單片機(jī)原理及接口技術(shù)設(shè)計(jì)者：劉艷玲第4版第1章微機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1.1微處理器、微機(jī)和單片機(jī)的概念1.2微機(jī)的工作過程1.3常用數(shù)制和編碼1.4數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示1.589C51/S51單片機(jī)1.6思考題與習(xí)題§1.1微處理器、微機(jī)和單片機(jī)的概念§1.1.2存儲(chǔ)器和輸入輸出接口§1.1.1微處理器(機(jī))的組成概念1、微處理器3、單片機(jī)2、微型計(jì)算機(jī)微處理器(Microprocessor)是小型計(jì)算機(jī)或微型計(jì)算機(jī)的控制和處理部分。又稱中央處理單元CPU（CentralProcessingUnit）。微型計(jì)算機(jī)（Microcomputer,簡(jiǎn)稱微機(jī)MC） 是具有完整運(yùn)算及控制功能的計(jì)算機(jī)。包括微處理器(CPU)

如圖1-1所示。存儲(chǔ)器接口適配器（輸入輸出接口電路）輸入/輸出（I/O）設(shè)備。圖1-1微機(jī)的組成微處理器由控制器、運(yùn)算器和若干個(gè)寄存器組成；Ｉ/Ｏ設(shè)備與微處理器的連接需要通過接口適配器(即Ｉ/Ｏ接口)；存儲(chǔ)器是指微機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器(RAM、ROM和EPROM等芯片)。

單片機(jī)（Single-ChipMicrocomputer）

是將微處理器、一定容量RAM和ROM以及I/O口、定時(shí)器等電路集成在一塊芯片上，構(gòu)成單片微型計(jì)算機(jī)。

微處理器RAMROMI/O口定時(shí)器單片微型計(jì)算機(jī)§1.1.1微處理器（機(jī)）的組成

1、運(yùn)算器

2、控制器

3、CPU中的主要寄存器計(jì)算機(jī)的模型微處理單元與存儲(chǔ)器及I/O接口組成的計(jì)算機(jī)模型如圖1-2所示。圖中只畫出CPU主要的寄存器和控制電路，并且假設(shè)所有的計(jì)數(shù)器、寄存器和總線都是8位寬度。ALU、計(jì)數(shù)器、寄存器和控制部分除在微處理器內(nèi)通過內(nèi)部總線相互聯(lián)系以外，還通過外部總線和外部的存儲(chǔ)器和輸入/輸出接口電路聯(lián)系。外部總線一般分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，統(tǒng)稱為系統(tǒng)總線。存儲(chǔ)器包括RAM和ROM。微計(jì)算機(jī)通過輸入/輸出接口電路可與各種外圍設(shè)備聯(lián)接。

圖1-2一個(gè)計(jì)算機(jī)模型1、運(yùn)算器

1）、組成2）、作用3）、ALU的兩個(gè)主要的輸入來源4）、運(yùn)算器的兩個(gè)主要功能1）運(yùn)算器的組成算術(shù)邏輯單元(簡(jiǎn)稱ALU） 運(yùn)算器累加器寄存器2）運(yùn)算器的作用是把傳送到微處理器的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算或邏輯運(yùn)算。舉例ALU可對(duì)兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行加、減、與、或、比較大小等操作，最后將結(jié)果存入累加器。ALU執(zhí)行不同的運(yùn)算操作是由不同控制線上的信息所確定的。例如： 兩個(gè)數(shù)（7和9）相加，在相加之前，操作數(shù)9放在累加器中，7放在數(shù)據(jù)寄存器中，執(zhí)行兩數(shù)相加運(yùn)算的控制線發(fā)出“加”操作信號(hào)，ALU即把兩個(gè)數(shù)相加并把結(jié)果（16）存入累加器，取代累加器前面存放的數(shù)9。3）ALU的兩個(gè)主要的輸入來源輸入來源數(shù)據(jù)寄存器累加器4）運(yùn)算器的兩個(gè)主要功能（1）執(zhí)行各種算術(shù)運(yùn)算。（2）執(zhí)行各種邏輯運(yùn)算，并進(jìn)行邏輯測(cè)試。 如零值測(cè)試或兩個(gè)值的比較。2、控制器1）、控制器的組成2）、控制器的作用3）、控制器的主要功能控制器的組成程序計(jì)數(shù)器指令寄存器指令譯碼器時(shí)序產(chǎn)生器操作控制器1）控制器的組成

