第1章數(shù)據(jù)基礎(chǔ)及單片機(jī)概述

1、單片機(jī)原理及應(yīng)用第1章 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)及單片機(jī)概述 1.1 數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示 1.1.1 進(jìn)位計(jì)數(shù)制 按照一定的進(jìn)位方式進(jìn)行計(jì)數(shù)的數(shù)值，稱為進(jìn)位計(jì)數(shù)制，簡(jiǎn)稱進(jìn)制。還是以我們常用的十進(jìn)制為例，可用展開(kāi)的方式來(lái)表示進(jìn)位計(jì)數(shù)的思想，如下：012341010810910510210332598)(N 人們?cè)诰幊虝r(shí)常常用八進(jìn)制、十六進(jìn)制等來(lái)表示數(shù)值信息 1二進(jìn)制 在二進(jìn)制中，每個(gè)數(shù)位僅允許選擇0或1兩個(gè)數(shù)碼，加法時(shí)“逢二進(jìn)一”，減法時(shí)“借一當(dāng)二”，基數(shù)r=2。用多項(xiàng)式表示為： (1-3)其中取值0或者1。舉例說(shuō)明mmnnnnmnnXXXXXXXXXXXXS2.222.22).()(11011122112101

2、212102101232)75.11(212121212021)11.1011(2十六進(jìn)制 在十六進(jìn)制中，每個(gè)數(shù)位選擇的數(shù)碼個(gè)數(shù)為16個(gè)，即015，書(shū)寫時(shí)為09，A、B、C、D、E、F，加法時(shí)“逢十六進(jìn)一”，減法時(shí)“借一當(dāng)十六”，基數(shù)r=16。舉例說(shuō)明mmnnnnmnnXXXXXXXXXXXXS16.161616.1616).()(11011122111610121161010116)75.107(16121611166).6(CB3八進(jìn)制 在八進(jìn)制中，每個(gè)數(shù)位選擇的數(shù)碼為8個(gè)0，即07。加法時(shí)“逢八進(jìn)一”，減法時(shí)“借一當(dāng)八”，基數(shù)r=8。用多項(xiàng)式表示為： 其中取值07。舉例說(shuō)明mmnnnnm

3、nnXXXXXXXXXXXXS8.888.88).()(110111221181012181010122)5 .83(84838281)4 .123(4BCD碼 四位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示一位十進(jìn)制數(shù)，從左起高位的權(quán)值依次是23、22、21、20，即8、4、2、1，故這種編碼又稱為“8421碼”，但所能表示的數(shù)僅限于十進(jìn)制的10個(gè)數(shù)碼09。例例 BCD)100110000001()189(101.1.2 進(jìn)位計(jì)數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換 進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換可分為三種情況： 第一種是二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換方法是：以小數(shù)點(diǎn)為左右起點(diǎn)，每三位為一組，左右不足三位用數(shù)字“0”補(bǔ)充；如果要轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制，則是

4、以小數(shù)點(diǎn)為左右起點(diǎn)，每四位為一組，左右不足四位用“0”補(bǔ)充。八進(jìn)制、十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制執(zhí)行“一位八進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)三位二進(jìn)制數(shù)，一位十六進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)四位二進(jìn)制數(shù)”的原則即可完成。 例例 將10101011101101 B轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制和十六進(jìn)制。 101010111.01101 B = 101 010 111.011 010 B = 527.3 O101010111.01101 B = 0001 0101 0111.0110 1000 B = 157.68 H例例 將 2763 O轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制。 2763 O = 010 111 110 011 B = 0101 1111 0011 B = 5F3

