1、第0章 計算機的基礎(chǔ)知識,單片機原理、接口及應(yīng)用,內(nèi) 容 提 要,微型計算機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 計算機中的數(shù)制與碼制 小結(jié),0.1.1 微機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),微機系統(tǒng),軟件,硬件,主機,外圍設(shè)備,微處理器 （CPU）,運算器 控制器 寄存器,存儲器 （內(nèi)存）,RAM ROM,輸入/輸出接口 （I/O接口）,并行、串行接口 定時器、A/D、D/A,總線,系統(tǒng)軟件 應(yīng)用軟件 程序設(shè)計語言,外部設(shè)備,輔助設(shè)備,輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 輔助存儲器,電源電路 時鐘電路,CPU是計算機的控制核心，它的功能是執(zhí)行指令，完成算術(shù)運算、邏輯運算，并對整機進行控制。 存儲器用于存儲程序和數(shù)據(jù)。 輸入/輸出接口（又稱I/O

2、接口）是CPU和外設(shè)之間相連的邏輯電路，外設(shè)必須通過接口才能和CPU相連。不同的外設(shè)所用接口不同。每個I/O接口也有一個地址，CPU通過對不同的I/O接口進行操作來完成對外設(shè)的操作。 存儲器、I/O接口和CPU之間通過總線相連。 用于傳送程序或數(shù)據(jù)的總線稱為數(shù)據(jù)總線；地址總線用于傳送地址，以識別不同的存儲單元或I/O接口；控制總線用于控制數(shù)據(jù)總線上數(shù)據(jù)流送的方向、對象等。,0.1.2 微機的基本工作原理,存儲程序、執(zhí)行程序是微機的工作原理，取指令，譯碼，執(zhí)行是微機的基本工作過程。 單片機是微型計算機的一種，是將計算機主機（CPU、存儲器和I/O接口）集成在一小塊硅片上的微機，又稱微控制器。它專

3、為工業(yè)測量與設(shè)計而設(shè)計，具有三高優(yōu)勢（集成度高、可靠性高、性價比高），他的特點是小而全(體積小，功能全），主要應(yīng)用于工業(yè)檢測與控制、計算機外設(shè)、智能儀器、儀表、通信設(shè)備、家用電器等，特別適合于嵌入式微型機應(yīng)用系統(tǒng)。,0.1.3 微機的主要技術(shù)指標,微型計算機主要有如下一些技術(shù)指標： 字長：CPU并行處理數(shù)據(jù)位，由此定為8位機、16位機、32位機等。 存儲容量：存儲器單元數(shù)，例如256B、8KB、1MB等（1B即一個字節(jié)，也就是一個8位二進制數(shù)，是計算機數(shù)據(jù)的基本單位）。 運算速度：CPU處理速度，它和內(nèi)部的工藝結(jié)構(gòu)以及外接的時鐘頻率有關(guān)。 時鐘頻率：在CPU極限頻率以下，時鐘頻率越高，執(zhí)行指令

4、速度越快，對單片機而言，有6MHz、12MHz、24MHz等。,0.2.1 計算機中的數(shù),一、進制計數(shù)及其特點 數(shù)制：進位計數(shù)制和非進位計數(shù)制 1、非進位計數(shù)制（non-carring） 特點：數(shù)碼所代表的數(shù)值同它在數(shù)中的位置無關(guān)。 Eg:羅馬數(shù)字 2、進位計數(shù)制（carring） 特點：每個數(shù)碼表示的數(shù)制，不僅取決于數(shù)碼本身，而且還取決于該數(shù)碼在數(shù)中的位置。 Eg:十進制數(shù),1、十進位（Decimal natation）,特點：a、有十個數(shù)碼 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 b、逢十進一 Ex: 5453.25=,2、二進位（Binary natation）,特點：a、有兩個數(shù)碼 0

5、、1 b、逢二進一、借一當(dāng)二 Ex: (11 1011.101)2=59.625,3、八進位（Octal natation）,特點：a、有八個數(shù)碼 0、1、2、3、4、5、6、7 b、逢八進一，借一當(dāng)八,4、十六進位（Hexadecimal natation）,特點：a、有十六個數(shù)碼 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F b、逢十六進一、借一當(dāng)十六,表0-1 不同進位記數(shù)制對照表,二、不同進位制之間的轉(zhuǎn)換,1、二-十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換 A、二-十進制 方法：按權(quán)展開，然后相加 Ex: 1 0110.01B=22.25 B、二-十進制 a.整數(shù)部分 方法：除2取余法 Ex:

