位为符号位。对符号位规定“0”表示“正”，“1”表示“负”。对带符号数主要有3种表示方法：原码、反码和补码。（1）原码 一个二进制数，最高位表示数的符号，其它位表示数的真值，这样的二进制数表示法叫原码表示法。符号位规定用0表示正数，用1表示负数。例如：

X＝108则[X]原＝0110I100BX＝−108则[X]原＝1110I100B

（2）反码 用反码表示带符号数规定：正数的反码与原码相同，负数的反码则为符号位不变其余各位按位取反。

[+8]原=00001000B[+8]反=00001000B [−8]原=10001000B[−8]反=11110111B（3）补码 由原码求补码的原则是：正数的补码与原码相同；负数则除符号位外，其余各位求反，再在末位加1。 求十进制数−123补码：首先将十进制数转换为二进制数原码。（−123）10=（11111011）原，从而求得(−123)10的补码为(10000101)补

补码的加减运算： 补码的加法规则是：[X+Y]补=[X]补+[Y]补 补码的减法规则是：[X−Y]补=[X]补+[−Y]补2．计算机编码 在计算机中不仅用二进制存储数，而且文字符号、图形图象、声音动画等一切信息都是用二进制存储的，这些信息的存储方式统称为计算机编码。下面介绍几种简单的编码形式。（1）BCD码

BCD码是用二进制数码来表示十进制数码，其定义是用4位二进制数中的数码来表示1位十进制数中的数码，简称BCD码（Binary−CodedDecimal‎）或二−十进制代码。

①BCD加法运算

BCD加法是指两个BCD数按“逢十进一”原则进行相加，其和也是一个BCD数。 计算机在进行BCD加法时，必须对二进制加法的结果进行修正。 修正原则是：若和的低4位大于9或低4位向高4位产生了进位，则低4位加6进行修正；若和的高4位大于9或高4位的最高位产生了进位，则高4位加6进行修正。

例如，已知X=48,Y=69，试分析BCD的加法过程。②BCD减法运算

BCD减法也要修正，对运算结果进行修正原则是：若低4位大于9或低4位向高4位产生了借位，则低4位减6进行修正；若高4位大于9或高4位的最高位产生了借位，则高4位减6进行修正。 例如，已知X=51，Y=28，试分析BCD减法的原理。

（2）ASCII码

ASCII码（AmeicanStandardCodeforInformationInterchange，美国信息交换标准代码）诞生于1963年，是一种比较完整的字符编码，现已成为国际通用的标准编码，被广泛应用于微型计算机信息处理。 基本的ASCII字符集共有128个字符，其中有96个可打印字符，包括常用的字母、数字、标点符号等，另外还有32个控制字符。（3）汉字的编码 汉字的编码方法通常分为两类：一类称为汉字输入法编码；另一种是计算机内部对汉字处理时所用的二进制编码，通常称为机内码，如电报码、国标码和区位码等。①国标码（GB2312） 国标码采用14位二进制数来给7445个图形字符编码。国标码是采用4位十六进制数来表示一个汉字的。例如“啊”的国标码位3021H（30H为第一字节，21H为第二字节），“厂”的国标码为3327H（33H为第一字节，27H为第二字节）。

②区位码 国标码用4位十六进制数来表示一个汉字，区位码使用4位十进制数来表示一个汉字，其中两位用来表示区号，两位表示位号。整个字符集分成94个区，每区有94个位。 例如“啊”的区位码为1601（十进制），16是区号，01是位号；“厂”的区位码为1907（十进制），19是区号，07是位号。把换算成十六进制的区位码加上2020H，就得到国标码。

1.3单片微型计算机概述

1.3.1单片机的结构特点1.3.2单片机的主要产品系列1.3.3单片机应用1.3.4单片机应用系统开发1.3单片机概述 单片微型计算机（SingleChipComputer），简称单片机，国际上统称为微控制器MCU（MicrocontrollerUnit），是一类内部集成了计算机核心技术的智能芯片。从结构上看，单片机就是把中央处理器CPU（CentralProcessingUnit）、存储器（Memory）、定时器、输入输出接口（I/O，Input/Output）等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上，从而形成一部完整的微型计算机。

1.3.1单片机的结构特点单片机的典型结构框图

图1-6单片机结构框图单片机的结构性能特点：（1）优异的性能价格比。（2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。（3）控制功能强。（4）单片机的系统扩展、系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。1.3.2单片机的主要产品系列1．MCS-51系列

MCS-51系列单片机是Intel公司于1980年推出的产品，现已成为世界上8位单片机的工业标准，并得到了极其广泛的应用。按其内部资源配置供应状态的不同，MCS-51可分为两个子系列和四种类型表1-1MCS-51系列单片机分类表资源配置

2．其他MCS－51系列兼容单片机

ATMEL拥有广泛的基于80C51结构的微控制器，包括可在线编程的FLASH版本，OTP版本以及ROM版本。在众多的51系列单片机中，ATMEL公司的AT89C51、AT89S51更实用。

Philips（飞利浦）公司有许多8051的变型芯片，如8XC552系列，在80C51的基础上增加了一个16位的定时／计数器，和一个8路输入的10位A／D转换