單片微型機原理-第一章-計算機基礎(chǔ)知識

信息工程學(xué)院自動化系單片微型計算機原理與應(yīng)用任課教師：趙建敏zjm0823@126.com辦公室：第二實驗樓C304單片微型計算機原理與應(yīng)用信息工程學(xué)院自動化系課程概況：原“微機原理與應(yīng)用”、“單片機原理與應(yīng)用”兩門課合并學(xué)時88（70+18）考核方式：筆試70%+實驗20%+平時成績10%單片微型計算機原理與應(yīng)用信息工程學(xué)院自動化系課程概況：自動化專業(yè)核心專業(yè)課實踐性：注重動手能力綜合性：培養(yǎng)系統(tǒng)性解決問題的能力課外科技創(chuàng)新活動全國大學(xué)生智能車競賽Intel杯全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽各種課外科技創(chuàng)新社團活動第一章單片微型計算機基礎(chǔ)知識1.1、微型計算機概述1.2、數(shù)制與編碼1.3、處理器與存儲器組織1.4、外設(shè)與總線1.5、單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.6、單片機的應(yīng)用和應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息工程學(xué)院自動化系內(nèi)蒙古科技大學(xué)41.1.1計算機的發(fā)展、微型計算機的分類第一臺計算機，1946，美國賓夕法尼亞大學(xué)，ENIAC

['i:ni?k]計算機的發(fā)展：電子管計算機晶體管計算機集成電路計算機大規(guī)模集成電路計算機超大規(guī)模集成電路計算機計算機按其性能分類：大型計算機中型計算機小型計算機微型計算機1.1.1計算機的發(fā)展、微型計算機的分類按規(guī)模分類單片機個人計算機筆記本電腦智能手機平板電腦1.1.2計算機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理人腦的簡單計算CPU內(nèi)部包含如下三部分：算術(shù)邏輯部件累加器和寄存器組控制器作具體的計算控制作用

微型計算機構(gòu)成CPU、存儲器輸入/輸出接口電路系統(tǒng)總線微型計算機構(gòu)成記錄原始數(shù)據(jù)和算題保存中間結(jié)果作具體的計算控制作用保存和輸出最終結(jié)果11微型計算機的概念結(jié)構(gòu)存儲器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口地址總線AB輸出設(shè)備CPU數(shù)據(jù)總線DB控制總線CBI/O接口AB:AddressBusDB:DataBusCB:ControlBus1.1.3微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)邏輯運算部件累加器和寄存器組控制器內(nèi)部總線微處理器存儲器（ROM、RAM）輸入輸出接口系統(tǒng)總線微型計算機外圍設(shè)備系統(tǒng)軟件微型計算機系統(tǒng)13微型計算機系統(tǒng)的三個層次微處理器存儲器I/O接口總線硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)微型計算機系統(tǒng)微型計算機(主機)外設(shè)ALU寄存器控制器鍵盤、鼠標(biāo)顯示器軟驅(qū)、硬盤、光驅(qū)打印機、掃描儀系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件14核心級——微處理器微處理器簡稱CPU，是計算機的核心，主要包括：

運算器ALU（算數(shù)邏輯單元）

控制器CU寄存器組RegistersCPU實現(xiàn)了運算功能和控制功能計算機的控制中心，提供運算、判斷能力構(gòu)成：ALU、CU、Registers例：Intel8088/8086、PIII、P4、Celeron、酷睿、i5CPU的位數(shù)（字長）：4位、8位、16位、32位、64位是指一次能處理的數(shù)據(jù)的位數(shù)15硬件系統(tǒng)級——微型計算機以微處理器為核心，配上只讀存儲器(ROM)、讀寫存儲器(RAM)、輸入/輸出(I/O)接口電路及系統(tǒng)總線等部件，就構(gòu)成了微型計算機。將CPU、存儲器、I/O接口、總線等集成在一片超大規(guī)模集成電路芯片上，稱為單片微型計算機，簡稱單片機。16硬件系統(tǒng)級-存儲器存放程序和數(shù)據(jù)的記憶裝置用途：存放程序和要操作的各類信息（數(shù)據(jù)、文字、圖像、。。。）內(nèi)存：ROM、RAM特點：隨機存取，速度快，容量小外存：磁盤、光盤、半導(dǎo)體盤、…特點：順序存取/塊存取，速度慢，容量大17硬件系統(tǒng)級-輸入/輸出接口簡寫為I/O接口，是CPU與外部設(shè)備間的橋梁提供驅(qū)動外設(shè)的電壓或電流；匹配計算機與外設(shè)之間的信號電平、速度、信號類型、數(shù)據(jù)格式等；緩存發(fā)給外設(shè)的數(shù)據(jù)、控制命令和外設(shè)提供的運行狀態(tài)信息；DMA控制和中斷控制。CPUI/O接口外設(shè)18硬件系統(tǒng)級-總線BUS連接多個功能部件的一組公共信號線地址總線AB：用來傳送CPU輸出的地址信號，確定被訪問的存儲單元、I/O端口。地址線的根數(shù)決定了CPU的尋址范圍。