5、H第二種是十進(jìn)制同BCD碼（二-十進(jìn)制）之間的轉(zhuǎn)換，也可以分段進(jìn)行。例 將十進(jìn)制數(shù)286轉(zhuǎn)換為BCD碼。 286 = (0010 1000 0110)BCD 第三種是二進(jìn)制和十進(jìn)制直接的轉(zhuǎn)換 1二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)（包括整數(shù)和小數(shù)部分）利用式(1-3)，即可實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)向十進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換。 2十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制整數(shù) 利用“除2取余”法，即可實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制整數(shù)，其規(guī)律為：將十進(jìn)制整數(shù)除以2，所得余數(shù)為對(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)的最低位；繼續(xù)對(duì)得到的商除以2，所得的各個(gè)余數(shù)就是所求的二進(jìn)制數(shù)的各位值；如此進(jìn)行，直到商等于為止，最后一項(xiàng)得到的余數(shù)作為二進(jìn)制數(shù)的最高位（最左位）。 例例 將十進(jìn)制

6、整數(shù)98轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)表示。 則98 = (1100010)2 3十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制小數(shù) 利用“乘2取整”法，即可實(shí)現(xiàn)將十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制小數(shù)，其規(guī)律為：將十進(jìn)制小數(shù)乘以2，所得到的整數(shù)即為二進(jìn)制小數(shù)的最高位值(小數(shù)點(diǎn)右第一位)；將整數(shù)部分去掉，繼續(xù)對(duì)乘積的所余小數(shù)部分乘以2，所得整數(shù)就是二進(jìn)制小數(shù)的次高位值；如此繼續(xù)，直到去掉整數(shù)部分的乘積變?yōu)?，或者滿足精度滿足精度要求時(shí)結(jié)束。例例 將十進(jìn)制小數(shù)0.8125轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制小數(shù)。1.0 . 125 . 00.5 . 0225. 01.25. 12625. 01.625. 128125. 0則0.8125=0.1101B 1.1.3 帶符

7、號(hào)數(shù)表示 具有正負(fù)號(hào)的數(shù)值稱為帶符號(hào)數(shù)，在日常應(yīng)用中，我們也稱之為真值。真值包含正負(fù)號(hào)（+、-），以及用十進(jìn)制或二進(jìn)制表示的數(shù)值部分，其中正號(hào)可以省略。由于計(jì)算機(jī)無(wú)法直接存儲(chǔ)正負(fù)號(hào)，需對(duì)正負(fù)號(hào)數(shù)字化（0、1化，用0表示正號(hào)、1表示負(fù)號(hào)）后，才可以存儲(chǔ)帶符號(hào)數(shù)。將帶符號(hào)數(shù)的形式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，變成可以在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)及應(yīng)用的形式，得到的數(shù)稱為機(jī)器數(shù)。 機(jī)器數(shù)的形式有多種，最常用的包括原碼、反碼和補(bǔ)碼。 1原碼 原碼是一種最為簡(jiǎn)單的機(jī)器數(shù)，其表現(xiàn)形式為：約定數(shù)碼序列的最高一位為符號(hào)位，用0表示正數(shù)，用1表示負(fù)數(shù)；剩余的有效數(shù)值部分用二進(jìn)制的絕對(duì)值表示。 例例 真值 X原 + 1011 0 000 1011

8、 - 1011 1 000 1011 +0.1011 0.000 1011 -0.1011 1.000 1011原碼的特點(diǎn)整數(shù)0有兩種原碼形式。根據(jù)符號(hào)不同，+0真=0 000 0000B， -0真=1 000 0000；符號(hào)位不是有效數(shù)值位，不能參與算術(shù)運(yùn)算，它們僅是人為約定的符號(hào)“0、1化”的產(chǎn)物，在運(yùn)算中需單獨(dú)處理； 原碼表示中因?yàn)椴捎媒^對(duì)值表示數(shù)值大小，非常直觀。但是由于其最高位的符號(hào)位是硬性規(guī)定的，不能參與運(yùn)算，這個(gè)二進(jìn)制的加減運(yùn)算帶來(lái)不便。因此，原碼目前很少用于算術(shù)運(yùn)算。nX22補(bǔ)碼 補(bǔ)碼是以模運(yùn)算為基礎(chǔ)的一種碼制，具有良好的特點(diǎn)。以整數(shù)為例，補(bǔ)碼的表示方法是：如果數(shù)是正數(shù)，則其補(bǔ)

