單片機第一章-本

微機

原理與應(yīng)用機電工程學(xué)院上海第二工業(yè)大學(xué)§1-1概述

§1-2微型計算機基礎(chǔ)進入

§1-3計算機中的數(shù)和編碼進入

第一章微型計算機系統(tǒng)基本知識

§1-1概述

一、電子計算機

以存儲程序的方式、自動地進行算術(shù)和邏輯運算的數(shù)字電子裝置。

1、歷史

1946年2月15日，第一臺數(shù)字式電子計算機在美國費城賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院研制成功。1955年10月切斷電源。

2、發(fā)展

電子管式→晶體管式→中小規(guī)模集成電路→↑1946↑1957↑1965→大、超大規(guī)模集成電路（微機時代）四代?！?971Intel40043、基本結(jié)構(gòu)

硬件、軟件引例：

（1）硬件：

基本組成：運算器、控制器、存儲器、輸入/輸出設(shè)備及接口。

中心思想是存儲程序原則：

指令和數(shù)據(jù)以二進制的形式存放在存儲器中。

結(jié)構(gòu)如圖1-1所示：（2）軟件

計算機上運行的程序，是計算機系統(tǒng)中的邏輯部件而不是物理部件，是人的思維結(jié)果，通過某種物理介質(zhì)來存儲和表示。二、微機1、微處理器、微型計算機、微型計算機系統(tǒng)(1)中央處理器Central

Processing

Unit-CPU

負責(zé)取指令，執(zhí)行指令，實現(xiàn)操作的核心部件，包括運算器和控制器兩大部分。中央處理器的電路集成在一片或少數(shù)幾片大規(guī)模集成電路芯片上，成為微處理器（MPU）。(2)微型計算機、微型計算機系統(tǒng)以微處理器為核心，加存儲部件和輸入輸出接口部件成為微型計算機。

以微型計算機為基礎(chǔ)，加外圍設(shè)備、電源、系統(tǒng)軟件等構(gòu)成微型計算機系統(tǒng)。2、微型計算機的分類

*獨立使用式微機：PC機*嵌入式微機：

(1)單片機：CPU、存儲器、I/O接口等集成在一塊硅片上

(2)單板機：CPU、存儲器、I/O接口等裝配在一塊電路板

(3)多板機：CPU、存儲器、I/O接口等分做在多塊電路板上3、微型計算機的發(fā)展第一代：1971~1973，4位和低檔8位機，典型代表

Intel4004，Intel8008。第二代：1974~1978，中檔8位機，典型代表

Intel8080，MC6800，ZILOGZ80APPLE6502等。第三代：1978~1981，16位機，如

1981年，IBM公司的Intel8088。第四代：1981~1992，32位微機，如

Intel80386，MotorolaMC68020第五代：1993~至今，64位微機，奔騰微處理器芯片三、單片機概述

單片微型計算機：Single-ChipMicrocomputerOne-ChipMicrocomputer

又稱為“微控制器”、“微處理器”。

在一片芯片上集成CPU、存儲器、I/O接口等組成一臺完整的微型計算機。

主要有：4位、8位、16位、32位等1、單片機發(fā)展情況：

1974年12月，仙童（Fairchild）公司8位單片機F8。經(jīng)歷四代：

第一代：1974~1978，如IntelMCS-48型8位單片機，采用8位CPU、27個I/O口、8位定時器/計數(shù)器、64RAM/1KROM，無串行口第二代：1978~1983，高檔8位單片機，如MCS-51，

MC6801，Zilog公司的Z8等。增加功能：串行口、32個I/O、多級中斷、

16定時/計數(shù)器、片內(nèi)RAM/ROM增大，片內(nèi)帶A/D轉(zhuǎn)換器接口。。

第三代：1983~1990，16位單片機，如MCS-96系列的

8096、8098。增加性能：RAM/ROM增大，中斷能力增強、A/D等第四代：1990至今，高檔16位、32位單片機如80196，MC8300等，性能、速度大大提高?！?-2微型計算機基礎(chǔ)返回一、微機的三總線結(jié)構(gòu)

