数制及编码教材

一、单片机中数的表示形式在单片机中，只有数码1和0两种不同的状态，对于一个数的正、负号，两种不同状态，约定正数的符号用0表示，负数的符号用1表示，将符号位放在数的最左边。例如：1.2数制和编码N2＝-1100（表示负数）N1=+1011（表示正数）假设一个8位单片机，即信息是以8位为单位进行处理的，且每个存贮单元只能存贮—个8位的二进制数，称为一个字节，如果用一个字节(即8位二进制数)来表示上述两个符号数，它们在单片机中可分别表示为：00001011和10001100，其中最高位为符号值，其余位为数值位。最高位为0表示是正数，最高位为1表示是负数。这种计算机用来表示数的形式叫机器数，也叫机器码，而把对应于该机器数的算术值叫真值。值得注意的是：机器数和真值的面向对象不同，机器数面向计算机，真值面向用户，机器数不同于真值，但真值可以用机器数来表示。机器数是计算机中表示数的基本方法，机器数通常有原码、反码和补码三种形式。[+120]原＝01111000B[-120]原＝11111000B微型计算机的原码形式就是机器数形式，二者完全相同。它们的最高位为符号位，其余为数值位。符号位为0表示该数为正数，符号位为1表示该数为负数。在微型计算机中，一个数的原码是把该数用方括号括起来，并在方括号右下角加“原”字来表示。[例]：真值为+120和-120的在八位微型计算机中的原码形式1．原码表示方法（trueform）对于0，可以认为它是+0，也可以认为它是-0，它在八位微型计算机中的原码形式有两种：[+0]原＝00000000B[-0]原＝10000000B8位二进制数原码表示范围11111111B-01111111B，即-127~+127。在微型计算机中，二进制数的反码求法很简单，有正数的反码和负数的反码之分。在反码表示方法中，正数的反码与原码相同；负数的反码的符号位和负数原码的符号位相同，即为1，数值位是它的数值位按位取反。反码的标记方法和原码的类似，只是在方括号的右下角加“反”字即可。2．反码表示方法（complement）[X]原=01101101B[Y]原=10110110B[X]反=01101101B[Y]反=11001001B8位二进制数反码表示范围

11111111B-01111111B，即-127~+127[例]设X=+1101101，Y=-0110110，写出X和Y的原码和反码形式。0在八位微型计算机中的反码形式有两种[+0]反=00000000B[-0]反=11111111B3．补码表示方法[X]原=00001010B[Y]原=10001010B[X]反=00001010B[Y]反=11110101B[X]补=00001010B[Y]补=11110110B正数的补码和原码相同，负数的补码是反码加1。[例]已知X=+1010B，Y=-01010B，试分别写出它们在八位微型机中的原码、反码和补码。0的补码只有一种形式0在八位微型计算机中的补码形式有两种[+0]补=[+0]原=[+0]反=00000000B[-0]补=[-0]反+1=11111111B+1=00000000B在日常生活中，编码问题是经常会遇到的。例如：电话号码、房间编号、班级号和学号等等，这些编码问题的共同特点是采用十进制数字来为用户、房间、班级和学生等编号的，编码位数和用户数的多寡有关。例如：一个两位十进制数字的编码最多容许100家用户装电话。二、微型计算机的二进制编码在计算机中，由于机器只能识别二进制数，因此键盘上所有的数字、字母和符号也必须事先为它们进行二进制编码，以便机器对它们加以识别、存储、处理和传送。和日常生活中的编码问题一样，所需编码的数字、字母和符号越多，二进制数字的位数也越长。下面介绍几种微型机中常用的编码。二-十进制编码又称BCD码，既具有二进制数的形式，以便于存储，又具有十进制数的特点，以便于进行运算和显示结果。BCD码(BinaryCodedDecimal)是一种具有十进制权的二进制编码。BCD码的种类较多，常用的有8421码、余3码和格雷码等。现以8421码为例进行讨论。1．二-十进制编码(十进制数的二进制编码)8421码也是BCD码中的一种，因组成它的4位二进制数码的权为8、4、2、1而得名。8421码是一种采用4位二进制数来代表十进制数码的代码系统。在这个代码系统中，十组4位二进制数分别代表了0-9中的十个数字符号，如表所列。(1)8421码的定义4位二进制数字共有15种组合，其中0000B-1001B为8421的基本代码系统，1010B-1111B未被使用，称为非法码或冗余码。10以上的所有十进制数至少需要二位8421码字(即8位二进制数字)来表示，而且不应出现非法码，否则就不是真正的BCD数。因此，BCD数是由BCD码构成的，是以二进制形式出现的，是逢十进位的，但它并不是一个真正的二进制数，因为二进制数是逢二进位的。例如：十进制数45的BCD形式为01000101B(即45H)，而它的等值二进制数为00101101B(即2DH)。所谓BCD加法是指两个BCD数按“逢十进位”原则进行相加，其和也是一个BCD数。BCD加法应由计算机自动完成，但计算机只能进行二进制加法。它在两个相邻BCD码之间只能按“逢16进位”，不可能进行逢十进位的。因此计算机在进行BCD加法时，必须对二进制加法的结果进行修正，使两个紧邻的BCD码之间真正能够做到逢十进位。(2)BCD加法运算在进行BCD加法过程中，计算机对二进制加法结果进行修正的原则是：若和的低4位大于9或低4位向高4位发生了进位，则低4位加6修正；若高4位大于9或高4位的最高位发生进位，则高4位加6修正。这种修正是由微处理器内部的十进制调整电路自动完成的，这个十进制调整电路是由专门的十进制调整指令命令它工作的。因此，最终也是由人来控制的。[例]已知X=48，Y=69，试分析BCD的加法过程。

