第1章单片机基础知识

1、2022-4-101第一章第一章 单片机基础知识单片机基础知识 2022-4-102内容内容单片机概述单片机概述 1.1微型计算机系统组成微型计算机系统组成 1.2微型计算机的运算基础知识微型计算机的运算基础知识 1.32022-4-1031.1 单片机概述单片机概述1.1.1 什么是单片机什么是单片机? 单片机单片机是指在是指在一块半导体芯片一块半导体芯片上，集成了微处上，集成了微处理器、存储器、输入理器、存储器、输入/ /输出接口、定时器输出接口、定时器/ /计数器计数器以及中断系统等功能部件，构成一台完整的微型以及中断系统等功能部件，构成一台完整的微型计算机。计算机。单片机实物图单片机实

2、物图12022-4-104单片机实物图单片机实物图(2)单片机芯片单片机芯片AT89C51AT89S51AT89S52AT89C2051双列直插式DIP40(Dual In-line Package)封装 2022-4-105单片机实物图单片机实物图(3)单片机芯片单片机芯片STC89C52塑料扁平式PQFP/TQFP(Plastic Quad Flat Package)封装 带引线的塑料芯片封装PLCC44(Plastic Leaded Chip Carrier) 2022-4-1061.1.2 单片机与微型计算机的关系单片机与微型计算机的关系 计算机的发展经历了从计算机的发展经历了从电子管

3、、晶体管、集成电路到大规电子管、晶体管、集成电路到大规模集成电路模集成电路四代的演变。四代的演变。微型计算机属于第四代计算机。微型计算机属于第四代计算机。 微型计算机的发展微型计算机的发展以微处理器的发展以微处理器的发展为特征，为特征，主要表现：主要表现： 芯片集成度芯片集成度的提高的提高( (从最初的约从最初的约20002000个晶体管个晶体管/ /片发展到片发展到目前的几百万个晶体管目前的几百万个晶体管/ /片片) )； 处理器位数处理器位数的增加（从的增加（从4 4位增加到位增加到6464位）；位）； 时钟频率时钟频率的加快的加快( (从从1MHz1MHz到约几个到约几个GHz)GHz)

4、； 价格价格的逐渐降低等方面。的逐渐降低等方面。 2022-4-1071.1.2 单片机与微型计算机的关系单片机与微型计算机的关系 微型计算机有两个主要发展方向：微型计算机有两个主要发展方向： 一是向高速度、高性能、大容量的一是向高速度、高性能、大容量的高档微型计高档微型计算机方向算机方向发展；发展； 二是向稳定可靠、小而廉、能适应各种控制领二是向稳定可靠、小而廉、能适应各种控制领域需要的域需要的单片机方向单片机方向发展。发展。 单片机是微型计算机发展的一个重要分支！单片机是微型计算机发展的一个重要分支！2022-4-1081.1.3 常用的单片机系列常用的单片机系列MCS-51系列及与之兼容

5、的系列及与之兼容的80C51系列单片机系列单片机Atmel公司的公司的AVR系列系列Microchip公司的公司的PIC系列系列Motorola公司的单片机公司的单片机 TI公司公司MSP430系列单片机系列单片机 基干基干ARM核的核的32位单片机位单片机 2022-4-109MCS-51系列及与之兼容的系列及与之兼容的80C51系列单片机系列单片机 MCS-51系列系列单片机是单片机是美国美国Intel公司公司在在1980年年推出的高性推出的高性能单片机。能单片机。 型号：型号：8051、8751、8031、8032、8052等。等。 其中其中8051是最典型的产品，其它单片机都是在是最典

6、型的产品，其它单片机都是在8051的基础的基础上进行功能的增、减改变而来的，所以人们习惯于用上进行功能的增、减改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼来称呼MCS-51系列单片机。系列单片机。 20世纪世纪80年代中期年代中期Intel公司将公司将MCS-51的核心技术授权的核心技术授权给给了很多其他公司，如：了很多其他公司，如：Atmel、Philips、STC、Siemens、Winbond等，这些厂商生产的芯片是等，这些厂商生产的芯片是MCS-51系列的兼容产系列的兼容产品，准确地说是品，准确地说是与与MCS-51指令系统指令系统兼容兼容的单片机的单片机，这些单，这些单片机的系统结构与

7、片机的系统结构与8051相同，并且都采用相同，并且都采用CHMOS工艺，因工艺，因而常用而常用80C51系列来称呼它们。系列来称呼它们。2022-4-1010Atmel公司的公司的AVR系列系列 AVR系列单片机系列单片机是是1997年年Atmel公司公司为了充分发为了充分发挥其挥其Flash的技术优势，而推出的全新配置的精简的技术优势，而推出的全新配置的精简指令集指令集(Reduced Instruction Set Computer ，简称，简称RISC)单片机。该系列单片机一进入市场，就以其单片机。该系列单片机一进入市场，就以其卓越的性能而大受欢迎。通过这几年的发展，卓越的性能而大受欢迎

8、。通过这几年的发展，AVR单片机已形成系列产品，其单片机已形成系列产品，其Attiny系列、系列、AT90S系系列与列与Atmega系列分别对应为低、中、高档产品系列分别对应为低、中、高档产品(高高档产品含档产品含JTAG ICE仿真功能仿真功能)。 2022-4-1011Microchip公司的公司的PIC系列系列 Microchip单片机是市场份额增长最快的单片机。它单片机是市场份额增长最快的单片机。它的主要产品是的主要产品是PIC系列系列8位单片机，它的位单片机，它的CPU采用了精采用了精简指令集简指令集(RISC)结构的嵌入式微控制器，其高速度、结构的嵌入式微控制器，其高速度、低电压、

