第二章 单片机基础知识 清华洪伟

1、第二章第二章 单片机基础知识单片机基础知识 2.1 数的表示数的表示 2.2 基本门电路基本门电路 2.3 组合电路组合电路 2.4 CPU的构成的构成 Page 1 Page 2Numbering and coding systems 1.1 数的表示数的表示 数制数制1. 十进制：十进制： a.有有10个数字符号个数字符号0、1、2、8、9，注意，注意!没有没有“十十” b.逢逢10进位，既在较高位增进位，既在较高位增1; c.同一数符在不同位置所代表数值不同同一数符在不同位置所代表数值不同,差差10k倍倍 d.小数点向左小数点向左/右移动一位数值缩小右移动一位数值缩小/扩大扩大10倍。倍

2、。2.J进位计数的特点：进位计数的特点： a.有有J个数字符号个数字符号; 0、1、2、J-1，注意，注意!没有没有“J”; b.逢逢J进位，既在较高位增进位，既在较高位增1; c.同一数符在不同位置所代表数值不同同一数符在不同位置所代表数值不同,差差Jk倍倍 d.小数点向左小数点向左/右移动一位数值缩小右移动一位数值缩小/扩大扩大J倍。倍。 Page 3Numbering and coding systems 1.1 数的表示数的表示 数制数制3.“权权”和和“基基”（1）“基基”：所使用的数字符号：所使用的数字符号(简称数符简称数符)的个数的个数 J 称为称为“基基”（2） 数位：为方便描

3、述多位数中各数字符号所在位置，数位：为方便描述多位数中各数字符号所在位置，现规定现规定,自小数点开始向左各位称为第自小数点开始向左各位称为第0位、第位、第1位、位、 ；自小数点开始向右各位称为第；自小数点开始向右各位称为第-1位、第位、第-2位、位、。（3）“权权”：数字符号：数字符号“1”在某位置所代表的数值称为该在某位置所代表的数值称为该位的权。显然，在位的权。显然，在J进位计数制下，第进位计数制下，第k位的权为位的权为Jk。（4） J进制数所代表的数值进制数所代表的数值-按权展开按权展开(以十进制表示以十进制表示) ： (DmD1D0.D-1D-2D-n)J= (Dm*Jm + + D1

4、*J + D0 + D-1*J-1 + D-2*J-2 + + D-n*J-n)10 Page 4Numbering and coding systems 1.1 数的表示数的表示 数制数制4.二进制二进制(J=2) a.有二个数字符号有二个数字符号0、1，注意，注意!没有没有“2”; b.逢逢2进位，既在较高位增进位，既在较高位增1; c.数字符号数字符号“1”在第在第k位代表的数值是位代表的数值是2k。 d.小数点向左小数点向左/右移动一位数值缩小右移动一位数值缩小/扩大扩大2倍。倍。 e.(110111)2=1*25+1*24+0*23+1*22+1*21+1*20=(55)105.八进

5、制八进制(J=8) a.有八个数字符号有八个数字符号0、1、7，注意，注意!没有没有“8”; b.逢逢8进位，既在较高位增进位，既在较高位增1; c.数字符号数字符号“1”在第在第k位代表的数值是位代表的数值是8k。 d.小数点向左小数点向左/右移动一位数值缩小右移动一位数值缩小/扩大扩大8倍。倍。 e.(103524)8=1*85+0*84+3*83+5*82+2*81+4*80=(34644)10 Page 5Numbering and coding systems 1.1 数的表示数的表示 数制数制6.十六进制十六进制(J=16) a.有十六个数字符号，除有十六个数字符号，除0、1、2、

6、8、9外，还需外，还需借用六个英文字母借用六个英文字母A、B、C、D、E、F；它们所对应；它们所对应的十进值分别为的十进值分别为10、11、15。注意。注意!没有没有“16”！ b.逢逢16进位，既在较高位增进位，既在较高位增1; c.数字符号数字符号“1”在第在第k位代表的数值是位代表的数值是16k。 d.小数点向左小数点向左/右移动一位数值缩小右移动一位数值缩小/扩大扩大16倍。倍。 e.(4A07F1)16=4*165+10*164+0*163+7*162+15*161+1*160 =(4851679)10 进制后缀：进制后缀：B:2 H:16 Q或或O:8 D或无或无:10 例：例：1

