第01章 微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)(1-2)

微機(jī)原理與接口技術(shù)單片機(jī)原理與接口技術(shù)（第二版）主編吳亦鋒陳德為電子工業(yè)出版社1《微機(jī)原理與接口技術(shù)》課程考核評(píng)分規(guī)則序號(hào)評(píng)定條目評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)1出勤成績(jī)(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(jì)，一次扣4分；（4）無故曠課達(dá)8次，本課程期末成績(jī)?yōu)?分2作業(yè)成績(jī)（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(bǔ)交不給分，作業(yè)雷同者不給分。3實(shí)驗(yàn)成績(jī)（12分）每個(gè)實(shí)驗(yàn)A或B得2分，C以下得1分，缺席0分。4期末筆試成績(jī)（70分）期末試卷卷面成績(jī)70分。5獎(jiǎng)勵(lì)分（10分）（1）主動(dòng)參與課堂討論并答對(duì)問題每次獎(jiǎng)1分，最多獎(jiǎng)勵(lì)5分；（2）設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)，提交實(shí)驗(yàn)板及設(shè)計(jì)報(bào)告，視完成情況獎(jiǎng)勵(lì)5～10分。注：包括獎(jiǎng)勵(lì)分在內(nèi)，期末總評(píng)成績(jī)封頂100分2第1章微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)微型計(jì)算機(jī)和單片機(jī)發(fā)展概述各種進(jìn)制數(shù)的表示及相互轉(zhuǎn)換二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法計(jì)算機(jī)中的字符編碼微型計(jì)算機(jī)組成原理31.1微型計(jì)算機(jī)和單片機(jī)發(fā)展概述一、微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展

1．電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展

1946年美國(guó)研制出世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC

第一代：電子管電子計(jì)算機(jī)（1946年～1958年）邏輯元件：電子管內(nèi)存儲(chǔ)器：水銀延遲線外存儲(chǔ)器：磁鼓、紙帶、卡片、磁帶程序語(yǔ)言：機(jī)器語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言第二代：晶體管電子計(jì)算機(jī)（1958年～1965年）邏輯元件：晶體管內(nèi)存儲(chǔ)器：磁芯外存儲(chǔ)器：磁鼓、紙帶、卡片、磁帶程序語(yǔ)言：機(jī)器語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)

4第三代：中小規(guī)模集成電路電子計(jì)算機(jī)（1965年～1970年）

邏輯元件：中、小規(guī)模集成電路內(nèi)存儲(chǔ)器：磁芯、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器：磁盤、磁帶程序語(yǔ)言：匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言第一臺(tái)集成電路通用計(jì)算機(jī)第四代：大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路電子計(jì)算機(jī)(1971年開始)邏輯元件：大規(guī)模集成電路內(nèi)存儲(chǔ)器：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器：磁盤、磁帶、光盤程序語(yǔ)言：匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言第五代：智能計(jì)算機(jī)（20世紀(jì)80年代中期至今）把信息采集、存儲(chǔ)、處理、通信和人工智能結(jié)合一起，具有形式推理、聯(lián)想、學(xué)習(xí)和解釋能力?，F(xiàn)正在研制發(fā)展中。5

2．微型計(jì)算機(jī)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(chǔ)器、輸入/輸出接口電路以及系統(tǒng)總線所構(gòu)成的計(jì)算機(jī)。什么是微型計(jì)算機(jī)？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(zhǎng)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(tái)通用微型計(jì)算機(jī)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(shí)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(shù)、時(shí)鐘倍頻技術(shù)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(zhǎng)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(qiáng)指令集）指令第六代（1995～1999年）增強(qiáng)型Pentium微處理器PentiumPro(高能奔騰)

—32位微處理器36位地址線，時(shí)鐘頻率300MHz。PentiumII

—32位，增加MMX技術(shù)。PentiumIII

—32位，時(shí)鐘頻率達(dá)1GHZPentium4

—32位，時(shí)鐘頻率高達(dá)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(jī)的發(fā)展將CPU、ROM、RAM、輸入/輸出(I/O)接口電路以及定時(shí)器/計(jì)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(jì)算機(jī)(SingleChipMicrocomputer)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。單片機(jī)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(tái)微型計(jì)算機(jī)的基本功能。單片機(jī)的特點(diǎn)：性價(jià)比高：高性能、低價(jià)格；針對(duì)性強(qiáng)：適用于各種控制用途；集成度高：體積小、可靠性高；功耗較?。旱碗妷?、低功耗；品種多樣：型號(hào)多，發(fā)展更新快。什么是單片機(jī)？9