相加两数为无符号数，最高位进位有效。显然，人工算法和机器算法结果是一致的。现代微型计算机不仅要处理数字信息，而且还需要处理大量字母和符号信息。这就需要人们对这些数字、字母和符号进行二进制编码，以供微型计算机识别、存储和处理。这些数字、字母和符号统称为字符，因此上述字母和符号的二进制编码又称为字符的编码。2．ASCII码(字符编码)ASCII码(AmericanStandardCodedforInformationInterchange)是“美国信息交换标准代码”的简称。ASCII码诞生于1963年，是一种比较完整的字符编码，已成为国际通用的标准编码，现已广泛用于微型计算机中。通常，ASCII码有7位二进制数码构成，共可为128个字符编码。这128个字符共分两类：一类是图形字符，共96个，另一类是控制字符，共32个。96个图形字符包括十进制数符10个、大小写英文字母52个和其他字符24个，这类字符有特定形状，可以显示在CRT上和打印在打印纸上，其编码可以存储、传送和处理。32个控制字符包括回车符、换行符、退格符、设备控制符和信息分隔符，等等。这类字符没有特定形状，其编码虽然可以存储、传送和起某种控制作用，但字符本身是不能在CRT上显示和打印纸上打印的。（附录B）

在附录B的ASCII字符表中，中间部分为96个图形字符和32个控制字符代号，左边和上边为相应字符的ASCII码，其中上边为高三位二进制，左边为低4位二进制码。例如：数字0-9的ASCII码为0110000B-0111001B(即30H-39H)，大写字母A-Z的ASCII码为41H-5AH。第二章MCS-51单片机硬件结构

本章主要以8051为主线叙述MC5—51单片机的内部结构、工作原理、存储器结构、P0、P1、P2、P3四个I/O口的基本工作原理和操作特点。引脚功能、工作方式和时序，这些对后续章节的学习是十分重要的。