7、1100110B 3058H 3058 Page 6Numbering and coding systems 1.1 数的表示数的表示 数制数制常用各种进制数字符号对应关系常用各种进制数字符号对应关系16进进 10进进 8进进2进进16进进 10进进 8进进2进进0000 991110011111A1012101022210B1113101133311C12141100444100D13151101555101E14161110666110F151711117771111016201 0000 881010001117211 0001 Page 7Numbering and coding sy

8、stems 1.1 数的表示数的表示 数制数制7. J1（十）进制数（十）进制数 J2（二）进制数的转换算法（二）进制数的转换算法 （1）整数部分：除）整数部分：除(J2)取余。取余。 （2）小数部分：乘）小数部分：乘(J2)取整。取整。 （3）上述运算需要在）上述运算需要在J1进制下进行！进制下进行！ 例：例：(53.625)10=(110101.101)2 （4）这种方法是普遍适用的，无论机器中还是书面上！）这种方法是普遍适用的，无论机器中还是书面上！8.书面上不同进制数之间的转换算法：书面上不同进制数之间的转换算法： （1）当）当J1进运算较易人工完成时，可用机器中相同的算进运算较易人工

9、完成时，可用机器中相同的算法法 （2）当运算不易人工完成时，可先用十进运算按）当运算不易人工完成时，可先用十进运算按“权权”展开为十进数，再由十进数转换为展开为十进数，再由十进数转换为J2进。进。 例：例：(11001.1001)2 =(25.5625)10 Page 8Numbering and coding systems 1.1 数的表示数的表示 数制数制9. 二进制数与十六进制数之间的转换算法二进制数与十六进制数之间的转换算法 由于恰好由于恰好 24=16，所以有以下变换方法。这种方法不仅可，所以有以下变换方法。这种方法不仅可以在书面上进行，也可以在机器中完成。以在书面上进行，也可以在

10、机器中完成。 （1）二进制数）二进制数 十六进制数的方法十六进制数的方法 a.将二进制数自小数点开始向左将二进制数自小数点开始向左/右按右按 4位一节分组，末端位一节分组，末端不足不足4位的部分用位的部分用“0”补足为补足为4位。位。 b.将每将每4位二进制数写成位二进制数写成1位十六进制数。位十六进制数。 c.例：例：(000101101101.01001010)2 =(16D.4A)16 （2） 十六进制数十六进制数 二进制数的方法二进制数的方法 a.将每将每1位十六进制数写成位十六进制数写成4位二进制数。位二进制数。 b.例：例：(1863.5B)16 = (00011000011000

11、11.01011011)2 Page 9Numbering and coding systems 1.1 数的表示数的表示 数制数制10. Using windows - accessories - calc to practice with different number systems Page 10Numbering and coding systems 1.1 数的表示数的表示 有符号数有符号数 非数值信息非数值信息在计算机中的表达在计算机中的表达-编码编码 非二进数字符号非二进数字符号在机器中的表达在机器中的表达-编码编码 带符号二进数的带符号二进数的符号符号的表达的表达-编码编码

12、(符号位符号位) 机器数：机器数： 1. 一个数在机器中的一个数在机器中的表示形式表示形式称为机器数称为机器数(实质即编码实质即编码) 2. 不仅符号部分是编码表达的；为应用方便，数值部分也不仅符号部分是编码表达的；为应用方便，数值部分也常按某种方法编码表达。常按某种方法编码表达。 真值：机器数所代表的真实数值本身称为真值。真值：机器数所代表的真实数值本身称为真值。 有符号数和无符号数：有符号数和无符号数： 有些问题中没有负数问题。此时有些问题中没有负数问题。此时全部编码长度都只用来表达数值，此称无符号数。全部编码长度都只用来表达数值，此称无符号数。 Page 11Numbering and

