第1章通信原理

1、第第1 1章章 概概 述述概述概述1.1 计算机的数制及其转换计算机的数制及其转换 1.2 计算机中数与字符的编码计算机中数与字符的编码 1.3 微型计算机系统组成微型计算机系统组成 1.4 微型计算机的性能指标及分类微型计算机的性能指标及分类作业作业 电子技术课程体系：电子硬件数字电子技术模拟电子技术高频电子线路微机原理单片机、ARM、DSP等需要软件控制与计算机专业的不同：电子、通信、自动化：以电子硬件为核心、底层软件为控制计算机：以上层软件为中心，不重视硬件如何工作前言前言一个典型的家居远程监视系统此系统通过电脑控制的数码照相机自动拍摄进出房间的人物，然后通过网络发送到监控手机上。电子：

2、电脑、手机、照相机软硬件系统通信：相机到电脑、到网络、到手机的通信接口软硬件自动化：此系统的实现过程就是家居自动化的一种应用可见，信息类各专业都必须学习微机原理1、掌握计算机硬件设计能力，2、相应的硬件控制软件的设计能力，3、为进一步学习嵌入式计算机系统打下基础。本课程的知识分为3大部分：1、INTEL8086 PC机硬件；2、INTEL的汇编语言；3、计算机接口硬件及其软件控制。计算机的发展计算机的发展 1945年，美国宾夕法尼亚大学研制的ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数字积分器和计算机)是世界上第一台电子计算机。

3、ENIAC计算机共用18 000多个电子管，1500个继电器，重达30吨，占地170平方米，耗电140 kW，每秒钟能进行5000次加法计算。 同年，冯诺依曼(Von Neumann) 研制了EDVAC计算机，该计算机采用了存储程序方案，其后开发的计算机都采用这种方式，称为冯诺依曼计算机。 目前的计算机基本是基于冯诺依曼计算机的模型和原理研制的。 一般把电子计算机的发展分成四个阶段。 第一代：电子管计算机时代(从1946年第一台计算机研制成功到20世纪50年代后期)。 第二代：晶体管计算机时代(从20世纪50年代中期到60年代后期)。计算机的主要器件改为晶体管，因而缩小了体积，降低了功耗，提高

4、了速度和可靠性，而且价格不断下降。但是这些晶体管都是分立元器件。 第三代：集成电路计算机时代(从20世纪60年代中期到70年代前期)。功耗、体积、价格等进一步下降，而速度及可靠性相应地提高。 第四代：大规模集成电路计算机时代。20世纪70年代初，半导体存储器问世，迅速取代了磁芯存储器，并不断向大容量、高速度发展。 此后，存储器芯片集成度、性能大体上每18个月翻一番，这就是著名的摩尔定律。1.1 计算机中的数制及其转换计算机中的数制及其转换计算机内部的信息分为：控制信息和数据信息。控制信息：一系列的控制命令，即程序指令；数据信息：可分为数值数据和非数值数据。计算机内所有信息均使用基2码(基于2进

5、制的编码)来编码。为便于阅读及书写，常常用八进制/十六进制计数来表示二进制计数。 1.1.1 数与数制数与数制进位计数制是一种计数的方法。例如：六十进制(1小时=60分，1分=60秒) 十二进制(1英尺=12英寸，1年=12月)1、计算机使用的是二进制，人类使用的是十进制。2、由于二进制书写表示不方便，人们常常用十六进制来表示二进制数。 基于以上原因，必须要学习二、十、十六进制之间的转换方法。u十进制数的特点是“逢十进一，借一当十”，需要用到的数字符号为10个，分别是09。u二进制数的特点是“逢二进一，借一当二”，需要用到的数字符号为2个，分别是0、1。u十六进制数的特点是“逢十六进一，借一当

6、十六”，需要用到的数字符号为16个，分别是09、AF。 任意一个十进制数可以用位权位权表示，位权就是某个固定位置上的计数单位。在十进制数中，个位的位权为100，十位的位权为101，百位的位权为102，千位的位权为103，而在小数点后第一位上的位权为10-1，小数点后第二位的位权为10-2等等。(234.13)10=2102+3101+4100+1101+3102 任意一个二进制数和十六进制数也可用位权表示。例如：l利用位权即可实现任意进制到十进制的转换！思考：4小时5分钟6秒=多少秒？l十进制到任意进制的转换方法此式可分为整数部分和纯小数部分，即：2101210103101104103102)

