第01章 微型計算機基礎知識(1-2)

微機原理與接口技術單片機原理與接口技術（第二版）主編吳亦鋒陳德為電子工業(yè)出版社1《微機原理與接口技術》課程考核評分規(guī)則序號評定條目評定標準1出勤成績(8分)（1）每次上課由本人親筆簽到，全到得8分；（2）缺席1次，扣1分；（3）發(fā)現(xiàn)代簽按缺席4次計，一次扣4分；（4）無故曠課達8次，本課程期末成績?yōu)?分2作業(yè)成績（10分）每次作業(yè)A或B得1分，C以下得0.5分，缺交0分，補交不給分，作業(yè)雷同者不給分。3實驗成績（12分）每個實驗A或B得2分，C以下得1分，缺席0分。4期末筆試成績（70分）期末試卷卷面成績70分。5獎勵分（10分）（1）主動參與課堂討論并答對問題每次獎1分，最多獎勵5分；（2）設計一個單片機數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)，提交實驗板及設計報告，視完成情況獎勵5～10分。注：包括獎勵分在內，期末總評成績封頂100分2第1章微型計算機基礎知識微型計算機和單片機發(fā)展概述各種進制數(shù)的表示及相互轉換二進制數(shù)的運算計算機中數(shù)的表示方法計算機中的字符編碼微型計算機組成原理31.1微型計算機和單片機發(fā)展概述一、微型計算機的發(fā)展

1．電子計算機的發(fā)展

1946年美國研制出世界上第一臺電子計算機ENIAC

第一代：電子管電子計算機（1946年～1958年）邏輯元件：電子管內存儲器：水銀延遲線外存儲器：磁鼓、紙帶、卡片、磁帶程序語言：機器語言，匯編語言第二代：晶體管電子計算機（1958年～1965年）邏輯元件：晶體管內存儲器：磁芯外存儲器：磁鼓、紙帶、卡片、磁帶程序語言：機器語言，匯編語言、高級語言第一臺晶體管計算機

4第三代：中小規(guī)模集成電路電子計算機（1965年～1970年）

邏輯元件：中、小規(guī)模集成電路內存儲器：磁芯、半導體存儲器外存儲器：磁盤、磁帶程序語言：匯編語言、高級語言第一臺集成電路通用計算機第四代：大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路電子計算機(1971年開始)邏輯元件：大規(guī)模集成電路內存儲器：半導體存儲器外存儲器：磁盤、磁帶、光盤程序語言：匯編語言、高級語言第五代：智能計算機（20世紀80年代中期至今）把信息采集、存儲、處理、通信和人工智能結合一起，具有形式推理、聯(lián)想、學習和解釋能力?，F(xiàn)正在研制發(fā)展中。5

2．微型計算機的發(fā)展以大規(guī)模、超大規(guī)模微處理器為核心，配以存儲器、輸入/輸出接口電路以及系統(tǒng)總線所構成的計算機。什么是微型計算機？第一代（1971～1973年）4位和低檔8位微處理器Intel4004

—4位微處理器Intel8008—低檔8位微處理器Intel8008

Intel8080、MC6800

—8位微處理器Intel8085、Z80

—高檔8位微處理器指令比較完善，有中斷與DMA，頻率2～4MHzIntel8080

第二代：（1973～1977年）中高檔8位微處理器6第三代（1978～1982年）16位微處理器

Intel8086、Z8000、MC68000

—16位CPU字長16位，16位數(shù)據(jù)線，20位地址線Intel80861981年，IBM公司采用Intel8086微處理器生產(chǎn)了第一臺通用微型計算機IBMPC

Intel80286—高檔16位，24位地址線第四代（1982～1992年）32位微處理器Intel80386

—32位微處理器，數(shù)據(jù)總線32位，地址總線32位，時鐘頻率33MHzIntel80486

—32位微處理器80486=80386+80387+8KBCache部分采用RISC、突發(fā)總線技術、時鐘倍頻技術Intel804867第五代（1993～1995年）32位奔騰微處理器Pentium（奔騰）—32位微處理器CPU字長32位，64位數(shù)據(jù)線，32位地址線PentiumMMX（多能奔騰）

