《8051单片机原理及应用》 课件 第一章 单片机里的数

网络空间安全学院网络安全基础技术应用第一章单片机里的数目录CONTENT1.二进制数2.进制的转换和有符号数3.单片机程序中的数据类型1.1.1二进制数的电路实现单片机是一颗集成电路芯片，如图1.1-1所示。集成电路是采用特定的制造工艺，将晶体管、电容、电阻和电感等元件以及布线互联，制作在半导体晶片上，进而封装在一个管壳内，变成具有某种电路功能的微型电子器件。集成电路的基本元器件是晶体管（包括了三极管、场效应管等），它的开关特性构成了计算机世界0和1的物理基础，是计算机信息存储和运算的基石。图1.1-2是三极管输出特性。图1.1-1单片机芯片图1.1-2三极管的输出特性曲线1.1.1二进制数的电路实现1.当三极管处于饱和区，VCE间电压很小，近似0V，相当于短路。因此三极管饱和时，三极管输出低电平，用二进制符号“0”表示，如图1.1-3（a）所示。2.当三极管处于截止状态，IC=0，相当于断路。C极电压等于电源电压VCC，三极管输出高电平，用二进制符号“1”表示，如图1.1-3（b）所示。图1.1-3是三极管开关等效电路图1.1-3中三极管具有二态性，要么关闭要么打开，二进制数也有这样的特点，要么“1”要“0”，用二进制数完美表达了三极管的二态性，因此我们忽略计算机的底层器件，只关注计算机的数。图1.1-3（a）图1.1-3（b）图1.1-31.1.2数的符号和记法古代人们用石头记数、结绳记数、刻痕记数，后来出现了阿拉伯数字0~9，这10个数字和人类10个手指的数量正好吻合，且符号好写好记，很快成为国际通用数字符号。阿拉伯数字是十进制数，采用位值法，加上小数点、正负号，可以表示所有的有理数。所谓进制，就是进位的方法：二进制——逢2进1；八进制——逢8进1；十进制——逢10进1；十六进制——逢16进1。1.1.2数的符号和记法每种进制使用的符号是不一样的，“符号”意味着一种表示方法。二进制的符号最少，十六进制的符号最多。如表1.1-1所示。二进制符号0，1。八进制符号：0到7十进制符号：0到9。十六进制符号：0到F。表1.1-1不同进制数的符号（字母不区分大小写）进制符号进位法则二进制0，1逢二进一八进制0，1，2，3，4，5，6，7逢八进一十进制0，1，2，3，4，5，6，7，8，9逢十进一十六进制0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，a，b，c，d，e，f逢十六进一1.1.2数的符号和记法所谓位值法，是一种计数方法。一组有顺序的数字，每个数字所表示的大小，既和它本身的数值有关，也和它所在的位置有关。位值法中，数字所在的位置也称权重。位值法的核心思想是，相同的数字在不同的位置上具有不同的数值。表1.1-1中的进制都采用位值法计数，以整数部分是4位，小数部分也是4位的任意数为例，不同进制下的权重如表1.1-2所示。表1.1-2不同进制的权重（X代表某进制的任意符号）进制XXXX.XXXX二进制232221202-12-22-32-4八进制838281808-18-28-38-4十进制10310210110010-110-210-310-4十六进制16316216116016-116-216-316-41.1.2数的符号和记法八、十、十六进制数的权重基数分别是2、8、10、16，权重的幂和位置有关。在位值法中，当数值超过了符号表达的范围，就从左往右进位。表1.1-3列出了0~20不同进制下的记数，如果要表达相同数值的数字，二进制数最长，十六进制数最短。表1.1-3数字0～20在不同进制下的记法十进制二进制16进制0001112102311341004510156110671117810008910019101010A十进制二进制16进制111011B121100C131101D141110E151111F1610000101710001111810010121910011132010100141.1.2数的符号和记法为了区分各种进制，采用后缀、前缀、下标等标记方法书写不同进制的数。通常汇编程序使用后缀法，C语言程序使用前缀法，不区分大小写。（1）后缀法。B：binary，二进制，123BO：octonary，八进制，123OD：decimal，十进制，123DH：hexadecimal，十六进制，123H。（2）下标法：（101001）2（1321）8（100）10，也可以不写下标，直接写100，不写下标默认是十进制。（3AC）161.1.2数的符号和记法（3）前缀法。0b：表示二进制。举例：0b101001,0b11000o：表示八进制。举例：0o1321，0o144没有前缀：表示十进制。举例：10，20，25，1000x：表示16进制数。