總線：微機系統(tǒng)中各部件和模塊之間傳送信息的一組導(dǎo)線微機的總線結(jié)構(gòu)包括：數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。地址：內(nèi)存由許多存儲單元組成，每個存儲單元有一個用于區(qū)分的編號，稱為地址。1、數(shù)據(jù)總線（DB）：

傳送數(shù)據(jù)，雙向。CPU的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的位數(shù)一致。而數(shù)據(jù)可能是真正的數(shù)據(jù)、指令代碼、狀態(tài)量或控制量。2、地址總線（AB）：

傳送CPU發(fā)出的地址信息，單向。寬度（線數(shù)目）決定了CPU的可尋址范圍。例如：2根地址線，可尋址22=4個字節(jié)單元；

16根地址線，可尋址216=64K字節(jié)單元；3、控制總線（CB）：

傳送使微機協(xié)調(diào)工作的定時、控制信號，雙向。每一條控制線，都有固定的功能?？刂凭€數(shù)目不定。

8位微機的DB總是8位，AB總是16位，而CB的數(shù)目則隨機型不同而不同。

二、微處理器的基本結(jié)構(gòu)

微處理器（CPU）是微型計算機的核心，由運算器和控制器兩大部分組成。1、運算器（1）算術(shù)邏輯單元ALU(arithmeticlogicunit)

運算器的主要組成部分，是一個純粹的運算部件（加法和移位操作），沒有寄存功能。

（2）累加器A(Accumulator)CPU中最關(guān)鍵寄存器。ALU進行運算時一個操作數(shù)必需來自累加器，同時也是運算結(jié)果的寄存場所。（3）標(biāo)志寄存器F（Flag）存放微機執(zhí)行一條指令后所處狀態(tài)的信息。常用的標(biāo)志有：C、AC、OV、P等。（4）暫存寄存器TR(tempregister)

用來存放參加ALU運算的另一個操作數(shù)，該操作數(shù)必須先暫存在TR中，以免數(shù)據(jù)發(fā)生沖突。（5）地址和數(shù)據(jù)緩沖器（ABuffer、DBuffer）協(xié)調(diào)CPU與存儲器、I/O接口電路之間在運行速度、工作周期等方面存在的差異。（6）寄存器陣列（RA）(registerarray)

包括通用寄存器和專用寄存器兩種。通用寄存器組：作為CPU內(nèi)部的小容量高速存儲器，用來存放一些中間數(shù)據(jù)，以減少CPU

對存儲器的頻繁訪問

專用寄存器組：PC、SP、AB、DB等。2、控制器

完成指令譯碼，發(fā)出各個操作的控制信號。（1）程序計數(shù)器PC(programcounter)

存放要讀取的指令所在地址的專用寄存器。具有計數(shù)（加1）和接受轉(zhuǎn)移地址的功能。（2）指令寄存器IR(instructionregister)

存放CPU從ROM中取出的正要被執(zhí)行的指令的操作碼。（3）指令譯碼器ID(instructiondecoded)

接收IR送來的操作碼并譯碼，生成與指令相應(yīng)的特定操作的啟動信息。4）定時控制邏輯PLA(programmablelogicarray)ID送出的電平信號與外部時鐘脈沖在PLA電路中組合，形成各種內(nèi)部控制信號和外部控制信號。

三、

存儲器及其讀寫原理1、有關(guān)常用術(shù)語（1）位（bit）、字節(jié)（Byte）、字（Word）、雙字（DW）。

1B=8bit；1KB=1024B；1MB=1024KB；1GB=1024MB（2）字長：每個字所包含的二進制數(shù)碼的位數(shù)。由微處理器芯片外部數(shù)據(jù)總線的位數(shù)來確定。（3）內(nèi)存：存放當(dāng)前運算所需的程序和數(shù)據(jù)，容量較小、存取速度快，設(shè)在微機內(nèi)部。如RAM、ROM、EPROM、EEPROM。（4）外存：存放大量暫時不直接參與運算的程序和數(shù)據(jù)，可成批轉(zhuǎn)入內(nèi)存。一般為磁盤、光盤等。2、存儲器結(jié)構(gòu)

