单片机课件清华第0章__计算机的基础知识

第0章 计算机的基础知识 单片机原理、接口及应用单片机原理、接口及应用 第0章 计算机的基础知识 内 容 提 要 微型计算机的基本结构和工作原理 计算机中的数制与码制 小结 第0章 计算机的基础知识 0.1.1 微机的系统结构 微机系统 软件 硬件 主 机 外围设备 微处理器 （CPU） 运算器 控制器 寄存器 存储器 （内存） RAM ROM 输入/输出接口 （I/O接口） 并行、串行接口 定时器、A/D、D/A 总线 系统软件 应用软件 程序设计语言 外部设备 辅助设备 输入设备 输出设备 辅助存储器 电源电路 时钟电路 第0章 计算机的基础知识 CPU是计算机的控制核心，它的功能是执行指令，完成 算数运算、逻辑运算，并对整机进行控制。 存储器用于存储程序和数据。 输入/输出接口（又称I/O接口）是CPU和外设之间相连 的逻辑电路，外设必须通过接口才能和CPU相连。不同的 外设所用接口不同。每个I/O接口也有一个地址，CPU通过 对不同的I/O接口进行操作来完成对外设的操作。 存储器、I/O接口和CPU之间通过总线相连。 用于传送程序或数据的总线称为数据总线；地址总线 用于传送地址，以识别不同的存储单元或I/O接口；控制 总线用于控制数据总线上数据流送的方向、对象等。 第0章 计算机的基础知识 0.1.2 微机的基本工作原理 存储程序、执行程序是微机的工作原理，取指令，译 码，执行是微机的基本工作过程。 单片机是微型计算机的一种，是将计算机主机（CPU、 存储器和I/O接口）集成在一小块硅片上的微机，又称微 控制器。它专为工业测量与设计而设计，具有三高优势（ 集成度高、可靠性高、性价比高），他的特点是小而全( 体积小，功能全），主要应用于工业检测与控制、计算机 外设、智能仪器、仪表、通信设备、家用电器等，特别适 合于嵌入式微型机应用系统。 第0章 计算机的基础知识 0.1.3 微机的主要技术指标 微型计算机主要有如下一些技术指标： l字长：CPU并行处理数据位，由此定为8位机、16位机 、32位机等。 l存储容量：存储器单元数，例如256B、8KB、1MB等（ 1B即一个字节，也就是一个8位二进制数，是计算机数据 的基本单位）。 l运算速度：CPU处理速度，它和内部的工艺结构以及外 接的时钟频率有关。 l时钟频率：在CPU极限频率以下，时钟频率越高，执行 指令速度越快，对单片机而言，有6MHz、12MHz、 24MHz等。 第0章 计算机的基础知识 0.2.1 计算机中的数 计算机中的数字电路具有两种不同的稳定状态且能相 互转换，即“0”和“1”两种状态。计算机处理的一切 信息均用二进制数表示，但是二进制数书写起来太长， 所以微型计算机中的二进制数都采用十六进制来缩写。 十六进制数用09、AF等16个数码表示十进制数0 15。 为了区别十进制数、二进制数及十六进制数3种数制， 在数的后面加一个字母以进行区别。用B（binary）表示 二进制数制；D（decimal）或不带字母表示十进制数制 ；H（hexadecimal）表示十六进制数制。 第0章 计算机的基础知识 表0-1 不同进位记数制对照表 第0章 计算机的基础知识 l二进制数和十六进制数间的相互转换 将二进制数从右（最低位）向左每4位为1组分组，若 最后一组不足4位，则在其左边添加0，以凑成4位，每组 用1位十六进制数表示。如： 1111111000111B1 1111 1100 0111B 0001 1111 1100 0111B1FC7H 十六进制数转换位二进制数，只需用4位二进制数代替1 位十六进制数即可。 如：3AB9H=0011 1010 1011 1001B 第0章 计算机的基础知识 l十六进制数和十进制数间的相互转换 将十六进制数按权展开相加，如： 1F3DH=163116215161316013 =4096125615163113 =409638404813=7997 十进制整数转换为十六进制数可用出16取余法，即 用16不断地去除待转换的十进制数，直至商等于0为 止。将所得的各次余数，依倒叙排列，即可得到所转 换的十六进制数。如将38947转换为十六进制数，其方 法及算式如下： 即38947=9823H 第0章 计算机的基础知识 0.2.2 计算机中数的几个概念 1.机器数与真值 l机器数：机器中数的表示形式，它将数的正、负符号和数 值部分一起进行二进制编码，其位数通常为8的整数倍。 l真值：机器数所代表的实际数值的正负和大小，是人们习 惯表示的数。 2。数的单位 l位（bit）：一个二进制数中的1位，其值不是1便是0。 l字节（Byte）：一个字节，就是一个8位的二进制数。 