—32位微處理器增加了57條MMX（多媒體增強指令集）指令第六代（1995～1999年）增強型Pentium微處理器PentiumPro(高能奔騰)

—32位微處理器36位地址線，時鐘頻率300MHz。PentiumII

—32位，增加MMX技術。PentiumIII

—32位，時鐘頻率達1GHZPentium4

—32位，時鐘頻率高達3.8GHzIntelPentiumIII第六代后（2000年至今）和多核處理器

IntelItanium2

—64位微處理器

IntelCorei7

—4核處理器8二、單片機的發(fā)展將CPU、ROM、RAM、輸入/輸出(I/O)接口電路以及定時器/計數(shù)器等主要部件集成在一塊集成電路芯片上。稱為單片微型計算機(SingleChipMicrocomputer)，簡稱單片機。單片機雖然只是一片集成電路，但從組成和功能上看，已具有了一臺微型計算機的基本功能。單片機的特點：性價比高：高性能、低價格；針對性強：適用于各種控制用途；集成度高：體積小、可靠性高；功耗較小：低電壓、低功耗；品種多樣：型號多，發(fā)展更新快。什么是單片機？9

1．單片機的發(fā)展簡史第一階段（1971～1974）單片機萌芽階段典型代表：美國仙童公司的FS系列單片機，8位CPU、64字節(jié)RAM和兩個并行端口，需外接ROM。第二階段（1974～1978）初級單片機階段以Intel公司的MCS-48系列為代表。8位CPU、2個8位并行I/O口、8位定時器/計數(shù)器和64字節(jié)的RAM，尋址范圍4KB。第三階段（1978～1983）高性能單片機階段這時期代表產(chǎn)品有Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司的MC6801系列、Zilog公司的Z80系列等。第四階段(1983～)8位單片機鞏固發(fā)展及16位單片機推出8位單片機功能越來越強大，集成較多RAM/ROM、I/O接口、還帶A/D轉換器等。16位單片機如MCS-96等也開始推出10現(xiàn)階段：32位單片機系列采用RISC，主頻33MHz以上，強大的中斷控制系統(tǒng)、定時/事件控制系統(tǒng)和同步/異步通信系統(tǒng)。代表產(chǎn)品MCS-80960由于8位單片機性價比高，能滿足一般的應用需求，而且增強型8位單片機在性能上也已接近16位單片機。因此在今后相當長的時期內，主流機型仍是8位單片機。

2．單片機的發(fā)展趨勢CMOS化低功耗化低電壓化低噪聲與高可靠性大容量、高性能化小容量、低價格化外圍電路內裝化串行擴展技術111.2各種進制數(shù)的表示及相互轉換

一、各種進制數(shù)的表示數(shù)是客觀事物的量在人們頭腦中的反映。數(shù)制是人們對事物的量進行計量的一種規(guī)律。用一組數(shù)碼表示數(shù)時，如果每個數(shù)碼所表示的大小不僅決定于數(shù)碼本身而且還決定于這個數(shù)碼所處的位置，這種表示法就稱為數(shù)的位置表示法。例如：999

1．數(shù)的位置表示法權：在位置表示法中每一個數(shù)位的位值?；鶖?shù)：相鄰兩位中高位的權與低位的權之比。12表示數(shù)量N，則用位置表示法可表示為：如用一組數(shù)碼其中：X——為基數(shù)(X≥2)。取值不同就可以得到不同進制數(shù)ai——表示各數(shù)位上的數(shù)碼,稱為系數(shù)。ai={0,1,…,X-1}【例1-1】123.456=1×102+2×101+3×100+4×10-1+5×10-2+6×10-3132．各種不同進制的數(shù)十進制（Decimal）計數(shù)規(guī)律：逢十進一，借一當十；基數(shù)Ｘ＝10；系數(shù)ai