9、低功耗、大电流低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位驱动能力和低价位OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势。技术等都体现出单片机产业的新趋势。 PIC 8位单片机产品共有位单片机产品共有3个系列，即基本级、中级个系列，即基本级、中级和高级。用户可根据需要选择不同档次和不同功能的和高级。用户可根据需要选择不同档次和不同功能的芯片芯片。 2022-4-1012 Motorola公司的单片机公司的单片机 (现在的飞思卡尔公司现在的飞思卡尔公司) Motorola公司是世界上最大的单片机厂商，该公司的特点公司是世界上最大的单片机厂商，该公司的特点是品种全、选择余地大、新产品多，在是品种全、选择余

10、地大、新产品多，在8位机方面有位机方面有68HC05和升级产品和升级产品68HC08，68HC05有有30多个系列，多个系列，200多个品种，多个品种，产量已超过产量已超过20亿片。亿片。8位增强型单片机位增强型单片机68HC11也有也有30多个品多个品种，年产量在种，年产量在1亿片以上。升级产品有亿片以上。升级产品有68HC12。16位机位机68HC16也有也有10多个品种。多个品种。32位单片机的位单片机的683XX系列也有几系列也有几十个品种。十个品种。 Motorola单片机特点之一是在同样速度下所用的时钟频率单片机特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较较Intel类单片机低很多，因而

11、使得高频噪声低，抗干扰能力类单片机低很多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强，更适合用于工控领域及恶劣的环境。强，更适合用于工控领域及恶劣的环境。Motorola 8位单片位单片机过去的策略是以掩膜为主，最近推出了机过去的策略是以掩膜为主，最近推出了OTP计划以适应单计划以适应单片机发展新趋势。在片机发展新趋势。在32位机上，位机上，M.CORE在性能和功耗方面在性能和功耗方面都胜过都胜过ARM7。 由于由于Motorola单片机产品以前主要是以掩膜为主，不太适单片机产品以前主要是以掩膜为主，不太适合于教学，所以没有被选做教学用机型。合于教学，所以没有被选做教学用机型。2022-4-1013 T

12、I公司公司MSP430系列单片机系列单片机 TI公司公司MSP430系列单片机是超低功耗系列单片机是超低功耗Flash型单片机，型单片机，有有“绿色微控制器绿色微控制器(Green MCUs)”称号，是目前单片机业界所称号，是目前单片机业界所有内部集成闪速存储器有内部集成闪速存储器(Flash ROM)产品中功耗最低的，消产品中功耗最低的，消耗功率仅为其他闪速微控制器耗功率仅为其他闪速微控制器(Flash MCUs)的的1/5。在。在3V工工作电压下其耗电电流低于作电压下其耗电电流低于350A/MHz，待机模式仅为，待机模式仅为1A/MHz，具有，具有5种节能模式。种节能模式。 该系列产品的工

13、作温度范围为该系列产品的工作温度范围为-40oC85oC，可满足工业，可满足工业应用要求。应用要求。 MSP430 微控制器可广泛地应用于煤气表、水表、电子微控制器可广泛地应用于煤气表、水表、电子电度表、医疗仪器、火警智能探头、通信产品、家庭自动化电度表、医疗仪器、火警智能探头、通信产品、家庭自动化产品、便携式监视器及其他低耗能产品。由于产品、便携式监视器及其他低耗能产品。由于MSP430微控微控制器的功耗极低，可设计出只需一块电池就可以使用长达制器的功耗极低，可设计出只需一块电池就可以使用长达10年的仪表应用产品。年的仪表应用产品。MSP430 Flash系列的确是不可多得的系列的确是不可多

14、得的高性价比单片机。高性价比单片机。 2022-4-1014基于基于ARM核的核的32位单片机位单片机 ARM ( Advanced RISC Machine )是一种通用的是一种通用的32位位RISC处理器。处理器。32位是指处理器的外部数据总线是位是指处理器的外部数据总线是32位的，与位的，与8位和位和16位的相同主频位的相同主频处理器相比性能更强大。处理器相比性能更强大。 ARM是一种功耗很低的高性能处理器，如是一种功耗很低的高性能处理器，如ARM7 TDMI具有每瓦生具有每瓦生产产690MIPS(Millions Instruction Per Second，百万条指令，百万条指令/秒

15、秒)的能力，的能力，已被证明在工业界处于领先水平。已被证明在工业界处于领先水平。 ARM公司并不生产芯片，而是将公司并不生产芯片，而是将ARM的技术授权其他公司生产。的技术授权其他公司生产。ARM本质并不是一种芯片，而是一种芯片结构技术，不涉及芯片生本质并不是一种芯片，而是一种芯片结构技术，不涉及芯片生产工艺。产工艺。 授权生产授权生产ARM结构芯片的公司采用不同的半导体技术，面对不同结构芯片的公司采用不同的半导体技术，面对不同的应用进行扩展和集成，标有不同的系列号。的应用进行扩展和集成，标有不同的系列号。 目前可以提供含目前可以提供含ARM核核CPU芯片的著名半导体公司有：芯片的著名半导体公

