单片机第1章(蓝底白字)

1、1 第第1 1章章 微型计算机基础微型计算机基础 1.1 计算机中的数制及相互转换计算机中的数制及相互转换 1.2 二进制数的运算二进制数的运算 1.3 带符号数的表示带符号数的表示 1.4 定点数和浮点数定点数和浮点数 1.5 BCD码和码和ASCII码码 1.6 微型计算机的组成及工作过程微型计算机的组成及工作过程 2 1.1 计算机中的数制及相互转换计算机中的数制及相互转换 1.1.1 进位计数制进位计数制 按进位原则进行计数的方法按进位原则进行计数的方法, 称为进位称为进位 计数制。计数制。十进制数有两个主要特点十进制数有两个主要特点: （1） 有有 10 个不同的数字符号个不同的数字

2、符号: 0、 1、 2、 、 9; （2） 低位向高位进位的规律是低位向高位进位的规律是“逢十逢十 进一进一”。 3 因此因此, 同一个数字符号在不同的数位同一个数字符号在不同的数位 所代表的数值是不同的。所代表的数值是不同的。 如如555.5中中 4 个个 5分别代表分别代表500、 50、 5 和和 0.5, 这个数可以写成这个数可以写成 555.5=5102+5101+5100+510-1 式中的式中的“10”称为十进制的称为十进制的 基数基数 10 、 、101、100、10-1称为各数位的称为各数位的 权权。 4 任意一个十进制数都可以表示任意一个十进制数都可以表示 成成按权展开的多

3、项式按权展开的多项式: 例如例如, 543.21可表示为可表示为 543.21= 5102+4101+3100 +2 10-1 +110-2 5 一般而言一般而言, 对于用对于用 R 进制进制表示的数表示的数 N , 可可 以以 按权展开为按权展开为 i n mi i m m n n n n RaRaRa RaRaRaN 1 1 1 0 0 2 2 1 1 . . 式中式中, ai 是是 0、1、 、 （R-1）中的任一个）中的任一个, m、 n 是正整数是正整数, R是基数。在是基数。在 R 进制中进制中, 每个数字所表每个数字所表 示的值是该数字与它相应的示的值是该数字与它相应的权权Ri的

4、乘积的乘积, 计数原则计数原则 是是“逢逢 R进一进一”。 6 7 1. 二进制数二进制数 当当 R=2 时时, 称为二进位计数制称为二进位计数制, 简称二进制。在二进简称二进制。在二进 制数中制数中, 只有两个不同数码只有两个不同数码: 0和和1, 进位规律为进位规律为“逢二进逢二进 一一”。 例如例如, 二进制数二进制数 1011.01 可按权展开为：可按权展开为： (1011.01)2 =123+ 022 +121 +120 +02-1+12-2 8 2. 八进制数八进制数 当当R=8 时时, 称为八进制。在八进制中称为八进制。在八进制中, 有有 0、 1、2、7 共共 8 个不同的数码

5、个不同的数码, 采用采用“逢八逢八 进一进一”的原则进行计数。的原则进行计数。如（如（503)8可表可表 示为示为(503)8=582+081+380 9 3. 十六进制十六进制 当当R=16时时, 称为十六进制。在十六进制中称为十六进制。在十六进制中, 有有 0、1、 2、 9、 A、B、C、D、E、F共共 16个不同的数码个不同的数码, 进位进位 方法是方法是“逢十六进一逢十六进一”。 例如例如, （3A8.0D）16可可 表 示 为表 示 为 :（ 3 A 8 . 0 D ) 1 6 = 3162+10161 +8160+016-1+ 1316-2 10 表表1.1 各种进位制的对应关系

6、各种进位制的对应关系 十进十进 制制 二进二进 制制 八进八进 制制 十六进十六进 制制 十进制十进制 二进二进 制制 八进八进 制制 十六进十六进 制制 000091001119 111110101012A 2102211101113B 3113312110014C 41004413110115D 51015514111016E 61106615111117F 71117716100002010 81000108 11 1.1.2 不同进制间的相互转换不同进制间的相互转换 12 1. 二、二、 八、八、 十六进制转换成十进制十六进制转换成十进制 ：按权展开法按权展开法 例例1:将数将数(10

7、.101) 2 , (46.12) 8 , (2D.A4)16转换为十进制。转换为十进制。 （10.101)2=121+020 +12-1+02-2+12-3=2.625 13 (46.12)8=481+680 +18-1+28-2 =38.156 25 (2D.A4)16=2161+13160 +1016-1+416-2 =45.640 62 14 2. 十进制数转换成二、八、十六进制数十进制数转换成二、八、十六进制数 任意十进制数任意十进制数 N 转换成转换成 R 进制进制 数数, 需需将将整数部分整数部分和和小数部分小数部分分开分开, 采用不同方法分别进行转换采用不同方法分别进行转换,

