单片机第一章-本

微机

原理与应用机电工程学院上海第二工业大学§1-1概述

§1-2微型计算机基础进入

§1-3计算机中的数和编码进入

第一章微型计算机系统基本知识

§1-1概述

一、电子计算机

以存储程序的方式、自动地进行算术和逻辑运算的数字电子装置。

1、历史

1946年2月15日，第一台数字式电子计算机在美国费城宾夕法尼亚大学莫尔学院研制成功。1955年10月切断电源。

2、发展

电子管式→晶体管式→中小规模集成电路→↑1946↑1957↑1965→大、超大规模集成电路（微机时代）四代。↑1971Intel40043、基本结构

硬件、软件引例：

（1）硬件：

基本组成：运算器、控制器、存储器、输入/输出设备及接口。

中心思想是存储程序原则：

指令和数据以二进制的形式存放在存储器中。

结构如图1-1所示：（2）软件

计算机上运行的程序，是计算机系统中的逻辑部件而不是物理部件，是人的思维结果，通过某种物理介质来存储和表示。二、微机1、微处理器、微型计算机、微型计算机系统(1)中央处理器Central

Processing

Unit-CPU

负责取指令，执行指令，实现操作的核心部件，包括运算器和控制器两大部分。中央处理器的电路集成在一片或少数几片大规模集成电路芯片上，成为微处理器（MPU）。(2)微型计算机、微型计算机系统以微处理器为核心，加存储部件和输入输出接口部件成为微型计算机。

以微型计算机为基础，加外围设备、电源、系统软件等构成微型计算机系统。2、微型计算机的分类

*独立使用式微机：PC机*嵌入式微机：

(1)单片机：CPU、存储器、I/O接口等集成在一块硅片上

(2)单板机：CPU、存储器、I/O接口等装配在一块电路板

(3)多板机：CPU、存储器、I/O接口等分做在多块电路板上3、微型计算机的发展第一代：1971~1973，4位和低档8位机，典型代表

Intel4004，Intel8008。第二代：1974~1978，中档8位机，典型代表

Intel8080，MC6800，ZILOGZ80APPLE6502等。第三代：1978~1981，16位机，如

1981年，IBM公司的Intel8088。第四代：1981~1992，32位微机，如

Intel80386，MotorolaMC68020第五代：1993~至今，64位微机，奔腾微处理器芯片三、单片机概述

单片微型计算机：Single-ChipMicrocomputerOne-ChipMicrocomputer

又称为“微控制器”、“微处理器”。

在一片芯片上集成CPU、存储器、I/O接口等组成一台完整的微型计算机。

主要有：4位、8位、16位、32位等1、单片机发展情况：

1974年12月，仙童（Fairchild）公司8位单片机F8。经历四代：

第一代：1974~1978，如IntelMCS-48型8位单片机，采用8位CPU、27个I/O口、8位定时器/计数器、64RAM/1KROM，无串行口第二代：1978~1983，高档8位单片机，如MCS-51，

MC6801，Zilog公司的Z8等。增加功能：串行口、32个I/O、多级中断、

16定时/计数器、片内RAM/ROM增大，片内带A/D转换器接口。。

第三代：1983~1990，16位单片机，如MCS-96系列的

8096、8098。增加性能：RAM/ROM增大，中断能力增强、A/D等第四代：1990至今，高档16位、32位单片机如80196，MC8300等，性能、速度大大提高。§1-2微型计算机基础返回一、微机的三总线结构

总线：微机系统中各部件和模块之间传送信息的一组导线微机的总线结构包括：数据总线、地址总线和控制总线。地址：内存由许多存储单元组成，每个存储单元有一个用于区分的编号，称为地址。1、数据总线（DB）：

传送数据，双向。CPU的位数和数据总线的位数一致。而数据可能是真正的数据、指令代码、状态量或控制量。2、地址总线（AB）：

传送CPU发出的地址信息，单向。宽度（线数目）决定了CPU的可寻址范围。例如：2根地址线，可寻址22=4个字节单元；

16根地址线，可寻址216=64K字节单元；3、控制总线（CB）：

传送使微机协调工作的定时、控制信号，双向。每一条控制线，都有固定的功能。控制线数目不定。

8位微机的DB总是8位，AB总是16位，而CB的数目则随机型不同而不同。

二、微处理器的基本结构

微处理器（CPU）是微型计算机的核心，由运算器和控制器两大部分组成。1、运算器（1）算术逻辑单元ALU(arithmeticlogicunit)

