第1章 基础知识

目录第1章概论第2章MCS-51系列单片机的资源配置第3章MCS-51系列单片机的指令系统及汇编语言程序设计第4章单片机的C语言第5章MCS-51系列单片机的片内接口及中断第6章MCS-51系列单片机的扩展技术第7章单片机应用系统接口技术第8章单片机应用系统设计第9章单片机应用系统设计实例照明能源触摸智能仪表连接第1章计算机基础知识主要内容：有符号数的表示微型计算机工作原理单片机的概念及特点9章节：1.1计算机中的信息及表示1.2微型计算机的基本结构和工作原理1.3单片微型计算机101.1信息在计算机中的表示1.1.1数在计算机内的表示计算机中的数通常有两种：无符号数和有符号数。

无符号数<-----

二进制形式表示

例如：123表示成01111011B。

有符号数---

机器数，它的数值称为机器数的真值。11符号位数值位机器数在计算机中有三种表示法：

原码、反码和补码。+0-1机器数在计算机中表示：12一.原码符号位绝对值注意:（1）原码表示范围为-(2n-1-1)~+(2n-1-1)，例如：8位的范围为-127~+127。（2）原码表示时，-0的编码为10000000，+0的编码为00000000。（假设机器字长为8位）【例1-1】求+67、-25的原码（机器字长8位）因为

+67

=67=1000011B

-25

=25=11001B所以[+67]原=01000011B[-25]原=10011001B格式:13二.反码符号位0绝对值符号位1绝对值各位取反格式:正数负数注意:（1）反码表示范围为-(2n-1-1)~+(2n-1-1)，例如：8位的范围为-127~+127。（2）反码表示时，-0的编码为11111111，+0的编码为00000000。（假设机器字长为8位）14三.补码

【例1-3】求+67、-25的补码（机器字长8位）。因为[+67]原=01000011B[-25]原=10011001B所以[+67]补=01000011B[-25]补=11100111B

符号位0绝对值符号位1绝对值各位取反格式:正数负数+115注意:（1）补码表示范围为-(2n-1-1)~+(2n-1)，例如：8位的范围为-128~+127。（2）补码表示时，-0的编码为00000000，+0的编码为00000000。（假设机器字长为8位）[X]补

[-X]补

【例1-4】已知+25的补码为00011001B，用求补运算求-25的补码。因为[25]补

[-25]补所以

[-25]补=11100110+1=11100111B16求补运算：一个二进制数，符号位和数值位一起取反，末位加1。求补运算具有以下的特点：174.补码的加减运算补码的加、减法运算规则如下：[X+Y]补=[X]补+[Y]补[X-Y]补=[X]补-[Y]补=[X]补+[-Y]补=[X]补+{[Y]补}求补即：补码表示时，求两个数之和[X+Y]补，直接用两个数相加（[X]补+[Y]补）；求两个数之差[X-Y]补，可以直接用两个数相减[X]补-[Y]补，也可以先对减数[Y]补求补运算，然后再与被减数[X]补相加。18【例1-5】假设计算机字长为8位，完成下列补码运算。① (＋25)+(＋32)因为 [＋25]补=00011001B[＋32]补=00100000B [＋25]补=00

011001+ [＋32]补=00100

0

0

0所以[(＋25)+(＋32)]补=[＋25]补+[＋32]补=00111001B=[＋57]补00111001② (+25)+(-32)因为 [+25]补=00011001B[-32]补=11100000B [+25]补=00

011001+ [-32]补=11

100

0

0

0所以[(+25)+(-32)]补=[+25]补+[-32]补=11111001B=[-7]补1111100119(+25)-(+32)因为[+25]补=00011001B[+32]补=00100000B｛[+32]补｝求补=11011111+1=11100000B [＋25]补=00011001- [＋32]补=00100000[+25]补=00011001+ [-32]补=11100000

1 1111100111111001所以[(+25)-(+32)]补=[+25]补+[-32]补

=[+25]补+｛[+32]补｝求补

=11111001B=[-7]补借位1自动丢失20(+25)-(-32)因为[+25]补=00011001B[-32]补=11100000B｛[-32]补｝求补=00011111+1=00100000B [+25]补=00011001- [-32]补=11100000 [+25]补=00011001+ [+32]补=0010000010011100100111001借位1自动丢失所以[(+25)-(-32)]补=[+25]补+[-32]补