16、司有：Intel、TI、三星半导体、摩托罗拉、飞利浦半导体、意法半导体、亿恒半导体、三星半导体、摩托罗拉、飞利浦半导体、意法半导体、亿恒半导体、科胜讯、科胜讯、ADI公司、安捷伦、高通公司、公司、安捷伦、高通公司、Atmel、Intersil、Alcatel、Altera、Cirrus Logic、Linkup、Parthus、LSI Logic、Micronas等。等。ARM的应用范围非常广泛，如嵌入式控制的应用范围非常广泛，如嵌入式控制汽车、电子设备、保安汽车、电子设备、保安设备、大容量存储器、调制解调器、打印机，数字消费产品设备、大容量存储器、调制解调器、打印机，数字消费产品数码相数码相

17、机、数字式电视机、游戏机、机、数字式电视机、游戏机、GPS、机顶盒、便携式产品、机顶盒、便携式产品手提式计手提式计算机、移动电话、算机、移动电话、PDA、灵巧电话、灵巧电话。 2022-4-10151.1.4 单片机的应用单片机的应用 单片机属于控制类数字芯片，目前其应用领域已非常广单片机属于控制类数字芯片，目前其应用领域已非常广泛，典型应用如下：泛，典型应用如下： 1. 工业自动化。工业自动化。如数据采集、测控技术。如数据采集、测控技术。2. 智能仪器仪表。智能仪器仪表。如数字示波器、数字信号源、数字万如数字示波器、数字信号源、数字万用表、感应电流表等。用表、感应电流表等。3. 消费类电子产

18、品。消费类电子产品。如洗衣机、电冰箱、空调机、电视如洗衣机、电冰箱、空调机、电视机、微波炉、机、微波炉、IC卡、汽车电子设备等。卡、汽车电子设备等。4. 通信方面。通信方面。如调制解调器、程控交换技术、手机、小如调制解调器、程控交换技术、手机、小灵通等。灵通等。5. 武器装备。武器装备。如飞机、军舰、坦克、导弹、航天飞机、如飞机、军舰、坦克、导弹、航天飞机、鱼雷制导、智能武器等。鱼雷制导、智能武器等。2022-4-1016 (1) 单片机单片机 (2) 电源电源 (3) 晶振晶振 (4) 复位电路复位电路 就构成了真正就构成了真正可使用的单片可使用的单片机最小应用系机最小应用系统统 1.1.5

19、 一个简单的单片机控制系统实例一个简单的单片机控制系统实例系统硬件设计系统硬件设计点亮一个发光二极管的单片机控制系统点亮一个发光二极管的单片机控制系统 2022-4-1017系统软件设计系统软件设计 /*点亮一个发光二极管的程序点亮一个发光二极管的程序*/ #include /包含包含52系列单片机头文件系列单片机头文件 sbit led1=P10; /声明单片机声明单片机P1口的第一位，口的第一位，P1.0的位名称位的位名称位led1 void main() /主程序主程序 led1=0; /* P1.0口输出低电平，点亮口输出低电平，点亮LED发光二极管发光二极管 while(1); /程

20、序运行到此处停止程序运行到此处停止 2022-4-1018配套教材配套教材 单片机原理及应用单片机原理及应用 张兰红等编张兰红等编 机械工业出版社机械工业出版社 2012.72022-4-1019预备知识：元器件实物图预备知识：元器件实物图单片机芯片单片机芯片AT89C51AT89S51AT89S52AT89C20512022-4-1020通信芯片通信芯片MAX232CPE 时钟芯片时钟芯片 DS13022022-4-1021EEPROM24C02温度传感温度传感器器18B20ADAD变换器变换器08320832稳压片稳压片78L052022-4-1022晶晶 振振电阻和排电阻电阻和排电阻20

21、22-4-1023瓷片小电容瓷片小电容零压力插座零压力插座万用焊接板万用焊接板仪器盒仪器盒2022-4-1024步进电机步进电机2022-4-1025液晶字符显示屏液晶字符显示屏液晶图形点阵显示屏液晶图形点阵显示屏2022-4-1026拨动开关拨动开关2022-4-1027红外遥控用红外遥控用 发射接受一体管发射接受一体管继电器继电器2022-4-10282022-4-1029各类接插件各类接插件2022-4-1030遥控组件遥控组件超声波发射接受头超声波发射接受头2022-4-1031双路遥控组件双路遥控组件2022-4-1032长距离遥控器长距离遥控器30004000M2022-4-103

22、388二极管点阵二极管点阵 八段数码管八段数码管2022-4-1034B电气电气05-吴欣吴欣-单片机控制的单片机控制的GPS定位信息显示器系统定位信息显示器系统 2022-4-1035B电气电气06-张新文张新文-单片机控制的超声波测距器单片机控制的超声波测距器2022-4-1036BMZ电气电气061-邵邵 轩轩-单片机控制的交通灯系统单片机控制的交通灯系统2022-4-1037BMZ电气电气061-于祥键于祥键-单片机控制的步进电机系统单片机控制的步进电机系统2022-4-1038B电气电气07-单片机课程设计作品单片机课程设计作品2022-4-10391.2 微型计算机系统组成微型计算