={0,1,…,9};一般表達式：特點：日常生活習慣14

特點：1.電路實現(xiàn)方便，計算機中使用；

2.運算規(guī)則簡單。運算規(guī)則：加(+)：0+0=00+1=11+0=11+1=10(逢二進一)減(-)：0－0=010－1=1(借位)1－0=11－1=0乘(×)：0×

0=00×

1=01×

0=01×

1=1除(/)：0/1=01/1=1二進制（Binary）計數(shù)規(guī)律：逢二進一，借一當二；基數(shù)Ｘ＝2；系數(shù)ai

={0,1};一般表達式：【例1-2】(1011.1)2=(1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1)10為什么計算機內部都采用二進制？15十六進制（Hexadecimal）計數(shù)規(guī)律：逢十六進一，借一當十六；基數(shù)Ｘ＝16;系數(shù)ai

={0,1,…,9,A,B,C,D,E,F};一般表達式：特點：24＝16，4位二進制數(shù)對應1位十六進制數(shù)?！纠?-4】(56D.3)H=(5×162+6×161+13×160+3×16-1)1016

3．各種不同進制數(shù)的書寫規(guī)定Decimal：

后跟D或省略不寫；Binary：

后跟B；Hexadecimal：后跟H，若以

A～F開頭，需加前導017方法：按權展開；二、不同進制數(shù)的相互轉換1．N進制

（N≠10）

十進制【例1-9】

1011.110B=1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1+1×2-2=11.753BEF.E6H=3×163+11×162+14×161+15×160

+14×16-1

+6×16-2

=15039.898437518（1）整數(shù)部分──除N取余

2．十進制

N進制（N≠10）整數(shù)部分、小數(shù)部分必須分開，分別求出系數(shù)ai余數(shù)2125---1最低位262---0231---1215---127---123---121---1最高位0【例1-10】

將125轉換為二進制數(shù)余數(shù)1615536---0最低位16971---111660---123---3最高位【例1-11】

將15536轉換為16進制數(shù)轉換結果：125=1111101B轉換結果：15536=3CB0H19（2）小數(shù)部分轉換──乘N取整【例1-12】將0.6875轉換為二進制數(shù)整數(shù)2×0.6875=1.375---1最高位2×0.375=0.75---02×0.75=1.5---12×0.5=1.0---1最低位轉換結果：0.6875=0.1011B整數(shù)16×0.78125=12.5---12（C）最高位16×0.5=8.0---8最低位轉換結果：0.78125=0.C8H

【例1-13】將0.78125轉換為十六進制數(shù)20（1）二進制數(shù)到十六進制數(shù)的轉換──四位化一位從小數(shù)點處向兩邊分節(jié)，整數(shù)部分不夠前面補0，小數(shù)部分不夠后面補0。1000110.01→01000110.0100(46.4)16

3.二進制數(shù)和十六進制數(shù)間的轉換【例1-14】將(1000110.01)B轉換為十六進制數(shù)。21不同進制數(shù)之間的對照關系22（2）十六進制數(shù)到二進制數(shù)的轉換方法：一位化四位。按順序寫出每位十六進制數(shù)對應的二進制數(shù)，所得結果即為相應的二進制數(shù)。【例1-15】

將(352.6)H轉換為二進制數(shù)。

352.6H001101010010.0110=(1101010010.011)BCPU能否識別十六進制數(shù)？使用十六進制數(shù)的目的是什么？23三種數(shù)制間的轉換小結N進制十進制：按權展開相加N進制←十進制整數(shù)：除N取余N進制←十進制小數(shù)：乘N取整241.3二進制數(shù)的運算一、二進制數(shù)的算術運算二進制數(shù)的計數(shù)規(guī)律：加法“逢二進一”，減法“借一當二”被加數(shù)10110101B加數(shù)00001011B進位+01111110B和11000000B被減數(shù)10110101B減數(shù)00001011B借位-00010100B差10101010B【例1-18】

減法運算10110101B-1011B結果：10110101B+1011B=11000000B【例1-17】

加法運算10110101B+1011B結果：10110101B-1011B=10101010B25【例1-19】二進制乘法運算，10110101B×1011B被乘數(shù)10110101B乘數(shù)×1011B10110101部分積1011010100000000+10110101積11111000111B結果：10110101B×1011B=11111000111B26【例1-20】二進制除法運算，10111111B÷1001B10101B商除數(shù)100110111111B被除數(shù)-10011011-10011011-100110B余數(shù)結果：10111111B÷1001B