举例：0x64，0x3AC表1.1-4展示了数字100在不同进制下程序里的前后缀表示方法，单片机程序中最常使用的是十六进制和十进制。表1.1-4计算机语言中不同进制的前后缀（以100为例，不区分大小写）进制英文符号前缀（C语言）后缀（汇编语言）二进制Binary0，10b0110010001100100B八进制Octal0-70o144144O十进制Decimal0-9100100D十六进制Hexadecimal0-9，A-F0x6464H1.1.3数的长度1.比特（bit）一位二进制的数字要么是0，要么是1，我们说二进制的一个数字位就是1个比特（bit）。比特也是信息量单位。一串二进制符号构成了一个信息块，信息块有多少个二进制符号，就说有多少个bit的信息量。在计算机物质世界里，1个比特是1个半导体晶体管开关器件，参考图1.1-3，它有“0”或“1”两种可能值，1比特是1个二进制数字位。怎么理解bit的概念呢？将图1.1-3中的三极管替换成游戏手柄，1号手柄控制前进和后退两个方向，手柄向前是前进，手柄向后是后退，此时该“手柄”就是1个bit。现在增加2号手柄，控制左右两个方向：手柄向左是左拐，手柄向右是右拐。它和1号手柄组合在一起，可控制四个方向，用四组编码表示：左前=00右前=10左后=01右后=111.1.3数的长度由此可知，两位二进制数，有四种组合，一个组合称为一个“码字”，在这个举例里有４个码字，分别是00、01、10、11。比特位数越多，编出的码字就越多。码字数量用2的幂次方计算，对应关系如表1.1-5所示。表1.1-5二进制位数和码字数量对应关系二进制位数码字数量121=2=（10）2222=4=（100）2323=8=（1000）2424=16=（10000）2525=32=（100000）2626=64=（1000000）2727=128=（10000000）2828=256=（100000000）2929=512=（1000000000）210210=1024=（10000000000）211211=2048=（100000000000）212212=4096=（1000000000000）21.1.3数的长度观察表1.1-5，有如下2个结论：二进制位的数量决定了码字数量，码字数量随着二进制位数的增加呈幂增长。 （公式1）2个比特能编出4个码字；3个比特能编出8个码字。第1列“位数”和第2列中“0”的个数一致，比如，10位二进制数，码字数量是1024个，1024用二进制表示，1的后面有10个“0”，互相呼应。1.1.3数的长度2.字节（byte）1个字节由8位二进制数构成。表1.1-5表明1个字节的码字数量是256，可编码字从0b00000000到0b11111111，对应数值范围0~255。一个字节足以表达某种生活中很多事务的状态，比如天气的变化，各种组合都没超出256种；通用计算机的键盘也没达到256个按键，……。因此，在计算机世界里字节是基本单位，单片机程序里使用最多的数据类型就是1个字节长度的数据。图1.1-4展示了1个字节按位展开的格式，位值高（最高有效位，MSB）的在前，位值低（最低有效位，LSB）的在后。图1.1-4也是单片机的1个存储单元，1个存储单元的容量是1个字节。bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0字节Byte

图1.1-4字节按位展开1.1.4二进制编码计算机处理的信息除了数字，还有字母、图形、汉字、声音等非数值数据，这样就出现了编码的需求。“编码”是信息从一种形式转换为另一种形式的过程，具体讲就是让多位二进制数表达某个特定的信息。因为n位二进制数可以组合成2的n次方个不同的信息，所以给每个信息规定一个具体码字，这个过程就叫编码。1.BCD码（Binary-CodedDecimal）BCD码以4位二进制数为一个单位表示1位十进制数。按照表1.1-5，4位二进制数有16个码字，但是十进制数只有0~9十个数字符号，多出来6个，所以BCD码只用了前10个0000~1001表示十进制的0~9，剩下的码字不用。BCD码也用来表示十六进制数，此时16个码字全部使用。因为二进制各位的权值为8、4、2、1，二进制对十进制、十六进制的编码是加权求和，因此也称8421有权码。1.1.4二进制编码表1.1-6列出了BCD编码。多位的十进制数要用多组BCD码表示。十六进制同理。例1：十进制的123用BCD码表示：0001001000111：1=0×23+0×22+0×21+1×20，1的编码是0001；2：2=0×23+0×22+1×21+0×20，2的编码是0010；3：3=0×23+0×22+1×21+1×20，3的编码是0011；例2：十六进制数0x6F8用BCD码表示：0110111110006：1=0×23+1×22+1×21+0×20，6的编码是0110；F：15=1×23+1×22+1×21+1×20，F的编码是1111；8：8=1×23+0×22+0×21+0×20，8的编码是1000；1.1.4二进制编码十进制数BCD码