13、coding systems 1.1 数的表示数的表示 有符号数有符号数 带符号带符号数的数的符号符号的表达方法：属于非数值信息，只能通过的表达方法：属于非数值信息，只能通过二进编码表达。二进编码表达。 符号位：符号位： 1. 因数的符号只有因数的符号只有“+”和和“-”二种情况，所以编码时只二种情况，所以编码时只需使用需使用一个一个二进位即可。此称二进位即可。此称“符号位符号位”。 2.一般来说，用一般来说，用“1”表示表示“+”，用，用“0”表示表示“-”；或相；或相反均可。但一经约定就要一以贯之地使用到底，不能中途反均可。但一经约定就要一以贯之地使用到底，不能中途再改变再改变。另外，为与

14、其他人交流之便另外，为与其他人交流之便，这种约定一定要与这种约定一定要与大多数人一致。大多数人一致。 3.目前，普遍采用的编码方法是目前，普遍采用的编码方法是用用“0”表示表示“+”，用，用“1”表示表示“-”。因此，我们也采用这种约定。因此，我们也采用这种约定。 Page 12Numbering and coding systems 1.1 数的表示数的表示 有符号数有符号数 带符号带符号数的数的原码原码表示：在其表示：在其绝对值前冠以符号位绝对值前冠以符号位。 带符号带符号数的数的反码反码表示：表示：正数正数的反码与其原码相同；的反码与其原码相同； 负数负数的反码是将其原码除符号位外逐位取

15、反的反码是将其原码除符号位外逐位取反 带符号带符号数的数的补码补码表示：表示：正数正数的补码与其原码相同；的补码与其原码相同； 负数负数的补码是其原码除符号位外的补码是其原码除符号位外逐位取反逐位取反，末位加末位加 1编编码码原码原码真值真值反码反码真值真值补码补码真值真值编编码码原码原码真值真值反码反码真值真值补码补码真值真值00000000+0+0010000000-0-127-12800000001+1+1+110000001-1-126-12700000010+2+2+210000010-2-125-12601111101+125+125+12511111101-125-2-30111

16、1110+126+126+12611111110-126-1-201111111+127+127+12711111111-127-0-1 Page 13Numbering and coding systems 1.1 数的表示数的表示 有符号数有符号数补码减法补码减法 1. X - Y补补= X补补 + -Y补补 采用补码可将减法变为加法采用补码可将减法变为加法 X补补 + -Y补补 = 2n+X + (2n-Y) = 2n + (X-Y) = X-Y补补 (mod 2n) 例：例：X= - 11 1000 = (- 56)10 ; Y= - 1 0001 = (- 17)10 ; X - Y

17、= - 11 1000 - (- 1 0001) = - 10 0111 = (- 39)10 X补补 = 1100 1000 X补补 = 1100 1000 -Y补补 = + 0001 0001 Y补补 = - 1110 1111 (进位进位) 0 0000 0000 (借位借位) 1 1111 1110 - - 39补补 = 1101 1001 - 39补补 = 1101 1001 Page 14Numbering and coding systems 1.1 数的表示数的表示 ASC码码ASCII(美国信息交换标准化)码 是专门用于非数值信息和符号的一种编码方案是专门用于非数值信息和符号

18、的一种编码方案 其编码的内容：其编码的内容： 1.英文字母英文字母 2.阿拉伯数字阿拉伯数字 3.标点符号标点符号 4.格式控制符号格式控制符号 5.对外设的控制符号对外设的控制符号 7位码，共位码，共128个编码。个编码。 特意较机器中的存储单元长度少特意较机器中的存储单元长度少1位。存储时占有低位。存储时占有低7位。位。 最高位可用于特殊目的；不用时用最高位可用于特殊目的；不用时用0占位。占位。 这是一种规律十分明确的编码，要求熟记其中有明显规这是一种规律十分明确的编码，要求熟记其中有明显规律的部分！律的部分！ 编码表：编码表： 奇奇/偶校验及奇偶校验及奇/偶校验位偶校验位 Page 15