﹡8051/8751/8031；

﹡8052/8752/8032；

﹡80C51/87C51/80C31

﹡80C52/87C52/80C32等

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MCS-51是Intel公司生产的一个单片机系列名称。在MCS—51系列里，所有产品都是以8051为核心电路发展起来的，它们都具有8051的基本结构和软件特征。属于这一系列的单片机有多种，如：2.1MCS-51单片机总体结构80C51单片机是在8051的基础上发展起来的，8051单片机与80C51单片机从外形看是完全一样的，其指令系统、引脚信号、总线等完全一致（完全兼容），也就是说在8051下开发的软件完全可以在80C51上应用，反过来，在80C51下开发的软件也可以在8051上应用。这两种单片机是完全可移植的。8051与80C51单片机的主要差别就在于芯片的制造工艺上。80C51的制造工艺是在8051基础上进行了改进。8051系列单片机采用的是HMOS工艺：高速度、高密度；80C51系列单片机采用的是CHMOS工艺：高速度、高密度、低功耗；也就是说80C51单片机是一种低功耗单片机。该系列生产工艺有两种：CHMOS是CMOS和HMOS的结合，既保持了HMOS高速度和高密度的特点，还具有CMOS的低功耗的特点。在产品型号中凡带有字母“C”的即为CHMOS芯片，CHMOS芯片的电平既与TTL电平兼容，又与CMOS电平兼容。CMOS器件的特点是电流小和功耗低(掉电方式下消耗10微安电流)，但对电平要求高(高电平大于4.5v，低电平小于0.45V)，HMOS对电平要求低(高电平大于2.0V，低电平小于0.8v)，但功耗大。

一是HMOS工艺（高密度短沟道MOS工艺）。二是CHMOS工艺（互补金属氧化物的HMOS工艺）。8051单片机内部包含了作为微型计算机所必需的基本功能部件（CPU，4KBROM、256RAM、4个8位的I/O口、一个串行口、两个16位定时/计数器、1个具有5个中断源2个优先级的嵌套中断结构、此外还有程序计数器PC、程序状态寄存器PSW、堆栈寄存器SP、数据指针寄存器DPTR等部件），8051内部基本结构框图如下。各功能部件相互独立而融为一体，集成在同一块芯片上，通过内部总线传送数据信息和控制信息。如果把图中ROM这部分电路移走，则它和8031的内部结构相同。

MCS-51单片机内部结构示意图

时钟电路CPUROMRAMT0T1中断系统串行接口并行接口P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1定时计数器结构框图中央处理器CPU：8位，运算和控制功能内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。串行口：一个全双工串行口。中断控制系统：5个中断源（外部中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个）时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ一.三总线概念

在模拟电路中，器件、部件一般按“串联”方式连接。而在计算机电路中却采用总线连接方式：每一器件的数据线并接在一起，构成数据总线；地址线接在一起，构成地址总线，然后与CPU的数据、地址总线相连，属“并联”关系。为避免混乱，任何时候只允许一个设备与CPU通信，因此需要用控制线进行控制、选择，系统（包括器件）所有的控制线被称为控制总线。2.1.1、总体结构框图及功能一.三总线概念(1)地址总线（AddressBus，简称AB），单向，用于传送地址信息，地址线的数目决定了可以寻址的存储空间。(2)数据总线（DataBus，简称DB），一般为双向，用于CPU与存储器、CPU与外设，或外设与外设之间的传送数据（包括实际意义的数据和指令码）信息。(3)控制总线（ControlBus,简称CB），是计算机系统中所有控制信号线的总称，在控制总线中传送的信息是控制信息。二.存储器

存储器是计算机系统中必不可少的存储设备，主要用于存放程序（指令）和数据。尽管寄存器和存储器均用于存储信息，但CPU内的寄存器数量少，存取速度快，它主要用于临时存放参加运算的操作数和中间结果；而存储器一般在CPU外（但单片机CPU例外，其内部一般均含有一定容量的存储器），单独封装。存储器的种类很多，根据存储器能否随机读写，将存储器分为两大类：只读存储器（ReadOnlyMemory，简称ROM）。

随机读写存储器(RandomAccessMemory，简称RAM)。1.存储器分类PROM（可编程的只读存储器）EPROM（紫外光可擦写的只读存储器）、OTPROM（一次性编程的只读存储器，内部结构、工作原理与EPROM相似，是一种没有擦写窗口的EPROM）EEPROM（也称为E2PROM，是一种电可擦写的只读存储器）、FlashROM（电可擦写只读存储器，写入速度比EEPROM快，因此也称为闪烁存储器）SRAM（静态存储器）作随机读写RAM，使用E2PROM或FRAM(铁电存储器，读写速度快，操作方法与SRAM相似)作非易失的数据存储器。尽管这些存储器工作原理不同，但内部结构基本相同。