9、碼形式同期原碼形式相同；如果數(shù)是負(fù)數(shù)，則首先得到負(fù)數(shù)的原碼，然后除原碼符號(hào)位外，其余所有位取反，然后在末位加1。 補(bǔ)碼的來(lái)歷 以時(shí)鐘為例引出補(bǔ)碼的定義。我們常見(jiàn)的圓盤時(shí)鐘是以12為計(jì)數(shù)循環(huán)的，表盤上的數(shù)從112。12點(diǎn)也可以看成是0點(diǎn)，所以也可認(rèn)為表盤上的數(shù)是從011的。假設(shè)當(dāng)前為0點(diǎn)，以時(shí)針為研究對(duì)象，分別進(jìn)行如下操作。 a. 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)9格，時(shí)針指向9點(diǎn)； b. 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)3格，時(shí)針也指向9點(diǎn)。 可見(jiàn)，上面兩個(gè)操作的效果是一樣的，都使時(shí)針指向了相同的位置。操作不同，而結(jié)論相同的原因是，圓盤時(shí)鐘上的時(shí)針是圓周運(yùn)動(dòng)的，其指向始終在011之間變化，即時(shí)針的讀書(shū)是以12為模的。三角函數(shù)中用到的圓周

10、 圓周從1到360，或者認(rèn)為是從0到359。顯然圓周的模是360。按照上面時(shí)鐘的思路，從0順時(shí)針旋轉(zhuǎn)330，和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30，效果是一樣的?？梢哉f(shuō)，在模360的前提下，-30可以映射為330，它們互為模數(shù)。 從數(shù)學(xué)上看，以上兩個(gè)例子都是有模運(yùn)算。計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)用到的寄存器也是有一定的字長(zhǎng)限制的，因此它的運(yùn)算也是有模運(yùn)算。 補(bǔ)碼定義：在有模運(yùn)算中，假設(shè)模為M，則某數(shù)X對(duì)該模的補(bǔ)數(shù)稱為其補(bǔ)碼，定義為： (1-7) M)(modXM 補(bǔ)X補(bǔ)碼的計(jì)算 由原碼得到補(bǔ)碼：正數(shù)的補(bǔ)碼形式同原碼形式相同；負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是在負(fù)數(shù)原碼的基礎(chǔ)上，將所有的有效數(shù)值位(也稱為尾數(shù))取反，然后再末位加1（可簡(jiǎn)稱為“求反加一”）

11、。 例例 1101011. 111101010. 10010101. 1補(bǔ)末位加一變反原XX 由原碼得到補(bǔ)碼的快捷方法：正數(shù)的補(bǔ)碼形式同原碼形式相同；負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是在負(fù)數(shù)原碼的基礎(chǔ)上，符號(hào)位保持不變，有效數(shù)值位自右向左，找到第一個(gè)1，將這個(gè)1以及右邊的所有0保持不變，這個(gè)1前面的所有位全部按位取反。 例例 1010100. 11000101. 1補(bǔ)原XX 由補(bǔ)碼得到原碼及真值 利用方法1）和方法2）對(duì)補(bǔ)碼形式進(jìn)行相同的運(yùn)算，就可以得到對(duì)應(yīng)的原碼形式。再有原碼變成真值，只需要根據(jù)符號(hào)位進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換就可以了。例：0101101. 00101101. 11010011. 1真原補(bǔ)XXX補(bǔ)碼的性質(zhì) 補(bǔ)碼

