單片機(jī)第一章-本

微機(jī)

原理與應(yīng)用機(jī)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(jì)算機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)入

§1-3計(jì)算機(jī)中的數(shù)和編碼進(jìn)入

第一章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本知識(shí)

§1-1概述

一、電子計(jì)算機(jī)

以存儲(chǔ)程序的方式、自動(dòng)地進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算的數(shù)字電子裝置。

1、歷史

1946年2月15日，第一臺(tái)數(shù)字式電子計(jì)算機(jī)在美國(guó)費(fèi)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(jī)時(shí)代）四代?！?971Intel40043、基本結(jié)構(gòu)

硬件、軟件引例：

（1）硬件：

基本組成：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備及接口。

中心思想是存儲(chǔ)程序原則：

指令和數(shù)據(jù)以二進(jìn)制的形式存放在存儲(chǔ)器中。

結(jié)構(gòu)如圖1-1所示：（2）軟件

計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的程序，是計(jì)算機(jī)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(chǔ)和表示。二、微機(jī)1、微處理器、微型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(1)中央處理器Central

Processing

Unit-CPU

負(fù)責(zé)取指令，執(zhí)行指令，實(shí)現(xiàn)操作的核心部件，包括運(yùn)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(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以微處理器為核心，加存儲(chǔ)部件和輸入輸出接口部件成為微型計(jì)算機(jī)。

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

*獨(dú)立使用式微機(jī)：PC機(jī)*嵌入式微機(jī)：

(1)單片機(jī)：CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口等集成在一塊硅片上

(2)單板機(jī)：CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口等裝配在一塊電路板

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

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

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

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

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

單片微型計(jì)算機(jī)：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(chǔ)器、I/O接口等組成一臺(tái)完整的微型計(jì)算機(jī)。

主要有：4位、8位、16位、32位等1、單片機(jī)發(fā)展情況：

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

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

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

16定時(shí)/計(jì)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(jī)，如MCS-96系列的

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

總線：微機(jī)系統(tǒng)中各部件和模塊之間傳送信息的一組導(dǎo)線微機(jī)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(chǔ)單元組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元有一個(gè)用于區(qū)分的編號(hào)，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(gè)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(jī)協(xié)調(diào)工作的定時(shí)、控制信號(hào)，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(jī)的DB總是8位，AB總是16位，而CB的數(shù)目則隨機(jī)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(jì)算機(jī)的核心，由運(yùn)算器和控制器兩大部分組成。1、運(yùn)算器（1）算術(shù)邏輯單元ALU(arithmeticlogicunit)

運(yùn)算器的主要組成部分，是一個(gè)純粹的運(yùn)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(jìn)行運(yùn)算時(shí)一個(gè)操作數(shù)必需來自累加器，同時(shí)也是運(yùn)算結(jié)果的寄存場(chǎng)所。（3）標(biāo)志寄存器F（Flag）存放微機(jī)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(yùn)算的另一個(gè)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(chǔ)器、I/O接口電路之間在運(yùn)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(chǔ)器，用來存放一些中間數(shù)據(jù)，以減少CPU

對(duì)存儲(chǔ)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(gè)操作的控制信號(hào)。（1）程序計(jì)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(jì)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(dòng)信息。4）定時(shí)控制邏輯PLA(programmablelogicarray)ID送出的電平信號(hào)與外部時(shí)鐘脈沖在PLA電路中組合，形成各種內(nèi)部控制信號(hào)和外部控制信號(hào)。

三、

存儲(chǔ)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(zhǎng)：每個(gè)字所包含的二進(jìn)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(yùn)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(jī)內(nèi)部。如RAM、ROM、EPROM、EEPROM。（4）外存：存放大量暫時(shí)不直接參與運(yùn)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(chǔ)器結(jié)構(gòu)

分隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器RAM和程序存儲(chǔ)器ROMRAM存儲(chǔ)器由三部分：存儲(chǔ)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(duì)于8位地址，可表示256個(gè)單元；（2）每個(gè)單元可存放8位二進(jìn)制數(shù)；（3）注意單元內(nèi)容與地址的區(qū)別；3、存儲(chǔ)器讀寫原理存儲(chǔ)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(hào)單元；

2）CPU發(fā)出“讀”信號(hào)；

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(hào)單元；

2）CPU將#F7H送到D-BUS上

3）CPU發(fā)出“寫”信號(hào)；

4）#F7H→（03H）

四、輸入/輸出設(shè)備及其接口I/O設(shè)備：簡(jiǎn)稱外設(shè)，功能是為微機(jī)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(dòng)方式差別很大，無法與CPU直接匹配，而需要一個(gè)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(jì)算機(jī)中數(shù)和編碼

