《單片機(jī)原理與應(yīng)用》胡輝電子教案

單片機(jī)原理與應(yīng)用

胡輝主編

李葉紫胡力平副主編

中國水利水電出版社普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材課程的性質(zhì)和目的

單片機(jī)是微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的一個(gè)重要分支，近年來在工業(yè)智能儀器儀表、光機(jī)電設(shè)備、自動檢測、信息處理、家電等的得到廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。第1章單片機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)知識

1.1單片機(jī)的數(shù)制表示法在人們的日常生活和數(shù)學(xué)計(jì)算中，我們經(jīng)常采用的是十進(jìn)制，但計(jì)算機(jī)只能“識別”二進(jìn)制數(shù)。所以，二進(jìn)制數(shù)及其編碼是所有計(jì)算機(jī)的基本語言。其基本信息只有“0”和“1”，這是因?yàn)閿?shù)字電路中的開關(guān)只有“通”和“斷”兩個(gè)狀態(tài)。如果計(jì)算機(jī)要進(jìn)行十進(jìn)制或其它進(jìn)制的計(jì)算，那么都要轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制進(jìn)行計(jì)算。1.1.1二進(jìn)制、十進(jìn)制與十六進(jìn)制

1．二進(jìn)制以2為基數(shù)的數(shù)制叫二進(jìn)制，它只包括“0”和“1”兩個(gè)符號二進(jìn)制數(shù)以B作為標(biāo)識符。

一個(gè)含有n位整數(shù)，m位小數(shù)的二進(jìn)制數(shù)可表示為：

N=Xn－1×2n-1＋Xn－2×2n－2＋

…＋X0×20＋X－1×2-1＋X－2×2-2＋

…＋X－m×2-m

或：舉例例如：二進(jìn)制數(shù)101.101B等于十進(jìn)制的5.625其各位數(shù)碼代表的數(shù)值為：

1×22＋0×21＋1×20＋1×2－1＋0×2－2＋1×2－3

=5.6252．十進(jìn)制

以10為基數(shù)的數(shù)制叫十進(jìn)制，十進(jìn)制用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9等10個(gè)符號來表示。進(jìn)位規(guī)則是“逢十進(jìn)一”。十進(jìn)制數(shù)以D作為標(biāo)識符。一個(gè)含有n位整數(shù)，m位小數(shù)的十進(jìn)制數(shù)可表示為：N=Xn－1×10n-1＋Xn－2×10n－2＋

…＋X0×100＋X－1×10-1＋X－2×10-2＋

…＋X－m×10-m

或：3．十六進(jìn)制

以16為基數(shù)的數(shù)制叫十六進(jìn)制，進(jìn)位規(guī)則是“逢十六進(jìn)一”。十六進(jìn)制數(shù)以H作為標(biāo)識符。一個(gè)含有n位整數(shù)，m位小數(shù)的十六進(jìn)制數(shù)可表示為：

N=Xn－1×16n-1＋Xn－2×16n－2＋

…＋X0×160＋X－1×16-1＋X－2×16-2＋

…＋X－m×16-m

或：1.1.2數(shù)制的轉(zhuǎn)換

1．二進(jìn)制→十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換例如：

1101.11B=1×23＋1×22＋0×21＋1×20＋1×2－1＋1×2－2=13.752．十六進(jìn)制→十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換例如：

3BH=3×161＋11×160=591A6CH=1×163＋10×162＋6×161＋12×160=67643．十進(jìn)制→二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換

把一個(gè)十進(jìn)制整數(shù)依次除以2，并記下每次所得的余數(shù)（1或0），最后所得的余數(shù)的組合即為轉(zhuǎn)換的十進(jìn)制數(shù)。第一位余數(shù)為最低位（LSB），最后一個(gè)余數(shù)為最高位（MSB）。例如：

126=1111110B例如：213=11010101B

十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制例如：0.318=010100010…B4．十六進(jìn)制→二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換

