单片微机原理与接口技术 吴战明 编

1单片微机原理与接口技术吴战明编2第一章计算机基础第一节概述一、计算机的组成以计算机运算与手算类比说明计算机的组成：手算计算机运算运算工具算盘运算器控制人脑控制器记录纸笔存储器输入设备输出设备3计算机的五大组成部分如下图：输入设备运算器存储器输出设备控制器4以上构成计算机的硬件。实际的计算机硬件中常把运算器和控制器作在一个芯片上，称为中央处理单元：Centralprocessingunit简称CPU，它是计算机的核心部件。常用的输入设备有：键盘、鼠标、光盘磁盘读入机等常用的输出设备有：CRT显示器、数码管、打印机、绘图仪等5计算机系统的构成CPU存储器接口部件定时计数器键盘显示器数码管打印机ABDBCB6二、单片微型计算机单片机是集成于一块芯片上的计算机。即在一块芯片上集成了构成计算机系统的主要部件，它包括：CPU、存储器、定时器计数器、以及与外部设备相连的接口部件等。以它为核心，根据实际需要扩充必要的输入输出设备可构成完整的计算机。三、单片微型计算机的优越性：1.体积小、重量轻这是任何其它类型的计算机所不可比拟的优点。2.功能强，使用灵活，性能价格比高3.运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高四、单片机的主要应用情况简介家电、智能化仪表、各种工业控制。选择单片机这门课向同学介绍计算机硬件系统配置的好处。7第二节计算机中的数和编码系统一.数制1.十进制数：1985=1000+900+80+5=1×103+9×102+8×101+5×100特点：有0~9十个不同的符号。逢十进一。一般用下脚标D表示，如1985D,或无下脚标。82.二进制数：特点：有0，1两个不同的符号。逢二进一。二进制数的下脚标为B例如：对于整数，1001B=1×23+0×22+0×21+1×20=9D对于小数，0.101B=1×2-1+0×2-2+1×2-3=0.625D二进制数每一位的权是：以小数点分界，…..24,23,22,21,20.2-1,2-2,2-3,……93.十六进制数：有0~9，A,B,C,D,E,F共十六个不同的符号。逢十六进位。用下脚标“H”表示十六进制数。例：327H=3×162+2×161+7×160=807D3AB.11H=3×162+A×161+B×160+1×16-1+1×16-2=939.0664D10关于数制的小结：⑴每一种数制都有一个固定的基数“J”十进制J=10,有0~9十个不同的数值二进制J=2,有0,1两个不同的数值十六进制J=16,有0~9A,B,C,D,E,F十六个不同的数值⑵各种数制都是逢“J”进位。⑶各种数制每位的权：以小数点分界，…..J4,J3,J2,J1,J0.J-1,J-2,J-3,………..104,103,102,101,100.10-1,10-2,10-3,………..24,23,22,21,20.2-1,2-2,2-3,………..164,163,162,161,160.16-1,16-2,16-3,……11二.数制间的转换:1.二进制转换为十进制数方法:按权展开。111.101B=1×22+1×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2–3=4+2+1+0.5+0.125=7.625D2.十进制数转换为二进制数方法：整数部分除二取余，小数部分乘二取整例：整数部分的转换1222152107……余1最低位253……余1226……余1213……余026……余123……余021……余10……余1最高位从下至上写成从左至右:215D=11010111B13例：小数部分的转换:乘二取整0.6875×2最高位取11.37500.375×2取00.750×2取11.500.5×2从上至下写成从左至右最低位取11.00.6875D=0.1011B14注：十进制小数转换为二进制小数，在乘2过程中不一定都能得到尾数为0的结果，此时可根据精度的需要取够足够的位数近似即可。3.十六进制数与二进制数之间的转换:⑴十六进制数转换为二进制数9AB.7C5H100110101011.011111000101B15⑵二进制数转换十六进制数:0001101111100011.100101111000B1BE3.978H三.二进制数的运算:1.加法:逢2进1法则:0+0=01000+1=1+1111+0=110111+1=10162.减法:借1当2法则:0-0=010111-0=1-1101-1=010110-1=13.乘法:111法则:0×0=0×1011×0=01110×1=00001×1=1111100011174.除法:10111011010111001101110011110与十进制除法类同。18四.计算机中有符号数的表示方法:定义一个数的最高位为符号位:符号位为1表示负数,符号位为0表示正数。即符号位数字化。例：00000011+310000011-3符号位，仅表示数的符号。在计算机中负数有三种表示方法：191.原码:同上述表示方法,即定义最高位为符号位。2.反码:正数的反码同原码。负数的反码为其原码除符号位保持不变外其余按位求反。例：原码反码-31000001111111100-510000101111110103.补码：正数的补码同原码。负数的补码为其反码在末尾加1。20例：-4：原码1000010084H反码11111011FBH+00000001补码11111100FCH-7：原码1000011187H反码11111000F8H+00000001补码11111001F9H21计算机中用补码表示法，可将减法运算变为加法运算，带来很大方便。A–B=A+(-B)补例：3–7=-4即3–7=3+(-7)补+300000011-7补码+1111100111111100-4的补码22五.数的定点表示与浮点表示1.定点表示法:以一个字节为例数符.尾数1.1000000B小数部分为0.5数符1表示负数-0.5数符尾数.11000000.B表示-64小数点并没有表示出来，只是由使用者自己约定。