概念：译码是编码的逆过程，将输入的每个二进制代码赋予的含义“翻译”过来，并给出相应的输出信号。具有译码功能的逻辑部件称为译码器。根据译码的概念，译码器的输出端子数N和输入端子数n之间应该满足关系式：N≤2n。STA1A0Y3Y2Y1Y01××11110001110001110101010110110111表

2线-4线译码器真值表BIN/OCTY0STY1Y2Y3A0A112EN0123图

2线-4线译码器逻辑符号1－高电平，0－低电平，×－任意，低电平有效。

由真值表可见，在选通端ST（低电平有效）为0时，对应译码地址输入端A1、A0的每一组代码输入，都能译成在对应输出端输出低电平0。

在译码的过程中，任何时刻只有一个输出端为有效电平，且其余输出端都为相反的电平。

3线-8线译码器BIN/OCTY0STBY1Y2Y3A0A112EN0123图

3线-8线译码器

逻辑符号4567Y4Y5Y6Y7STCSTAA24&STASTB+STCA2A1A0Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7×1×××111111110××××1111111110000011111111000110111111100101101111110011111011111010011110111101011111101110110111111011011111111110表

3线-8线译码器真值表选通信号，高电平有效。选通信号，低电平有效。图

存储器芯片及内部结构2.存储器内部结构

EPROM、EEPROM、FlashROM、SRAM、FRAM等存储器内部结构可以用下图描述，由地址译码器、存储单元、读写控制电路等部分组成。

两根8位总线和若干控制线把存储器和微处理器连接起来。地址总线将一组8位二进制数从CPU送到存储器的地址译码器。每个存储单元被赋予一个唯一的地址，规定第一单元地址为0，最后一单元的地址为255。在地址总线上，通过8位地址线选择指定的单元。地址译码器的输出可以唯一确定被选择的存储单元。

存储器从CPU接收控制信号，从而确定存储器执行何种操作。“读”信号表明要读出被选单元的内容，并将数据放到数据总线上，有总线送到CPU。“写”信号表明要把数据总线上的数据写入指定的存储单元中。

3.存储器的容量及地址线的计算地址线的根数：n地址线空间：2n地址：从n个0~n个1

89C51单片机内部结构如图所示。

三.CPU结构

8051内部CPU是一个字长为二进制八位的中央处理单元，也就是说它对数据的处理是按字节为单位进行的。和微型计算机CPU类似，8051内部CPU也是由运算器(ALU)、控制器(定时控制部件等)和专用寄存器组三部分电路组成。（一）、运算器

运算器由运算部分--算术逻辑单元(Arithmetic&LogicalUnit,简称ALU),累加器和寄存器等几部分组成.ALU的作用是把传送到微处理器的数据进行算术或逻辑运算.ALU具有两个主要的输入来源,一个来自累加器,另一个来自数据寄存器.ALU能够完成这两个输入数据的相加或相减运算，也能完成某些逻辑运算。ALU执行不同的运算操作是由不同控制线上的信号所确定的。

通常，ALU接受来自累加器和数据寄存器的两个8位二进制数，因为要对这些数据进行某些操作，所以将这两个输入的数据均成为操作数。运算器有两个主要功能:

(1)执行各种算术运算。

(2)执行各种逻辑运算,并进行逻辑测试,如零值测试或两个值的比较。

通常，一个算数操作产生一个运算结果，而一个逻辑操作产生一个判决。（二）、控制器

控制器由程序计数器,指令寄存器,指令译码器,时序发生器和操作控制器等组成,是发布命令的"决策机构",即协调和指挥整个计算机系统的操作.控制器的主要功能有:

(1)从内存中取出一条指令,并指出下一条指令在内存中的位置。

(2)对指令进行译码或测试,并产生相应的操作控制信号,以便执行规定的动作.比如一次内存读/写操作,一个算术/逻辑运算操作或一个输入/输出操作等。

(3)指挥并控制CPU,内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。

相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所执行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的。