=[+25]补+｛[-32]补｝求补

=00111001B=[+57]补四．十进制数的表示

十进制编码又称为BCD码。分压缩BCD码和非压缩BCD码。压缩BCD码又称为8421码，它是用四位二进制编码来表示一位十进制符号。21例如：十进制数124的压缩BCD码为000100100100。

十进制数4.56的压缩BCD码为0100.01010110。十进制符号压缩BCD编码十进制符号压缩BCD编码0000050101100016011020010701113001181000401009100122

非压缩BCD码是用八位二进制来表示一位十进制符号，其中低四位二进制编码与压缩BCD码相同，高四位任取。例如：十进制数124的非压缩BCD码为 001100010011001000110100。1.1.2字符在计算机内的表示美国信息交换标准代码ASCII码AmericanStandardCodeforInformationInterchange23数字符号0～9：30H—39h26个大写字母：41H—5AH26个小写字母：61H—7AH1.2微型计算机的基本结构和工作原理

现在的计算机采用冯·诺伊曼结构，由运算器、控制器、存贮器、输入设备和输出设备五大部分组成。集成运算器和控制器的这一块集成电路称为中央处理器或微处理器，简称CPU。1.2.1微型计算机的发展1971年诞生，一般分为以下几代：第一代（1971～1973）：4位和低档8位微处理器第二代（1974～1977）：中高档8位微处理器第三代（1978～1984）：16位微处理器第四代（1985～1992）：32位微处理器第五代（1993～1999）：超级32位Pentium（奔腾）微处理器第六代（2000年以后）：64位高档微处理器241.2.2微型计算机的基本结构中央处理器（CPU）随机存储器RAMI/O接口电路I/O设备2I/O接口电路只读存储器ROM数据总线（双向）地址总线（单向）控制总线I/O设备1微型计算机由中央处理器、存储器、输入/输出设备和系统总线等组成251.2.3微处理器8086总线

地址总线（20位）

ALU数据总线（16位）

地址加法器

队列总线

指令队列

总线接口部件（BIU）

123456

CS

IP

内部通信寄存器

总线

控制

逻辑

数据总线

暂

存

器

ALU

标志寄存器

EU

控制器

指令执行部件（EU）

∑

（16位）

（8位）

通

用

寄

存

器

ES

DS

SS

AX

BX

CX

DX

BP

SP

SI

DI

AHAL

BHBL

CHCL

DHDL

由运算器、控制器、寄存器组和片内总线组成261、执行单元(EU)执行部件由运算器（ALU）、通用寄存器、标态寄存器和EU控制系统等组成。EU从BIU的指令队列中获得指令，然后执行该指令，完成指今所规定的操作。总线接口部件BIU同外部总线连接，为执行部件EU完成全部的总线操作，并且计算、形成20位的内部存储器的物理地址，达到寻址1M字节内存地址空间的目的。2、总线接口单元(BIU)内部分为两个部分：27内部寄存器