l字（Word）：两个字节，就是一个16位的二进制数。 l双字：两个字，即四个字节，一个32位二进制数。 只有8位、16位或32位机器数的最高位才是符号位。 第0章 计算机的基础知识 0.2.3 计算机中的有符号数的表示 有符号数有原码、反码和补码三种表示法。 1.原码 数值部分用其绝对值，正数的符号位用“0”表示，负数 的符号位用“1”表示。如： X1=5=+00000101B X1原=00000101B X2=-5=-00000101B X2原=10000101B 符号位 第0章 计算机的基础知识 8位原码数的范围为FFH7FH（-127127）。原码数 00H和80H的数值部分相同、符号位相反，它们分别为 +0和-0。16位原码数的数值范围为FFFFH7FFFH（- 3276732767）。原码数0000H和8000H的数值部分相 同、符号位相反，它们分别为+0和-0。 原码表示简单易懂，而且与真值的转换方便。但若是 两个异号数相加，或两个同号数相减，就要做减法。 为了把减运算转换为加运算，从而简化计算机的结构 ，就引进了反码和补码。 第0章 计算机的基础知识 （2）反码 正数的反码与原码相同；负数反码：符号位不 变，数值部 分按位取反。 例 求8位反码机器数： x1= +4 x1原= 00000100B x1反= 00000100B04H x2= -4 x2原= 10000100B x2反= 11111011B = FBH 取反 第0章 计算机的基础知识 (3)补码 正数的补码与原码相同；负数补码为其反码加1。 例：求 8位补码机器数： x1=+4： x1原=x1反=x1补= 00000100=04H x2= - 4： x2原 = 10000100 x2反 = 11111011 x2补 = x2 反+1= 1111100=FCH 8位补码数的数值范围为-128127（80H7FH）。16位补 码数的数值范围为8000H7FFFH（-3276832767）。字 节80H和字8000H的真值分别是-128(-80H)和-32768(-8000H) 。补码数80H和8000H的最高位既代表了符号为负,又代表 了数值为1。 第0章 计算机的基础知识 快速求法：将负数原码的最前面的1和最后一个1之间的每一位 取反。例如 x=-4： x原 = 10000100 x补 = 11111100=FCH取反 两数互补是针对一定的“模”而言，“模”即计数系统的过量程回 零值，例如时钟以12为模（12点也称0点），4和8互补，一位十 进制数3和7互补（因为3710，个位回零，模为10110）， 两位十进制数35和65互补（因为3567100，十进制数两位回 零，模为102100），而对于8位二进制数，模为28 100000000B=100H,同理16位二进制数，模为21610000H由此 得出求补的通用方法：一个数的补数模该数，这里补数是 对任意的数而言，包括正、负数。而补码是针对符号机器数而 言。 取反 第0章 计算机的基础知识 设有原码机器数X, X0, X补=X原 当 X0， X补= 模-X 例如对于八位二进制数： x1=+4： x1补= 00000100=04H； x2= - 4： x2补 = 100H-4=FCH 对于16二进制位数： x2=+4： x2补= 0004H； x2= -4： x2补 = 10000H-4=FFFCH 第0章 计算机的基础知识 几点说明： 根据两数互为补的原理，对补码求补码就可以得到其 原码，将原码的符号位变为正、负号，即是它的真值 例如求补码数FAH的真值 。因为FAH为负数求补码 FAH补86H=-6 例如求补码数78H的真值 。因为78H为正数求补码 78H补78H=+120 一个用补码表示的机器数，若最高位为0，则其余几 位即为此数的绝对值；若最高位为1，其余几位不是 此数的绝对值，必须把该数求补（按位取反（包括符 号位）加1），才得到它的绝对值。如：X=-15 -15补 F1H11110001B 求补得00001110100001111B=15 第0章 计算机的基础知识 当数采用补码表示时，就可以把减法转换为加法。 例1：64-10=64+(-10)=54 64补=40H=0100 0000B 10补=0AH=0000 1010B -10补=1111 0110B 做减法运算过程： 用补码相加过程 结果相同，其真值为36H（=54）。由于数的八位限制，最高位的进 位是自然丢失的（再计算机中。进位被存放在进位标志CY中的。） 用补码表示后，减法均可以用补码相加完成。因此，在微机中，凡 是符号数一律是用补码表示的。