运算器的主要组成部分，是一个纯粹的运算部件（加法和移位操作），没有寄存功能。

（2）累加器A(Accumulator)CPU中最关键寄存器。ALU进行运算时一个操作数必需来自累加器，同时也是运算结果的寄存场所。（3）标志寄存器F（Flag）存放微机执行一条指令后所处状态的信息。常用的标志有：C、AC、OV、P等。（4）暂存寄存器TR(tempregister)

用来存放参加ALU运算的另一个操作数，该操作数必须先暂存在TR中，以免数据发生冲突。（5）地址和数据缓冲器（ABuffer、DBuffer）协调CPU与存储器、I/O接口电路之间在运行速度、工作周期等方面存在的差异。（6）寄存器阵列（RA）(registerarray)

包括通用寄存器和专用寄存器两种。通用寄存器组：作为CPU内部的小容量高速存储器，用来存放一些中间数据，以减少CPU

对存储器的频繁访问

专用寄存器组：PC、SP、AB、DB等。2、控制器

完成指令译码，发出各个操作的控制信号。（1）程序计数器PC(programcounter)

存放要读取的指令所在地址的专用寄存器。具有计数（加1）和接受转移地址的功能。（2）指令寄存器IR(instructionregister)

存放CPU从ROM中取出的正要被执行的指令的操作码。（3）指令译码器ID(instructiondecoded)

接收IR送来的操作码并译码，生成与指令相应的特定操作的启动信息。4）定时控制逻辑PLA(programmablelogicarray)ID送出的电平信号与外部时钟脉冲在PLA电路中组合，形成各种内部控制信号和外部控制信号。

三、

存储器及其读写原理1、有关常用术语（1）位（bit）、字节（Byte）、字（Word）、双字（DW）。

1B=8bit；1KB=1024B；1MB=1024KB；1GB=1024MB（2）字长：每个字所包含的二进制数码的位数。由微处理器芯片外部数据总线的位数来确定。（3）内存：存放当前运算所需的程序和数据，容量较小、存取速度快，设在微机内部。如RAM、ROM、EPROM、EEPROM。（4）外存：存放大量暂时不直接参与运算的程序和数据，可成批转入内存。一般为磁盘、光盘等。2、存储器结构

分随机读写存储器RAM和程序存储器ROMRAM存储器由三部分：存储体、地址译码器和控制电路。

ROM结构类似，区别在于只能作读选通。

注意：（1）对于8位地址，可表示256个单元；（2）每个单元可存放8位二进制数；（3）注意单元内容与地址的区别；3、存储器读写原理存储器工作过程如下：CPU→地址→地址译码器→选中单元→由CPU发出的“读”或“写”命令。例如：读操作：读02H单元内容

1）02H由A-BUS→地址译码→找到02号单元；

2）CPU发出“读”信号；

3）（02H）=#A3H（读出的数据）→D-BUS。

4）#A3H→指定寄存器

写操作：数据#F7H→03H单元中；

1）03H由AB→地址译码→找到03号单元；

2）CPU将#F7H送到D-BUS上

3）CPU发出“写”信号；

4）#F7H→（03H）

四、输入/输出设备及其接口I/O设备：简称外设，功能是为微机提供具体的输入输出手段。标准的I/O设备系指键盘和显示器。I/O接口：

由于各种外设的工作速度、驱动方式差别很大，无法与CPU直接匹配，而需要一个接口电路来充当它们与CPU间的桥梁，起转换、协调作用。§1-3计算机中数和编码

返回一、数制及其转换1、计算机中常用进制（1）十进制（Decimal）表示法特点：用0，1，…，9十个数来表示数据;

逢十进一.例如(273.45)D=2×102+7×101+3×100+4×10-1+5×10-2任意一个十进制数的表示方法为称为权其中ki=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9（2）二进制(Binary)表示法特点：基数为2，用0，1两个数码来表示数据逢二进一各位的权为2i。任意一个二进制数的表示方法为：

其中ki=0,1

例如（1011.101）B=1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3（3）十六进制(Hexadecimal)表示法

特点：①基数为16，用0~9和字母A,B,C,D,E,F

（对应十进制10~15）来表示数据，逢十六进一；②各位的权为16i。任意一个十六进制数的表示方法为

其中ki=0~F例如:（55）H=5×161+5×160

3、进制间的转换（1）任意进制转换为十进制按定义：只需按权展开即可。（2）十进制转换为其它进制

①整数部分的转换把十进制的整数不断除以所需要的基数，直至商为零，取其余数，称为除基取余法。②小数部分的转换将十进制小数部分乘以基数，并取整，直至小数部分为零为止。称为乘基取整法。