返回一、數(shù)制及其轉(zhuǎn)換1、計(jì)算機(jī)中常用進(jìn)制（1）十進(jìn)制（Decimal）表示法特點(diǎn)：用0，1，…，9十個(gè)數(shù)來表示數(shù)據(jù);

逢十進(jìn)一.例如(273.45)D=2×102+7×101+3×100+4×10-1+5×10-2任意一個(gè)十進(jìn)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(jìn)制(Binary)表示法特點(diǎn)：基數(shù)為2，用0，1兩個(gè)數(shù)碼來表示數(shù)據(jù)逢二進(jìn)一各位的權(quán)為2i。任意一個(gè)二進(jìn)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(jìn)制(Hexadecimal)表示法

特點(diǎn)：①基數(shù)為16，用0~9和字母A,B,C,D,E,F

（對(duì)應(yīng)十進(jìn)制10~15）來表示數(shù)據(jù)，逢十六進(jìn)一；②各位的權(quán)為16i。任意一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)的表示方法為

其中ki=0~F例如:（55）H=5×161+5×160

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

①整數(shù)部分的轉(zhuǎn)換把十進(jìn)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(jìn)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(jìn)制與十六進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換

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

0110

B=（10110110）B

（11011）B=0001

1011

B=（1B）H注意：二進(jìn)制轉(zhuǎn)十六進(jìn)制時(shí)，以小數(shù)點(diǎn)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(jìn)制數(shù)的運(yùn)算1、算術(shù)運(yùn)算（1）運(yùn)算規(guī)則加法：0+0=0，0+1=1，1+1=0進(jìn)位1，1+1+1=1進(jìn)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(hào)數(shù)的運(yùn)算①加法：按照加法運(yùn)算規(guī)則，從最低位開始逐位相加，有進(jìn)位的問題。②減法：按照減法運(yùn)算規(guī)則，從最低位開始逐位相減，不夠減時(shí)，應(yīng)向高位借位。③乘法：乘法運(yùn)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(yùn)算，它是確定一個(gè)數(shù)可以從另一個(gè)數(shù)中減去多少次的過程。例如：2、基本邏輯運(yùn)算常用有“與”、“或”、“非”、“異或”等邏輯運(yùn)算。（1）“與”：AND，“有0出0，全1出1”，C=A·B，運(yùn)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(yùn)算規(guī)則：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=1（3）“非”：NOT，“求反”，C=運(yùn)算規(guī)則：例如：DAH、99H兩個(gè)數(shù)的三種運(yùn)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(yùn)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(jī)器數(shù)與真值

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

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

2、原碼表示法

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

（-55）原=10110111B特點(diǎn)：

1）8位二進(jìn)制數(shù)表示的范圍：-127～+127；

2）（+0）原=00000000B，（—0）原=10000000B不相同；

3）乘除簡(jiǎn)單，加、減運(yùn)算困難。3、反碼表示法

正數(shù)的反碼=正數(shù)的原碼負(fù)數(shù)的反碼=符號(hào)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(diǎn)：1）范圍-127～+127；

2）+0、-0不相等；

3）求真值時(shí)，若D7=1，則按位取反。4、補(bǔ)碼表示法模：計(jì)量器的容量記作：Mn位二進(jìn)制，其模為2n

模的性質(zhì)：當(dāng)模為2n時(shí)，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(diǎn)→6點(diǎn)，可以逆時(shí)針撥，也可順時(shí)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(bǔ)碼。顯然鐘表采用十二進(jìn)制，系統(tǒng)所能表示的最大量程為12，稱之為模（基）。（–4）補(bǔ)=12–4=12+（–4）=8

即：（X）補(bǔ)=模+X2）引例：鐘表調(diào)時(shí)3）二進(jìn)制補(bǔ)碼的計(jì)算方法

正數(shù)的補(bǔ)碼=正數(shù)的原碼負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼=反碼加1

例如：（-127）補(bǔ)

=10000001B（-1）補(bǔ)

=11111111B

特點(diǎn)：

1）補(bǔ)碼的符號(hào)位作為數(shù)值的一部分，可以參加運(yùn)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(hào)，又表示數(shù)值；

5）求真值時(shí)，若D7=1，則通過對(duì)補(bǔ)碼再求補(bǔ)，添“-”而得；練習(xí)：

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

2）求補(bǔ)碼1BH，C9H的真值（用十進(jìn)制數(shù)表示）

3）已知十六進(jìn)制數(shù)X=36H，Y=CDH，試求

X+Y，X-Y，X∧Y，X∨Y 4）8位