用加法器完成加、减运算，用加法 器和移位寄存器完成乘、除运算，简化计算机硬件结构。 第0章 计算机的基础知识 例2: 34-68=34+(-68)-34 34=22H=0010 0010B 68=44H=0100 0100B -68补=1011 1100B 做减运算过程： 用补码相加过程： 结果相同。因为符号位为1，对其求补，得其真值：-00100010B，即 为-34（-22H）。 由上面两个例子还可以看出， 1)用补码相加完成两数相减，相减若无借位，化为补码相加就会有进 位；相减若有借位，化作补码相加就不会有进位。 2)补码运算后的结果为补码，需再次求补才能得到运算结果的真值。 第0章 计算机的基础知识 0.2.4 进位和溢出 例3 10550155 10569H 5032H 若把结果视为无符号数，为155，结果是正确的。若将此结果视为 符号数，其符号位为1，结果为-101，这显然是错误的。其原因是和数 155大于8位符号数所能表示的补码数的最大值127，使数值部分占据 了符号位的位置，产生了溢出，从而导致结果错误。又如： -105-50=-155 CY=1 两个负数相加，和应为负数，而结果01100101B却为正数，这显然是 错误的。其原因是和数-155小于8位符号数所能表示的补码数的最小值 -128，也产生了溢出。 结论：当两个补码数相加结果超出补码表示范围，就会产生溢出，导 致结果错误。 计算机中设立了溢出标志位OV，通过最高位的进位（符号位的进位 ）CY和次高位进位（低位向符号位的进位）CY-1异或产生。 第0章 计算机的基础知识 例4 74744AH+4AH 0 1 0 0 1 0 1 0 0 01 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 CY CY-1=0 1=1有溢出 OV1 CY CY-1 无进位 CY=0 由上两例中，例3的 OV=1、CY=1,例4中OV=1、CY=0，可见溢 出和进位并非有必然的联系，这是由于两者产生的原因是不同的 ，两者判断的方法也是是不同的。重述如下： 溢出OV：两个补码数相加结果超出补码表示范围而产生，OV= CY CY-1 进位CY: 当运算结果超出计算机位数的限制（8位、16位），会 产生进位，它是由最高位计算产生的,在加法中表现为进位，在减 法中表现为借位。 第0章 计算机的基础知识 0.2.5 BCD码 生活中人们习惯于十进制数，计算机只能识别二进制 数，为了将十进制数变为二进制数，出现了BCD码，即二 进制代码表示的十进制数。故名思意，它即是逢十进一， 又是一组二进制代码。用4位二进制数编码表示1位十进制 数称为压缩的BCD码，8位二进制数可以放2个十进制数位 。也可以用8位二进制数表示1个十进制数位，这种BCD码 称为非压缩的BCD码。十进制数和BCD码的对照表见表0-2 第0章 计算机的基础知识 表0-2 BCD编码表 第0章 计算机的基础知识 例：求十进制数876的BCD码 压缩的BCD码 ： 876BCD = 1000 0111 0110B=876H 非压缩的BCD码： 876BCD=00001000 00000111 00000110B080706H 又如,十进制数1994的压缩的BCD码1944H 1994的非压缩的BCD码01090404H 第0章 计算机的基础知识 0.2.6 BCD码的运算 BCD码运算应该得到BCD码结果，由于计算机是按二进制运算，结 果不为BCD码，因此要进行十进制调整。调整方法为：当计算结果有非 BCD码或产生进位/借位时，加法进行 +6、减法进行 -6 调整运算。 例：计算BCD码 78+69=？ 0111 1000 78H + 0110 1001 + 69H 1110 0001 E1H不调整，结果为二进制 + 0110 0110 + 66H调整， 高4位产生非BCD码+6，和低4位有半 进位+6 1 0100 0111 147 调整结果：147 （带进位一起）为十进制结果 第0章 计算机的基础知识 例：计算BCD码 38-29=？ 0011 1000 38H - 0010 1001 - 29H 0000 1111 0FH - 0000 0110 - 06 低4位有半借位-6调整 高4位未产生非 BCD且无借位不调整 0000 1001 9 结果：9 在计算机中，有专门的调整指令完成调整操作。 第0章 计算机的基础知识 0.2.7 ASCII码 表-3 常用字符的ASCII码） 美国标准信息交换码ASCII码， 用8位二进制编码表示字符，用于 计算机与计算机、计算机与外设 之间传递信息，每一个符号都有 对应的ASCII码，常用数字和字母 ASCII码如表1-所