单片机原理及接口技术

单片机原理及接口技术

第1章单片机基础知识

教学目标

1・1单片机概述

1.2数的表示方法及数制间的转换

1.3二进制的运算

L4微机的码制与编码

本章小结

思考题与习题

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单片机原理及接口技术

•■■■•■■■■■■■11\

教学目标

通过本章教学，要求学生达到以下目标：

1.一般性的了解从微机一单片机—AT89c51的

发展概况，单片机技术未来发展趋势以及单

片机广泛应用的领域。

2.建立二进制和十六进制的概念。学会二进制、

十进制和十六进制数相互转换的方法，熟记

0〜16之间二进制、十进制和十六进制数的对

.应关系及相互转换。

♦回目录上一页下一页结束“Back4

单片机原理及接口技术山

3.熟悉二进制和十六进制数的算术运算及逻辑运

算方法。

4.了解二进制数原码、反码和补码的表示方法。

5.了解BCD码的编码方法、转换关系和加减法运

算时出错修正的原因、条件和方法。

6.了解ASCII码和查表换算方法。

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单片机原理及接口技术Il\

1.1单片机概述

1.1.1电子计算机的问世及其经典结构

1946年2月15日，

第一台电子数字

计算机问世，标

志着计算机时代

的到来。

ENIAC

开创了计算机科学技术新纪元，对人类

生产和生活方式产生了巨大的影响

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单片机原理及接口技术

冯•诺依曼提出“程序存储”和“二进制

运算”的思想，构建了计算机经典结构，如

图所示。

图1.1计算机经典结构示意图

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1.1.2计算机经历的五个时代

(1)电子管计算机

(2)晶体管计算机

(3)集成电路计算机

(4)大规模集成电路计算机

(5)超大规模集成电路计算机

结构仍然没有突破冯•诺依曼提出的

计算机的经典结构框架

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o单片机原理及接口技术

■■■■♦■■■■O■■■■■■■•■■■■■■■

1.1.3微机的组成及其应用形态

1•微机的组成

1971年1月，INTEL公

司的特德•霍夫在与日本

商业通讯公司合作研制台

式计算器时，将原始方案

的十几个芯片压缩成三个

集成电路芯片。其中的两

个芯片分别用于存储程序

和数据，另一芯片集成了

运算器和控制器及一些寄图1.24004微处理器

w廿存器，称为微处理器（即

号*Intel4004）。

____C回目录上一页下一页结束“Back4

单片机原理及接口技术

微处理器、存储器加上I/O接口电路组成

微型计算机。如图L3

微

处

理

器

图1.3微型计算机的组成框图

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单片机原理及接口技术111

♦■

2.微型计算机的应用形态

可以分为以下3种：

⑴多板机(系统机)

工业PC机也属于多板机。

(2)单板机।a

(3)单片机：集成了CPU、图1・4单板机

存储器、I/O接口电路的单芯片微型计算机。

1

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单片机原理及接口技术

»■■■■■——■■—4Il\

3.三种应用形态的比较

匚ZI

匚ZJ

匚ZI

匚□

匚□

匚□

□匚Z1

匚□

匚Z1

CZ]

a）系统机（多板机）b）单板机C）单片机

图1.5微机的三种应用形态

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o单片机原理及接口技术

■■■■♦■■■♦■■——4*■■♦■♦

1）系统机（桌面应用）属于通用计算机，主要用

于数据处理、办公自动化及辅助设计。

2）单片机（嵌入式应用）属于专用计算机，主要

用于智能仪表及传感器、智能家电、智能办公设

备、汽车及军事电子设备等系统。

单片机体积小、价格低、可靠性高，其非凡

的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有

独特的优势。

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1.1.4单片机的发展状况

1.单片机的发展过程

(1)单芯片微机形成阶段

1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片

机。8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O

线和1个8位定时/计数器。

特点：存储器容量小，寻址范围小(不

大于4K),无串行接口，指令系统

*功能不强。

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(2)性能完善提高阶段

1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片

机：8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4

个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计

数器。寻址范围64K,并有控制功能较强的布尔

处理器。

特点：结构体系完善，性能已大大提高，

面向控制的特点进一步突出。现在MCS-51已成

为公认的单片机经典机种。

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(3)微控制器化阶段

1982年，Intel推出MCS-96系列单片机。芯

片内集成：16位CPU、8K字节ROM、232字节

RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16

位定时/计数器。寻址范围64K。片上还有8路10

位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。

特点：片内面向测控系统电路增强，使之可

以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。

・“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。

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2.单片机产品近况

51系列产品繁多，已推出的主要产品有:

ATMEL公司融入Flash存储器技术的AT89系列

Philips公司的80c51、80C552系歹J

华邦公司的W78c51、W77c51高速低价系列

ADI公司的ADjiC8xx高精度ADC系列

LG公司的GMS90/97低压高速系列

Maxim公司的DS89c420高速(50MIPS)系歹4

Cygnal公司的C8051F系列高速SOC单片机

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非51结构单片机新品不断推出，给用户提

供了更为广泛的选择空间，近年来推出的非51

系列的主要产品有：

Intel的MCS-96系列16位单片机

Microchip的PIC系列RISC单片机

TI的MSP430F系列16位低功耗单片机。

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单片机原理及接口技术/J.1

1.1.5单片机的特点及应用领域

1.单片机的特点

(1)控制性能好、可靠性高

可对I/O端口直接操作，位操作能力更是其它

计算机无法比拟的。由于CPU、存储器及I/O接口

集成在同一芯片内，数据在传送时受干扰的影响

较小，且不易受环境条件的影响。

(2)体积小、价格低、易于产品化

,应用系统的印制板减小、接插件减少、安装

简单方便。

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单片机原理及接口技术

2.单片机的应用领域

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找

到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机

上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工

业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种

智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄

像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物

等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的

机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、

开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学

家、工程师。

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、

航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，

，大致可分如下几个范畴：

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2.单片机的应用领域

⑴智能仪器仪表

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、

扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用

于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现

诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速

度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物

理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字

化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数

字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计,

示波器，各种分析仪）。

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单片机原理及接口技术m

2.单片机的应用领域

(2)工业控制

用单片机可以构成形式多样的控制系统、数

据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电

梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构

成二级控制系统等。

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单片机原理及接口技术/JJ

2.单片机的应用领域

(3)家用电器

现在的家用电器基本上都采用了单片机控制,

从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其

他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门,

无所不在。一

单片机原理及接口技术

■■■■一

2.单片机的应用领域

（4）计算机网络和通信领域

现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方

便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和

通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在

的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从

手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信

呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处

可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机

等°

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单片机原理及接口技术/JJ

2.单片机的应用领域

(5)医用设备

单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例

如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断

设备及病床呼叫系统等等。

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2.单片机的应用领域

(6)各种大型电器

某些专用单片机设计用于实现特定功能，从

而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用

人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似

简单的功能，微缩在纯电子芯片中，就需要复杂

的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的

形式存于存储器中，由微控制器读出，转化为模

拟音乐电信号(类似于声卡)。

在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小

、’了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也

方便于更换。

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单片机原理及接口技术

2.单片机的应用领域

⑺汽车设备

单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如

汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发

动机智能电子控制器，GPS导航系统，ABS防抱

死系统，制动系统等等。

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____________________________________工：—三—一：一一一-一一--------<Back<

单片机原理及接口技术/11

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1.2数的表示方法及数制间的转换

1.2.1微型计算机中的常用数制

微型计算机中常用的数制有三种，即十进

制数、二进制数和十六进制数。

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O单片机原理及接口技术/11

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1.十进制数

十进制数是我们最熟悉的一种进位计数制，

其主要特点是：

(1)它由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9不

同的基本数码符号构成，基数为10。

(2)进位规则是“逢十进一”，一般在数的

后面加符号D表示十进制数。

所谓基数，在数学中指计数制中所用到的

.数码的个数。

回目录上一页1下一页：《结束“Back4

单片机原理及接口技术

2.二进制数

二进制数是计算机内的基本数制，其主要

特点是：

(1)任何二进制数都只由0和1两个数码组

成，其基数是2。

(2)进借位规则是“逢二进一，借一当二”。

一般在数的后面用符号B表示这个数是二进制数。

二进制数同样可以用赛级数形式展开。

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单片机原理及接口技术

(3)字节：8位二进制数约定为1字节

位号:D7D6D5D4D3D2DIDO

字节:

MSB图1.6字节的定义LSB

一个字节可表示28个值(0-255)

LSB：最低有效位，D0位

MSB：最高有效位，D7位

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单片机原理及接口技术

(4)字：2字节，16位二进制数

一个字有216个值(0-65535)

LSB:最低有效位，D0位

MSB:最高有效位，D15位

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单片机原理及接口技术L

3.十六进制数

在微机软件编程时，十六进制数常用于代码

和数据的缩写，其主要特点是：

(1)十六进制数由16个数符构成：0、1、2.........