ALU、计数器、寄存器和控制部分除在微处理器内通过内部总线相互联系外，还通过外部总线与外部的存储器和输入/输出借口电路联系。外部总线一般分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB，统称为系统总线。存储器包括RAM和ROM。微型计算机通过输入/输出接口电路可与各种外围设备连接。（三）、CPU中的主要寄存器:

(1)累加器（A):它是微处理器中最繁忙的寄存器.在算术和逻辑运算时，它具有双重功能：运算前，用于保存一个操作数;运算后，用于保存所得的和，差或逻辑运算结果。

(2)数据寄存器(DR):它是通过数据总线向存储器和输入/输出设备松（写）或取（读）数据的在存单元。它可以保存一条正在译码的指令，也可以保证在送往存储器中存储的一个数据字节等等。(3)指令寄存器(IR)及指令译码器(ID)

指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到数据寄存器中，然后再传送到指令寄存器。指令分为操作码和地址码字段，由二进制数字组成。为执行给定的指令，必须对操作码进行译码，以便确定所要求的操作。指令译码器就是负责这项工作的。指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。操作码已经译码后，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。

(4)程序计数器(PC)

为了保证程序能够连续地执行下去，CPU必须采取某些手段来确定下一条指令的地址。程序计数器正是起到了这种作用，所以通常又成其为指令地址计数器。在程序开始执行前，必须将其起始地址，即程序的第一条指令所在的内存单元地址送入PC;当执行指令时，CPU将自动修改PC的内容，是指总是指示出将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按顺序执行的，所以修改的过程通常只是简单的加1操作。

(5)地址寄存器(AR)：

它是用于保存当前CPU所要访问的内容单元或I/O设备的地址。由于内存和CPU之间存在着速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存读/写操作完成为止。显而易见，当CPU和内存进行信息交换（即CPU向/从内存器存储器/取数据或者CPU从内存读出指令）时，都要使用地址寄存器和数据寄存器。同样，如果把外围设备的地址作为内存地址单元来看待的话，那么，当CPU和外围设备交换信息时，也需要使用地址寄存器和数据寄存器。PSW是一个八位标志寄存器，用来存放指令执行后的有关状态。PSW中各位状态通常是在指令执行过程中自动形成的，但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变。它的各标志位定义如下：(6)程序状态字PSW(ProgramStatusWord)①进位标志位Cy((Carry)：用于表示加减运算过程中最高位A7〔累加器最高位)有无进位或借位。在加法运算时，若累加器最高位A7有进位，则Cy＝1；否则Cy＝0。在减法运算时，若A7有了借位，则Cy＝1；否则认Cy＝0。此外，CPU在进行移位操作时也会影响这个标志位。②辅助进位位AC（AuxiliaryCarry)：用于表示加减运算时低4位(即A3)有无向高4位(即A4)进位或借位。若AC＝0，则表示加减过程中A3没有向A4进位或借位；若AC＝l，则表示加减过程中A3向A4有了进位或借位。③用户标志位F0(F1agZero)：F0标志位的状态通常不是机器在执行指令过程中自动形成的，是用户根据程序执行的需要通过传送指令确定的。该标志位状态一经设定，便由用户程序直接检测，以决定用户程序的流向。

④寄存器选择位RS1和RS0：8051共有8个八位工作寄存器，分别命名为R0—R7。工作寄存器R0—R7常常被用户用来进行程序设计，但它在RAM中的实际物理地址是可以根据需要选定的。RS1和RS0就是为了这个目的提供给用户使用的，用户通过改变RS1和RS0的状态可以方便地决定R0—R7的实际物理地址。工作寄存器R0—R7的物理地址和RS1和RS0之间的关系如表。RS1RS0R0-R7组号R0-R7物理地址00011011012300H-07H08H-0FH10H-17H18H-1FH采用8051或8031做成的单片机控制系统，开机后的RS1和RS0总是为零状态，故R0—R7的物理地址为00H—07H，即R0的地址为00H，R1的为01H……，R7的为07H。但若机器执行如下指令则RS1和RS0显然为01B，故R0—R7的物理地址变为08H—0FH。因此，用户利用这种方法可以很方便地达到保护R0—R7中数据的目的，这对用户的程序设计是非常有利的。MO