23、机系统组成计算机的基本结构计算机的基本结构微型计算机系统组成微型计算机系统组成 微型计算机硬件微型计算机硬件 微型计算机软件微型计算机软件2022-4-10401.2 微型计算机系统组成微型计算机系统组成1.2.1 计算机的基本结构计算机的基本结构计算机的基本结构计算机的基本结构运算器：运算器：是计算机处理信息的主要部件。是计算机处理信息的主要部件。控制器：控制器：产生一系列控制命令，控制计产生一系列控制命令，控制计 算机各部件自动地、协调一致地工作。算机各部件自动地、协调一致地工作。存储器：存储器：是存放程序与数据的部件。是存放程序与数据的部件。输入设备：输入设备：用来输入用来输入程序与数据

24、程序与数据，常用的，常用的输入设备有键盘、鼠标、光电输入机等。输入设备有键盘、鼠标、光电输入机等。输出设备：输出设备：将计算机的处理结果用数字将计算机的处理结果用数字、图形等形式表示出来。常用的输出设、图形等形式表示出来。常用的输出设备有显示终端、数码管、打印机、绘图备有显示终端、数码管、打印机、绘图仪等。仪等。2022-4-10411.2 微型计算机系统组成微型计算机系统组成1.2.1 计算机的基本结构计算机的基本结构计算机的基本结构计算机的基本结构中央处理单元中央处理单元CPU：运算器、控运算器、控制 器 合 称 为 中 央 处 理 单 元制 器 合 称 为 中 央 处 理 单 元CPU(

25、Central Processing Unit) 。主机：主机：通常把运算器、控制器、存通常把运算器、控制器、存储器这三部分称为计算机主机。储器这三部分称为计算机主机。外设：外设：输入、输出设备称为计算机输入、输出设备称为计算机的外围设备的外围设备( (简称简称“外没外没”) )。2022-4-10421.2.2 微型计算机的结构微型计算机的结构 随着大规模集成电路技术的发展，已经将运算器、随着大规模集成电路技术的发展，已经将运算器、控制器集成在一块硅片上，成为独立的器件，该芯片控制器集成在一块硅片上，成为独立的器件，该芯片称为称为微处理器或微处理机微处理器或微处理机(Micro-proces

26、sor)。 存储器存储器(Memory)也已经成为一块独立的芯片。也已经成为一块独立的芯片。 微处理器芯片、存储器芯片与输入输出接口微处理器芯片、存储器芯片与输入输出接口 (Input/Output，简称，简称IO接口接口) 电路芯片电路芯片构成了微型构成了微型计算机计算机(Micro-computer)，芯片之间用总线，芯片之间用总线(Bus)连接。连接。 微型计算机结构微型计算机结构 2022-4-10431.微处理器微处理器微处理器是微型计算机的核心，它通常包括微处理器是微型计算机的核心，它通常包括3个部分：个部分：(1) 算术逻辑部件算术逻辑部件 (Arithmetic Logic U

27、nit，简称，简称ALU)：对传送到微处理器的数据进行算术运算或逻辑运算，对传送到微处理器的数据进行算术运算或逻辑运算，如执行加法、减法运算，逻辑与、逻辑或运算等。如执行加法、减法运算，逻辑与、逻辑或运算等。 (2) 工作寄存器组。工作寄存器组。 CPU中有多个工作寄存器，用来存放操作数及运算的中有多个工作寄存器，用来存放操作数及运算的中间结果等。中间结果等。 (3) 控制部件：控制部件：包括包括时钟电路时钟电路和和控制电路控制电路。时钟电路产。时钟电路产生时钟脉冲，用于计算机各部分电路的同步定时。控生时钟脉冲，用于计算机各部分电路的同步定时。控制电路产生完成各种操作所需的控制信号。制电路产生

28、完成各种操作所需的控制信号。 2022-4-10442.存储器存储器介绍存储器有关概念之前，先介绍微型计算机中的几个介绍存储器有关概念之前，先介绍微型计算机中的几个常用术语：常用术语： (1) 位（位（bit） 是计算机所能表示的最小的数据单位，即是计算机所能表示的最小的数据单位，即1位二进制数位二进制数 。它有两种状态：。它有两种状态：0和和1。(2) 字节（字节（Byte）一个连续的一个连续的8位二进制数称为一个字节，位二进制数称为一个字节，即即1Byte8bit。(3) 字（字（Word） 通常把通常把16位二进制数称为一个字，位二进制数称为一个字，32位位二进制数称为一个双字。二进制数

29、称为一个双字。(4) 字长字长 CPU一次能够处理二进制信息的位数称为字长，一次能够处理二进制信息的位数称为字长，通常也指通常也指CPU与输入与输入/输出设备或内存储器之间一次传输出设备或内存储器之间一次传送二进制数据的位数。送二进制数据的位数。2022-4-1045 计算机的计算机的字长字长与与处理能力处理能力和和计算精度计算精度有关。有关。 (1)字长越长，计算精度越高，处理能力越强，但计算机字长越长，计算精度越高，处理能力越强，但计算机的结构也变得更复杂。的结构也变得更复杂。(2) CPU的字长有的字长有1位、位、4位、位、8位、位、16位、位、32位和位和64位，位，对应的计算机就是对

30、应的计算机就是1位机、位机、4位机、位机、8位机、位机、16位机、位机、32位机和位机和64位机。位机。 本书所介绍的本书所介绍的80C51系列单片机就是系列单片机就是8位机，这意味着位机，这意味着如果要处理如果要处理16位数据的话就应分两次处理。位数据的话就应分两次处理。 2022-4-10462.存储器存储器 存储器由许多存储单元组成，在存储器由许多存储单元组成，在8位字长的微机中，位字长的微机中，每个存储单元存放每个存储单元存放8位二进制代码，即存放一个字位二进制代码，即存放一个字节节(Byte)。2022-4-1047存储器的一个重要指标是存储器的一个重要指标是容量容量。假如存储器有假