7、13.234(2101210310113. 0104103102234410310210/23410410310223401012，余数（1）整数部分的处理把整数部分除以10，取余数：把商再除以10：310210/230，余数把商再除以10：2010/2，余数这种方法称为除10取余法。利用除10取余法可以把一个整数在十进制的范围里把各位分离出来。此时商为0，结束同理，利用除N取余法可以把一个整数在N进制的范围里把各位分离出来，即十进制到N进制的转换方法。【例1-1】 将十进制数97转换成二进制数。其过程如下：(97)10 =(A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0)2=(1100001)2

8、即A0=1 即A1=0 即A2=0 即A3=0 即A4=0 即A5=1 即A6=1 结束 2 97 余数为1, 2 48 余数为0， 2 24 余数为0， 2 12 余数为0， 2 6 余数为0， 2 3 余数为1， 2 1 余数为1， 商为 0 余数为0， 注意：第一次得到的余数为二进制数的最低位，最后得到的余数为二进制数的最高位。【例 1-7】 将十进制数 97 转换成十六进制数。其过程如下： 即 A0=1 即 A1=6 结束 最后结果为 (97)10 = (A2 A1 A0)16 = (61)16 16 97 16 6 商为 0 余数为 1, 余数为 6， 余数为 0, 第一次得到的余数

9、为十六进制数的最低位，最后得到的余数为十六进制数的最高位。（2）小数部分的处理把小数部分乘以10，取整数：2110310113. 011031011013. 010，整数把剩下的小数部分再乘以10，取整数：3103103 . 00，整数这种方法称为乘10取整法。利用乘10取整法可以把一个小数在十进制的范围里把各位分离出来。剩下的小数部分为0，结束同理，利用乘N取整法可以把一个纯小数在N进制的范围里把各位分离出来，即十进制到N进制的转换方法。【例1-2】将十进制小数0.6875转换成二进制小数。其过程如下： 0.6875 2 1.3750整数部分为1，即A1=1 0.3750余下的小数部分 2

10、0.7500整数部分为0，即A2=0 0.7500余下的小数部分 2 1.5000整数部分为1，即A3=1 0.5000余下的小数部分 2 1.0000整数部分为1，即A4=1 0.0000余下的小数部分为0，结束 (0.6875)10=(0.1011)2【例 1-8】 将十进制小数 0.6875 转换成十六进制小数。其过程如下： 0.6 8 75 16 1 1. 000 0 整数部分为 11，即 A1=B 0. 0000 余下的小数部分为 0，结束 最后结果为 (0.6875)10 = (0.A1)16 = (0.B)16 为了将一个既有整数又有小数部分的十进制数转换成N进制数，可以将其整数

11、部分和小数部分分别进行转换，然后再组合起来。例如把97.6875转换成对应二进制数的过程如下： (97)10 = (1100001)2 (0.6875)10 = (0.1011)2 由此可得: (97.6875)10 = (1100001.1011)2 因为24=16，所以每四位二进制数对应一位十六进制。得熟练记牢二进制与十六进制的对应关系，如表1-1。l二进制与十六进制的转换方法表表1-1十、二、十六进制数码的对应关系十、二、十六进制数码的对应关系 二进制数转换成十六进制数方法：从小数点所在位置分别向左、向右每四位一组进行划分。若小数点左侧的位数不是4的整数倍，在数的最左侧补零；若小数点右侧

12、的位数不是4的整数倍，在数的最右侧补零。然后参照表1-1，将每四位二进制数转换成对应的一位十六进制数，排列后即为二进制数对应的十六进制数。0001 1110.11001E.C所以所以(11110.11)2 = (1E.C)16 【例1-12】 直接将二进制11110.11转换成十六进制数。其过程如下： 十六进制数转换二进制数方法：参照表1-1，将每一位十六进制数转换成对应的四位二进制数，排列后即为十六进制数对应的二进制数。【例1-13】 直接将十六进制数EF.C转换成二进制数。其过程如下： EF .C11101111.1100所以所以(EF.C)16 = (11101111.11)2 计算机内