前一种方法表示的所有数均小于1，后一种方法表示的所有数均为整数。232.浮点表示法:任何一个二进数均可表示为:N=2p×S其中：S：数N的尾数，表示数N的有效数值下面用Sf表示数N的符号Sf=1为负数，Sf=0为正数p:表示数N的阶码，即表示小数点的位置下面用pf表示阶码的符号pf=1为负，pf=0为正24一般的浮点数表示格式：pfSf阶码符号阶码数符尾数例：01101011；N=+2+3×11=+88D11011100；N=-2-2×12=-3D用浮点表示法可增大数的表示范围，在乘除运算比较多的情况下使用较方便。pS25六.二进制编码的十进制数:BCD码特点：1.用4位二进制数的10种组合表示十进制数的10个数字：012345678900000001001000110100010101100111100010012.逢10进1例:1985用BCD码表示：0001100110000101千百十个BCD码常在计算机的输入输出程序中使用。26七.计算机中字母符号的表示方法:采用ASCII码表示。即AmericanStandardCodeforInformationInterehange美国标准信息交换码ASCII码包括所有的英文字母、数字和其它符号，每个字符都用一个唯一的7位编码表示。传送数据时用8位二进制编码，最高位用作奇偶校验。它是世界通用的编码综上所述,计算机中的数可以有各种不同的表示方法,计算机中以一个字节为一个单元保存数据,一个字节为8位二进制数,可以有256种组合,也就是可以表示256个数据,我们称它为机器数,每一个机器数实际表示的是什么,要看采用的是那种表示方法.见下表:27八位二进制数所能表示的数据范围机器数无符号数原码反码补码000000000+0+0+0000000011+1+1+1.....01111111127+127+127+12710000000128-0-127-12810000001129-1-126-127..........11111110254-126-1-211111111255-127-0-128第三节计算机的基本操作过程一、计算机的基本操作过程例如要计算1+2=?计算机需要进行如下几步操作：1.把01这个数送到运算器的A寄存器2.把02送入运算器做加法3.把和送入某一存储单元(例如地址为30H的单元）存放所有这些取数、相加、送数的动作都是一种基本操作。把要求计算机执行的各种操作用命令的形式写下来，这就是指令。一条指令只代表一种基本操作，一台计算机所能完成的全部指令的总和称为该计算机的指令系统。一种型号的计算机的指令系统是由其设计者规定好的，不可随意改变。29要完成1+2=?的运算，要求计算机进行上述三种基本操作，即执行如下三条指令：8100H7401MOVA,#01H8102H2402ADDA,#02H8104HF530MOV30H,A把要求计算机完成的基本操作，按一定顺序写出一条一条指令，计算机按顺序执行完这些指令，我们的任务就完成了。这些指令的集合就称为程序。程序：指令的有序集合计算机执行该程序的过程：目标程序、分配地址、执行…30二、机器语言、汇编语言、高级语言1.机器语言：用二进制代码表示，能被计算机识别和执行的语言。用机器语言编写的程序称为目标程序。繁琐、不易记忆、易出错。2.汇编语言：用助记符表示的面向机器的程序设计语言。易记忆、易检查。用汇编语言编写的程序为源程序。源程序必须经过翻译加工变成目标程序才能被计算机所识别。3.高级语言：通用性强、便于人机对话。例：FORTRAN、BASIC、COBOL、C语言等。高级语言使用方便，但它们都必须有附加的软件支持，如解释程序、编译程序等。单片机的编程多使用汇编语言，它占内存少，运行速度快，适合于中小型，尤其适合于控制、智能化仪表等。31三、使用单片机解决实际问题需要掌握哪些内容1.了解单片微型计算机的硬件结构2.熟悉单片机的指令系统3.掌握编写程序的基本方法4.基本掌握单片机用户系统的设计方法5.学会用汇编软件编辑源程序并汇编6.学会用仿真器对用户系统的硬件、软件进行调试修改32四、介绍几个计算机的常用术语•位Bit：计算机所能表示的基本数据单元，最小的数据单位，即一位二进制数。•字Word：或称字长。计算机传送数据的基本单位。它是计算机数据总线的宽度（根数）。通常所说的8位机、16位机即是指字长。•字节Byte：8位二进制数称为一个字节。用B表示。常用的还有：1KB=210B：•1MB=220B;1GB=230B•1K字节=1024字节33•存储器：计算机用于存放程序和数据的部件，有了它计算机才有了记忆的功能，才能脱离人的操纵而自动工作。1.根据功能分类：内存储器：设在主机内部，用于存放当前运行所需要的程序或数据，其容量小速度快。外存储器：设在主机外部，用于存放大量的暂时不直接参与运算的程序和数据。其容量大、速度较前慢。2.根据工作方式分类：(1)RAM：读写存储器、随机存储器。可读、可写，掉电时丢失其原内容。一般用于程序运行过程中的数据存储，亦称数据存储器。(2)ROM：只读存储器，信息存入后只读不写，且掉电保存其原内容，一般用于存放固定的程序或常数。亦称程序存储器。34(3)EPROM：可擦除只读存储器。内容一经写入使用时也是只读不写，且掉电保存其原内容，一般也用作程序存储器。与ROM不同的是，当程序需要修改时，可用波长小于4000埃的光对其照射10分钟左右即可擦除原内容重新写入。例如可用紫外灯。(4)EEPROM：电可擦除只读存储器。实际上是一种掉电时内容不会丢失的读写存储器。3.存储器的编址：在微型机中，存储器通常按字节编址，每个存储单元存放一个字节数据，并有唯一的地址码。如下图所示：35地址寄存器地址译码器字节0字节1字节2N+1-1数据缓冲器地A0址A1总线AN数据总线36例如地址线有A0,A1…A7，共8根，N=7,则可寻址2N+1个存储单元，即28=256个单元。如果地址码A0,A1,…A7为00000001，则选中