將每位十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的四位二進(jìn)制數(shù)即可。5．二進(jìn)制→十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)換只需從二進(jìn)制數(shù)的最低位算起，每四位一個(gè)數(shù)，到最高位不夠四位填0，即可按位轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)。

6．十進(jìn)制→十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)換十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制方法一樣，只是除數(shù)為16而不是2。而余數(shù)是0～F中的任一個(gè)數(shù)。例如：

9168=23D0H

1.1.3原碼、反碼與補(bǔ)碼

在計(jì)算機(jī)中，為了運(yùn)算的方便，數(shù)的最高位用來表示正、負(fù)數(shù)。最高位為“0”表示正數(shù)，最高位為“1”表示負(fù)數(shù)。為了區(qū)別原來的數(shù)與它在計(jì)算機(jī)中的表示形式，我們將已經(jīng)數(shù)碼化了的帶符號數(shù)稱為機(jī)器數(shù)。而把原來的數(shù)稱為機(jī)器數(shù)的真值。

機(jī)器數(shù)有三種表示方法：原碼、反碼、補(bǔ)碼。1．原碼在符號位用0表示正數(shù)，在符號位用l表示負(fù)數(shù)，而數(shù)值位保持原樣的數(shù)，這樣的機(jī)器數(shù)稱為原碼。8位二進(jìn)制原碼表示的數(shù)的范圍為：－127～＋127。

（1）正數(shù)

正數(shù)的原碼與原來的數(shù)相同。

（2）負(fù)數(shù)

負(fù)數(shù)的原碼為符號位置1，而數(shù)值位不變。

（3）0的原碼表示

0的原碼表示法有兩種，即正0和負(fù)0。

[+0]原＝00000000

[-0]原＝10000000

2．反碼8位二進(jìn)制反碼表示的數(shù)的范圍為：－127～＋127（1）正數(shù)正數(shù)的反碼與正數(shù)的原碼相同。（2）負(fù)數(shù)負(fù)數(shù)的反碼為數(shù)值位的值按位求反，符號位取“1”。(3）0的反碼表示0在反碼中也有兩種表示法，正0和負(fù)0。[+0]反＝00000000[-0]反＝11111111

3．補(bǔ)碼

8位二進(jìn)制補(bǔ)碼表示的數(shù)的范圍為：－128～＋127。補(bǔ)碼概念舉例：（1）正數(shù)

正數(shù)的補(bǔ)碼與正數(shù)的原碼相同。（2）負(fù)數(shù)負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼由它的絕對值求反加1后得到。（3）0的補(bǔ)碼表示0的補(bǔ)碼表示只有一種，其表達(dá)式為：[+0]補(bǔ)=[-0]補(bǔ)＝00000000B補(bǔ)碼的加法規(guī)則是：

[X＋Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)＋[Y]補(bǔ)

補(bǔ)碼的減法規(guī)則是：

[X－Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)＋[-Y]補(bǔ)

補(bǔ)碼運(yùn)算舉例1：求十進(jìn)制數(shù)76－28的運(yùn)算76的2進(jìn)制是

0100110028的2進(jìn)制是

00011100-28的補(bǔ)碼是

11100100補(bǔ)碼運(yùn)算舉例2：求十進(jìn)制數(shù)36－52的運(yùn)算總結(jié)：

對于正數(shù)：[x]原＝[x]反＝[x]補(bǔ)

對于負(fù)數(shù)：[x]反＝[x]原數(shù)值位取反，符號位不變。[x]補(bǔ)=[x]反＋1采取求補(bǔ)運(yùn)算，可以將計(jì)算機(jī)中的減法運(yùn)算轉(zhuǎn)換成加法運(yùn)算，從而節(jié)約了計(jì)算機(jī)的硬件成本。

1.1.4計(jì)算機(jī)中常用的編碼1．BCD（8421）碼

采用二進(jìn)制數(shù)對每一位十進(jìn)制數(shù)字編碼，這種編碼方式稱為BCD碼（BinarycodedDecimalCode）。表1-2十進(jìn)制與二進(jìn)制的對照