6、215.1875=1101 0111.0011B b.小數(shù)部分 方法：乘2取整法,2、十六-十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換 A、十六-十進制 方法：按權(quán)展開，然后相加 Ex: 7F0.CH = 2023.75 B、十六-十進制 （1）整數(shù)部分 方法：除16取余法 Ex: 3901.015625 = F3DH.004H b.小數(shù)部分 方法：乘16取整法,3、二-十六進制數(shù)的轉(zhuǎn)換 A、二-十六進制 法則：從小數(shù)點開始，或左或右，四位一組，不足四位以0補足，然后分別把每組用十六進制數(shù)表示 1 1011 1110 0011.1001 0100B=1BE3.94H B、二-十六進制 法則：把十六進制中每位用二進制表示，

7、再把各位連成一體。 3AB.7A5H=11 1010 1011.0111 1010 0101B,十進制數(shù),二進制數(shù),十六進制數(shù),除2取余/乘2取整,按權(quán)相加,除16取余/乘16取整,按權(quán)相加,四合一位法,一位分四位法,二進制數(shù)的運算,1、邏輯運算 （1）邏輯乘（與） 法則：00=0 10=01=0 11=1 Ex: 1101 1010B0000 1111B= 用途：用于從某數(shù)中取出某幾位,（2）邏輯加（或） 法則：00=0 01=10=1 11=1 Ex:1010 1010 0000 1111B= 用途：使某數(shù)中某幾位置1,（3）邏輯非 法則： （4）邏輯異或（半加，不考慮進位的加法，也稱模2

8、加） 法則： 用途：令某數(shù)中某幾位取反,2、算術(shù)運算 （1）加/減法運算 a.加法運算 法則：0+0=0 0+1=1+0=1 1+1=0（逢2進1） Ex: BDH+AAH=67H,a.減法運算 法則：0-0=1-1=0 1-0=1 0-1=1（有借位） Ex: B5H-93H=22H,（2）乘/除法運算 a.乘法運算 法則：00=01=10=0 11=1 在計算機中，乘法采用部分積左移或部分積右移法實現(xiàn)。 b.除法運算 法則：二進制除法類似于十進制除法,0.2.2 計算機中數(shù)的幾個概念,1.機器數(shù)與真值 機器數(shù)：機器中數(shù)的表示形式，它將數(shù)的正、負符號和數(shù)值部分一起進行二進制編碼，其位數(shù)通常為

9、8的整數(shù)倍。 真值：機器數(shù)所代表的實際數(shù)值的正負和大小，是人們習(xí)慣表示的數(shù)。 2。數(shù)的單位 位（bit）：一個二進制數(shù)中的1位，其值不是1便是0。 字節(jié)（Byte）：一個字節(jié)，就是一個8位的二進制數(shù)。 字（Word）：兩個字節(jié)，就是一個16位的二進制數(shù)。 雙字：兩個字，即四個字節(jié)，一個32位二進制數(shù)。 只有8位、16位或32位機器數(shù)的最高位才是符號位。,0.2.3 計算機中的有符號數(shù)的表示,數(shù)的兩種表示方式： （1）無符號數(shù)：只表示數(shù)的絕對值大小，不考慮正負 （2）有符號數(shù)：用0表示正數(shù)，用1表示負數(shù)。最高位為符號位。 機器數(shù)：符號也碼化的二進制數(shù) 真值：原來帶正號和負號的數(shù)值 機器數(shù)的三種常

10、用表示方法：原碼表示法、反碼表示法和補碼表示法,1、原碼（符號編碼）表示法,定義：用“0”和“1”分別表示“+”和“-”，數(shù)值部分為真值的絕對值。 Eg：X=(+5) 10= X=(-5 ) 10= X=(+0) 10= X=(-0 ) 10=,結(jié)論： （1）可見：原碼有以下特點： （a）原碼中0有兩種形式： (+0) 原=00000000B， (-0) 原=10000000B， （b）8位帶符號數(shù)的原碼范圍為：-127（11111111B） +127（01111111B）； 16位帶符號數(shù)的原碼范圍為：-32767（1111111111111111B） + 32767 （0111111111

11、111111B） （2）原碼表示法簡單易懂，而且與真值的轉(zhuǎn)換方便，但不適宜用簡單的加法來進行運算。 Eg : 5+(-3)=,2、反碼表示法,原則： （1）正數(shù)的反碼表示與原碼相同，即在原二進制數(shù)的前面加符號位0。 （2）負數(shù)的反碼表示：規(guī)定為它對應(yīng)的正數(shù)按位取反（連同符號位）。 Eg：X=(+4) 10 X=(-4) 10 X=(+127) 10 X=(-127) 10 X=(+0 ) 10 X=(-0 ) 10,結(jié)論： （1）特點： （a）0有兩種形式： (+0) 反=00000000B， (-0) 反=11111111B， （b）8位帶符號數(shù)的原碼范圍為：-127（10000000B）