CPU的尋址范圍=2n，n-地址線根數(shù)數(shù)據(jù)總線DB：在CPU與存儲器、I/O接口之間數(shù)據(jù)傳送的公共通路。數(shù)據(jù)總線的條數(shù)決定CPU一次最多可以傳送的數(shù)據(jù)寬度?？刂瓶偩€CB：用來傳送各種控制信號19系統(tǒng)級以微型計算機為中心，配以相應(yīng)的外圍設(shè)備以及控制微型計算機工作的軟件，就構(gòu)成了完整的微型計算機系統(tǒng)。微型計算機如果不配有軟件，通常稱為裸機軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。20微型計算機的軟件系統(tǒng)軟件：為運行、管理和維護(hù)計算機系統(tǒng)或為實現(xiàn)某一功能而編寫的各種程序的總和及其相關(guān)資料。系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)編譯系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工具軟件軟件211.1.4計算機的工作過程存儲程序計算機—又稱為馮?諾依曼型計算機以運算器為核心、以存儲程序原理為基礎(chǔ)將計算過程描述為由許多條指令按一定順序組成的程序，即程序是由多條有邏輯關(guān)系的指令組成，指令的長度不等（一般為1～4字節(jié)）數(shù)據(jù)和程序均以二進(jìn)制代碼的形式不加區(qū)別地存放在存儲器中，存放位置由地址指定，地址碼也是二進(jìn)制形式由控制器控制整個程序和數(shù)據(jù)的存取以及程序的執(zhí)行指令驅(qū)動22存儲程序計算機的工作原理控制器按預(yù)先存放在計算機存儲器中的程序的流程自動地連續(xù)取出指令并執(zhí)行之。運算器輸出設(shè)備控制器輸入設(shè)備存儲器指令流控制命令數(shù)據(jù)流23程序的執(zhí)行過程程序指令1指令2指令3指令4指令n……取指令指令譯碼取操作數(shù)執(zhí)行指令存結(jié)果指令周期操作碼操作數(shù)執(zhí)行1。CPU如何知道從哪里取出程序的第一條指令？——操作系統(tǒng)2。CPU如何按程序控制流執(zhí)行指令？——程序計數(shù)器3。CPU如何知道從哪里取操作數(shù)？——地址、尋址方式24例：計算5+8匯編語言程序 對應(yīng)的機器指令對應(yīng)的操作------------------------------------------------------------------------------------MOVAL,5 10110000

將立即數(shù)1傳送到累加寄存器AL中

00000101 ADDAL,8 00000100

計算兩個數(shù)的和，結(jié)果存放到AL中

00001000 HLT

11110100

停機 指令執(zhí)行過程見下頁圖25指令執(zhí)行過程(取指/譯碼/執(zhí)行)累加器A加法器數(shù)據(jù)寄存器DR指令寄存器IR指令譯碼器ID時序邏輯電路時序控制信號（控制命令）1011000000000101000001000000100011110100內(nèi)部總線存儲器01234程序計數(shù)器PC地址MOVA,5ADDA,8HLT地址總線+1③地址譯碼器讀寫控制電路④輸出地址10110000⑦鎖存指令鎖存數(shù)據(jù)⑥置初值①②輸出指令地址鎖存地址②讀寫命令⑤⑧指令譯碼鎖存輸出地址寄存器AR補充：微型計算機的數(shù)據(jù)類型

常見名詞術(shù)語（1）位：一個二進(jìn)制位,是計算機中信息表示的最小單位。例如：1010B就有4個二進(jìn)制位。字節(jié)：相鄰的8個二進(jìn)制位。例：10110110B為一個字節(jié)字：計算機內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞、處理的基本單位。在PC微機中常把一個字定義為16位，即2個字節(jié)。例：0111101011101100B即為一個字。字長：一個字所包含的二進(jìn)制位數(shù)。例：16位微處理器的字長為16。二進(jìn)制數(shù)10110011有幾位？數(shù)1011001100111110B有幾個字節(jié)？微機原理