2）作用它是發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”，即協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作。3）控制器的主要功能對(duì)指令進(jìn)行譯碼或測(cè)試，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)，以便啟動(dòng)規(guī)定的動(dòng)作。指揮并控制CPU、內(nèi)存和輸入/輸出設(shè)備之間數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向。從內(nèi)存中取出一條指令，并指出下一條指令在內(nèi)存中的位置。3、CPU中的主要寄存器1）累加器（A）2）數(shù)據(jù)寄存器（DR）3）指令寄存器（IR）4）指令譯碼器（ID）6）地址寄存器（AR）5）程序計(jì)數(shù)器（PC） 1）累加器（A）在算術(shù)和邏輯運(yùn)算時(shí)，它具有雙重功能：

運(yùn)算前，用于保存一個(gè)操作數(shù)；運(yùn)算后，用于保存所得的和、差或邏輯運(yùn)算結(jié)果。累加器是微處理器中最繁忙的寄存器。2）數(shù)據(jù)寄存器（DR）數(shù)據(jù)（緩沖）寄存器（DR）是通過數(shù)據(jù)總線（DBUS）向存儲(chǔ)器（M）和輸入/輸出設(shè)備I/O送（寫）或取（讀）數(shù)據(jù)的暫存單元。3）指令寄存器（IR）指令寄存器用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)先把它從內(nèi)存取到數(shù)據(jù)寄存器中，然后再傳送到指令譯碼器中。4）指令譯碼器（ID）指令分為操作碼和地址碼字段，由二進(jìn)制數(shù)字組成。當(dāng)執(zhí)行任何給定的指令，必須對(duì)操作碼進(jìn)行譯碼，以便確定所要求的操作。指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入。操作碼一經(jīng)譯碼后，即可向控制器發(fā)出具體操作的特定信號(hào)。5）程序計(jì)數(shù)器（PC）