分隨機讀寫存儲器RAM和程序存儲器ROMRAM存儲器由三部分：存儲體、地址譯碼器和控制電路。

ROM結(jié)構(gòu)類似，區(qū)別在于只能作讀選通。

注意：（1）對于8位地址，可表示256個單元；（2）每個單元可存放8位二進制數(shù)；（3）注意單元內(nèi)容與地址的區(qū)別；3、存儲器讀寫原理存儲器工作過程如下：CPU→地址→地址譯碼器→選中單元→由CPU發(fā)出的“讀”或“寫”命令。例如：讀操作：讀02H單元內(nèi)容

1）02H由A-BUS→地址譯碼→找到02號單元；

2）CPU發(fā)出“讀”信號；

3）（02H）=#A3H（讀出的數(shù)據(jù)）→D-BUS。

4）#A3H→指定寄存器

寫操作：數(shù)據(jù)#F7H→03H單元中；

1）03H由AB→地址譯碼→找到03號單元；

2）CPU將#F7H送到D-BUS上

3）CPU發(fā)出“寫”信號；

4）#F7H→（03H）

四、輸入/輸出設(shè)備及其接口I/O設(shè)備：簡稱外設(shè)，功能是為微機提供具體的輸入輸出手段。標(biāo)準(zhǔn)的I/O設(shè)備系指鍵盤和顯示器。I/O接口：

由于各種外設(shè)的工作速度、驅(qū)動方式差別很大，無法與CPU直接匹配，而需要一個接口電路來充當(dāng)它們與CPU間的橋梁，起轉(zhuǎn)換、協(xié)調(diào)作用?！?-3計算機中數(shù)和編碼

返回一、數(shù)制及其轉(zhuǎn)換1、計算機中常用進制（1）十進制（Decimal）表示法特點：用0，1，…，9十個數(shù)來表示數(shù)據(jù);

逢十進一.例如(273.45)D=2×102+7×101+3×100+4×10-1+5×10-2任意一個十進制數(shù)的表示方法為稱為權(quán)其中ki=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9（2）二進制(Binary)表示法特點：基數(shù)為2，用0，1兩個數(shù)碼來表示數(shù)據(jù)逢二進一各位的權(quán)為2i。任意一個二進制數(shù)的表示方法為：

其中ki=0,1

例如（1011.101）B=1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3（3）十六進制(Hexadecimal)表示法

特點：①基數(shù)為16，用0~9和字母A,B,C,D,E,F

（對應(yīng)十進制10~15）來表示數(shù)據(jù)，逢十六進一；②各位的權(quán)為16i。任意一個十六進制數(shù)的表示方法為

其中ki=0~F例如:（55）H=5×161+5×160

3、進制間的轉(zhuǎn)換（1）任意進制轉(zhuǎn)換為十進制按定義：只需按權(quán)展開即可。（2）十進制轉(zhuǎn)換為其它進制

①整數(shù)部分的轉(zhuǎn)換把十進制的整數(shù)不斷除以所需要的基數(shù)，直至商為零，取其余數(shù)，稱為除基取余法。②小數(shù)部分的轉(zhuǎn)換將十進制小數(shù)部分乘以基數(shù)，并取整，直至小數(shù)部分為零為止。稱為乘基取整法。

例如：（25.3125）D=(11001.0101)B

（116.84375）D=（74.D8）H

過程如下：4、二進制與十六進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換

由于二進制的基數(shù)是2，而十六進制的基數(shù)為16=24，即4位二進制數(shù)正好對應(yīng)一位十六進制數(shù)。例如：（B6）H=1011