12、+127（01111111B）； 16位帶符號數(shù)的原碼范圍為：-32767（1000000000000000B） + 32767 （0111111111111111B） 問題：已知一個數(shù)的反碼，怎么求它的真值呢？ （2）同原碼相似，反碼表示也不適宜用簡單的加法器來進行運算。 Eg : 5+(-3)=,3、補碼（Twos complement）表示法,原則： （1）正數(shù)的反碼表示與原碼相同。 （2）負數(shù)的反碼表示：規(guī)定為它對應(yīng)的反碼加1。 Eg：X=(+4) 10 X=(-4) 10 X=(+127) 10 X=(-127) 10 X=(+0 ) 10 X=(-0 ) 10,結(jié)論： （1）特點：

13、 （a）0只有一種形式： (+0)補= (-0) 補= 00000000B。 （b）8位帶符號數(shù)的原碼范圍為：-128（10000000B） +127（01111111B）； 16位帶符號數(shù)的原碼范圍為：-32768（1000000000000000B） + 32767 （0111111111111111B） 補：快速求補碼法：將負數(shù)原碼的最前面的1和最后一個1之間的每一位數(shù)求反。 問題：已知一個數(shù)的反碼，怎么求它的真值呢？ （2）當(dāng)負數(shù)采用補碼表示時，就可以把減法運算轉(zhuǎn)換為加法運算。 Eg : 5+(-3)=,快速求法：將負數(shù)原碼的最前面的1和最后一個1之間的每一位取反。例如 x=-4： x

14、原 = 10000100 x補 = 11111100=FCH取反 兩數(shù)互補是針對一定的“模”而言，“?！奔从嫈?shù)系統(tǒng)的過量程回零值，例如時鐘以12為模（12點也稱0點），4和8互補，一位十進制數(shù)3和7互補（因為3710，個位回零，模為10110），兩位十進制數(shù)35和65互補（因為3567100，十進制數(shù)兩位回零，模為102100），而對于8位二進制數(shù)，模為28100000000B=100H,同理16位二進制數(shù)，模為21610000H由此得出求補的通用方法：一個數(shù)的補數(shù)模該數(shù)，這里補數(shù)是對任意的數(shù)而言，包括正、負數(shù)。而補碼是針對符號機器數(shù)而言。,設(shè)有原碼機器數(shù)X, X0, X補=X原 當(dāng) X0，

15、X補= 模-X 例如對于八位二進制數(shù)： x1=+4： x1補= 00000100=04H； x2= - 4： x2補 = 100H-4=FCH 對于16二進制位數(shù)： x2=+4： x2補= 0004H； x2= -4： x2補 = 10000H-4=FFFCH,幾點說明： 根據(jù)兩數(shù)互為補的原理，對補碼求補碼就可以得到其原碼，將原碼的符號位變?yōu)檎?、負號，即是它的真?例如求補碼數(shù)FAH的真值 。因為FAH為負數(shù)求補碼 FAH補86H=-6 例如求補碼數(shù)78H的真值 。因為78H為正數(shù)求補碼 78H補78H=+120 一個用補碼表示的機器數(shù)，若最高位為0，則其余幾位即為此數(shù)的絕對值；若最高位為1，

16、其余幾位不是此數(shù)的絕對值，必須把該數(shù)求補（按位取反（包括符號位）加1），才得到它的絕對值。如：X=-15 -15補F1H11110001B 求補得00001110100001111B=15, 當(dāng)數(shù)采用補碼表示時，就可以把減法轉(zhuǎn)換為加法。 例1：64-10=64+(-10)=54 64補=40H=0100 0000B 10補=0AH=0000 1010B -10補=1111 0110B 做減法運算過程： 用補碼相加過程 結(jié)果相同，其真值為36H（=54）。由于數(shù)的八位限制，最高位的進位是自然丟失的（再計算機中。進位被存放在進位標志CY中的。）用補碼表示后，減法均可以用補碼相加完成。因此，在微機中

17、，凡是符號數(shù)一律是用補碼表示的。用加法器完成加、減運算，用加法器和移位寄存器完成乘、除運算，簡化計算機硬件結(jié)構(gòu)。,例2: 34-68=34+(-68)-34 34=22H=0010 0010B 68=44H=0100 0100B -68補=1011 1100B 做減運算過程： 用補碼相加過程： 結(jié)果相同。因為符號位為1，對其求補，得其真值：-00100010B，即為-34（-22H）。 由上面兩個例子還可以看出， 1)用補碼相加完成兩數(shù)相減，相減若無借位，化為補碼相加就會有進位；相減若有借位，化作補碼相加就不會有進位。 2)補碼運算后的結(jié)果為補碼，需再次求補才能得到運算結(jié)果的真值。,0.2.4