9、A、B、C、D、E、F,其中A、B、C、D、E、

F分别代表十进制数的10、11、12、13、14、15,

其基数是16。

(2)进借位规则是“逢十六进一，借一当十六”。

一般在数的后面加一个字母H表示是十六进制数。

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o单片机原理及接口技术

表1.1各种进位制的对应关系

十进制二进制八进制十六进制十进制二进制八进制十六进制

000091001119

111110101012A

2102211101113B

3113312110014C

41004413110115D

51015514111016E

61106615111117F

71117716100002010

81000108

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1.2.2数制间的转换

1.二进制数与十六进制数的转换

(1)二进制数转化成十六进制数

采用四位二进制数合成一位十六进制数的方

法，以小数点开始分成左侧整数部分和右侧小数

部分。

例1.1把10111110100.00U101B转换成十六进制

数。

10111110100.00111010B=5F4.3AH

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单片机原理及接口技术/II

(2)十六进制数转换成二进制数

将十六进制数的每位分别用四位二进制

数码表示，然后把它们连在一起即为对应的

二进刷数。

例1.2把13cA.58H转换成二进制数。

解：

JL爻文里・2受H

coolooiiliooioioowlioooB

13cA.58H=1001111001010.0101IB

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2.二进制数与十进制数间的转换

(1)二进制数转换成十进制数

将二进制数按权展开后相加即得到对应的

十进制数。

例1.3将1001B转换成十进制数。

解：按权相加得：

1001B=1x23+1x2°=8+1=9D=9

其中，十进制数的后缀可省略。

C回目录上一页下一页结束“Back4

单片机原理及接口技术

(2)十进制数转化成二进制数

十进制数的整数部分和小数部分转化成二

进制数的方法不同，要将它们分别转换，然后

将结果合并到一起即得到对应的二进制数。

①十进制整数转成二进制整数的常用方法

是“除2取余法”，即用2连续去除要转换的十

进制数和所得的商，直到商小于2为止，依次

记下各个余数，然后按最先得到的余数为最低

位，最后得到的余数为最高位依次排列，就得

衣了》转换后的二进制整数。

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单片机原理及接口技术

②十进制小数转换成二进制小数的常用方法

是“乘2取整法”，即用2连续去乘要转换的十进

制小数部分和前次乘积后的小数部分，依次记下

每次乘积的整数部分，直到小数部分为0或满足

所需要的精度为止，然后按最先得到的整数为二

进制小数的最高位，最后得到的为最低位依次排

列，就得到转换后的二进制小数。

回目录上一页<Back<

单片机原理及接口技术小

例1.4将45.6789转换为二进制数，其中二进制小

数保留4位。

解:整数部分小数部分

2|45…10.6789

X2

2\22_…0逆

2111,,,1序1.3578

排0.3578

215…1列X2

2[2…。0.7。56

顺

1…1X;2序

余数排

1.4312列

0.4312

X2

0.8624

X2

1.7248

:.45.6789=101101.1011B

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单片机原理及接口技术/_

3.十六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

将十六进制数按权展开后相加即得到对应的

十进制数。

例1.5将十六进制数3FEA换成十进制数。

解:3FEAH=3x163+15x162+14xI^+IOx16°

=16362D=16362

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单片机原理及接口技术111

(2)十进制数转换成十六进制数

与十进制数转换成二进制数类似，

十进制整数部分采用“除16取余逆排法”，

十进制小数部分采用“乘16取整顺排法”。

♦回月录上一页三页结束

4Back4

单片机原理及接口技术/II

例L6将3901.76171875转换成十六进制数。

整数部分小数部分

16|3901-13写作。0.76171875

16幽马写作3x16

15,•,15W12,18750000,•,12写作C

0.18750000

x16

3.00000000••,3写作3

3901.76171875=F3D.C3H

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单■片■■机■原理及接■■口■技■术■■■♦■■■111