第1章微型計算機概述(27)補充：微型計算機的數(shù)據(jù)類型

常見名詞術(shù)語（2）雙字（DoubleWord)：32位，4個字節(jié)，是32位微計算機的字長。四字（QuadWord)：64位，8個字節(jié)，是32位微處理器的雙倍精度字。雙四字（DQW）：128位，16個字節(jié)。模：模是計量器的最大容量。一個4位寄存器能夠存放0000~1111共計16個數(shù)，因此它的模為24。281.2數(shù)制和編碼計算機中的常用計數(shù)制、編碼及其相互間的轉(zhuǎn)換；二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運算和邏輯運算；符號數(shù)的表示及補碼運算；二進(jìn)制數(shù)運算中的溢出問題；基本邏輯門及譯碼器；定點數(shù)與浮點數(shù)的表示方法。291.2.1計算機中的數(shù)制了解：各種計數(shù)制的特點及表示方法；掌握：各種計數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換。30一、常用計數(shù)制十進(jìn)制——符合人們的習(xí)慣二進(jìn)制——便于物理實現(xiàn)十六進(jìn)制——便于識別、書寫31十進(jìn)制特點：以十為底，逢十進(jìn)一；

共有0-9十個數(shù)字符號。表示：權(quán)表達(dá)式n：整數(shù)位數(shù)m：小數(shù)位數(shù)32二進(jìn)制特點：以2為底，逢2進(jìn)位；只有0和1兩個符號。(數(shù)后面加B)表示：n：整數(shù)位數(shù)m：小數(shù)位數(shù)33十六進(jìn)制特點：有0--9及A--F共16個數(shù)字符號，

逢16進(jìn)位。(數(shù)后面加H）表示：n：整數(shù)位數(shù)m：小數(shù)位數(shù)34任意K進(jìn)制數(shù)的表示一般地，對任意一個K進(jìn)制數(shù)S都可表示為其中：

Si

--

S的第i位數(shù)碼，可以是K個符號中任何一個；

n,m–

整數(shù)和小數(shù)的位數(shù)；

K

--

基數(shù)；

Ki

--K進(jìn)制數(shù)的權(quán)35例234.98或(234.98)101101.11B或(1101.11)2ABCD.BFH或(ABCD.BF)1636二、各數(shù)制間的轉(zhuǎn)換非十進(jìn)制數(shù)→十進(jìn)制數(shù)：

按相應(yīng)的權(quán)表達(dá)式展開，再按十進(jìn)制求和。例：24.AH=2×161+4×160+A×16-1=36.625注：A～F分別用10～15代入37十進(jìn)制→非十進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制→二進(jìn)制：整數(shù)：除2取余；小數(shù)：乘2取整。十進(jìn)制→十六進(jìn)制：整數(shù)：除16取余；小數(shù)：乘16取整。以小數(shù)點為起點求得整數(shù)和小數(shù)的每一位。注：十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成任意K進(jìn)制數(shù)與上類似，整：除K取余，小數(shù)：乘K取整。38十進(jìn)制到十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換例400.25=（？）H400/16=25-----------余數(shù)=0（個位）25/16=1--------------余數(shù)=9（十位）1/16=0---------------余數(shù)=1（百位）0.25×16=4.0-----------整數(shù)=4（1/10）

即：400.25=190.4H39二進(jìn)制與十六進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換用4位二進(jìn)制數(shù)表示1位十六進(jìn)制數(shù)

0000-------------0H1001-------------9H1010-------------AH1011-------------BH1100-------------CH1101-------------DH1110-------------EH1111-------------FH40二進(jìn)制與十六進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換例：10110001001.110=(?)H

0101

1000

1001.1100589.C

注意：位數(shù)不夠時要補041

無符號二進(jìn)制數(shù)的運算二進(jìn)制數(shù)算術(shù)運算邏輯運算無符號數(shù)有符號數(shù):算術(shù)運算42一、無符號數(shù)的算術(shù)運算加法運算減法運算乘法運算除法運算43注意點：對加法：1+1=0（有進(jìn)位）對減法：0-1=1（有借位）對乘法：僅有1×1=1，其余皆為0；乘以2相當(dāng)于左移一位。對除法：除以2則相當(dāng)于右移1位。44例00001011×0100=00101100B