12、的最高位Xn表示數(shù)的正負(fù)，1表示負(fù)數(shù)、0表示正數(shù)。這從形式上同原碼是一致的，但補(bǔ)碼的符號(hào)位是數(shù)值的一部分，是通過(guò)補(bǔ)碼定義計(jì)算出來(lái)的，因此可以參與運(yùn)算； 0的補(bǔ)碼形式只有一種，即0000 0000，這同原碼中0有兩種原碼形式是不同的； 負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼形式比原碼的表示范圍多一個(gè)數(shù)碼組合。對(duì)定點(diǎn)整數(shù)，負(fù)數(shù)補(bǔ)碼的最小值為-2n，而負(fù)數(shù)原碼的最小值是-2n-1； 補(bǔ)碼運(yùn)算可以変減為加，有利于簡(jiǎn)化運(yùn)算器的設(shè)計(jì)。 3反碼 對(duì)原碼的符號(hào)位保持不變，僅將所有的位數(shù)部分按位取反，即得到另一種機(jī)器數(shù)的表示形式，即反碼。反碼同補(bǔ)碼類似，當(dāng)數(shù)值為負(fù)數(shù)時(shí)，其形式比補(bǔ)碼形式少加一個(gè)1。 假定為數(shù)X的反碼序列，則有022101X

13、XXXnn）（反1nn22XX 例1010001. 01010001. 0反原XX0101110. 11010001. 1反原XX1.1.4 定點(diǎn)表示與浮點(diǎn)表示 1定點(diǎn)數(shù)的表示方法 在定點(diǎn)數(shù)中，小數(shù)點(diǎn)的位置是固定的。因?yàn)橛?jì)算機(jī)只能存儲(chǔ)0、1信息，所以小數(shù)點(diǎn)的位置一旦固定，就以約定的方式固定下來(lái)，并沒(méi)有給小數(shù)點(diǎn)預(yù)留存儲(chǔ)空間。有三種形式的定點(diǎn)數(shù)。 （1）無(wú)符號(hào)整數(shù)：是將正號(hào)略去的整數(shù)形式，其所有數(shù)位全部用于表示數(shù)值大小，小數(shù)點(diǎn)默認(rèn)在（最低位）最右位之后。假設(shè)無(wú)符號(hào)整數(shù)，則其表示范圍為0(2n+1-1)。例如當(dāng)n=7時(shí)，其表示范圍為0255。 （2）帶符號(hào)定點(diǎn)整數(shù)：假設(shè)為整數(shù)序列，則Xn是符號(hào)位，小

14、數(shù)點(diǎn)默認(rèn)在（最低位）最右位之后，其所能表示的數(shù)值范圍根據(jù)其機(jī)器數(shù)形式不同而不同。例如，原碼定點(diǎn)整數(shù)的表示范圍是-(2n-1)（2n-1)，補(bǔ)碼定點(diǎn)整數(shù)的表示范圍是-2n （2n-1)。 （3）帶符號(hào)定點(diǎn)小數(shù)：假設(shè)為整數(shù)序列，則Xn是符號(hào)位，小數(shù)點(diǎn)默認(rèn)在最高位Xn之后，其所能表示的數(shù)值范圍根據(jù)其機(jī)器數(shù)形式不同而不同?？梢钥闯?，帶符號(hào)定點(diǎn)小數(shù)是純小數(shù)。原碼定點(diǎn)整數(shù)的表示范圍是-(1-2-n)（1-2-n)，補(bǔ)碼定點(diǎn)整數(shù)的表示范圍是-1 （1-2-n)。 2浮點(diǎn)數(shù)的表示方法 對(duì)任意一個(gè)二進(jìn)制數(shù)N來(lái)說(shuō)，它總可以表示為一個(gè)純整數(shù)（或純小數(shù)）和一個(gè)2的整數(shù)次冪的乘積的形式：。其中S稱為N的尾數(shù)，P稱為N的

15、階碼，可以決定小數(shù)點(diǎn)的位置，2稱為階碼的底。PfPmPm-lPlSmSn-lSfSl階碼P階符尾數(shù)S尾符 例如1101010101. 02010101.11014N同定點(diǎn)數(shù)相比，浮點(diǎn)數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)的表示范圍很大，但缺點(diǎn)也較為明顯，其運(yùn)算較為復(fù)雜，需要對(duì)階碼和尾數(shù)分別運(yùn)算。1.2 二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算1.2.1 算術(shù)運(yùn)算 1加法運(yùn)算： 二進(jìn)制加法遵從“逢二進(jìn)一”的規(guī)則 0+0 = 0 ； 0+1 = 1； 1+0 = 1； 1+1 = 10 2減法運(yùn)算 二進(jìn)制減法遵從“借一當(dāng)二”的規(guī)則 0-0 = 0 ； 1-1 = 0 ； 1-0 = 1 ； 0-1 = 1 3乘法運(yùn)算 乘法運(yùn)算是多次加法運(yùn)算，其運(yùn)算