1.3二进制数的运算

1.3.1算术运算

1.加法运算

运算规则为：0+0=0、1+0=0+1=1>

1+1=10（向高位有进位）。

2.减法运算

运算规则为：0・0=0、1-0=1、1-1=0、

/01=1（向高位借1当作2）。

♦回目录上一页【〒二页结束

<Back

单片机原理及接口技术[

3.乘法运算

运算规贝I为：0x0=0、0xl=lx0=0.

1Xl=lo

4.除法运算

除法运算是乘法运算的逆运算。与十进制类

似，从被除数最高位开始取出与除数相同的位

数，减去除数。

回目录上一页I下二页结束<Back4

s单片机原理及接口技术/JJ

1.3.2逻辑运算

微机内二进制信息的逻辑运算由专门的逻

辑电路完成。

1.逻辑与运算

逻辑与常用符号«Z表示，运算规则为:

0A0=0,1A0=0,OA1=O,1Al=lo两个位数

相同的二进制数进行逻辑与时，只是对应位进

行与运算。

_____回目录上一页［下一页，4结束«Back4

单片机原理及接口技术/]\

2.逻辑或运算

逻辑或又称为逻辑加，常用符号“V”表

示，其运算规则为：0V0=0,1VO=1,OV1=1,

lVl=lo

3.逻辑非运算

逻辑非运算又称逻辑取反，常用运算符号

表示，运算规则为：[=Lf=0o

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单片机原理及接口技术

4.逻辑异或运算

逻辑异或又称半加，是不考虑进位的加法,

常用运算符号丽。

例L772H㊉ABH=?

解：01110010B

㊉10101011B

11011001B

72H㊉ABH=11011001B=D9H

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单片机原理及接口技术

■■■■■■■■■■■■■■■

1.4微机的码制和编码

1.4.1机器数及其真值

数在计算机内的表示形式称为机器数这个数本

身称为真值。直

o0

例1.8正数+1000101B(+45H)0

机器数

01000101B(45H)°真值

例1.9负数-1010101B(-55H)。葭机器数

11010101B(D5H).。。

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单片机原理及接口技术/II

1.4.2原码、反码和补码

在8位微型计算机中约定，最高位

D7用来表示符号，而其他7位用于表示

数值。如图L7所示，D7=0表示正数，

D7=l表示负数。

才

回目录上一页下一页结<Back<

单片机原理及接口技术

符号位数值位

图1.78位机器数结构

回目录结束<Backf

单片机原理及接口技术

1.原码

最高位为符号位，数值为绝对值

2.反码

正数的反码与其原码相同。

负数的反码符号位为L数值位为其原

码数值位逐位取反。

采用原码和反码表示时，符号位不能同

数值一道参加运算。

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单片机原理及接口技术Il\

3.补码

计算机中，带符号数的运算均采用补码。

正数的补码与其原码相同；

负数的补码为其反码末位加1。

例1.1。%数410Q0101B（M,力|）

OBQOfiHDB反码（AAH）

“QOQ0Q1B补码（ABH）

回目录上一页Cx一页结束4Back4

单片机原理及接口技术

由补码求其真值的方法

求补得到原码（符号位+数值位），依原码

求真值。如：

补码为：10101011B

求补得：11010101B

真值为：-55Ho

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单片机原理及接口技术

补码的优点：将减法运算转换为加法，且

数值连同符号位可一起参加运算

例1.1245H-55H=-10H

[45H]补：01000101

+[-55H]补：10101011

[-10H]补：11110000

求补得原码：10010000

r真值：-0010000(-10H)