十六进制数BCD码00000000001000110001200102001030011300114010040100501015010160110601107011170111810008100091001910011000010000A10101100010001B10111200010010C11001300010011D11011400010100E11101500010101F111116000101101000010000表1.1-6BCD编码1.2.1十进制数转换为R进制计算机里二进制的数据有以下几种长度：位（bit）：一个二进制数就是一个位，称为比特，数值范围0、1。字节（byte）：8位二进制数构成，数值范围0～255或0x00～0xFF。字（word）：4个字节构成，对应32位二进制数，数值范围0~4294967295（0x00000000~0xFFFFFFFF）。半字（halfword）：2个字节构成，对应16位二进制数，数值范围0~65535（0x0000~0xFFFF）。1.2.1十进制数转换为R进制计算机里二进制的数据有以下几种长度：位（bit）：一个二进制数就是一个位，称为比特，数值范围0、1。字节（byte）：8位二进制数构成，数值范围0～255或0x00～0xFF。字（word）：4个字节构成，对应32位二进制数，数值范围0~4294967295（0x00000000~0xFFFFFFFF）。半字（halfword）：2个字节构成，对应16位二进制数，数值范围0~65535（0x0000~0xFFFF）。1.2.1十进制数转换为R进制采用模运算方法，取余数的逆序。所谓模运算就是两个整数相除，得到的余数就是模运算结果。例1和例2用短除法开展除法运算，每个短除号的里面是被除数，左边是除数，下面是商，右边是余数，当商为0时运算结束，转换结果是余数的逆序。例1：（1688）10=（011010011000）2开展模2运算例2：（1688）10=（698）16开展模16运算0166161051616888961.2.2R进制数转换为十进制采用加权求和运算方法，按照位值展开求和，最左边的是最低有效位用LSB表示；最右边的是最高有效位用MSB表示。例1：（011010011000）2=（1688）10首先把二进制按照“位值”展开：MSB

LSB权重21121029282726252423222120位值0110100110001.2.2R进制数转换为十进制其次对不为0的位求和：1×23+1×24+1×27+1×29+1×210=1688例2：（698）16=（1688）10首先把二进制按照“位值”展开：MSB

LSB权重162161160位值698其次对不为0的位求和：8×160+9×161+6×162=16881.2.3有符号数二进制数分“无符号数”和“有符号数”。“无符号数”都是正数，没有符号位；“有符号数”有正数也有负数，最高位是符号位：0——正数；1——负数。在编写程序时，如果数据是事务状态的抽象，如天气、键盘符号等，就用“无符号数”；如果数据是参与计算的数值，如温度，就使用“有符号数”。表1.2-1是1个字节的有符号数，数值范围从-128~127，而不是0~255。表1.2-1有符号数（1个字节）二进制16进制十进制000000000x000000000010x011………011111110x7f127100000000x80–128100000010x81–127100000100x82–126…。。。。。。111111110xff-11.2.3有符号数计算机中有符号数用补码表示。1.原码计算机中数的原码由符号位和数值部分组成。最高位是符号位，0代表正数，1代表负数，其余位是数值位，数值部分与数的二进制表示一致。原码表示法举例：（00000000）2=（0）10；（01111111）2=（127）10；（10000001）2=（-1）10；（11111111）2=（-127）101.2.3有符号数2.反码反码是原码和补码之间的过渡码，正数的反码和原码相同；负数的反码，其符号位和原码相同，数值位按原码取反。反码表示法举例：（00000000）2=（0）10；（01111111）2=（127）10；（11111110）2=（-1）10；（11111111）2=（-0）10；0无所谓正负，综上，“0”在反码中有两个表达方式。1.2.3有符号数3.补码为了避免反码中“0”的不唯一，补码规定：正数的补码和原码相同；负数的补码，其符号位和原码相同，数值位在反码上加1。