1．單片機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史第一階段（1971～1974）單片機(jī)萌芽階段典型代表：美國(guó)仙童公司的FS系列單片機(jī)，8位CPU、64字節(jié)RAM和兩個(gè)并行端口，需外接ROM。第二階段（1974～1978）初級(jí)單片機(jī)階段以Intel公司的MCS-48系列為代表。8位CPU、2個(gè)8位并行I/O口、8位定時(shí)器/計(jì)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(jī)階段這時(shí)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(jī)鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)推出8位單片機(jī)功能越來越強(qiáng)大，集成較多RAM/ROM、I/O接口、還帶A/D轉(zhuǎn)換器等。16位單片機(jī)如MCS-96等也開始推出10現(xiàn)階段：32位單片機(jī)系列采用RISC，主頻33MHz以上，強(qiáng)大的中斷控制系統(tǒng)、定時(shí)/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(jī)性價(jià)比高，能滿足一般的應(yīng)用需求，而且增強(qiáng)型8位單片機(jī)在性能上也已接近16位單片機(jī)。因此在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，主流機(jī)型仍是8位單片機(jī)。

2．單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)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(jià)格化外圍電路內(nèi)裝化串行擴(kuò)展技術(shù)111.2各種進(jìn)制數(shù)的表示及相互轉(zhuǎn)換

一、各種進(jìn)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(duì)事物的量進(jìn)行計(jì)量的一種規(guī)律。用一組數(shù)碼表示數(shù)時(shí)，如果每個(gè)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(gè)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．?dāng)?shù)的位置表示法權(quán)：在位置表示法中每一個(gè)數(shù)位的位值?；鶖?shù)：相鄰兩位中高位的權(quán)與低位的權(quán)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(jìn)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(jìn)制的數(shù)十進(jìn)制（Decimal）計(jì)數(shù)規(guī)律：逢十進(jìn)一，借一當(dāng)十；基數(shù)Ｘ＝10；系數(shù)ai

={0,1,…,9};一般表達(dá)式：特點(diǎn)：日常生活習(xí)慣14

特點(diǎn)：1.電路實(shí)現(xiàn)方便，計(jì)算機(jī)中使用；

2.運(yùn)算規(guī)則簡(jiǎn)單。運(yùn)算規(guī)則：加(+)：0+0=00+1=11+0=11+1=10(逢二進(jìn)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(jìn)制（Binary）計(jì)數(shù)規(guī)律：逢二進(jìn)一，借一當(dāng)二；基數(shù)Ｘ＝2；系數(shù)ai

={0,1};一般表達(dá)式：【例1-2】(1011.1)2=(1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1)10為什么計(jì)算機(jī)內(nèi)部都采用二進(jìn)制？15十六進(jìn)制（Hexadecimal）計(jì)數(shù)規(guī)律：逢十六進(jìn)一，借一當(dāng)十六；基數(shù)Ｘ＝16;系數(shù)ai

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

3．各種不同進(jìn)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(dǎo)017方法：按權(quán)展開；二、不同進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換1．N進(jìn)制

（N≠10）

十進(jìn)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(jìn)制

N進(jìn)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(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)余數(shù)1615536---0最低位16971---111660---123---3最高位【例1-11】

將15536轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果：125=1111101B轉(zhuǎn)換結(jié)果：15536=3CB0H19（2）小數(shù)部分轉(zhuǎn)換──乘N取整【例1-12】將0.6875轉(zhuǎn)換為二進(jìn)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(zhuǎn)換結(jié)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(zhuǎn)換結(jié)果：0.78125=0.C8H

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

3.二進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)間的轉(zhuǎn)換【例1-14】將(1000110.01)B轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)。21不同進(jìn)制數(shù)之間的對(duì)照關(guān)系22（2）十六進(jìn)制數(shù)到二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換方法：一位化四位。按順序?qū)懗雒课皇M(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)，所得結(jié)果即為相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)?！纠?-15】