19、英文字母英文字母的编码：的编码： 1.大写字母大写字母 A - Z : 41H - 5AH 2.小写字母小写字母 a - z : 61H - 7AH 3. 大写大写小写小写: +20H 4.小写小写大写大写: -20H 5. A - F 十六十六(二二)进值：进值：- 37H 5. 十六十六(二二)进值进值 A - F ：+ 37H阿拉伯数字阿拉伯数字的编码：的编码： 1. 0 - 9 : 30H - 39H 2. 0 - 9 二进值：二进值： - 30H 3. 二进值二进值 0 - 9 ：+ 30H格式控制符号和设备控制符号的编码：格式控制符号和设备控制符号的编码： 空格：空格：20H 回车

20、：回车：0DH 换行：换行：0AH配置奇配置奇/偶校验位偶校验位 1. 奇校验奇校验: A 41H = 0100 0001 1100 0001 C 43H = 0100 0011 0100 0011 2. 偶校验：偶校验： A 41H = 0100 0001 0100 0001 C 43H = 0100 0011 1100 0011 1.1 数的表示数的表示 ASC码码Page 16ASCII TablePage 17ASCII Table ASCII character is treated as a number in computer Temp = ? Quiz1: unsigned c

21、har temp = a + 4; Quiz2: unsigned char temp =( a z );Department of Communication Engineering, Jilin University Page 18Numbering and coding systems 1.1 数的表示数的表示 BCD码码 用于表达十进制数符的二进编码称为用于表达十进制数符的二进编码称为BCD码码。 BCD数的数的存储形式存储形式-紧缩紧缩BCD数数/非紧缩非紧缩BCD数数 1.计算机中的存储系统常常是以计算机中的存储系统常常是以8个二进位为一个单元。个二进位为一个单元。 2.一组一组B

22、CD编码是编码是4个二进位，因此每个存储单元最多可以个二进位，因此每个存储单元最多可以放放2组组BCD编码。编码。 3.当每个存储单元放当每个存储单元放2组组BCD编码时，称为编码时，称为紧缩紧缩BCD数。数。 当每个存储单元放当每个存储单元放1组组BCD编码时，称为编码时，称为非紧缩非紧缩BCD数数 4.紧缩紧缩BCD数：高数：高4个二进位对应二个个二进位对应二个十进数中的高位十进数中的高位。 低低4个二进位对应二个个二进位对应二个十进数中的低位。十进数中的低位。 5.非紧缩非紧缩BCD数：必须放在低数：必须放在低4个二进位中，高个二进位中，高4个二进个二进 位必须置位必须置0000。BCD

23、3BCD2BCD1BCD00000BCD1BCD00000紧缩紧缩BCDBCD非紧缩非紧缩BCDBCDPage 19BCD BCD Binary Coded Decimal Represent an individual decimal as binary. For example, to convert a decimal for 7-segment displayDecimal BCD0000010001 20010 30011 40100 50101 60110 70111 81000 91001 Dec: 17BCD: 0001 0111Page 20Exercise 按照大小给下面几

24、个数排序 16进制 0 x13 10进制 17 二进制 0b00010101 BCD码 0b00010101Department of Communication Engineering, Jilin UniversityLecture2 Page 21Digital Primer from transistor to CPU Two voltage levels can be represented as digits 0 and 1 TTL : VCC=5V5% 0=0-0.7V 1=2.4 5V CMOS: VDD=3 8V (Lower to1.8 or 0.9V) 0=00.3VDD

25、, 1=0.71VDDebcN typeVddVssggN typeP typeOng = HighOnb = HighOng = LowOffb = LowTTL and CMOS Transistors 1.2 基本门电路基本门电路 Page 22Basic Logic ElementBA Inverter 反相器反相器B = A ( B = !A)AB1001Circuit Truth Table Boolean Expression Logic Diagram SymbolABCABC001011101110NAND 与非门与非门C = !(A * B)Page 23Basic Log