通常又稱為指令地址計(jì)數(shù)器。在程序開始執(zhí)行前，必須將其起始地址，即程序的第一條指令所在的內(nèi)存單元地址送到PC。當(dāng)執(zhí)行指令時(shí)，CPU將自動(dòng)修改PC的內(nèi)容，使之總是保存將要執(zhí)行的下一條指令的地址。由于大多數(shù)指令都是按順序執(zhí)行的，所以修改的過程通常是簡(jiǎn)單的加1操作。6）地址寄存器（AR）地址寄存器用來保存當(dāng)前CPU所要訪問的內(nèi)存單元或I/O設(shè)備的地址。因?yàn)閮?nèi)存（I/O設(shè)備）和CPU之間存在著速度上的差別，所以必須使用地址寄存器來保存地址信息，直到內(nèi)存（I/O設(shè)備）讀/寫操作完成為止?！?.1.2存儲(chǔ)器和輸入輸出接口1、存儲(chǔ)器2、I/O接口及外設(shè)1、存儲(chǔ)器如圖1-4所示。地址總線、數(shù)據(jù)總線和若干控制線把存儲(chǔ)器和微處理器連接起來。存儲(chǔ)器從CPU接收控制信號(hào)，以確定存儲(chǔ)器執(zhí)行讀/寫操作。地址總線將8位地址信息送入地址譯碼器，地址譯碼器的輸出可以確定唯一的存儲(chǔ)單元。數(shù)據(jù)總線用來傳送存儲(chǔ)器到CPU或CPU到存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)信息。圖1-4隨機(jī)存取存儲(chǔ)器2、I/O接口及外設(shè)每個(gè)外設(shè)與微處理器的連接必須經(jīng)過接口適配器（I/O接口）。每個(gè)I/O接口及其對(duì)應(yīng)的外設(shè)都有一個(gè)固定的地址，在CPU的控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)的輸入（讀）和輸出（寫）操作。1.2微機(jī)的工作過程計(jì)算機(jī)采取“存儲(chǔ)程序”的工作方式，即事先把程序加載到計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中，當(dāng)啟動(dòng)運(yùn)行后，計(jì)算機(jī)便自動(dòng)進(jìn)行工作。計(jì)算器雖然也有運(yùn)算和控制的功能，但它不是“存儲(chǔ)程序”式的自動(dòng)工作方式，所以不能稱為計(jì)算機(jī)。任何計(jì)算機(jī)都有它的指令系統(tǒng)，有十幾條至一百多條指令，并有若干種尋址方式。我們假設(shè)圖1-2所示的模型計(jì)算機(jī)有4條指令，并只有一種尋址方式——直接尋址方式，模型機(jī)的指令及其說明如表1-1所列。表1-1模型機(jī)指令表名稱助記符操作碼注釋取入累加器LDA10010110(96H)將存儲(chǔ)單元的內(nèi)容取入累加器，其單元地址由下一個(gè)字節(jié)給出加法ADD10011011(9BH)將存儲(chǔ)單元的內(nèi)容和累加器的現(xiàn)有內(nèi)容相加，結(jié)果放在累加器中，存儲(chǔ)單元的地址由下一字節(jié)給出累加器送存STA 10010111(97H)累加器內(nèi)容送存，存儲(chǔ)單元的地址由下一字節(jié)給出停機(jī)HLT 00111110(3EH)停止全部操作尋址方式是指用什么方法尋找指令的操作數(shù)。上述4條指令除HLT外，LDA、ADD和STA都有操作數(shù)。直接尋址方式的指令格式如圖1-5所示。指令中應(yīng)有一部分?jǐn)?shù)位(8位，即1字節(jié))用于指明所執(zhí)行的特定操作，這部分(圖1-5中的第1字節(jié))稱為操作碼。該模型機(jī)的操作有數(shù)據(jù)傳送(LDA)、相加(ADD)、送存(STA)和停機(jī)(HLT)4種。它們的操作碼如表1-1所列。圖1-5直接尋址方式的指令格式指令中還應(yīng)有一部分?jǐn)?shù)位(圖1-5中的第2字節(jié))用于說明被操作的數(shù)據(jù)來自什么地方，這一部分叫操作數(shù)的地址。在這種尋址方式中，一條指令(如LDA、ADD和STA)需要2個(gè)字節(jié)：第1個(gè)字節(jié)是操作碼，第2個(gè)字節(jié)不是操作數(shù)，而是存放操作數(shù)的內(nèi)存單元的地址。例如：LDA23；將地址為23的內(nèi)存單元中的內(nèi)容7裝入累加器A中。23為操作數(shù)的地址在圖1-6所示的內(nèi)存單元23中存放的7為操作數(shù)。執(zhí)行上述指令后就將7裝入累加器A中。圖1-6執(zhí)行“LDA23”指令1.2.1執(zhí)行一條指令的順序計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序是一條指令一條指令執(zhí)行的。執(zhí)行一條指令的過程可分為兩個(gè)階段，如圖1-7所示。圖1-7取指令、執(zhí)行指令序列在計(jì)算機(jī)中，“存儲(chǔ)程序”第1條指令的第1個(gè)字節(jié)一定是操作碼。這樣，CPU首先進(jìn)入取指階段，從存儲(chǔ)器中取出指令并通過CPU譯碼后，轉(zhuǎn)入執(zhí)指階段，在這期間，CPU執(zhí)行指令指定的操作。取指階段是由一系列相同的操作組成的，因此，取指階段的時(shí)間總是相同的。而執(zhí)行指令的階段是由不同的事件順序組成的，它取決于被執(zhí)行指令的類型。執(zhí)行完一條指令后接著執(zhí)行下一條指令。所以，程序的執(zhí)行順序是取指執(zhí)指，取指執(zhí)指……如此反復(fù)直至程序結(jié)束。1.2.2執(zhí)行一條指令的過程指令“LDA23”的執(zhí)行過程是怎樣的呢?這是一條直接尋址方式的指令，執(zhí)行的過程如圖1-8所示。LDA指令的指令周期由3個(gè)CPU周期(即機(jī)器周期)組成。其中，第1個(gè)CPU周期為取指令階段；執(zhí)行指令階段由2個(gè)CPU周期組成，第2個(gè)CPU周期中將操作數(shù)的地址送往地址寄存器并完成地址譯碼，在第3個(gè)CPU周期中，從內(nèi)存取出操作數(shù)并執(zhí)行裝入的操作。圖1-8直接訪問內(nèi)存指令的指令周期§1.3常用數(shù)制和編碼§