（2）BCD碼的換算

（3）BCD碼加法：“逢十進(jìn)一”，若各位的和均在0～9之間，則其加法運(yùn)算規(guī)則完全同二進(jìn)制數(shù)加法的規(guī)則一樣；若相加后的低4位（或高4位）二進(jìn)制數(shù)大于9，或大于15（即低4位或高4位的最高位有進(jìn)位），則應(yīng)對低4位（或高4位）加6修正。

例如：BCD碼X=59，Y=78，求X+YX=01011001，Y=01111000（4）BCD碼減法

BCD碼進(jìn)行減法時(shí)，也會出現(xiàn)需要修正的現(xiàn)象，BCD碼減法修正的條件和方法是：低4位向高4位借位，或低4位出現(xiàn)非法碼，低4位減6修正；高4位出現(xiàn)非法碼，或高4位向更高的借位，高4位減6修正。例如：BCD碼X=55，Y=38，求X-Y

X=01010101，Y=00111000

2．ASCⅡ碼ASCⅡ編碼表（AmericanstandardCodeforinformationinterchange美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼）

ASCⅡ碼用7位二進(jìn)制數(shù)表示，可表達(dá)128個(gè)字符，其中包括數(shù)碼0～9，英文大小寫字母，標(biāo)點(diǎn)符號和控制字符。7位ASCⅡ碼分成二組：高3位一組，低4位一組，分別表示這些符號的列序和行序，

ASCⅡ碼的分組如圖1-3所示。

1.1.5二進(jìn)制的運(yùn)算

1．二進(jìn)制加法2．二進(jìn)制減法

常用的與門電路有2輸入與門、3輸入與門、4輸入與門。常用的TTL電路的與門芯片有74LS08（四2輸入正與門）、74LS09（四2輸入正與門）、74LS11（三3輸入正與門）、74LS21（二4輸入正與門）等。1.2單片機(jī)常用邏輯電路簡介

1.2.1基本門電路1．與門電路

電路符號：

或門電路的形式也有許多種，常用的或門電路有2輸入或門。TTL電路的或門芯片有74LS32（四2輸入正或門）。1.2單片機(jī)常用邏輯電路簡介

1.2.1基本門電路2．或門電路電路符號：

TTL電路的非門芯片有74LS04（六反相器）、74LS05（集電極開路型六反相器）。

1.2單片機(jī)常用邏輯電路簡介

1.3.1基本門電路3．非門電路

電路符號：

常用的TTL電路的與非門芯片有74LS00（四2輸入正與非門）、74LS10（三3輸入正與非門）、74LS20（二4輸入正與非門）、74LS30（8輸入正與非門）、74LS01/03（集電極開路型四2輸入正與非門）。或非門芯片有74LS02（四2輸入正或非門）、74LS27（三3輸入正或非門）、74LS25（帶選通端二4輸入正或非門）。

4．與非門和或非門電路

電路符號：RS觸發(fā)器的工作狀態(tài)1.2.2觸發(fā)器1．基本RS觸發(fā)器電路圖

D觸發(fā)器真值表

2．D觸發(fā)器

內(nèi)部結(jié)構(gòu)JK觸發(fā)器真值表

3．JK觸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)常用的TTL電路JK觸發(fā)器有74LS70（帶預(yù)置和清除端的正邊沿觸發(fā)器）、74LS72（帶預(yù)置和清除端的JK主從觸發(fā)器）、74LS73（帶清除端的雙JK觸發(fā)器）、74LS76（帶預(yù)置和清除端的雙JK觸發(fā)器）

2．移位寄存器

1.2.3寄存器

1．簡單的寄存器常用的這類寄存器有74LS75、74LS175、CC4076等。常用的這類移位寄存器有74LS194、74LS195、74LS164、74LS165、74LS166等。

1.2.4計(jì)數(shù)器1．同步計(jì)數(shù)器

4位同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器有74161，用T′觸發(fā)器構(gòu)成的同步十六進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器有CC4520，單時(shí)鐘同步十六進(jìn)制加/減計(jì)數(shù)