26、ic Element (cont)Circuit Truth Table Boolean Expression Logic Diagram SymbolABC001010100110 NOR或非门或非门 C = !(A + B)ABCInOutCCInOut00Z01Z100111 三态门三态门Three Status GateDepartment of Communication Engineering, Jilin UniversityInOutCPage 24Logic elementWith the Inverter, NOR, NAND, more logic element can

27、 be build.ABC000010100111Circuit Truth Table Boolean Expression Logic Diagram Symbol AND C = (A * B)ABC000011101111 OR C = (A + B)Department of Communication Engineering, Jilin UniversityPage 25Logic element (cont)ABCDEABDEC00000010111010111000 XORC = (A B)Department of Communication Engineering, Ji

28、lin UniversityPage 26Combination of logic elementsA0SA1A2A3Address decoderA(0,1,2,3) = ? ,then S = 1Widely used for address decoding in computer designto select a specified address location or an address region.Department of Communication Engineering, Jilin UniversityPage 27Combination of logic elem

29、ents2-4 DecoderA B S0 S1 S2 S30 00 11 01 10 1 1 11 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0S0AS1S2S3BWidely used in multiplexer.Department of Communication Engineering, Jilin UniversityPage 28Combination of Logic elementsxyscS = x yC = x*yXYCS0000010110011110SumCarryhalf adderDepartment of Communication Engineering, J

30、ilin UniversityPage 29Combination of Logic elementsZXYCS0000000101010010111010001101101101011111Full adderxysczXYSCZDepartment of Communication Engineering, Jilin UniversityPage 30Combination of Logic elementsXYSCZXYSCZXYSCZXYSCZA3A2A1A0B3B2B1B0C0S3S2S1S0C1C2C3C4S = A + B4-bit adderDepartment of Com

31、munication Engineering, Jilin University多(4)位加/减法电路 设二个加数分别为：设二个加数分别为：A , B 和和/差为差为 ： S 利用补码变减法为加法：利用补码变减法为加法： AB补补= A补补+-B补补= A补补+B补补+ 1 求求B补补-可控反相门可控反相门(P32)和和 加加/减控制端减控制端 电路电路 P33 = 1BiYi SUBSUB=1Yi = Bi SUB=0Yi = Bi AiBiCi+1SiFACiAiBiCi+1SiFACiAiBiCi+1SiFACiA3A2A1A0B3B2B1B0S3S2S1S0C3C2C1C4AiBiCi

32、+1SiFACi= 1= 1= 1= 1SUB=0,加加=1,减减Page 32From Logical to sequentialFlip-flopsCDQQ0XNO change10011110Flip-flop has the capability to STORE dataIt is the basic element for sequential logic.DCLKQQDepartment of Communication Engineering, Jilin UniversityPage 33Combination of Logic elements4bit Shift regi

33、sterDCQQDCQQDCQQDCQQClkD0D1D2D3Q0Q1Q2Q3ClkD0Q0Q1Q2Q30XNo change1XD0Q0Q1Q2Department of Communication Engineering, Jilin UniversityPage 34A conceptual CPU加减加减左移左移右移右移与或与或多路开关多路开关CBAS0S1S2S3Department of Communication Engineering, Jilin UniversityPage 35The operation of conceptual CPUS3 S2 S1 S0 C = 0

34、 C = 10 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1Transfer F = A F = A+1Add F = A + B F = A + B + 1Sub F = A B 1 F = A B Dec F = A 1And F = A BOr F = A | BNot F = -ACompliment F = !A F = Logical shift right AF = Rotate shift right A

35、F = Rotate shift right A with CarryF = Arithmetic shift right AF = Logical shift left AF = Rotate shift left AF = Rotate shift left A with CarryF = Arithmetic shift left ADepartment of Communication Engineering, Jilin UniversityLecture3 Page 36单片机的认识与实践单片机的认识与实践Outline MCU Structure The CPU Register