0110

B=（10110110）B

（11011）B=0001

1011

B=（1B）H注意：二進制轉(zhuǎn)十六進制時，以小數(shù)點為界，朝左右劃分，整數(shù)部分不足4位高位加0，小數(shù)部分不足4位低位加0。二、二進制數(shù)的運算1、算術(shù)運算（1）運算規(guī)則加法：0+0=0，0+1=1，1+1=0進位1，1+1+1=1進位1；減法：0-0=0，1-0=1，0-1=1借位1，1-1=0；乘法：0×0=0，0×1=0，1×0=0， 1×1=1；（2）無符號數(shù)的運算①加法：按照加法運算規(guī)則，從最低位開始逐位相加，有進位的問題。②減法：按照減法運算規(guī)則，從最低位開始逐位相減，不夠減時，應(yīng)向高位借位。③乘法：乘法運算可看作是被乘數(shù)自身多次移位相加，相加的次數(shù)由乘數(shù)的數(shù)值決定。④除法：除法是乘法的逆運算，它是確定一個數(shù)可以從另一個數(shù)中減去多少次的過程。例如：2、基本邏輯運算常用有“與”、“或”、“非”、“異或”等邏輯運算。（1）“與”：AND，“有0出0，全1出1”，C=A·B，運算規(guī)則：0·0=0，0·1=0，1·0=0，1·1=1（2）“或”：OR，“有1出1，全0出0”，C=A+B，運算規(guī)則：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=1（3）“非”：NOT，“求反”，C=運算規(guī)則：例如：DAH、99H兩個數(shù)的三種運算方法如下：

與：DAH·99H=98H； （4）“異或”：XOR，“相同為0，不同為1”，C=A⊕B，運算規(guī)則：0⊕0=0，1⊕0=1，0⊕1=1，1⊕1=0

或：DAH+99H=DBH；異或：DAH⊕99H=43H；1、機器數(shù)與真值

符號的數(shù)碼化：將符號用“0正1負”表示，并以二進制數(shù)的最高位（D7位）作為符號位。例如：+91=01011011B=5BH；

-91=11011011B=DBH；三、符號數(shù)的表示法機器數(shù)：數(shù)據(jù)在計算機中連同數(shù)碼化的符號位一起表示的編碼數(shù):00010001B;10011101B。真值：把機器數(shù)實際代表的數(shù)稱為機器數(shù)的真值:+91;-5BH;-1101111B。

2、原碼表示法

D7位作為符號位（0正1負），D6~D0為原來的二進制數(shù)值位。例如： （+55）原=00110111B

（-55）原=10110111B特點：

1）8位二進制數(shù)表示的范圍：-127～+127；

2）（+0）原=00000000B，（—0）原=10000000B不相同；

3）乘除簡單，加、減運算困難。3、反碼表示法

正數(shù)的反碼=正數(shù)的原碼負數(shù)的反碼=符號位不變其余位按位取反例如：

（+0）反

=00000000B；（+127）反=01111111B

（-0）反=11111111B；（-127）反=10000000B特點：1）范圍-127～+127；

2）+0、-0不相等；

3）求真值時，若D7=1，則按位取反。4、補碼表示法模：計量器的容量記作：Mn位二進制，其模為2n

模的性質(zhì)：當(dāng)模為2n時，2n和0是相同的

例

a=17b=5M=12a=17=12+5=5=ba=b

例a=-３Ｍ＝12a=12+(-3)=9如圖：10點→6點，可以逆時針撥，也可順時針撥：逆撥：10–4=6（減）順撥：10+8=18=12+6=6（加）在順撥中，12可自然丟失，稱為模；而8被稱為是–4的補碼。顯然鐘表采用十二進制，系統(tǒng)所能表示的最大量程為12，稱之為模（基）。（–4）補=12–4=12+（–4）=8

即：（X）補=模+X2）引例：鐘表調(diào)時3）二進制補碼的計算方法

正數(shù)的補碼=正數(shù)的原碼負數(shù)的補碼=反碼加1

例如：（-127）補

=10000001B（-1）補

=11111111B

特點：

1）補碼的符號位作為數(shù)值的一部分，可以參加運算；

2）0只有一種表示，即+0=-0=00000000B；

3）表示范圍：-128～+127（80H~7FH）；

4）比原碼多一種組合，即10000000B（-128）其最高位“1”

既表示符號，又表示數(shù)值；

5）求真值時，若D7=1，則通過對補碼再求補，添“-”而得；練習(xí)：

1）求十進制數(shù)±8，±18，±113的補碼（分別用八位二進制數(shù)和十六位二進制數(shù)表示）

2）求補碼1BH，C9H的真值（用十進制數(shù)表示）

3）已知十六進制數(shù)X=36H，Y=CDH，試求

X+Y，X-Y，X∧Y，X∨Y 4）8位