16、規(guī)則是： 111001010;000； 例例 兩個(gè)無(wú)符號(hào)4位定點(diǎn)整數(shù) X=1011B，Y= 0011B，求XY。4除法運(yùn)算：從被除數(shù)的最高位開(kāi)始運(yùn)算，查出夠減除數(shù)的位數(shù)，上商1，并完成被除數(shù)同除數(shù)的減法操作，然后把被除數(shù)的下一位移到余數(shù)的位置上。若余數(shù)不夠減除數(shù)，則商0，并把被除數(shù)的再下一位移到余數(shù)的位置上；若余數(shù)夠減除數(shù)，則商1并進(jìn)行余數(shù)減除數(shù)的操作。反復(fù)進(jìn)行，只到全部被除數(shù)的各位都移到余數(shù)位置上為止。 例例 設(shè)二進(jìn)制無(wú)符號(hào)定點(diǎn)整數(shù)X= 10101011, Y = 110 B，求XY。 利用豎式求解，得 所以，XY = 111000B 余數(shù)11B。 1.2.2 邏輯運(yùn)算 1邏輯與運(yùn)算 又稱為

17、邏輯乘，一般用“”來(lái)表示。其運(yùn)算規(guī)則為：00 = 0 ； 01 = 0 ； 10 = 0 ； 11 = 1 例例 X = 10100010B， Y= 01011110B，求XY。 利用豎式計(jì)算，有2邏輯或運(yùn)算 又稱為邏輯加，一般用“”來(lái)表示，其運(yùn)算規(guī)則為：00 = 0 ； 01 = 1 ； 10 = 1 ； 11 = 1 例例 X = 10100010B， Y= 01011110B，求XY。3邏輯非運(yùn)算 又稱邏輯取反，一般用“”來(lái)表示，其運(yùn)算規(guī)則為：01;10XBX01000101例例 X = 10111010B，求 。 。4邏輯異或運(yùn)算 也稱為半加運(yùn)算，是不考慮進(jìn)位的二進(jìn)制加法運(yùn)算。一般用符

18、號(hào)“ ”來(lái)表示，其運(yùn)算規(guī)則為： 0 0 = 1 1 = 0 ; 0 1 = 1 0 = 1 1.2.3 補(bǔ)碼的加減運(yùn)算 1補(bǔ)碼加法 設(shè)X、Y是兩個(gè)帶符號(hào)數(shù)的真值，通過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推理，可以得到以下公式補(bǔ)碼加法的步驟：1）將兩個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼形式；2）對(duì)兩個(gè)數(shù)的補(bǔ)碼形式進(jìn)行二進(jìn)制加法運(yùn)算，如果出現(xiàn)向高位的進(jìn)位則舍棄不要；3）判斷結(jié)果是否溢出：如果溢出溢出，則本次計(jì)算不正確，進(jìn)入溢出處理流程；否則，對(duì)結(jié)果再次求補(bǔ)，即得到結(jié)果的真值。補(bǔ)補(bǔ)補(bǔ)（)2()2Y(2 Y)XnnXYXYXn 所謂溢出，是指運(yùn)算的結(jié)果超出了給定的二進(jìn)制存儲(chǔ)空間的表示范圍。 溢出的標(biāo)志是：如果兩個(gè)正數(shù)相加的結(jié)果符號(hào)位為1，或者兩個(gè)負(fù)