31、如存储器有256个单元，每个单元存放个单元，每个单元存放8位二进制数位二进制数那么该存储器容量为那么该存储器容量为256字节，或字节，或2568位。位。存储容量存储容量单位单位：“KB”、“MB”、“GB” 1KB1024B210B，1MB1024KB220B，1GB1024MB 230B 。 2022-4-1048存储器的存储器的读写读写操作：操作： (1)计算机工作时，将计算机工作时，将数据数据存入存储器的过程称为存入存储器的过程称为“写写”操作操作。(2) CPU从存储器中取数据的过程为从存储器中取数据的过程为“读读”操作。操作。(3)写入存储单元的数据取代了原有的数据，而且在下一写入存

32、储单元的数据取代了原有的数据，而且在下一个新的数据写入之前一直保留着，即存储器具有个新的数据写入之前一直保留着，即存储器具有记忆记忆数据数据的功能。的功能。(4)在执行读操作后，存储单元中原有的内容不变，即存在执行读操作后，存储单元中原有的内容不变，即存储器的读出储器的读出是非破坏性是非破坏性的。的。2022-4-1049存储单元的存储单元的地址和容量的关系：地址和容量的关系： (1)为了便于读、写操作，要对存储器所有单元按顺序编为了便于读、写操作，要对存储器所有单元按顺序编号，这种号，这种编号就是存储单元的地址编号就是存储单元的地址。(2) 地址的二进制位数地址的二进制位数N与存储容量与存储

33、容量Q之间的关系是：之间的关系是：Q2N。2022-4-10503.输入输入/输出接口电路输出接口电路(1) I/O接口是沟通接口是沟通CPU与外与外围围设备的不可缺少的重要部设备的不可缺少的重要部件。件。(2) 外部设备种类繁多，其运行速度、数据形式、电平等外部设备种类繁多，其运行速度、数据形式、电平等各不相同，常常与各不相同，常常与CPU不一致，所以要用不一致，所以要用I/O接口作桥接口作桥梁，起到梁，起到信息转换与协调信息转换与协调的作用。的作用。2022-4-10514.总线总线 总线总线（Bus）是在微型计算机各芯片之间或芯片内部各是在微型计算机各芯片之间或芯片内部各部件之间传输信息

34、的一组公共通信线部件之间传输信息的一组公共通信线。各芯片之间的一组各芯片之间的一组8位总线位总线 2022-4-1052 根据传递信息种类，总线分为根据传递信息种类，总线分为地址总线地址总线、数据总线数据总线和和控控制总线制总线。(1)地址总线地址总线AB（Address Bus）是是CPU用于给存储器或输入用于给存储器或输入/输出接口发送地址信息的单向通信总线，以选择相应的存储输出接口发送地址信息的单向通信总线，以选择相应的存储单元或寄存器。地址总线的宽度（根数）决定了单元或寄存器。地址总线的宽度（根数）决定了CPU的寻的寻址范围（即址范围（即CPU所能访问的存储单元的个数）。所能访问的存储

35、单元的个数）。(2)数据总线数据总线DB（Data Bus）是用于实现是用于实现CPU、存储器及、存储器及I/O接口接口之间数据信息交换的双向通信总线。之间数据信息交换的双向通信总线。 (3) 控制总线控制总线CB（Control Bus）是传输各种控制信号的单向是传输各种控制信号的单向总线，其中有的用于传送从总线，其中有的用于传送从CPU发出的信息；有的是其它发出的信息；有的是其它部件发给部件发给CPU的信息。的信息。2022-4-10531.2.3 微型计算机系统微型计算机系统微型计算机系统框图微型计算机系统框图2022-4-10541.2.4 微型计算机软件微型计算机软件1. 软件定义软

36、件定义 硬件：硬件：是在执行任务过程中相对固定的一种物质体现。是在执行任务过程中相对固定的一种物质体现。软件：软件：则是在执行任务过程中比较灵活的信息的体现，则是在执行任务过程中比较灵活的信息的体现，即指使用和管理计算机的各种程序即指使用和管理计算机的各种程序(Program)。2.指令指令 指令：指令：控制计算机进行各种操作的命令称为指令。控制计算机进行各种操作的命令称为指令。操作码：表示该指令执行何种操作。操作码：表示该指令执行何种操作。 操作数：表示参加运算的数据或操作数：表示参加运算的数据或数据所在的地址数据所在的地址3. 程序程序 程序：程序：一系列指令的有序集合称为程序。一系列指令

37、的有序集合称为程序。程序设计：程序设计：编制程序的过程称为程序设计。编制程序的过程称为程序设计。 2022-4-10554.机器语言、汇编语言和高级语言机器语言、汇编语言和高级语言 (1) 汇编语言：汇编语言：用助记符用助记符(通常是指令功能的英文缩写通常是指令功能的英文缩写)表示表示操作码、用字符操作码、用字符(字母、数字、符号字母、数字、符号)表示操作数的指令称为表示操作数的指令称为汇编指令。用汇编指令编制的程序称为汇编语言程序。汇编指令。用汇编指令编制的程序称为汇编语言程序。 特点：特点：这种程序占用存储器单元少，执行速度较快，能够这种程序占用存储器单元少，执行速度较快，能够准确掌握执行