8086CPU有14个16位寄存器，分为5个组28291)通用寄存器组AX称为累加器，是算术运算时使用的主要寄存器，所有外部设备的输入输出指令只能使用AL或AX作为数据寄存器。BX称为基址寄存器，可以用作数据寄存器，在访问存储器时，可以存放被读写的存储单元的地址，是具有双重功能的寄存器。CX称为计数寄存器，可以用作数据寄存器，在字符串操作、循环操作和移位操作时用作计数器。DX称为数据寄存器，它可以用作数据寄存器，在乘、除法中作为辅助累加器，在输入输出操作中存放接口的地址。302)指针和变址寄存器组主要用来存放操作数的偏移地址（即操作数的段内地址）。SP称为堆栈指针寄存器，在堆栈操作中存放栈顶的偏移地址。BP称为基址指针寄存器，常用作堆栈区的基地址寄存器。SI称为源变址寄存器，主要用于在字符串操作中存放源操作数的偏移地址。DI称为目的变址寄存器，主要用于在字符串操作中存放目的操作数的偏移地址。313)段寄存器组段寄存器用来存放段的基址(即段的起始地址的高16位)。CS称为代码段段寄存器，代码段用来存放程序代码。CS中存放当前正在执行的代码段的段基址。DS称为数据段段寄存器，数据段用于存放当前使用的数据。DS中存放当前数据段的段基址。SS称为堆栈段段寄存器，堆栈段是内存中一段特殊的存储区。SS中存放堆栈段的段基址。ES称为附加数据段段寄存器，程序需要第二个数据段时，可以使用ES存放的该数据段的段基址。324)指令指针寄存器指令指针寄存器IP（instructionpointer）是一个16位的寄存器，IP存放下一条要执行的指令的偏移地址。8086中，由CS和IP控制着程序的执行顺序。在程序执行时，由EU控制器控制，通过BIU部件从CS和IP指向的内部存储器中取出当前执行的指令送执行部件执行，在取出的同时，指令指针寄存器IP会自动调整（加上当前指令的字节数）以指向下一条指令，以便程序能自动往后执行。当程序发生转移时，就必须把新的指令地址（目标地址）装入CS和IP，这通常由转移指令来实现。5)标志寄存器标志寄存器FLAGS共有9个标志位，其中6个为状态标志位，3个为控制标志位。ODITSZAPCC——进位标志位。P——奇偶标志位。A——半加标志位。Z——零标志位。S——符号标志位。T—陷阱标志位(单步标志位)。I——中断允许标志位。D——方向标志位。O—溢出标志位。331.2.4存储器指内部存储器（又称为主存或内存）。它是微型计算机的存储和记忆装置，用来存放微型计算机执行的程序和数据。存储单元内容和存储单元地址341.存储器的基本结构-------半导体存储器

地址译码器00单元01单元02单元┇┇FF单元000102FF地址单元内容ABCBI/O缓冲器控制逻辑DB图1.10存储器结构图35主要由地址译码器、存储矩阵、控制逻辑和三态双向缓冲器等部分组成。对内存单元的操作有两种：读和写。(1)读操作地址译码器0单元内容2BH┇┇FF单元内容05控制逻辑地址单元内容AB读信号DB052BHI/O缓冲器1）CPU通过地址总线送地址号05H至存储器地址译码器2）存储器中的地址译码器对它进行译码，找到05H号存储单元3）CPU发出读的控制命令，05H号存储单元中的内容2BH就出现在数据总线36(2)写操作写信号地址译码器0单元内容┇┇FF单元内容I/O缓冲器06地址单元内容ABDB061AH1AH控制逻辑1）CPU通过地址总线送地址号06H至存储器地址译码器2）存储器中的地址译码器对它进行译码，找到06H号存储单元3）数据寄存器中的内容1AH经数据总线送给存储器4）CPU发出写的控制命令，于是数据总线上的信息1AH就可以写入到06H号存储单元中372．存储器的分类

随机读写存储器RAM（RandomAccessMemory）和只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）。3．8086中的存储器总存储空间为1M字节，地址20位。由于8086的寄存器都是16位，不能直接提供20地址，因此，为了管理方便，8086把1M空间分成若干块（称为“逻辑段”），各个逻辑段之间可在实际存储空间中完全分开，也可以部分重叠，甚至可以完全重叠。每个逻辑段容量不超过64K字节，这样就可用16位寄存器提供地址访问。38物理地址与逻辑地址物理地址：送给存储器的20位地址。逻辑地址：程序中访问存储器的地址，“段基址：偏移地址”转换：物理地址=段基址×16+段内偏移地址例如：段基址：偏移地址分别是1200H：0345H则物理地址=1200H×16+0345H=12345H。391.2.5输入/输出设备及I/O接口电路1．I/O接口的功能

(1)数据的寄存和缓冲功能(2)信号转换功能(3)设备选择功能(4)外设的控制和监测功能(5)中断或DMA管理功能(6)可编程功能2．外部设备与CPU之间的数据传送方式

(1)无条件传送方式(2)查询传送方式(3)中断传送方式403．8086中的常用接口电路简介

8255A是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片。8253是Intel公司生产的可编程计数/定时器接口电路。8251A是INTEL公司生产的可编程的串行通讯接口芯片。8259A是Intel公司生产的可编程中断控制器芯片。411.2.6总线按总线在微机结构中所处的位置不同，可把总线分为以下四类：(1)片内总线：(2)片级总线：(3)系统总线：(4)外部总线：按总线功能可分三类。(1)地址总线（AB）：(2)数据总线（DB）：(3)控制总线（CB）：