8、然后然后 用小数点将这两部分连接起来。用小数点将这两部分连接起来。 15 (1) 整数部分整数部分: 除基取余法除基取余法 分别用基数分别用基数 R 不断地去不断地去 除除 N 的整数的整数, 直到商为零为止直到商为零为止, 每次所得的余数依次排列即为每次所得的余数依次排列即为 相应进制的数码。最初得到的相应进制的数码。最初得到的 为最低有效数字为最低有效数字, 最后得到的最后得到的 为最高有效数字。为最高有效数字。 16 例例 2 将（将（168)10转换成二、转换成二、 八、八、 十六进制数十六进制数。 17 (2) 小数部分小数部分: 乘基取整法。乘基取整法。 分别用基数分别用基数 R(

9、R=2、8或或16）不断地去）不断地去 乘乘N 的小数的小数, 直到积的小数部分为零（或直直到积的小数部分为零（或直 到所要求的位数）为止到所要求的位数）为止, 每次乘得的整数依次每次乘得的整数依次 排列即为相应进制的数码。排列即为相应进制的数码。 最初得到的为最最初得到的为最 高有高有效数字效数字, 最后得到的为最低有效数字。最后得到的为最低有效数字。 18 故：故： (0.645)10=(0.10100)2=(0.51217)8=(0.A51EB)16 19 例例 4 将（将（168.645)10转换成二、转换成二、 八、八、 十六进制数。十六进制数。 根据例根据例2、例、例 3 可得可得

10、 （168.645)10= (10101000.10100)2 = (250.51217) 8 =(A8.A51EB)16 20 3. 二进制与八进制之间的相互转换二进制与八进制之间的相互转换 由于由于2 3 = 8, 故可采用 故可采用“合三为合三为 一一”、“一分为三一分为三”的原则。的原则。 从小数点开始往两边走，每三从小数点开始往两边走，每三 位二进制数对应一位八进制数。位二进制数对应一位八进制数。 21 例例 5 将（将（101011.01101)2转换为八进制数。转换为八进制数。 即（即（101011.01101)2= (53.32)8 101 011 . 011 010 5 3

11、. 3 2 22 例例 6 将将(123.45)8转换成二进制数。转换成二进制数。 1 2 3 . 4 5 001 010 011 . 100 101 即即 （123.45)8=(1010011.100101) 23 4. 二进制与二进制与16进制之间的相互转换进制之间的相互转换 由于由于24 = 16, 故可采用故可采用“合四为合四为 一一”、“一分为四一分为四”的原则。的原则。 从小数点开始往两边走，每四从小数点开始往两边走，每四 位二进制数对应一位位二进制数对应一位16进制数。进制数。 24 例例 7 将（将（110101.011)2转换为十六进制数。转换为十六进制数。 0011 010

12、1 . 0110 3 5 . 6 即即 （110101.011) 2=(35.6)16 25 例例 8 将（将（4A5B.6C)16转换为二进制数。转换为二进制数。 4 A 5 B . 6 C 0100 1010 0101 1011 . 0110 1100 即即 （4A5B.6C)16=(100101001011011.011011)2 26 1.2 二进制数的运算二进制数的运算 27 1.2.1 算术运算算术运算 二进制数只有二进制数只有 0和和1两个数字两个数字,其算术运算其算术运算 较为简单较为简单,加、加、 减法遵循减法遵循“逢二进一逢二进一”、“借借 一当二一当二”的原则。的原则。

13、1. 加法运算加法运算 规则规则: 0+0=0; 0+1=1; 1+0=1; 1+1=10(有进位有进位) 28 例例 1 求求1001B+1011B。 29 2. 减法运算减法运算 规则规则: 0-0=0; 1-1=0; 1-0=1; 0-1=1(有借位有借位) 例例 2 求求1100B-111B。 30 3. 乘法运算乘法运算 规则规则: 00=0; 01=10=0; 11=1 例例 3 求求1011B1101B。 31 4. 除法运算除法运算 规则规则: 0/1=0; 1/1=1 例例 4 求求10100101B/1111B 32 1.2.2 逻辑运算逻辑运算 1. “与与”运算运算 “