38、时间，可实现精细控制，因此特别适用于实时准确掌握执行时间，可实现精细控制，因此特别适用于实时控制。控制。 然而汇编语言是然而汇编语言是面向机器面向机器的语言，各种计算机的汇编语的语言，各种计算机的汇编语言是不同的，必须对所用机器的结构、原理和指令系统比较言是不同的，必须对所用机器的结构、原理和指令系统比较清楚，才能编写出它的各种汇编语言程序，而且不能通用于清楚，才能编写出它的各种汇编语言程序，而且不能通用于其他机器，这是汇编语言的不足之处。其他机器，这是汇编语言的不足之处。2022-4-1056(2) 高级语言：高级语言：为使用户编程容易，程序中所用的语句与实际为使用户编程容易，程序中所用的语

39、句与实际更接近，而且使用户不必了解具体的机器，就能编程，使编更接近，而且使用户不必了解具体的机器，就能编程，使编出的程序通用性更强，于是产生了高级语言。出的程序通用性更强，于是产生了高级语言。 常用的高级语言有常用的高级语言有BASIC、FORTRAN、C等。等。 特点：特点：高级语言是高级语言是面向过程面向过程的语言，用高级语言编写程序时的语言，用高级语言编写程序时主要着眼于算法，而不必了解计算机的硬件结构和指令系统，主要着眼于算法，而不必了解计算机的硬件结构和指令系统，因此易学易用。高级语言是独立于机器的，一般地说，同一因此易学易用。高级语言是独立于机器的，一般地说，同一个程序可在任何种类

40、的机器中使用。个程序可在任何种类的机器中使用。 应用：应用：高级语言适用于科学计算、数据处理等方面高级语言适用于科学计算、数据处理等方面 。 2022-4-1057(3) 机器语言：机器语言：二进制代码形式的程序就是机器语言程序。二进制代码形式的程序就是机器语言程序。二进制代码形式的指令又称机器指令或机器码。汇编指令与二进制代码形式的指令又称机器指令或机器码。汇编指令与机器指令具有一一对应的关系，机器指令具有一一对应的关系，特点：特点：计算机最终执行的都是机器语言程序。计算机最终执行的都是机器语言程序。 机器语言只有机器语言只有0和和1两个符号，用它来直接编写程序十分困两个符号，用它来直接编写

41、程序十分困难。因此，往往先用汇编语言或高级语言编写程序，然后再难。因此，往往先用汇编语言或高级语言编写程序，然后再转换成目标程序。转换成目标程序。 2022-4-1058(4) 几个概念：几个概念：源程序：源程序：汇编语言程序与高级语言程序统称为源程序汇编语言程序与高级语言程序统称为源程序目标程序：目标程序：机器语言程序又称为目标程序。机器语言程序又称为目标程序。汇编：汇编：将汇编语言程序翻译成目标程序的过程称为汇编。将汇编语言程序翻译成目标程序的过程称为汇编。手工汇编：手工汇编：由编程人员对照指令表，一条一条查找、翻译的由编程人员对照指令表，一条一条查找、翻译的方法称为手工汇编。方法称为手工

42、汇编。机器汇编：机器汇编：由计算机自动完成汇编语言转换为机器语言的称由计算机自动完成汇编语言转换为机器语言的称为机器汇编。为机器汇编。汇编程序：汇编程序：机器汇编时用到的软件称为汇编程序。机器汇编时用到的软件称为汇编程序。编译程序：编译程序：高级语言转换成机器语言的工作只能由计算机完高级语言转换成机器语言的工作只能由计算机完成，转换时所用的软件为编译程序。成，转换时所用的软件为编译程序。2022-4-10595、程序分类、程序分类计算机软件示意图计算机软件示意图2022-4-10601.3 微型计算机的微型计算机的运算运算基础知识基础知识 在数字电子计算机中，无论是大型计算机还是单片在数字电子

43、计算机中，无论是大型计算机还是单片微型计算机，都是将所有的信息作为数值进行处理微型计算机，都是将所有的信息作为数值进行处理的，包括数字的，包括数字(如如7、-8、4)，英文字符，英文字符(如如A、B、k、m)，各种符号，各种符号(如如+、-、%、)。2022-4-1061一个数值，可以用不同进制的数表示。一个数值，可以用不同进制的数表示。1. 十进制十进制日常习惯使用日常习惯使用2. 二进制二进制数字计算机最终均是用二进制数实现的数字计算机最终均是用二进制数实现的3.十六进制十六进制和二进制转换很方便和二进制转换很方便4. 八进制、十二进制、六十进制等八进制、十二进制、六十进制等 1.3.1

44、数制的概念数制的概念2022-4-1062为了表示不同的数制，可以在数的后面放一个英文字母为了表示不同的数制，可以在数的后面放一个英文字母作为标识符。作为标识符。1. 二进制数用二进制数用B(Binary)2. 十六进制数用十六进制数用H(Hexdecimal)3. 十进制数用十进制数用D(Decimal)，D可以省略不用，即不带标识符可以省略不用，即不带标识符的数是十进制数。的数是十进制数。 也也可以在数的右下方加一个小数字说明，例：可以在数的右下方加一个小数字说明，例：(1011011)2，(896)10，(896)16。如何区分不同进位计数制的数字如何区分不同进位计数制的数字数制的基：数