19、數(shù)相加的結(jié)果的符號(hào)位為0，就說(shuō)明出現(xiàn)了溢出。當(dāng)出現(xiàn)溢出時(shí)，有兩個(gè)解決方法：一是直接舍棄，報(bào)錯(cuò)；而是增加存儲(chǔ)空間位數(shù)，重新計(jì)算。例例 用補(bǔ)碼計(jì)算 64+（-10） 第一步：將64和-20變成補(bǔ)碼形式：64補(bǔ)=0100 0000B，-10補(bǔ)=11110110B。 第二步：執(zhí)行補(bǔ)碼加法：0100 0000 + 11110110 = 1 0011 0110 B0011 0110B (舍棄向最高位的進(jìn)位)第三步：因?yàn)檎龜?shù)和負(fù)數(shù)相加不可能產(chǎn)生溢出，結(jié)果正確，可求真值 0011 0110B = 54例例 用16位補(bǔ)碼計(jì)算 64+65 第一步：將64和65變成補(bǔ)碼形式：64補(bǔ)=0000 0000 0100 0

20、000B，65補(bǔ)=0000 0000 0100 0001B。 第二步：執(zhí)行補(bǔ)碼加法：0000 0000 0100 0000 + 0000 0000 0100 0001 = 0000 0000 1000 0001第三步：因?yàn)檎龜?shù)和正數(shù)相加結(jié)果應(yīng)該還是正數(shù)，而結(jié)果的符號(hào)位為0，說(shuō)明結(jié)果正確，可就真值 0000 0000 1000 0001B = 129。2補(bǔ)碼減法在計(jì)算機(jī)中，需要做減法時(shí)，需要將減數(shù)再次求補(bǔ)，然后執(zhí)行加法，即其中，(Y補(bǔ))補(bǔ)都是在已知補(bǔ)碼的基礎(chǔ)上所有所有位數(shù)“求反加一”得到的。實(shí)際上，通過(guò)該“求補(bǔ)”操作得到的是Y的相反數(shù)的補(bǔ)碼形式。補(bǔ)補(bǔ)補(bǔ)補(bǔ)補(bǔ)補(bǔ)補(bǔ)補(bǔ))()(YYYXXXYX例例 用補(bǔ)

21、碼減法計(jì)算 8-4。 第一步：將8和4變成補(bǔ)碼形式：8補(bǔ)=0000 1000B，4補(bǔ)=0000 0100B。 第二步：求(4補(bǔ))補(bǔ)： 第三步：執(zhí)行補(bǔ)碼的加法運(yùn)算0000 1000 + 11111100 = 1 0000 0100 B0000 0100B (舍棄向最高位的進(jìn)位)第四步：因?yàn)檎龜?shù)和負(fù)數(shù)相加不可能產(chǎn)生溢出，結(jié)果正確，可求真值 0000 0100B = 411001111101000000)4(補(bǔ)補(bǔ)1.3 非數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示 1.3.1 ASCII碼 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)于20世紀(jì)50年代推出了美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼(ASCII碼, American Standard Code

22、For Information Interchange)，用于表示計(jì)算機(jī)中常用的各種字符。1967年，ASCII碼被確定為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。目前，ASCII碼已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，稱為ISO 646標(biāo)準(zhǔn)，適用于所有拉丁文字字母，參見(jiàn)附錄B ASCII碼表。 1.3.2 漢字編碼 1漢字交換碼 為了在信息交換中有通用的規(guī)則，我國(guó)于1981年公布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2312-80信息交換用漢字編碼字符基本集，簡(jiǎn)稱國(guó)標(biāo)碼。在該標(biāo)準(zhǔn)中，每個(gè)漢字的編碼由16位二進(jìn)制數(shù)表示，占兩個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)按照標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼的規(guī)則編碼。國(guó)標(biāo)碼是重要的漢字交換碼，是漢字在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的基礎(chǔ)。 2漢字機(jī)內(nèi)碼