14、与与”运算是实现运算是实现“必须都有必须都有,否则就没有否则就没有”这种这种 逻辑关系的一种运算。逻辑关系的一种运算。 运算符为运算符为“ ”, 其运算规则如下其运算规则如下: 00=0, 01=10=0, 11=1 例例 5 若若X=1011B, Y=1001B, 求求XY。 1001 1001 1011 . 即即 XY=1001B 33 2. “或或”运算运算 “或或”运算是实现运算是实现“只要其中之一有只要其中之一有,就有就有”这种逻这种逻 辑关系的一种运算辑关系的一种运算, 其运算符为其运算符为“+”。 “或或”运算规则如运算规则如 下下: 0+0=0, 0+1=1+0=1, 1+1=

15、1 例例 6 若若X=10101B, Y=01101B, 求求X+Y。 10101 01101 11101 + 即即 X+Y=11101B 34 3. “非非”运算运算 “非非”运算是实现运算是实现“求反求反”这种逻这种逻 辑的一种运算，如变量辑的一种运算，如变量A的的“非非”运算运算 记作记作 。 其其运算规则如下运算规则如下: A 10, 01 例例 7 若若A=10101B, 求求 。 A BBA0101010101 35 4. “异或异或”运算运算 “异或异或”运算是实现运算是实现“相同为相同为0，相异为，相异为1”这种逻辑这种逻辑 的一种运算的一种运算, 运算符运算符为为“ ”。其运

16、算规则是其运算规则是: 011 , 101 , 110 , 000 例例 8 若若X=1010B, Y=0110B, 求求XY。 1010 0110 1100 即即 XY=1100B 36 1.3 带符号数的表示带符号数的表示 1.3.1 机器数及真值机器数及真值 计算机在数的运算中计算机在数的运算中, 不可避免地会遇到正数不可避免地会遇到正数 和负数和负数, 那么那么正负符号如何表示呢正负符号如何表示呢？由于计算机只？由于计算机只 能识别能识别0和和1, 因此因此, 我们将一个二进制数的我们将一个二进制数的最高位最高位 用作符号位用作符号位来表示这个数的正负。来表示这个数的正负。 规定符号位

17、用规定符号位用 “0”表示正表示正, 用用“1”表示负。例如表示负。例如, X=-1101010B, Y=+1101010B, 则则X表示为表示为: 11101010B, Y表示为表示为 01101010B。 37 一个二进制数连同符号一个二进制数连同符号 位在一起作为一个数，称为位在一起作为一个数，称为 “机器数机器数”，如，如11101010B。 而该机器数实际代表的而该机器数实际代表的 值，称为这个数的值，称为这个数的“真值真值”， 如如1101010B。 38 1.3.2 数的码制数的码制 39 1.3.2 数的码制数的码制 1. 原码原码 正数正数的符号位用的符号位用0表示表示, 负

18、数负数 的符号位用的符号位用1表示表示, 数值部分用真数值部分用真 值的绝对值来表示的二进制机器值的绝对值来表示的二进制机器 数称为原码数称为原码, 用用X原原表示。表示。 40 例如例如: +115和和-115在计算机中在计算机中 （设机器数的位数是（设机器数的位数是8）其）其 原码可分别表示为原码可分别表示为 +115原 原= 01110011B; -115原 原= 11110011B 41 +0原 原=00000000B -0原 原=10000000B 0和和0的原码不统一。的原码不统一。 8位二进制原码能表示的范围是位二进制原码能表示的范围是: -127+127。 42 2. 反码反码

19、 正数正数的反码和原码相同。的反码和原码相同。 负数负数的反码由的反码由 “原码的符号位原码的符号位 不变，其他位按位取反不变，其他位按位取反”形成形成 。 反码用反码用X反 反表示。 表示。 43 +0反 反=00000000B - 0反 反=11111111B 0和和0的反码也不统一。的反码也不统一。 8位二进制反码能表示的范围是位二进制反码能表示的范围是: -127+127。 44 3. 补码补码 “模模”是指一个计量系统的计数是指一个计量系统的计数量程量程。 如如, 时钟的模为时钟的模为12。任何有模的计量器任何有模的计量器, 均可均可 化减法为加法。化减法为加法。仍以时钟为例仍以时钟

20、为例, 设当前时钟指设当前时钟指 向向11点点, 而准确时间为而准确时间为1点点, 调整时间的方法有调整时间的方法有 两种两种, 一种是时钟倒拨一种是时钟倒拨10小时小时, 即即11-10=1; 另另 一种是时钟正拨一种是时钟正拨2小时小时, 即即11+3=12+1=1。 由由 此可见此可见, 在以在以12为模的系统中为模的系统中,减减10和加和加2的效的效 果是一样的果是一样的, 即即 -10 = +2（以（以12为模）为模） 45 对于对于n位计算机位计算机来说来说, 模为模为2n，数，数X的的 补码定义为补码定义为 ,2 , X X X n 补 02 )2(mod;20 1 1 X X