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单片机原理及接口技术

■■■■■■—■■■

1.4.2微型机中常用的编码

1.BCD码

BCD码是将每一位十进制数用二进制数编

码，它保留了十进制的权，数字则用二进制数

表示，因而也称为二■十进制数。一般用标识

符[…]R「D表示。BCD码种类较多，如8421码、

2421码、格雷码等，其中最常用的编码为8421

码。

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单片机原理及接口技术

(1)8421码编码方法

8421码编码原则是每位十进制数用4位二

进制数来表示，8、4、2、1代表4位二进制数

每一位的权。8421码名称也由此而得。十进制

数共有0〜9十个数字，而4位二进制数共有16

种组合。8421码用其中0000B〜1001B组合表

示0〜9十个十进制数。而1010B〜1111B六个

编码舍去不用。它们之间的对应关系如表1.2所

“不O

■

回目录上一页［下一页结束“Back4

单片机原理及接口技术

表1.28421码与十进制数的对应关系

十进制数BCD码十进制数BCD码

00000B81000B

10001B91001B

20010B1000010000B

30011B1100010001B

40100B1200010010B

50101B1300010011B

60110B1400010100B

70111B1500010101B

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单片机原理及接口技术

(2)BCD码的运算

BCD码用4位二进制数表示0〜9十个十进制

数，但4位二进制数可表示16种状态。因而有

六种状态在BCD编码中为非法码。这样在BCD

码的运算中必须进行修正才能得到正确的结果。

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单片机原理及接口技术

①BCD码加法运算：

两个BCD码相加的原则是“逢十进位”，

其和也是一个BCD数。

②BCD码减法运算：

BCD码作减法运算时也需要修正。修正的

原则是：低4位出现非法码（大于9）或低4位向高

4位有借位，则低4位减6修正；高4位出现非法

码（大于9）或高4位最高位有借位，则高4位减6

修正。

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单片机原理及接口技术

(3)非压缩BCD码：8位码表示1位十进

制数(高4位填0)的编码。

采用压缩BCD码比采用非压缩BCD码节

省存储空间。

(4)非法码：

4位代码在1010B〜UUB范围时，称之

为BCD码的非法码。

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单片机原理及接口技术

2.ASCII码

ASCII码(AmericanStandardCodedfor

InformationInterchange)是“美国信息交换

标准码”的简称，后来由国际标准组织(ISO)

确定为国际标准字符编码。它是微机中最常使

用的字符编码。

ASCII码由7位二进制码构成，可表示128

(27=128)个字符，ASCH码表见表1-3。

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单片机原理及接口技术/JJ

表L3ASCH码表

列01234567

位654

000001010Oil100101110111

LSB位32晓

0000NULDLESP0@pp

0001SOHDC111AQaq

ff

0010STXDC22BRbr

0011#c

ETXDC33CSs

0100EOTDC4$4DTdt

0101ENQNAK%5EUeu

0110ACKSYN&6FVfV

0111BELETBr7GWgw

1000BSCAN(8HXhX

1001HTEM)9IYiy

1010LFSUB**JZjz

1011VTESC+KCk{

1100FFFS9<L\11

1101CRGS—=M1m}

1110SORS■>Nfn

1111SIHS/?0<—0DEL

窸）单片机原理及接口技术/JJ

本章小结

1.修算术逻辑部件ALU、控制部件CU、寄

存器组以及片内总线等集成在同一块芯片上的，

具有运算和控制功能的中央处理单元，称为微处

理器，简称为CPU或MPU。微型计算机是以CPU

为核心，再配上存储器、I/O接口电路及相应的外

部设备。微机的组成结构决定了它具有体积小、

重量轻、功耗低、结构灵活、价格低廉和应用广

泛等特点。

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O单片机原理及接口技术/it

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2.按一定的进位原则进行计数的科学方法称

为数制。二进制、十进制和十六进制是微机中的

常用进制。它们都有各自的特点和运算规则，并

且相互可以进行转换。十进制数转换为二进制数

采用“除2取余/乘2取整”法，转换为十六进制数

采用“除16取余/乘16取整“法；二进制数转换为

十进制数可采用“按权相加”法，转换为十六进

制数采用“四位合一位”法；十六进制数转换为

十进制数亦采用“按权相加”法，转换为二进制

采用“一位分四位“法。

拿目蠢上一页［下二］；♦结束

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单片机原理及接口技术/II

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3.BCD码是一种具有十进制权的二进制编码，

每位十进制数用四位二进制码来表示。由BCD码构

成的数即为BCD数，BCD数运算时的进位原则是逢

十进一，其运算结果也应是一个BCD数。ASCH码

由7位二进制码构成，因此能表示128个编码。这

128