00001011÷0100=00000010B

即：商=00000010B

余數(shù)=11B45二、無符號數(shù)的表示范圍

一個n位的無符號二進(jìn)制數(shù)X，其表示范圍為：

0≤

X≤2n-1

若運算結(jié)果超出這個范圍，則產(chǎn)生溢出。

溢出的判別方法：

運算時，當(dāng)最高位向更高位有進(jìn)位（或借位）時則產(chǎn)生溢出。46例：最高位向前有進(jìn)位，產(chǎn)生溢出。本例中：運算結(jié)果為256，超出８位二進(jìn)制數(shù)所能表示的范圍255。三、邏輯運算與（∧）或（∨）非（▔）異或（⊕）掌握：邏輯關(guān)系（真值表）和邏輯門。特點：按位運算，無進(jìn)位/借位。48“與”、“或”運算任何數(shù)和“0”相“與”，結(jié)果為0任何數(shù)和“1”相“或”，結(jié)果為1BACABC&≥1A∧B=CA∨B=C49“非”、“異或”運算“非”運算即按位求反兩個二進(jìn)制數(shù)相“異或”：相同則為0，相異則為1AABC1⊕B=AA

B=CB50“與非”、“或非”運算A∧B=CA∨B=CBACABC&≥151四、譯碼器74LS138譯碼器：G1G2AG2BCBAY0Y7????3－8譯碼器原理譯碼使能端譯碼輸入端譯碼輸出端5274LS138真值表使能端輸入端輸出端G1G2AG2BCBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7

01

10

11

0

100100100100100100100100

000

001010011100101110111

11111111

11111111

11111111

11111111

01

111111

101

111111

1

01

1111

1

1

10

1

1111

1

1

1

01

11

1

1

1

1

1

0

1111111

10

111111

1

10

531.2.2

符號數(shù)的表示及運算計算機中的符號數(shù)的表示方法：

把二進(jìn)制數(shù)的最高位定義為符號位。符號位：“0”表示正，“1”表示負(fù)。把符號也數(shù)值化了的數(shù)，稱為機器數(shù)。機器數(shù)所表示的真實的數(shù)值，稱為真值。注：后面的講述均以8位二進(jìn)制數(shù)為例。54例+52=+0110100=0

0110100

符號位數(shù)值位

-52=-0110100=1

0110100

真值機器數(shù)55一、符號數(shù)的表示：對于符號數(shù)，機器數(shù)常用的表示方法有原碼、反碼和補碼三種。數(shù)X的原碼記作[X]原，反碼記作[X]反，補碼記作[X]補。注意：對正數(shù)，三種表示法均相同。它們的差別在于對負(fù)數(shù)的表示。56原碼[X]原最高位為符號位，用“0”表示正，用“1”表示負(fù)；數(shù)值部分照原樣寫出即可。優(yōu)點：真值和其原碼表示之間的對應(yīng)關(guān)系簡單，容易理解；缺點：計算機中用原碼進(jìn)行加減運算比較困難，0的表示不唯一。正式定義為：57數(shù)0的原碼+0=00000000-0=10000000

即：數(shù)0的原碼不唯一。58原碼的例子真值：X=+18=+0010010X=-18=-0010010原碼：[X]原=00010010[X]原=10010010符號符號位n位原碼表示數(shù)值的范圍是：對應(yīng)的原碼是1111～011159反碼[X]反對一個數(shù)X：若X>0，則[X]反=[X]原若X<0，則[X]反=對應(yīng)原碼的符號位不變，數(shù)值部分按位求反。正式定義為：60反碼例X=-52=-0110100[X]原=10110100[X]反=11001011610的反碼[+0]反=00000000[-0]反=11111111即：數(shù)0的反碼也不是唯一的。n位反碼表示數(shù)值的范圍是對應(yīng)的反碼是1000～011162補補碼[X]補定義：若X>0，則[X]補=[X]反=[X]原若X<0，則[X]補=[X]反+1正式定義為：補碼的引入（0問題、減法加法化）“0”的原碼并不惟一，0的原碼可以表示為00000000(即+0)，也可以表示為10000000(即-?0)；用原碼表示時，減法并不能轉(zhuǎn)化為加法運算；