21、n nn 即即正数的补码就是它本身正数的补码就是它本身, 负数的补码是真值与模相负数的补码是真值与模相 加而得。加而得。 46 例如例如, n=8时时, +73补 补=01001001B -73补 补=1 0000 0000B- 0100 1001B=10110111B -0补 补 =1 0000 0000B - 0=1 0000 0000B(保留 保留8位位) +0补 补= -0补 补=00000000B 可见可见, 数数0的补码表示是唯一的。的补码表示是唯一的。 规定规定-128补 补=1000 0000B 47 由于做减法不方便由于做减法不方便,一般不用定义求补码。一般不用定义求补码。

22、负数补码的求法负数补码的求法:“符号位不变，其余符号位不变，其余 位取反，再加一位取反，再加一”, 即即: X补 补= X反 反+1。 。 例如例如: -30补 补= -30反 反+1 = 11100001 + 1 =11100010B。 8位二进制位二进制补码补码能能表示的范围表示的范围为为: -128 +127, 若超过此范围若超过此范围, 则为溢则为溢 出。出。 48 1.4 定点数和浮点数定点数和浮点数 1. 定点法定点法 定点法中约定所有数据的小数点隐含在某个固定位置。定点法中约定所有数据的小数点隐含在某个固定位置。 对于纯小数对于纯小数, 小数点固定在数符与小数点固定在数符与数值之

23、间数值之间; 对于整数对于整数, 则则 把小数点固定在数值部分的最后面把小数点固定在数值部分的最后面, 其格式为其格式为 纯小数表示纯小数表示: 数符数符. 尾数尾数 数数 符符尾尾 数数 .小数点小数点 数数 符符尾尾 数数 .小数点小数点 整数表示整数表示: 数符数符 尾数尾数 . 49 2. 浮点法浮点法 浮点法中浮点法中, 数据的小数点位置不是固定不变的数据的小数点位置不是固定不变的, 而是可而是可 浮动的。浮动的。 因此因此, 可将任意一个二进制数可将任意一个二进制数N表示成表示成 N=M2 E（类比 （类比10进制：进制：0.12310 456） ） 其中其中, M为尾数为尾数,

24、为纯二进制小数为纯二进制小数, E称为阶码。可见称为阶码。可见, 一个一个 浮点数有阶码和尾数两部分浮点数有阶码和尾数两部分, 且都带有表示正负的阶码符且都带有表示正负的阶码符 与数符与数符, 其格式为其格式为 阶阶 符符阶码阶码E数数 符符尾数尾数 50 如如 0.000101 表示为表示为: 2-30.101 尾数：小于尾数：小于 1 的小数，尾数的位数决定数的精度。的小数，尾数的位数决定数的精度。 阶码：表示指数部分，尾数的位数决定数的范围。阶码：表示指数部分，尾数的位数决定数的范围。 阶符：阶码的符号阶符：阶码的符号 数符：数的符号数符：数的符号 阶阶 符符阶码阶码数数 符符尾数尾数

25、51 设阶码设阶码 E的位数为的位数为m位位, 尾数尾数M的位数为的位数为n位位, 则浮点数则浮点数N的取值范围为的取值范围为 2-n2-（ （2m-1）|N|(1-2-n)22m-1 为了提高精度为了提高精度, 发挥尾数有效位的最大作用发挥尾数有效位的最大作用, 还规定尾数数字部分原码的最高位为还规定尾数数字部分原码的最高位为1, 叫做叫做规格规格 化表示法。化表示法。 如如0.000101表示为表示为: 2-30.101 52 1.5 BCD码和码和ASCII 码码 1.5.1 BCD码码 十进制数十进制数 8421BCD码码 十进制数十进制数 8421BCD码码 0000050101 1

26、000160110 2001070111 3001181000 4010091001 表表1.2 8421 BCD编码表编码表 53 例例 1 写出写出69.25的的BCD码。码。 根据表根据表 1.2, 可直接写出相应的可直接写出相应的BCD码码: 69.25 =（01101001.00100101）BCD 54 1.5.2 ASCII 编码编码 表表 1.3 ASCII 码码 表表 55 其他编码：其他编码： 格雷（循环）码：无权码。格雷（循环）码：无权码。 摩尔斯码（摩尔斯码（Morse Code）：）： SOS： 汉字码：内码，区位码汉字码：内码，区位码 56 1.6 微型计算机的组成