例如：（25.3125）D=(11001.0101)B

（116.84375）D=（74.D8）H

过程如下：4、二进制与十六进制数的相互转换

由于二进制的基数是2，而十六进制的基数为16=24，即4位二进制数正好对应一位十六进制数。例如：（B6）H=1011

0110

B=（10110110）B

（11011）B=0001

1011

B=（1B）H注意：二进制转十六进制时，以小数点为界，朝左右划分，整数部分不足4位高位加0，小数部分不足4位低位加0。二、二进制数的运算1、算术运算（1）运算规则加法：0+0=0，0+1=1，1+1=0进位1，1+1+1=1进位1；减法：0-0=0，1-0=1，0-1=1借位1，1-1=0；乘法：0×0=0，0×1=0，1×0=0， 1×1=1；（2）无符号数的运算①加法：按照加法运算规则，从最低位开始逐位相加，有进位的问题。②减法：按照减法运算规则，从最低位开始逐位相减，不够减时，应向高位借位。③乘法：乘法运算可看作是被乘数自身多次移位相加，相加的次数由乘数的数值决定。④除法：除法是乘法的逆运算，它是确定一个数可以从另一个数中减去多少次的过程。例如：2、基本逻辑运算常用有“与”、“或”、“非”、“异或”等逻辑运算。（1）“与”：AND，“有0出0，全1出1”，C=A·B，运算规则：0·0=0，0·1=0，1·0=0，1·1=1（2）“或”：OR，“有1出1，全0出0”，C=A+B，运算规则：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=1（3）“非”：NOT，“求反”，C=运算规则：例如：DAH、99H两个数的三种运算方法如下：

与：DAH·99H=98H； （4）“异或”：XOR，“相同为0，不同为1”，C=A⊕B，运算规则：0⊕0=0，1⊕0=1，0⊕1=1，1⊕1=0

或：DAH+99H=DBH；异或：DAH⊕99H=43H；1、机器数与真值

符号的数码化：将符号用“0正1负”表示，并以二进制数的最高位（D7位）作为符号位。例如：+91=01011011B=5BH；

-91=11011011B=DBH；三、符号数的表示法机器数：数据在计算机中连同数码化的符号位一起表示的编码数:00010001B;10011101B。真值：把机器数实际代表的数称为机器数的真值:+91;-5BH;-1101111B。

2、原码表示法

D7位作为符号位（0正1负），D6~D0为原来的二进制数值位。例如： （+55）原=00110111B

（-55）原=10110111B特点：

1）8位二进制数表示的范围：-127～+127；

2）（+0）原=00000000B，（—0）原=10000000B不相同；

3）乘除简单，加、减运算困难。3、反码表示法

正数的反码=正数的原码负数的反码=符号位不变其余位按位取反例如：

（+0）反

=00000000B；（+127）反=01111111B

（-0）反=11111111B；（-127）反=10000000B特点：1）范围-127～+127；

2）+0、-0不相等；

3）求真值时，若D7=1，则按位取反。4、补码表示法模：计量器的容量记作：Mn位二进制，其模为2n

模的性质：当模为2n时，2n和0是相同的

例

a=17b=5M=12a=17=12+5=5=ba=b

例a=-３Ｍ＝12a=12+(-3)=9如图：10点→6点，可以逆时针拨，也可顺时针拨：逆拨：10–4=6（减）顺拨：10+8=18=12+6=6（加）在顺拨中，12可自然丢失，称为模；而8被称为是–4的补码。显然钟表采用十二进制，系统所能表示的最大量程为12，称之为模（基）。（–4）补=12–4=12+（–4）=8

即：（X）补=模+X2）引例：钟表调时3）二进制补码的计算方法

正数的补码=正数的原码负数的补码=反码加1

例如：（-127）补

=10000001B（-1）补

=11111111B

特点：

1）补码的符号位作为数值的一部分，可以参加运算；

2）0只有一种表示，即+0=-0=00000000B；

3）表示范围：-128～+127（80H~7FH）；

4）比原码多一种组合，即10000000B（-128）其最高位“1”

既表示符号，又表示数值；

5）求真值时，若D7=1，则通过对补码再求补，添“-”而得；练习：

1）求十进制数±8，±18，±113的补码（分别用八位二进制数和十六位二进制数表示）

2）求补码1BH，C9H的真值（用十进制数表示）

3）已知十六进制数X=36H，Y=CDH，试求

X+Y，X-Y，X∧Y，X∨Y 4）8位