补码表示法举例：（00000000）2=（0）10；（01111111）2=（127）10；（11111110）2=（-2）10；（11111111）2=（-1）10；1.2.3有符号数3.补码为了避免反码中“0”的不唯一，补码规定：正数的补码和原码相同；负数的补码，其符号位和原码相同，数值位在反码上加1。补码表示法举例：（00000000）2=（0）10；（01111111）2=（127）10；（11111110）2=（-2）10；（11111111）2=（-1）10；1.2.4小知识：电脑计算器使用电脑自带的“计算器”小程序可以实现进制转换。打开电脑里的计算器，在“查看”下拉菜单里选择“程序员”模式，选择进制。图1.2-1设置电脑“计算器”程序员模式；图1.2-2输入二进制数10100，点击其他进制，就实现了进制转换。图1.2-1计算器里的“程序员”模式图1.2-2在计算器里进行数制转换1.3单片机程序中的数据类型C语言是一门面向过程的、抽象化的通用计算机编程语言，它可读性好，易于调试、修改和移植，C语言兼顾了高级语言和汇编语言的优点，编译效率高，各种计算机平台包括嵌入式处理器、超级计算机等都支持C语言的编译，是计算机产业最重要的编程语言，在编程语言中的具有举足轻重的地位。C语言的特点：1.具有结构化的控制语句C语言是一种结构化的语言，它有专门的流程控制语句。如顺序结构语句、if...else和switch等选择分支语句、for，while等循环语句，这些可以实现程序流程的逻辑控制。C语言的主体是函数，一个C语言程序就是由若干头文件和函数组成，但是主函数只有一个，其他函数都可以被主函数调用，可以以函数为单位实现模块化的程序搭建。1.3单片机程序中的数据类型2.丰富的数据类型C语言包含的数据类型广泛，除了传统的字符型、整型、浮点型、数组等数据类型，还有指针类型，可以对硬件内存地址直接进行读写。3.丰富的运算符C语言包含34个运算符，赋值、括号、分号都是运算符，算术运算、逻辑运算都有对应的运算符，这些使得C语言的表达式类型和运算符类型非常丰富。面向单片机编程的C语言称为单片机C语言，简称C51，C51符合ANSI-C标准，且有一定的扩充，其扩充部分与单片机硬件特性有关。1.3.1数据类型计算机程序由数据和算法构成，所谓数据是指具有一定格式的数字或数值。数据是计算机操作的对象，不管使用任何语言、何种算法进行程序设计，最终在计算机中运行的只有数据流。数据的不同格式叫做数据类型。数据按一定的数据类型进行的排列、组合及架构称为数据结构。C语言有三种数据类型：基本型，包括整型（char、int）、实型（float）两种；构造型，包括数组、结构体等用户自定义结构的数据类型；指针型，指向存储单元地址的数据类型。相比普通C语言，C51多出了位、特殊功能寄存器两种数据类型，这两种数据类型都和硬件有关，完整的数据类型见表1.3-1，表中深色底的是C51扩充数据类型，C51编译器自动识别这些扩充数据类型。1.3.1数据类型数据类型名称长度数值范围unsignedchar无符号字符型1字节0～255signedchar有符号字符型1字节-128～+127unsignedint无符号整型2字节0～65535signedint有符号整型2字节-32768～+32767unsignedlong无符号长整型4字节0～4294967295signedlong有符号长整型4字节-2147483648～+2147483647float浮点型4字节±1.175494E-38～±3.402823E+38*指针型1～3字节对象的地址bit位型1位0或1sfr特殊功能寄存器型1字节0～255sfr1616位特殊功能寄存器型2字节0～65535sbit特殊功能寄存器里的位1位0或1表1.3-1C51数据类型1.3.1数据类型数据类型规定了数据的格式和存储空间大小。1.字符型（char）字符型有signedchar和unsignedchar之分，默认signedchar，char型数据占用1个字节的存储空间。unsignedchar是无符号的整型数据，表示的数值范围为0~255，用来存放西文字符、或者某种状态值，如天气；signedchar是有符号整型数据，最高位是符号位，0表示正数，1表示负数，负数用补码表示，数值范围为-128~127。2.整型（int）整型有signedint和unsignedint之分，默认signedint，Int型数据占用2个字节的存储空间，用于存放双字节数据。Unsignedint是两字节的无符号数，数值范围0~65535，用来存放循环变量等，当循环次数超过256次，那么就要定义它为unsignedint类型；signedint是两字节的有符号数，负数用补码表示，数值范围-32768~32767。1.3.1数据类型3.