反碼也存在類似問題。但是，帶符號數(shù)用補碼表示后，減法可以轉(zhuǎn)化為加法運算補碼的定義如下：

正數(shù)的補碼與反碼、原碼相同；

負(fù)數(shù)的補碼等于它的反碼加1。例如，-23H補碼的過程如下：對應(yīng)正數(shù)23H的原碼00100011；按位求反后為11011100，即-23H的反碼；反碼加1后為11011101，即-23H的補碼(0DDH)。

減法加法化：

56H-23H=56H-23H+100H(100H是8位二進(jìn)制bit8溢出) =56H+（100H-23H）

=56H+0DDH =133H=33H(133H是8位二進(jìn)制bit8溢出)

顯然，56H-23H的結(jié)果與56H+0DDH相同，即引入補碼后，減法可以用加法來完成。（在8位二進(jìn)制中，23H與0DDH互為補碼。)用補碼表示時，最高位為0時，表示該數(shù)為正數(shù)，數(shù)值部分就是真值；而最高位為1時，為負(fù)數(shù)，數(shù)值部分并不是它的真值，必須再求補后，才得到該數(shù)的絕對值

-23H的補碼為11011101,?按位取反后為00100010，加1后為00100011，即23H。

8位二進(jìn)制數(shù)，補碼表示的范圍是-128～+127；16位二進(jìn)制數(shù)，補碼表示的范圍是-32768～+32767。例如，16位二進(jìn)制數(shù)中-23H的補碼：對應(yīng)正數(shù)23H的原碼為0000000000100011，按位取反后為1111111111011100；加1后為1111111111011101(即16位二進(jìn)制數(shù)-23H的補碼，相當(dāng)于無符號數(shù)的0FFDDH)?？梢?，對于同一個數(shù)，作為8位二進(jìn)制數(shù)的補碼和作為16位二進(jìn)制數(shù)的補碼不同。

670的補碼[+0]補=[+0]原=00000000[-0]補=[-0]反+1=11111111+1=100000000

n位補碼表示數(shù)值的范圍是對應(yīng)的補碼是1000～0111對8位字長，進(jìn)位被舍掉68特殊數(shù)10000000該數(shù)在原碼中定義為：-0在反碼中定義為：-127在補碼中定義為：-128對無符號數(shù)，（10000000）B=128698/16位符號數(shù)的表示范圍對8位二進(jìn)制數(shù)：原碼：-127~+127反碼：-127~+127補碼：-128~+127對16位二進(jìn)制數(shù)：原碼：-32767~+32767反碼：-32767~+32767補碼：-32768~+3276770符號二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換對用補碼表示的二進(jìn)制數(shù)：

1）求出真值

2）進(jìn)行轉(zhuǎn)換71例將一個用補碼表示的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。[X]補=00101110B真值為：0101110B

正數(shù)所以：X=+46[X]補=11010010B真值不等于：-1010010B

負(fù)數(shù)而是：X=[[X]補]補=[11010010]補

=-0101110=-4672二、符號數(shù)的算術(shù)運算通過引進(jìn)補碼，可將減法運算轉(zhuǎn)換為加法運算。即：[X+Y]補=[X]補+[Y]補

[X-Y]補=[X+(-Y)]補

=[X]補+[-Y]補其中X，Y為正負(fù)數(shù)均可，符號位參與運算。73補碼的運算是基于模的運算

模(module)就是一個計數(shù)系統(tǒng)的最大容量。例如鐘表的模為12，8位二進(jìn)制數(shù)的模為28，等等。

凡是用器件進(jìn)行的運算都是有模運算，運算結(jié)果超過模的部分會被運算器自動丟棄。因此，當(dāng)器件為n位時，有

X=2n+X(mod2n)根據(jù)定義，

[X]補=2n+X(mod2n)因此可得，

[XY]補=2n+

2n+(XY)(mod2n)

=(2n+X)+(2nY)(mod2n) =[X]補+[Y]補74例X=-0110100，Y=+1110100，求X+Y=？[X]原=10110100[X]補=[X]反+1=11001100[Y]補=[Y]原=01110100所以：[X+Y]補=[X]補+[Y]補

=11001100+01110100=01000000X+Y=+100000075符號數(shù)運算中的溢出問題兩個8位帶符號二進(jìn)制數(shù)相加或相減時，若

C7C6＝1

則結(jié)果產(chǎn)生溢出。其中：C7為最高位的進(jìn)(借)位；

C6為次高位的進(jìn)(借)位。對16位或32位的運算，也有類似結(jié)論。76觀察以下四種情況哪個溢出？10110101

+1000111110100010001000010+011000111010010101000010

+110011011