45、制的基：计数制中所具有的数码的个数。计数制中所具有的数码的个数。数制的权：数制的权：计数制中每一位所具有的值。计数制中每一位所具有的值。2022-4-10631 、十进制数、十进制数 特点：特点：有十个不同的数字符号：有十个不同的数字符号：0、1、2、39。 逢十进位，即各位的权是以十为底的幂。逢十进位，即各位的权是以十为底的幂。一般表达式：一般表达式：121012101010.1010nnnnDDDDD11221010.10mmDDD110imii nD 1.3.2 与计算机有关的数制与计算机有关的数制其中其中m、n为正整数，为正整数，i表示数字符号所在的位，表示数字符号所在的位，Di是第是

46、第i位的位的数码，数码，10i表示第表示第i位的位权。位的位权。2022-4-1064 十进制数十进制数398.6可表示为：可表示为： 398.6310291018100610-1 例：例：2022-4-10652. .二进制数二进制数特点：特点：(1) 有两个不同的数字符号：有两个不同的数字符号：0、1。 (2) 逢二进位，即各位的权是以逢二进位，即各位的权是以2为底的幂。为底的幂。一般表达式：一般表达式：其中其中m、n为正整数，为正整数，i表示数字符号所在的位，表示数字符号所在的位，Bi是第是第i位的位的数码，数码，2i表示第表示第i位的位权。位的位权。11210121210222.222

47、2.nnmnnmB BBBBBBBB 12imii nB 2022-4-1066二进制数二进制数111.1B可表示为：可表示为：111.1B122121120121例例2022-4-10673.十六进制数十六进制数特点：特点：(1) 有十六个不同的数字符号：有十六个不同的数字符号：09、AF。 (2)逢十六进位，即各位的权是以十六为底的幂。逢十六进位，即各位的权是以十六为底的幂。表达式：表达式：其中其中m、n为正整数，为正整数，i表示数字符号所在的位，表示数字符号所在的位，Hi是第是第i位的位的数码，数码，16i表示第表示第i位的位权。位的位权。1121012121021616.1616161

48、6.16nnmnnmHHHHHHHH 116imii nH 2022-4-1068 十六进制数十六进制数18AF.CBH可表示为：可表示为：18AF.CBH11638162A161F160 C161B162 例：例：2022-4-1069十、二、十六进制数之间的对应关系十、二、十六进制数之间的对应关系十进制数十进制数二进制数二进制数十六进制数十六进制数十进制数十进制数二进制数二进制数十六进制数十六进制数000000810008100011910019200102101010A300113111011B401004121100C501015131101D601106141110E70111715

49、1111F2022-4-10701. 二进制、十六进制数转换为十进制数二进制、十六进制数转换为十进制数 方法是：将二进制数或十六进制数写成按权展开式，方法是：将二进制数或十六进制数写成按权展开式，然后各项相加，则得相应的十进制数。然后各项相加，则得相应的十进制数。1.3.3 数制之间的相互转换数制之间的相互转换10101.1011B124+122+120+12-1+12-3 +12-421.6875例例1-1 把二进制数把二进制数10101.1011B转换成相应的十进制数。转换成相应的十进制数。2022-4-1071 0F3DHF1623161D160152563161313901例例1-2

50、把把十六进制数十六进制数0F3DH转换成相应的十进制数。转换成相应的十进制数。2022-4-1072 2. . 十进制数转换成为二进制数十进制数转换成为二进制数整数部分方法是：采用除整数部分方法是：采用除2取余法取余法小数部分方法是：采用乘小数部分方法是：采用乘2取整法取整法先采用除先采用除2取余法将取余法将19转换为二进制数转换为二进制数例例1-3 把十进制数把十进制数19.625转换成为对应二进制数转换成为对应二进制数。所以所以 19=10011B2022-4-1073再采用乘再采用乘2取整法将取整法将0.625转换为十进制数转换为十进制数所以所以0.625=0.101B因此十进制数因此十

51、进制数19.62510011.101B 十进制数转换十六进制数的方法十进制数转换十六进制数的方法:将基数将基数2换成换成16即可。即可。2022-4-10744位二进制数与位二进制数与1位十六进制数一一对应位十六进制数一一对应例例1-4 将二进制数将二进制数1111000111.100101B转换成为十六进制数转换成为十六进制数 。1111000111.100101B0011 1100 0111.1001 0100B3C7.94H 注意：位数不够时要补注意：位数不够时要补03.二进制数与十六进制数间的相互转换二进制数与十六进制数间的相互转换例例1-5 将十六进制数将十六进制数2FB5H转换成为

52、二进制数转换成为二进制数2FB5H0010 1111 1011 0101B10111110110101B2022-4-10751.3.4 码制的概念码制的概念1. 计算机中带符号数的表示计算机中带符号数的表示 在字长为在字长为8位的微型计算机中，一个数用位的微型计算机中，一个数用8位二进制数表位二进制数表示。示。 如果计算机处理的是无符号数，如果计算机处理的是无符号数，8位二进制数的位二进制数的8位数符位数符都表示数值都表示数值。 从从0000 0000B、0000 0001B到到1111 1111B，表示的无符，表示的无符号数数值从号数数值从0、1到到255。 8位二进制数表示的无符号数范围