总线是连接多个设备或功能部件的一簇公共信号线，它是计算机各组成部件之间信息交换的通道。421.2.7微型计算机工作过程“存储程序”和“程序控制”指令是指计算机完成一个基本操作的命令。指令系统是一个计算机所能够处理的全部指令的集合。一条指令一般包括两个部分：操作码和操作数。例如计算3+5=？在执行程序之前需要做好如下几项工作：(1)用助记符号指令（汇编语言）编写程序（源程序）；(2)用汇编软件（汇编程序）将源程序汇编成计算机能识别的机器语言程序；(3)将数据和程序通过输入设备送入存储器中存放。43假设上面例子的汇编语言源程序和机器语言程序如下：汇编语言 机器语言 功能MOVAL，03H 1011000000000011B ；把01送入

累加器A。ADDAL，05H 0000010000000101B ；02与A中内

容相加，结果存入A。HLT 11110100B ；停止操作。编译好的机器语言程序有5个字节，设放于存储器地址为00H开始的单元处。441．执行第一条指令的过程----(1)取第一条指令

J2I2ALUF内部数据总线ALBL00PLAIDB0HB0HCPUB0H01H04H02HF4H

3E

DB存储器PC00+1AR……DRIR②①AB③④⑤⑥⑦

读451)当前程序计数器PC或IP内容（00H）送地址寄存器AR。2)PC自动加1，等于01H，指向下一个存储器单元。这里指向第一条指令的操作数。3)地址寄存器AR的内容00H通过地址总线AB送至存储器，经地址译码器译码选中相应的00H单元。4)CPU发出存储器“读”命令。5)在读命令的控制下，所选中的00H单元的内容读至数据总线DB上。6)读出的内容经数据总线DB送至数据寄存器DR。7)指令译码。因为取出来的是指令的操作码，所以数据寄存器DR的内容被送至指令寄存器IR中，然后再送至指令译码器ID，译码后由控制器发出执行这条指令的各种控制命令。取第一条指令

46J2I2ALUF内部数据总线01HBL01PLAIDIR01HCPUB0H01H04H02HF4H

3E

DB存储器PC01+1AR……DR②①AB④⑤⑥⑦③AL

读1．执行第一条指令的过程----(2)执行第一条指令。

471)将当前程序计数器PC或IP的内容01H送至地址寄存器AR。2)PC自动加1，等于02H，这里指向下一条指令，为取下一条指令作准备。3)地址寄存器AR的内容01H通过地址总线AB送至存储器，经地址译码器译码后选中存储器01H单元。4)CPU发出存储器“读”命令。5)在读命令的控制下，所选中的01H存储单元的内容01H读至数据总线DB上。6)读出的内容经数据总线DB送至数据寄存器DR。7)因为经过译码已经知道读出送到累加器AL，所以数据寄存器DR的内容01H通过内部数据总线送至累加器AL。于是第一条指令执行完毕，操作数01H被送到累加器AL中。执行第一条指令。482．执行第二条指令的过程-----(1)取第二条指令。与取第一条指令同2)执行第二条指令。I1I2ALUF内部数据总线03HB03PLAIDIR02HCPUB0H01H04H02HF4H

3E

DB存储器PC03+1AR……DR②①AB④⑤⑥⑦③A

读⑧⑨⑩491)将当前程序计数器PC或IP的内容03H送至地址寄存器AR。2)PC自动加1，等于04H，这里指向下一条指令，为取下一条指令作准备。3)AR通过地址总线把地址03H送至存储器，经过译码，选中相应的单元，4)CPU发出存储器“读”命令。5)在读命令的控制下，所选中的03H存储单元的内容02H读至数据总线DB上。6)读出的内容经数据总线DB送至数据寄存器DR。7)数据寄存器DR的内容通过内部数据总线送至ALU的一个输入端。8)累加器AL中的内容01H送ALU的另一个输入端，在ALU中执行加法操作。9)相加的结果03H由ALU输出至累加器AL中。执行第二条指令503．执行第三条指令的过程

第二条指令执行结束后，程序计数器PC的值为04H，指向第三条指令在存储器中的首地址，进入第三条指令的执行过程。第三条指令的处理与前面完全相同，第三条指令的操作码F4H（HLT）取出经译码器译码后就停机。整个程序执行完毕。511.3单片机及其特点1.3.1单片机的