13、部虽然使用二进制，但与人进行交互的时候可以使用其他数制（例如编程时可以用十进制给变量赋值）。 规定在数字后面跟一个英文字母来表示该数的数制： 十进制数D(Decimal)二进制数B(Binary) 八进制数O(Octal) 十六进制数H(Hexadecimal) 由于字母O容易和零误会，所以也可用Q来表示八进制数。另外，在计算机操作中一般默认使用十进制数，所以十进制数可以不标进制。 无论采用何种数制输入数值，计算机均会自动把它们转换为二进制再进行处理。 例如，25D=11001B=19H=31Q，0.5D=0.1B=0.8H=0.4Q，不分大小写。十六进制数主要用来简化二进制数的书写，使用十六

14、进制数表示的二进制数较短，便于记忆。 目前所有字节均由8位二进制组成，刚好可以用两个十六进制数来表示，所以必须十分熟悉二进制数与十六进制数的对应关系。1.2 计算机中数与字符的编码计算机中数与字符的编码1.2.1 数值数据的编码及其运算数值数据的编码及其运算 1. 二进制数的编码及运算二进制数的编码及运算 数据的正负号可以用一位二进制的“0”和“1”两个状态来表示。常用的编码有原码、反码和补码。由于补码编码有许多优点，因此大多数微机数字与字符采用补码进行编码。机器数与机器数的真值机器数：二进制数值数据在计算机内部的编码。真值：机器数所代表的实际值。一般机器数的最高有效位用来表示数的正负号，“0

15、”表示正数，“1”表示负数。例如：一、1、I、one是不同国家对真值“1”的编码方法1) 二进制数原码编码方法设真值为X，字长为n位当X0时，X原的最高位填0，其余n1位填X的各数值位的位值。当X0时，X原的最高位填1，其余n1位填X的各数值位的位值。例如，n=8时，+0原=0 0000000，+1原=0 0000001，+127原=0 1111111。0 原=1 0000000，1原=1 0000001，127 原=1 1111111。注意：在原码的表示中，真值0的原码可表示为+0和-02) 二进制数反码编码方法设真值为X，字长为n位当X0时，二进制反码就是其原码。 例如，n=8时，+0反=

16、0 0000000，+1反=0 0000001，+127反=0 1111111。 当X0时，二进制反码就是机器数符号位保持不变，其余按位取反。 例如，n=8时，0 反=11111111， 1 反=1 1111110，127 反=1 0000000。在反码的表示中，真值0的反码也可表示为+0和0。3) 二进制数补码编码方法设真值为X，字长为n位当X0时，二进制补码就是其原码。例如，n=8时，+0补=0 0000000， +1补=0 0000001，+127补=0 1111111。 当X0时，二进制负数的补码就是机器数符号位保持不变，其余位取反码后末位加1。例如，n=8时，0 补=0 000000

17、0，1补=1 1111111，127 补=1 0000001。 注意：注意： 在补码表示法中，0只有一种表示，即000000。 在原码和反码里，0和0是不同的，出现0不等于0的情况，这是不允许的。 对于10000000这个补码，其真值被定义为128。 【例【例1-14】 机器字长n=8位，X=+48D，求X补。 首先将+48D转换为二进制数：+110000B。 符号位+48补 = 0 0110000B +48补 = 30H00110000 【例1-15】 机器字长n=8位，X= - 48D，求X补。 首先将48D转换为二进制数：110000B。原码：反码：补码：48补 = 1 1010000B

18、 48补 = 0D0H101100001100111111010000 【例1-16】 机器字长n=16位，X=+48D，求X补 +48D转换为二进制数：+110000B。 符号位+48补 = 0 000 0000 0011 0000B +48补 = 0030H0000000000110000 【例【例1-17】 机器字长n=16位，X=48D ，求X补。 48D转换为二进制数：110000B。原码：反码：补码：48补 = 1 111 1111 1101 0000B 48补 = 0FFD0H100000000011000011111111110011111111111111010000 注意：