18、 進位和溢出,例3 10550155 10569H 5032H 若把結(jié)果視為無符號數(shù)，為155，結(jié)果是正確的。若將此結(jié)果視為符號數(shù)，其符號位為1，結(jié)果為-101，這顯然是錯誤的。其原因是和數(shù)155大于8位符號數(shù)所能表示的補碼數(shù)的最大值127，使數(shù)值部分占據(jù)了符號位的位置，產(chǎn)生了溢出，從而導(dǎo)致結(jié)果錯誤。又如： -105-50=-155 CY=1 兩個負數(shù)相加，和應(yīng)為負數(shù)，而結(jié)果01100101B卻為正數(shù)，這顯然是錯誤的。其原因是和數(shù)-155小于8位符號數(shù)所能表示的補碼數(shù)的最小值-128，也產(chǎn)生了溢出。 結(jié)論：當(dāng)兩個補碼數(shù)相加結(jié)果超出補碼表示范圍，就會產(chǎn)生溢出，導(dǎo)致結(jié)果錯誤。 計算機中設(shè)立了溢出標

19、志位OV，通過最高位的進位（符號位的進位）CY和次高位進位（低位向符號位的進位）CY-1異或產(chǎn)生。,例4 74744AH+4AH 0 1 0 0 1 0 1 0 0 01 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 CY CY-1=0 1=1.有溢出 OV1 CY CY-1 無進位 CY=0 由上兩例中，例3的 OV=1、CY=1,例4中OV=1、CY=0，可見溢出和進位并非有必然的聯(lián)系，這是由于兩者產(chǎn)生的原因是不同的，兩者判斷的方法也是是不同的。重述如下： 溢出OV：兩個補碼數(shù)相加結(jié)果超出補碼表示范圍而產(chǎn)生，OV= CY CY-1 進位CY: 當(dāng)運算結(jié)果超出計算機位數(shù)的限制（

20、8位、16位），會產(chǎn)生進位，它是由最高位計算產(chǎn)生的,在加法中表現(xiàn)為進位，在減法中表現(xiàn)為借位。,0.2.5 BCD碼,生活中人們習(xí)慣于十進制數(shù)，計算機只能識別二進制數(shù)，為了將十進制數(shù)變?yōu)槎M制數(shù)，出現(xiàn)了BCD碼，即二進制代碼表示的十進制數(shù)。故名思意，它即是逢十進一，又是一組二進制代碼。用4位二進制數(shù)編碼表示1位十進制數(shù)稱為壓縮的BCD碼，8位二進制數(shù)可以放2個十進制數(shù)位。也可以用8位二進制數(shù)表示1個十進制數(shù)位，這種BCD碼稱為非壓縮的BCD碼。十進制數(shù)和BCD碼的對照表見表0-2,表0-2 BCD編碼表,例：求十進制數(shù)876的BCD碼 壓縮的BCD碼 ： 876BCD = 1000 0111 0

21、110B=876H 非壓縮的BCD碼： 876BCD=00001000 00000111 00000110B080706H 又如,十進制數(shù)1994的壓縮的BCD碼1944H 1994的非壓縮的BCD碼01090404H,0.2.6 BCD碼的運算,BCD碼運算應(yīng)該得到BCD碼結(jié)果，由于計算機是按二進制運算，結(jié)果不為BCD碼，因此要進行十進制調(diào)整。調(diào)整方法為：當(dāng)計算結(jié)果有非BCD碼或產(chǎn)生進位/借位時，加法進行 +6、減法進行 -6 調(diào)整運算。 例：計算BCD碼 78+69=？ 0111 1000 78H + 0110 1001 + 69H 1110 0001 E1H不調(diào)整，結(jié)果為二進制 + 0110 0110 + 66H調(diào)整， 高4位產(chǎn)生非BCD碼+6，和低4位有半進位+6 1 0100 0111 147 調(diào)整結(jié)果：147 （帶進位一起）為十進制結(jié)果,例：計算BCD碼 38-29=？ 0011 1000 38H - 0010 1001 - 29H 0000 1111 0FH - 0000 0110 - 06 低4位有半借位-6調(diào)整 高4位未產(chǎn)生非 BCD且無借位不調(diào)整 0000 1001 9 結(jié)果：9 在計算機中，有專門的調(diào)整指令完成調(diào)整操作。