53、是位二进制数表示的无符号数范围是0255。2022-4-1076 很多场合，数有正负之分，称为带符号数。很多场合，数有正负之分，称为带符号数。 在计算机中，符号在计算机中，符号“+”、“-”要用要用1位二进制数表示。位二进制数表示。8位微型计算机中约定：最高位位微型计算机中约定：最高位D7表示符号，其他表示符号，其他7位表示数位表示数值值。D7l 表示负数，表示负数，D70 表示正数。表示正数。连同符号位一起数值化了的数，称为机器数。连同符号位一起数值化了的数，称为机器数。机器数所表示的真实的数值，称为真值。机器数所表示的真实的数值，称为真值。 2022-4-1077 真值真值 机器数机器数

54、+1001B（+9） 01001B -1001B（-9） 11001B计算机中的机器数有原码、反码与补码三种。计算机中的机器数有原码、反码与补码三种。2022-4-1078 用最高位表示带符号数的正负，其余各位表示用最高位表示带符号数的正负，其余各位表示该数的绝对值。该数的绝对值。例如：例如：+74+1001010B，+74原原01001010B-74-1001010B， -74原原11001010B位二进制数原码表示范围为位二进制数原码表示范围为-127+127。0的原码表示有如下两种，不是唯一的。的原码表示有如下两种，不是唯一的。 +0原原0000 0000B -0原原1000 0000B

55、 原码原码2022-4-1079 正数的反码与原码相同，负数的反码是原码符正数的反码与原码相同，负数的反码是原码符号位不变，其余各位按位取反。号位不变，其余各位按位取反。例如：例如：+74+1001010B，+74反反01001010B-74-1001010B，-74反反10110101B。位二进制数反码表示范围为位二进制数反码表示范围为-127+127。0的反码表示有如下两种，不是唯一的。的反码表示有如下两种，不是唯一的。 +0反反0000 0000B -0反反=1111 1111B 反码反码2022-4-1080 正数的补码与反码、原码表示相同；负数的补码正数的补码与反码、原码表示相同；负

56、数的补码是原码符号位不变，其余各位按位求反后再加是原码符号位不变，其余各位按位求反后再加1 1。 微型计算机中所有带有符号的数均是以补码形式微型计算机中所有带有符号的数均是以补码形式来存放的。来存放的。例如：例如：+74+1001010B，+74补补01001010B4AH；-74-1001010B， -74补补10110110BB6H。位二进制数补码表示范围为位二进制数补码表示范围为-128+127。0的补码表示是唯一的。的补码表示是唯一的。 对于对于0：+0补补-0补补0000 0000B补码补码2022-4-1081 已知一个数的补码，求其原码时，应将其补码再已知一个数的补码，求其原码时

57、，应将其补码再求补。即求补。即 x补补补补=x原原 负数补码的简便求法：负数补码的简便求法：对负数的原码，从最低位向对负数的原码，从最低位向左数，在遇到第一个左数，在遇到第一个1 1以前，包括第一个以前，包括第一个1 1，重写每一，重写每一位，其余各位取反，符号位置位，其余各位取反，符号位置1 1。-74-1001010B， -74补补1100 1010B = CAH -74补补1011 0110BB6H。2022-4-1082 99补补 0110 0011B +-58补补 1100 0110B 99-58补补10010 1001B 用补码运算用补码运算99-58=？ x、y无论是正数还是负数

58、，都有：无论是正数还是负数，都有： xy补补x补补+y补补 引入补码的概念后，可将减法变为加法运算。因此微机引入补码的概念后，可将减法变为加法运算。因此微机中带符号数采用补码表示后可只设置加法器，简化了硬件结中带符号数采用补码表示后可只设置加法器，简化了硬件结构。构。补码运算补码运算在在8 8位字长的计算机中，第九位进位自然丢失。位字长的计算机中，第九位进位自然丢失。所以所以99-58补补99补补+-58补补0010 1001B，99-58原原0010 1001B，因此，因此99-58=41。2022-4-1083 -99补补 1001 1101B +-58补补 1100 0110B -99-

59、58补补 10110 0011B 在在8 8位字长的计算机中，第九位进位自然丢失。位字长的计算机中，第九位进位自然丢失。所以所以-99-58补补-99补补+-58补补0110 0011B，因符号，因符号位为正，所以位为正，所以-99-58原原0110 0011B，则，则-99-58=99，这个结果自然是错误的，原因在哪里呢？这个结果自然是错误的，原因在哪里呢？ 用补码运算用补码运算-99-58=？2022-4-1084由于受计算机字长的限制，补码所能表示的数值范围由于受计算机字长的限制，补码所能表示的数值范围也有一定的限制。也有一定的限制。如如8位字长的计算机补码所能表示的范围是位字长的计算机

60、补码所能表示的范围是-128+127。因此当运算结果超出此范围时，将得到错误的结果，因此当运算结果超出此范围时，将得到错误的结果，这就是这就是溢出溢出现象。现象。当两个同符号相加或两个异号数相减时，结果可能会当两个同符号相加或两个异号数相减时，结果可能会超出超出8 8位二进制补码所能表示的范围，可能会发生溢出。位二进制补码所能表示的范围，可能会发生溢出。带符号数运算的溢出现象带符号数运算的溢出现象2022-4-1085两个两个8位带符号数位带符号数(用补码表示用补码表示)相加相加(或相减或相减)，设第，设第7位位向上的进位向上的进位(或借位或借位)为为C，D6向向D7位的进位位的进位(或借位或