19、在汇编语言中，为了区别指令码和数据，规定以AF开始的数据前面加零。 由此可看出，补码数要扩展时，正数是在符号的前面补0，负数是在符号的前面补1。也就是说，补码数扩展实际上是符号扩展。 已知补码求真值的方法是：当机器数的最高位(符号位)为0时，表示真值是正数，其值等于其余n1位的值；当机器数的最高位(符号位)为1时，表示真值是负数，其值等于其余n1位按位取反后末位加1的值。例如：若X补 = 0 1111111B，则X =+1111111B=+127D 若X补 = 1 1111111，则X =(0000000B+1B) =1D 若X补 = 1 0000000，则X =(1111111B+1B) =

20、128D补码十进制真值0 11111110 11111100 00000100 00000010 00000001 11111111 11111101 00000101 00000011 0000000+127+126+2+1012126127128表1.2相邻数的补码之间相差1，而127与128之间也是相差1，组成一个循环。4) 二进制数补码的运算补码的运算规则是：X+Y补 = X补 + Y补XY补 = X补 + Y补 已知Y补，求Y补的方法是将Y补各位按位取反(包括符号位在内)末位加1。 【例1-18】 设 X1= + 12 X2 =12 Y1 = + 5 Y2 =5则X1补 = 0000

21、1100X2补 = 11110100Y1补 = 00000101Y2补 = 11111011 计算X1 + Y1 + 0001100 X1 0 0001100 X1补+) + 0000101 Y1 +) 0 0000101 Y1补 + 0010001 X1+Y1 0 0010001 X1补+Y1补 计算X1Y1 + 0001100X10 0001100X1补) + 0000101Y1 +) 1 1111011Y1补 + 0000111X1Y1 10 0000111X1补+Y1补自然丢失 计算X2 + Y2 0001100 X2 1 1110100 X2补+) 0000101 Y2+) 1 11

22、11011 Y2补 0010001 X2+Y2 11 1101111 X2补+Y2补自然丢失 计算X2 - Y2 0001100X21 1110100X2补) 0000101Y2 +) 0 0000101Y2补 0000111X2 - Y2 1 1111001X2补+Y2补计算机引入补码编码的几个优点： (1) 减法转化成加法，简化运算器硬件电路的设计。 (2) 运算时，符号位与数值位同等对待，都按二进制数参加运算，符号位产生的进位丢掉不管，其结果是正确的。这大大简化了运算规则。补码运算公式成立的前提条件： 运算结果不能超出机器数所能表示的范围，否则运算结果不正确，按“溢出”处理。 例如，设机

23、器字长为8位，则128N+127 + 640 1000000+) + 65+)0 1000001 +1291 0000001 127错误原因：(+64)+(+65)= +129+127，超出8位字长所能表示的最大值，产生了“溢出” 。 再如，计算(125)+(10) 1251 0000011+) 10+)1 1110110 135 10 1111001 +121错误原因：(125)+(10)= 135128，超出8位字长所能表示的最小值，产生了“溢出” 。正数正数负数负数正数负数要检查符号位有没有改变无需检查“溢出”检查方法：CPU在运算结束后会检查并记录下是否“溢出”思考：以上两个溢出例子，

24、错误结果与正确答案之间存在什么关系，为什么？参考表1.22. 无符号整数的编码及运算规则无符号整数的编码及运算规则 假设机器字长为n位，则有符号整数的编码可表示为符号位 数值位1位 n1位无符号整数的编码可表示为 数值位n位 无符号整数的表示范围是：0N2n1。 1 0 0 0 1 0 1 0 +) 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1可以把它看作是两个无符号整数相加：也可以把它看作是两个有符号整数相加： 1 3 8+) 7 0 1 4 5 1 1 8+) 7 1 1 1计算机只会二进制运算，有、无符号只是人为的一种规定，对于计算机而言是不会区分的，总是按照补码的运算