23、為了避免出現(xiàn)國(guó)標(biāo)碼和ASCII碼之間的沖突問(wèn)題，研究人員對(duì)漢字國(guó)標(biāo)碼進(jìn)行了如下轉(zhuǎn)換：將漢字國(guó)標(biāo)碼每一個(gè)字節(jié)的最高位變?yōu)?。仍以漢字“萬(wàn)”為例，最高位轉(zhuǎn)變后，漢字編碼變?yōu)椋?100 1101 1111 0010。這樣就解決了漢字編碼同ASCII碼的沖突問(wèn)題。以上轉(zhuǎn)變可認(rèn)為是在國(guó)標(biāo)碼的基礎(chǔ)之上增加8080H，就得到了漢字機(jī)內(nèi)碼，即： 漢字國(guó)標(biāo)碼 + 8080H = 漢字機(jī)內(nèi)碼3其他編碼 漢字要在計(jì)算機(jī)中順利使用，除需要解決存儲(chǔ)外，其輸入方式、顯示方式都是需要解決的。目前已經(jīng)提出了很多漢字輸入方式，歸納起來(lái)包括音碼、形碼、音形結(jié)合碼。漢字輸入碼也稱為漢字的外碼。另一方面，從漢字的顯示上看，要在顯示器

24、及打印機(jī)上展現(xiàn)漢字字形，也許對(duì)漢字字形進(jìn)行編碼，當(dāng)前主要有點(diǎn)陣法和矢量法兩種方法。 1.4 微型計(jì)算機(jī)概述1.4.1 有關(guān)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的幾個(gè)概念1微處理器 微處理器是微型計(jì)算機(jī)的核心部件，是將運(yùn)算器、控制器以及一些寄存器集成到一塊大規(guī)模集成電路上而得到的。 按照不同的體系結(jié)構(gòu)，微處理器支持兩種不同的體系結(jié)構(gòu)：一種是復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（CISC, Complex Instruction Set Computer），另一種是精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC， Reduced Instrucion Set Computer)。2. 微型計(jì)算機(jī) 所謂微型計(jì)算機(jī)，是指采用微處理器作為CPU的計(jì)算機(jī)。我們知道，

25、單純微處理器是無(wú)法執(zhí)行任何工作的，還需配套存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口及設(shè)備。將這些部件通過(guò)系統(tǒng)總線連在一起，在控制器的協(xié)調(diào)下，整臺(tái)計(jì)算機(jī)才可高效運(yùn)轉(zhuǎn)。 3. 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)。微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也不例外，是指以微型計(jì)算機(jī)為中心，配上所需外設(shè)、電源以及合適的軟件而構(gòu)成的系統(tǒng)。 如果將微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口電路等大規(guī)模集成電路芯片及必要外部設(shè)備組裝在一張大型電路板上，得到的微型計(jì)算機(jī)稱為單板機(jī)微型計(jì)算機(jī)(Single Board Microcomputer)，簡(jiǎn)稱單板機(jī)。除去外部設(shè)備，僅將微處理器、存儲(chǔ)器(RAM及ROM)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器及多種接口電路集成在一塊集成電路

26、芯片上的微型計(jì)算機(jī)，稱為單片微型計(jì)算機(jī)機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)或微控制器(Microcontroller)。1.4.2 微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu) 所謂總線(BUS)，是指計(jì)算機(jī)中用于在各部件之間傳輸?shù)男畔⒌墓补餐ǖ?。總線有三種類型： 1. 數(shù)據(jù)總線：Data Bus，用于微處理器和存儲(chǔ)器之間，以及微處理器同I/O接口之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)總線是雙向的，既可以從CPU傳輸?shù)酵獠?，也可以從外部傳輸回CPU。CPU的字長(zhǎng)往往同數(shù)據(jù)總線的條數(shù)相同。 2. 地址總線：Address Bus，用于CPU向存儲(chǔ)器或者I/O接口傳輸?shù)刂沸畔?。?jì)算機(jī)執(zhí)行訪問(wèn)操作時(shí)，不管是讀操作，還是寫操作，都是首先由CPU通過(guò)地址總線向訪問(wèn)