长整型（long）长整型有signedlong和unsignedlong之分，默认signedlong，long型数据占用4个字节的存储空间，用于存放四字节数据。Unsignedlong是四字节的无符号数，数值范围0~4294967295；signedlong是四字节的有符号数，负数用补码表示，数值范围-2147483648~2147483647。4.浮点型（float）浮点型数据是带小数点的数，占用4个字节的存储空间，数值以科学记数法标记，浮点数不能进行位操作或者逻辑运算。1.3.1数据类型5.指针型指针型数据是整型数据，保存指向另一个数据的存储单元地址。6.位型位型数据是C51扩充数据类型，只占用字节中的1个位，分为bit和sbit两种类型。bit是RAM中20H~27H中的可寻址位；sbit是特殊功能寄存器中的可寻址位。7.特殊功能寄存器特殊功能寄存器（SpecialFunctionRegister）是C51扩充数据类型，分为sfr和sfr16两种类型。sfr在单片机RAM中占用一个存储单元，且位置固定。sfr16在单片机RAM中占用两个存储单元，且位置固定。1.3.2数据的运C语言提供了丰富的运算符，运算功能强大，在单片机C语言中，位运算功能强大，常常与硬件相关，C51中的运算符总结如下。1.算术运算符：进行加减乘除运算，运算符号连接两个操作数，如表1.3-2所示。运算名称运算符功能加法+求两个数的和，1+1=2减法-求两个数的差，10-8=2乘法*求两个数的积，25*4=200除法/求除法运算的商，25/4=6模运算%求除法运算的余，25%4=1表1.3-2算术运算符1.3.2数据的运2.赋值运算符：赋值运算符“=”的作用是给变量赋值。书写格式：变量=表达式;//必须以分号结尾，表示一个赋值语句结束。举例：unsignedchara=10,b;//变量a的初值是10unsignedintc;b=a+9; //变量b的值是19c=a+b; //变量c的值是29，运算结果是无符号int类型。由此可见，赋值语句将右边的表达式结果赋值给左边。如果“=”两边的数据类型不一致，编译器自动进行类型转换，转换后保持左边的数据类型。1.3.2数据的运3.关系运算符：表示两个数据对象的大小关系，运算结果是逻辑真（1）或逻辑假（0），关系运算符如表1.3-3所示。运算名称运算符功能大于>左边和右边的关系是否成立，如果成立，运算结果是逻辑真（1）；如果不成立，运算结果是逻辑假（0）。大于等于>=小于<小于等于<=等于==不等于!=表1.3-3关系运算符举例：unsignedchara=10,b=9;//变量a的初值是10，b的初值是9b+2>a; //成立，表达式的值为1a==b; //不成立，表达式的值为0。1.3.2数据的运4.逻辑运算符：是与、或、非运算的统称，运算结果是逻辑真或逻辑假，逻辑真通常用“1”表示，逻辑假通常用“0”表示。逻辑运算符如表1.3-4所示。运算名称运算符运算规则与&&True&&True=TrueTrue&&False=FalseFalse&&False=False或||True||True=TrueTrue||False=TrueFalse||False=False非!!True=False!False=True表1.3-4逻辑运算符1.3.2数据的运（1）逻辑与（and）“&&”，双目运算符，运算符两侧数据要么真（非0的数都是真），要么假（等于0的数都是假），只有两个都为真的数，运算结果才为真。举例：unsignedchara=10,b=9,c=0;//变量a的初值是10，b的初值是9，c的初值是0。a&&b; //运算结果为真（1），a和b都非0a&&c; //运算结果为假（0），c的值为0a-b&&c-b; //运算结果为真（1），符号两边都非01.3.2数据的运（2）逻辑或（or）“||”，双目运算符，运算符两侧数据要么真（非0的数都是真），要么假（等于0的数都是假），只要有1个为真，运算结果就为真，只有两个都为假的数，运算结果才为假。举例：unsignedchara=10,b=9,c=0;//变量a的初值是10，b的初值是9，c的初值是0a||b; //运算结果为真（1），a和b是真a==b||c; //运算结果为假（0），符号两边的值都为假a>b||c>b; //运算结果为真（1），a>b是真，c>b是假，有一个是真。（3）逻辑非（not）“！”，单目运算符，运算结果要么真（1）要么假（0）。举例：unsignedchara=10,b=9,c=0;//变量a的初值是10，b的初值是9，c的初值是0！(a+b); //运算结果为假（0），a和b相加后非0，取非后是0！(a==b); //运算结果为真（1），a和b不相等，取非后是真1.3.2数据的运5.位运算符：C51位运算和单片机管脚密切相关，运算时，要把十进制