25、规则做运算。例如： 3. 十进制数的编码及运算十进制数的编码及运算 人们在日常生活中习惯使用十进制数，而计算机则采用二进制表示和处理数据。因此，计算机在输入和输出数据时，要进行十二和二十的进制数转换。 但在某些时候，可以在计算机内部直接用十进制表示和处理数据。这种编码实质上是二进制编码的十进制数(Binary Coded Decimal)，因此，简称BCD码或二十进制码。十进制数码01234567898421码0000000100100011010001010110011110001001 十进制数的编码最常见的是8421码。 【例1-19】 将十进制数67.9转换成BCD码。其过程如下： 6

26、7.9 01100111.1001所以(67.9)10=(01100111.0111)BCD 【例1-20】 将BCD码10010110.0110转换成十进制数，其过程如下：1001 0110.011096.6所以(10010110.0110)BCD=(96.6)10BCD码相加的运算规则：和等于或小于1001(即9H) 不需要修正和在10101111(即AF)之间相加时本位产生了进位(即大于F)原因：计算机仍然按二进制进行运算，4位二进制数相加，按“逢十六进一”的原则进行运算。但2个十进制数相加，应该按“逢十进一”的原则相加，16与10相差6，所以当和超过9时，都需要加6修正。即相加之和大于

27、9时需加6H进行修正【例1-21】 计算BCD码1 + 8的值 0 0 0 1+) 1 0 0 0 1 0 0 1结果是1001，即十进制数9，1 + 8 = 9正确。【例1-22】 需要修正BCD码运算值的举例。 计算5 + 7的值。 0 1 0 1+) 0 1 1 1 1 1 0 0 结果大于9 +) 0 1 1 0 加6修正 1 0 0 1 0结果是0010，即十进制数2，还产生了进位 5+) 7 1 2代表10代表16 计算9 + 9的值。 1 0 0 1+) 1 0 0 1 1 0 0 1 0+) 0 1 1 0 1 1 0 0 0 结果是1000，即十进制的8，还产生进位 9+)

28、9 1 8代表10代表16两个BCD码相减，其修正规则为：（1）如果差等于或小于1001(即无借位时)，不需修正（2）如果相减时本位产生了借位，则应减6H修正 原因是：如果有借位，机器将这个借位当十六看待，而实际上应该当十看待，因此，应该将多借的6减去才是BCD码的正确结果值。【例【例1-23】 需要修正BCD码运算值的举例。 计算9-7的值。 1 0 0 1) 0 1 1 1 0 0 1 0结果值是0010，即十进制数2。97 = 2，结论正确。 计算7-9的值。 发生借位 1 0 1 1 1) 1 0 0 1 1 1 1 0) 0 1 1 0 减6修正 1 0 0 0 结果值是1000，即

29、十进制数8，有借位。79 = 8注：BCD码是没有负数的，因此这里的答案不是2实际上是1798 在计算机中BCD码有两种格式：压缩BCD码和非压缩BCD码： (1) 非压缩BCD码：1字节仅表示一位BCD数，例如：(00000110)BCD=6 高4位为0 (2) 压缩BCD码：1字节中表示两位BCD数，例如：(01100110)BCD=66 0000BCDBCDBCD1.2.2 非数值数据的二进制编码非数值数据的二进制编码 1. 字符编码字符编码 使用最多、最普遍的是ASCII字符编码。ASCII码使用1个字节，字节最高位为0。要记住的ASCII码：030HA41H a61H（即小写比大写大

30、32）LF(换行)0AH CR(回车)0DH 2. 汉字的编码汉字的编码 一般汉字编码采用两个字节即16位二进制数。输入时有输入编码，存储时有汉字机内码，输出时有汉字字形编码。1) 汉字输入编码（即输入法）2) 汉字机内码 是机器存储和处理汉字时采用的统一编码。每个汉字的机内码是惟一的，用两个字节表示。以前国内使用GB码，现在全世界统一用UNICODE码。 3) 汉字字形码（例如字体、大小、加粗等）1.3 微型计算机系统微型计算机系统1.3.1 微型计算机硬件系统组成微型计算机硬件系统组成微型计算机组成：微处理器或称中央处理单元(CPU)、内部存储器(简称内存)、输入/输出接口(简称I/O接口