36、s file （寄存器组） Instruction latch/decode/branch （指令） Stack（栈） Interrupt（中断） Clock/Reset（时钟/复位） Memory peripheralLecture3 Page 37单片机的认识与实践单片机的认识与实践Outline MCU Structure The CPU Registers file （寄存器组） Instruction latch/decode/branch （指令） Stack（栈） Interrupt（中断） Clock/Reset（时钟/复位） Memory peripheralLecture3

37、 Page 38单片机的认识与实践单片机的认识与实践A complete CPULecture3 Page 39单片机的认识与实践单片机的认识与实践CPU the core of microcontroller The CPU contains: Arithmetic Logic Unit(运算逻辑单元) Register file (寄存器组) Control Unit (控制单元) Float point process Unit Cache management Memory Management Unit Lecture3 Page 40单片机的认识与实践单片机的认识与实践运算逻辑单元

38、运算逻辑单元ALU - Arithmetic Logic UnitPerforms arithmetic functions such as add, subtract, multiply, divide logic functions such as AND,OR,NOT,XOR bit functions such shift, rotation4个要素Two input data - operands(操作数)instruction - operation（运算）Status - flag(标志位)one output data - result(运算结果)Quiz： 下面几个操作中，4

39、要素分别为？A + B = CA B ?A = 1Lecture3 Page 41单片机的认识与实践单片机的认识与实践Flag(标志位标志位)在哪里？在哪里？执行单元产生的标志通常放在一个专用寄存器中Condition Code Register - CCRZ: zeroN: negativeO: overflowC: carry每执行一条指令，相应的状态位都会进行更新。每条指令影响到的状态位都是不一样的，需要查看芯片手册。CCR（Condition Code Register，条件码寄存器），条件码寄存器）Lecture3 Page 42单片机的认识与实践单片机的认识与实践操作数操作数(op

40、erands)在哪里在哪里?1: Registers寄存器用于临时保存/获取操作数任何CPU都包含若干通用/专用寄存器寄存器的数目和宽度是衡量CPU的重要指标 the more and bigger the register The better the CPU. Lecture3 Page 43单片机的认识与实践单片机的认识与实践操作数操作数(operands)在哪里在哪里?2: Data Memory Memory并不是CPU的组成部分，对memory的访问要比对寄存器的访问慢很多Lecture3 Page 44单片机的认识与实践单片机的认识与实践运算结果存哪里？运算结果存哪里？Gener

41、ally, the same as the operands1: RegistersLecture3 Page 45单片机的认识与实践单片机的认识与实践运算结果存哪里？运算结果存哪里？2: Data Memory Page 46谁掌控这一切的自动运行？谁掌控这一切的自动运行？ 指令解析 : 分析该指令需要执行何种操作 数据流向 : 确定该指令用到的操作数来源和产生结果的去向. 寻址方式：计算机确定操作数或下一条要执行指令的地址的方法。控制单元控制单元Low addrHigh addr 2.4 CPU的构成的构成 Page 47地址与存储的基本概念地址与存储的基本概念Instr.EInstr.D

42、Instr.CInstr.BInstr.A0 xA3360 xA3370 xA3340 xA3350 xA332 也可能是程序代码也可能是程序代码存储单元地址与存储单元内容存储单元地址与存储单元内容 请回忆一下请回忆一下C语言的变量和指针的概念？语言的变量和指针的概念？0 x440 x550 x440 x330 xEF0 x560 x00040 x00010 x00020 x00030 x0000 存储的是数据存储的是数据 2.4 CPU的构成的构成 Page 48获取指令获取指令程序由指令序列构成，保存在程序存储器中。这些指令序列“依次”进入CPU执行下一条下一条待执行的指令地址保存在PC寄存器（ Program Counter，即程序计数器），即程序计数器）中指令被取出后，PC更新指向下一条下一条指令（见下页）程序计数器程序计数器 2.4 CPU的构成的构成 Page 49PC 变化：顺序、分支和循环变化：顺序、分支和循环PC = address绝对转移PC = PC + offset相对转移当出现跳转或子程序调用时：The PC is loaded with a new value (PC