商=10101B，余數(shù)=10B27

二、二進制數(shù)的邏輯運算二進制數(shù)的邏輯運算常用的有“與”、“或”、“異或”和“非”四種。分別用符號“AND”、“OR”、“XOR”和“NOT”作為運算符，在數(shù)字上面加橫線“—”表示該數(shù)的非運算。二進制數(shù)的邏輯運算按位進行運算，沒有進位問題。取值邏輯運算結果與運算(AND)或運算(OR)異或運算(XOR)非運算(NOT)000000101011100111011110表1-1

1位二進制數(shù)邏輯運算規(guī)則28【例1-21】求二進制數(shù)10010111B和00111000B的“與”、“或”、“異或”運算10010111BAND00111000B00010000B結果：10010111BAND00111000B=00010000B10010111BOR00111000B10111111B結果：10010111BOR00111000B=10111111B10010111BXOR00111000B10101111B結果：10010111BXOR00111000B=10101111B291.4計算機中數(shù)的表示方法無符號數(shù)：不涉及符號問題的數(shù)，統(tǒng)稱為無符號數(shù)；有符號數(shù)：最高位表示數(shù)的符號，0—正數(shù)，1—負數(shù)；例如字長8位：D7——符號位，D6~D0——數(shù)值位；兩個概念：機器數(shù)和機器數(shù)的真值(簡稱真值)。機器數(shù)：數(shù)值數(shù)據(jù)在計算機中的編碼。機器數(shù)的真值：機器數(shù)所代表的實際數(shù)值。在計算機中，有符號數(shù)常用原碼、反碼、補碼等形式表示一、無符號數(shù)和有符號數(shù)30

二、原碼、反碼和補碼1．原碼原碼：最高位表示符號，其中：0─正數(shù)、1─負數(shù)其他位表示數(shù)值的絕對大小?！纠?-24】求X1=+1010B，X2=-1010B的原碼（8位）解：[X1]原=00001010B[X2]原=10001010Bn位原碼能夠表示的數(shù)值的范圍：－(2n-1－1)～＋(2n-1－1);0的原碼不唯一，有[+0]原和[-0]原之分,處理運算不方便。原碼與真值的對應關系簡單，真值=符號+絕對值。真值：用“+”和“-”表示的有符號數(shù)31

2．反碼若X＞0，則[X]反＝[X]原;若X＜0，則[X]反＝符號位為1，原碼數(shù)值部分按位取反；n位反碼能夠表示的數(shù)值的范圍：－(2n-1－1)～＋(2n-1－1);0的反碼不唯一，有[+0]反和[-0]反之分,處理運算不方便；反碼與真值不直接對應。【例1-25】設X=+105，Y=-105，求字長為8位的反碼[X]反和[Y]反

解：∵X=+105=+1101001B，∴[X]反=[X]原=01101001B。

∵Y=-105=-1101001B，∴[Y]原=11101001B，[Y]反=10010110B323.補碼模：計量容器或一個計量單位稱為?；蚰?shù),記作M或Mode，

n位寄存器（計數(shù)器）以2n為模。如n=8，則M=28=256標準時間5:00待校時鐘時間2:00慢3小時校準方法1順時針撥3小時加3小時校準方法2逆時針撥9小時減9小時2+3=5Mod122-9=5Mod12結論：①2-9=2+3=5（Mod12）②補碼可以變減法運算為加法運算指針式時鐘小時計時Mode=12補的概念：以校時鐘為例：33【例1-26】求X＝＋52和Y＝－52的補碼。解：X＝＋52＝＋0110100B，∵X＞0，∴[X]補＝[X]原＝00110100BY＝－52＝－0110100B，∵Y＜0，∴[Y]原＝10110100B[Y]反＝11001011B[Y]補＝[Y]反＋1=11001011B＋1＝11001100B若