1.3.1數(shù)制及數(shù)制間轉(zhuǎn)換

§

1.3.2計(jì)算機(jī)中常用編碼§

1.3.1數(shù)制及數(shù)制間轉(zhuǎn)換1.數(shù)制——計(jì)數(shù)的進(jìn)位制2、不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換1.數(shù)制——計(jì)數(shù)的進(jìn)位制1.二進(jìn)制：是“0”和“1”這樣的數(shù)、逢2進(jìn)位。按權(quán)展開時(shí)權(quán)的基數(shù)為2。用后綴字母“B”表示。如：1001=1×23+0×22+0×21+1×20=9（十進(jìn)制數(shù)）2.十進(jìn)制：是“0”—“9”之間的數(shù)、逢10進(jìn)位。按權(quán)展開時(shí)權(quán)的基數(shù)為10。用后綴字母“D”表示。如：1135=1×103+1×102+3×101+5×1003.十六進(jìn)制：是“0”—“9”，“A,B,C,D,E,F”之間的數(shù)、逢16進(jìn)位。按權(quán)展開時(shí)權(quán)的基數(shù)為16。用后綴字母“H”表示。如：1C5H=1×162+12×161+5×160=453D2、不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換1、二進(jìn)制、十六進(jìn)制轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制：將二、十六進(jìn)制數(shù)按權(quán)展開相加即為相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。如：1101=1×23+1×22+0×21+1×20=13D如：1FH=1×161+15×160=31D2、十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)：將十進(jìn)制數(shù)除2取余，商為0止余數(shù)倒置。如：11D=1011B

3、十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)：將十進(jìn)制數(shù)除16取余，商為0止余數(shù)倒置。如：100D=64H4、二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)：將二進(jìn)制數(shù)以小數(shù)點(diǎn)為界四位一分，不足補(bǔ)0，用一位十六進(jìn)制數(shù)代替四位二進(jìn)制數(shù)。如：100111100B=000100111100B=13CH5、十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)：將十六進(jìn)制數(shù)以小數(shù)點(diǎn)為界，用四位二進(jìn)制數(shù)代替一位十六進(jìn)制數(shù)。如：D4EH=110101001110B211余數(shù)

2512212100116100余數(shù)

166406§

1.3.2計(jì)算機(jī)中常用編碼BCD（BinaryCodedDecimal）碼——二十進(jìn)制碼ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）碼1.BCD（BinaryCodedDecimal）碼——二十進(jìn)制碼BCD碼是一種二進(jìn)制形式的十進(jìn)制碼，也稱二十進(jìn)制碼。它用4位二進(jìn)制數(shù)表示1位十進(jìn)制數(shù)，最常用的是8421BCD碼，見表1-4。8421BCD碼用0000H～1001H代表十進(jìn)制數(shù)0～9，運(yùn)算法則是逢十進(jìn)一。8421BCD碼每位的權(quán)分別是8，4，2，1，故得此名。例如，1649的BCD碼為0001011001001001。表1-48421BCD碼表十進(jìn)制數(shù)8421BCD碼二進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù)8421BCD碼二進(jìn)制數(shù)0000000008100010001000100019100110012001000101000010000101030011001111000100011011401000100120001001011005010101011300010011110160110011014000101001110701110111150001010111112.ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）碼ASCII碼是一種字符編碼，是美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼的簡(jiǎn)稱。它由7位二進(jìn)制數(shù)碼構(gòu)成，共有128個(gè)字符。ASCII碼主要用于微機(jī)與外設(shè)通信。當(dāng)微機(jī)與ASCII碼制的鍵盤、打印機(jī)及CRT等連用時(shí)，均以ASCII碼形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。例如，當(dāng)按微機(jī)的某一鍵時(shí)，鍵盤中的單片機(jī)便將所按的鍵碼轉(zhuǎn)換成ASCII碼傳入微機(jī)進(jìn)行相應(yīng)處理?！?/p>