31、)及系统总线。当微型计算机配备上相应的输入/输出设备和软件，就构成了一套完整的微型计算机系统。数字计算机大、中型计算机微型计算机PC嵌入式计算机（单片机、单板机）图1.1 微型计算机的硬件结构CPU外存硬盘光盘I/O 接口 显卡 声卡 网卡外部设备外部设备I/O 接口 串口 并口系统总线把各部分连接起来主板内存I / O接口1. 中央处理单元中央处理单元CPU中央处理单元CPU(Central Processing Unit)是微型计算机的心脏，它包含了早期计算机中的运算器、控制器和其他功能部件，它是用来解释执行指令并进行运算的部件。计算机高级语言程序被一级一级地最终翻译成机器认识的由“0”和

32、“1”组成的二进制机器码，并由CPU进行处理。目前生产微机CPU的最大的代表厂商是美国的Intel公司和AMD公司。早期的8086、80286、80386到近期的Pentium、Pentium-、Pentium-、Pentium-4、双核等就是Intel公司的主导产品。CPU的指标：最主要的是看它的主频，主频越高，其运算速度越快；字长代表了CPU对数据处理的能力和精度；其次还要看CPU的缓存有多大，缓存的大小也对CPU的运算速度有很大的影响；当然工作温度也很重要，温度涉及到CPU的工作寿命。 2. 内存内存存储器的主要任务是临时或永久性保存计算机的软件资源。存储器分为内存储器和外存储器，内存储

33、器指内存，用于临时性保存软件资源，而外存储器则包括了硬盘、软盘、光驱、磁带机等许多设备，用来永久性保存软件资源。3. 系统总线系统总线总线是指能为多个功能部件服务的一组公用通信线路。借助总线连接，计算机在各系统部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。微型计算机系统中的总线，大致分为三类：(1) 内部总线：CPU内部连接各部件的总线。(2) 系统总线：CPU同计算机系统的其他高速功能部件，如存储器、通道等互相连接的总线。(3) I/O总线：中、低速I/O设备之间互相连接的总线。系统总线一般由三部分组成：(1) 数据总线(Data Bus)：三态若干位(如8、16等)数据线宽的双向数据总线。用

34、以实现微处理器、存储器及I/O接口间的数据交换。(2) 地址总线(Address Bus)：用于微处理器输出地址，以确定存储器单元地址及I/O接口部件地址。三态单向传送。(3) 控制总线(Control Bus)：控制总线用来传送控制信号，保证地址和数据信息正确传送。4. 接口接口接口泛指任何两个系统之间的交接部分，或两个系统间的连接部分。在计算机系统里，接口指中央处理机与外部设备之间的连接通道及有关的控制电路。注意插口与接口的区别插口：为方便物理连接而设计，就像电源插座一样接口： 是外部设备与计算机总线连接的桥梁，起数据转换、缓冲、数据预处理的作用。接口可以通过插口与主板的总线连接，而有的接

35、口（例如串口）则固化于总线上。1.4 微型计算机的性能指标及分类微型计算机的性能指标及分类1.4.1 微型计算机的性能指标微型计算机的性能指标 1位位(bit)、字节、字节(Byte)和字长和字长(Word)位(bit)是计算机内部数据储存的最小单位，表示数据“1”或“0”，音译为“比特” 。字节(Byte)是计算机中数据处理的基本单位，习惯上用大写字母“B”表示。计算机中以字节为单位存储和解释信息，规定1个字节由8个二进制位构成。字长 指微处理器内部一次可以并行处理二进制代码的位数。它与微处理器内部寄存器以及CPU内部数据总线宽度是一致的，字长越长，所表示的数据精度就越高。XX位CPU指的就是CPU的字长。目前的CPU其字长与数据总线是一致的，但80586以前的CPU则出现过不一致的情况。 2存储容量存储容量 通常把8位(bit)二进制代码称为一个字节(Byte)，16位二进制代码称为一个字(Word)，把32位二进制代码称为一个双字(DWord)。 存储器容量以字节为最基本的计量单位。1 KB(Kilo-Byte)=1024B 1 MB(Mega-