將(352.6)H轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。

352.6H001101010010.0110=(1101010010.011)BCPU能否識(shí)別十六進(jìn)制數(shù)？使用十六進(jìn)制數(shù)的目的是什么？23三種數(shù)制間的轉(zhuǎn)換小結(jié)N進(jìn)制十進(jìn)制：按權(quán)展開相加N進(jìn)制←十進(jìn)制整數(shù)：除N取余N進(jìn)制←十進(jìn)制小數(shù)：乘N取整241.3二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算一、二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算二進(jìn)制數(shù)的計(jì)數(shù)規(guī)律：加法“逢二進(jìn)一”，減法“借一當(dāng)二”被加數(shù)10110101B加數(shù)00001011B進(jìn)位+01111110B和11000000B被減數(shù)10110101B減數(shù)00001011B借位-00010100B差10101010B【例1-18】

減法運(yùn)算10110101B-1011B結(jié)果：10110101B+1011B=11000000B【例1-17】

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

商=10101B，余數(shù)=10B27

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

1位二進(jìn)制數(shù)邏輯運(yùn)算規(guī)則28【例1-21】求二進(jìn)制數(shù)10010111B和00111000B的“與”、“或”、“異或”運(yùn)算10010111BAND00111000B00010000B結(jié)果：10010111BAND00111000B=00010000B10010111BOR00111000B10111111B結(jié)果：10010111BOR00111000B=10111111B10010111BXOR00111000B10101111B結(jié)果：10010111BXOR00111000B=10101111B291.4計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法無符號(hào)數(shù)：不涉及符號(hào)問題的數(shù)，統(tǒng)稱為無符號(hào)數(shù)；有符號(hào)數(shù)：最高位表示數(shù)的符號(hào)，0—正數(shù)，1—負(fù)數(shù)；例如字長(zhǎng)8位：D7——符號(hào)位，D6~D0——數(shù)值位；兩個(gè)概念：機(jī)器數(shù)和機(jī)器數(shù)的真值(簡(jiǎn)稱真值)。機(jī)器數(shù)：數(shù)值數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的編碼。機(jī)器數(shù)的真值：機(jī)器數(shù)所代表的實(shí)際數(shù)值。在計(jì)算機(jī)中，有符號(hào)數(shù)常用原碼、反碼、補(bǔ)碼等形式表示一、無符號(hào)數(shù)和有符號(hào)數(shù)30

二、原碼、反碼和補(bǔ)碼1．原碼原碼：最高位表示符號(hào)，其中：0─正數(shù)、1─負(fù)數(shù)其他位表示數(shù)值的絕對(duì)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(yùn)算不方便。原碼與真值的對(duì)應(yīng)關(guān)系簡(jiǎn)單，真值=符號(hào)+絕對(duì)值。真值：用“+”和“-”表示的有符號(hào)數(shù)31

2．反碼若X＞0，則[X]反＝[X]原;若X＜0，則[X]反＝符號(hào)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(yùn)算不方便；反碼與真值不直接對(duì)應(yīng)?！纠?-25】設(shè)X=+105，Y=-105，求字長(zhǎng)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(bǔ)碼模：計(jì)量容器或一個(gè)計(jì)量單位稱為模或模數(shù),記作M或Mode，

n位寄存器（計(jì)數(shù)器）以2n為模。如n=8，則M=28=256標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間5:00待校時(shí)鐘時(shí)間2:00慢3小時(shí)校準(zhǔn)方法1順時(shí)針撥3小時(shí)加3小時(shí)校準(zhǔn)方法2逆時(shí)針撥9小時(shí)減9小時(shí)2+3=5Mod122-9=5Mod12結(jié)論：①2-9=2+3=5（Mod12）②補(bǔ)碼可以變減法運(yùn)算為加法運(yùn)算指針式時(shí)鐘小時(shí)計(jì)時(shí)Mode=12補(bǔ)的概念：以校時(shí)鐘為例：33【例1-26】求X＝＋52和Y＝－52的補(bǔ)碼。解：X＝＋52＝＋0110100B，∵X＞0，∴[X]補(bǔ)＝[X]原＝00110100BY＝－52＝－0110100B，∵Y＜0，∴[Y]原＝10110100B[Y]反＝11001011B[Y]補(bǔ)＝[Y]反＋1=11001011B＋1＝11001100B若