1.4數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示§

1.4.1有符號(hào)數(shù)§

1.4.2無符號(hào)數(shù)§

1.4.1有符號(hào)數(shù)有符號(hào)的8位二進(jìn)制數(shù)用最高位D7表示數(shù)的正或負(fù)，0代表“+”，1代表“-”，D7稱為符號(hào)位，D6～D0為數(shù)值位。D7D6—————D0符號(hào)位數(shù)值位上述的8位帶符號(hào)二進(jìn)制數(shù)又有3種不同表達(dá)形式，即原碼、反碼和補(bǔ)碼。在計(jì)算機(jī)中，所有有符號(hào)數(shù)都是以補(bǔ)碼形式存放的。1.原碼一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，用最高位表示數(shù)的符號(hào)，其后各位表示數(shù)值本身，這種表示方法稱為原碼。原碼的表示范圍是-127～+127例如:X=+1011010B[X]原=01011010B；X=-1011010B[X]原=11011010B2.反碼正數(shù)的反碼與原碼相同。符號(hào)位一定為0，其余位為數(shù)值位。負(fù)數(shù)的反碼符號(hào)位為1，數(shù)值位將其原碼的數(shù)值位逐位求反。反碼的表示范圍是-127～+127例如:X=-1011010B[X]原=11011010B[X]反=10100101B3.補(bǔ)碼正數(shù)的補(bǔ)碼與原碼相同。負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼符號(hào)位為1，數(shù)值位將其原碼的數(shù)值位逐位求反后加1，即負(fù)數(shù)的反碼加1。補(bǔ)碼的表示范圍是-128～+127例如:X=-1011010B[X]補(bǔ)=10100110B通常計(jì)算機(jī)中的數(shù)用補(bǔ)碼表示，用補(bǔ)碼進(jìn)行運(yùn)算。一個(gè)很明顯的優(yōu)點(diǎn)是減法可以用補(bǔ)碼的加法來運(yùn)算。這里還要特別提示“溢出”的概念。溢出與進(jìn)位不同，溢出是指有符號(hào)數(shù)的運(yùn)算結(jié)果超出了數(shù)-128～+127的表示范圍，破壞了符號(hào)位。

4機(jī)器數(shù)與真值機(jī)器數(shù)：計(jì)算機(jī)中以二進(jìn)制形式表示的數(shù)。真值：機(jī)器數(shù)所代表的數(shù)值。例如，機(jī)器數(shù)10001010B，它的真值為

138（無符號(hào)數(shù)）

-10（原碼）

-117（反碼）

-118（補(bǔ)碼）【例1-5】怎樣根據(jù)真值求補(bǔ)碼，或根據(jù)補(bǔ)碼求真值？答：只有兩種求補(bǔ)碼的方法：一是求負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼，用絕對(duì)值“取反加1”來求補(bǔ)碼；二是求負(fù)數(shù)（補(bǔ)碼）的真值，可先將該補(bǔ)碼數(shù)用“取反加1”的方法得到其絕對(duì)值，再在絕對(duì)值前添加一負(fù)號(hào)。無符號(hào)的8位二進(jìn)制數(shù)沒有符號(hào)位，從D7～D0皆為數(shù)值位，所以8位無符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的表示范圍是0～+255。8位二進(jìn)制數(shù)碼的不同表達(dá)含義見表1-6

?！?.4.2無符號(hào)數(shù)表1-6數(shù)的表示方法8位二十進(jìn)制數(shù)無符號(hào)數(shù)原碼反碼補(bǔ)碼000000000+0+0+0000000011+1+1+1000000102+2+2+201111100124+124+124+12401111101125+125+125+12501111110126+126+126+12601111111127+127+127+12710000000128-0-127-12810000001129-1-126-12710000010130-2-125-12611111100252-124-3-411111101253-125-2-311111110254-126-1-211111111255-127-0-1§1.589C51/S51單片機(jī)

51系列單片機(jī)有多種型號(hào)的產(chǎn)品，如普通型（51子系列）80C51、80C31、87C51和89C51等，增強(qiáng)型（52子系列）80C32、80C52、87C52和89C52等。它們的結(jié)構(gòu)基本相同，其主要差別反映在存儲(chǔ)器的配置上。80C31片內(nèi)沒有程序存儲(chǔ)器，80C51內(nèi)部設(shè)有4KB的掩膜ROM程序存儲(chǔ)器。87C51是將80C51片內(nèi)的ROM換成EPROM，89C51則換成4KB的閃速E2PROM。51增強(qiáng)型的程序存儲(chǔ)器容量為普通型的2倍。通常以8×C51代表這一系列的單片機(jī)，其中×=0——掩膜ROM×=7——EPROM/OTPROM×=9——FlashROM89系列單片機(jī)已經(jīng)在片內(nèi)增加4KB或8KB的FlashROM，而且整個(gè)89C51/89C5