27、及工作过程微型计算机的组成及工作过程 计算机主要技术指标计算机主要技术指标 字长字长： CPUCPU并行处理二进制的数据位数并行处理二进制的数据位数 8 8位机、位机、1616位机、位机、3232位机和位机和6464位机。位机。 内存容量内存容量： 内存存储单元数内存存储单元数 容量单位：容量单位：1K=21K=210 10=1024 =1024，1M=21M=220 20=1KK =1KK 8K 8K、64K64K、16M16M、64M64M。 运算速度运算速度： CPUCPU处理速度处理速度 时钟频率、时钟频率、 主频、每秒运算次数主频、每秒运算次数 6MHz6MHz、12MHz12MHz

28、、24MHz24MHz、100MHz100MHz、300MHz300MHz 。 57 1.6.1 基本组成基本组成 CPU（运算器和控制器）（运算器和控制器） Memory（存储器）（存储器） I/O（输入设备和输出设备）（输入设备和输出设备） 外部设备外部设备 三总线结构的工作原理三总线结构的工作原理 58 1. 中央处理器中央处理器CPU CPU（Central Processing Unit）是计算机的核心部件）是计算机的核心部件, 它由它由 运算器运算器和和控制器控制器组成组成, 完成计算机的运算和控制功能。完成计算机的运算和控制功能。 运算器运算器又称算术逻辑部件（又称算术逻辑部件（

29、ALU, Aithmctieal Logic Unit）, 主要完成对数据的算术运算和逻辑运算。主要完成对数据的算术运算和逻辑运算。 控制器控制器（Controller）是整个计算机的指挥中心）是整个计算机的指挥中心, 它它 负责从内部存储器中取出指令并对指令进行分析、判断负责从内部存储器中取出指令并对指令进行分析、判断, 并根据指令发出控制信号并根据指令发出控制信号, 使计算机的有关部件及设备有使计算机的有关部件及设备有 条不紊地协调条不紊地协调工作工作, 保证计算机能自动、连续地运行。保证计算机能自动、连续地运行。 59 C P U 中 还 包 括 若 干中 还 包 括 若 干寄 存 器寄

30、 存 器 （Register）, 它们的作用是存放运算它们的作用是存放运算 过程中的各种数据、地址或其它信息。寄过程中的各种数据、地址或其它信息。寄 存器种类很多存器种类很多, 主要有主要有: 通用寄存器通用寄存器: 向向 ALU提供运算数据提供运算数据, 或或 保留运算中间或最终的结果。保留运算中间或最终的结果。 累加器累加器A: 这是一个使用相对频繁的特这是一个使用相对频繁的特 殊的通用寄存器殊的通用寄存器, 有重复累加数据的功能。有重复累加数据的功能。 60 寄存器（寄存器（Register）还有：）还有： 程序计数器程序计数器PC: 存放将要执行存放将要执行 的指令地址。的指令地址。

31、指令存储器指令存储器IR: 存放根据存放根据PC 的的 内容从程序存储器（内容从程序存储器（ROM）中取）中取 出的指令。出的指令。 61 2. 存储器存储器Memory 存储器（存储器（Memory）是具有记忆功能的部件）是具有记忆功能的部件, 用来存用来存 储数据和程序。储数据和程序。 数据存储器数据存储器（RAM）：）：SRAM、DRAM、nvRAM 程序存储器程序存储器（ROM）：掩模）：掩模ROM、 EPROM（电可编程光可擦）、（电可编程光可擦）、 EEPROM （电可编程电可擦）（电可编程电可擦） 、FLASH等等 内存储器：内存储器： 外存储器外存储器： 62 3. 输入输入/

32、输出接口（输出接口（I/O接口）接口） 输入输入/输出（输出（I/O）接口由大规模集成电路）接口由大规模集成电路 组成的组成的I/O器件构成器件构成, 用来连接主机和相应的用来连接主机和相应的 I/O设备（如设备（如: 键盘、键盘、 鼠标、显示器、鼠标、显示器、 打印机打印机 等）等）, 使得这些设备和主机之间传送的数据、使得这些设备和主机之间传送的数据、 信息信息在形式上和速度上都能匹配。不同的在形式上和速度上都能匹配。不同的I/O 设备必须配置与其相适应的设备必须配置与其相适应的I/O接口。接口。 63 4. 总线总线 总线（总线（BUS）是计算机各部件之间传送信息的）是计算机各部件之间传送信息的 公共通道。公共通道。 微机中有内部总线和外部总线两类。内部总线微机中有内部总线和外部总线两类。内部总线 是是CPU内部之间的连线。外部总线是指内部之间的连线。外部总线是指CPU与其与其 它部件之间的