27、目標(biāo)發(fā)送地址信息。地址總線是單向的，即只能由CPU向外部傳送地址信號(hào)。地址總線的條數(shù)決定的CPU可以直接訪問(wèn)的存儲(chǔ)器單元的數(shù)目。假設(shè)某CPU的地址總線的條數(shù)是n，則可訪問(wèn)的最大的存儲(chǔ)空間的容量是2n。例如，假設(shè)一個(gè)存儲(chǔ)單元保存一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容，則具有16條地址總線的CPU可訪問(wèn)的最大存儲(chǔ)容量為216Byte=64KB。 3. 控制總線：Control Bus，用于傳輸CPU發(fā)給各個(gè)部件的控制信號(hào)，以及傳送其他部件回傳到CPU的狀態(tài)信號(hào)或請(qǐng)求信號(hào)。對(duì)每一條控制線，其傳輸方向的固定的，或者是CPU向外發(fā)出的控制信號(hào)，或者是其他部件傳送給CPU的狀態(tài)、請(qǐng)求信號(hào)。1.4.3 微處理器的基本結(jié)構(gòu)介紹 微處

28、理器包括運(yùn)算器、控制器和一些寄存器，運(yùn)算器主要包括ALU、累加器ACC、標(biāo)志寄存器FR、寄存器組等，而控制器主要包括程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、地址寄存器AR、控制信號(hào)發(fā)生器等。 1. 算術(shù)邏輯單元ALU ALU是運(yùn)算器的核心部件，它在控制器發(fā)出的控制信號(hào)的作用下，可執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。執(zhí)行運(yùn)算的操作數(shù)提前放到累加器和數(shù)據(jù)寄存器中。算術(shù)運(yùn)算一般包括加法、減法、加一、減一、比較等，也有的可以執(zhí)行乘法、除法運(yùn)算。邏輯運(yùn)算一般包括邏輯與、邏輯或、邏輯非、邏輯異或、邏輯同或等。為配合以上運(yùn)算，ALU還支持一些輔助操作，如移位操作等。2.累加器A或ACC（Accumulator）

29、 累加器的英文原文是積累、集聚的意思，翻譯成累加器有可能讓讀者理解為這是一種加法器。累加器實(shí)際上一個(gè)寄存器，往往用于存儲(chǔ)送入ALU進(jìn)行運(yùn)算的某一個(gè)操作數(shù)。3.標(biāo)志寄存器FR(Flag Register) 計(jì)算機(jī)在運(yùn)算過(guò)程中，可能產(chǎn)生很多標(biāo)志位信息。例如，在執(zhí)行加法或減法運(yùn)算時(shí)，可能產(chǎn)生進(jìn)位或借位，如果是帶符號(hào)數(shù)的運(yùn)算，還可能產(chǎn)生溢出位。另外，運(yùn)算結(jié)果是負(fù)數(shù)或者是0，當(dāng)前奇偶校驗(yàn)位是1還是0，等等，都是經(jīng)常出現(xiàn)的位信息。這些位信息對(duì)計(jì)算機(jī)的下一步運(yùn)算具有直接影響，因此有必要將他們單獨(dú)保存起來(lái)，標(biāo)志寄存器就是用于存放各種標(biāo)志位信息的，是所有型號(hào)的微處理器都具備的一個(gè)重要寄存器。 4. 寄存器組 學(xué)

30、習(xí)CPU，寄存器組是必須要理解并重視的重要部件。因?yàn)橛脩粼谑褂肅PU時(shí)，一定會(huì)用到寄存器組。寄存器組分為兩類：通用寄存器組和專用寄存器組。所謂通用寄存器組，可理解為CPU內(nèi)部的較小容量的存儲(chǔ)器，這些存儲(chǔ)器用于暫時(shí)存放運(yùn)算數(shù)或中間結(jié)果。由于通用寄存器在CPU內(nèi)部，所以速度很快，這對(duì)提高運(yùn)算速度是有好處的。例如累加器ACC就是通用寄存器。 專用寄存器組是一些具有專門用途的寄存器的集合。例如標(biāo)志寄存器FR、堆棧指針寄存器SP、程序計(jì)數(shù)器PC等等。5. 程序計(jì)數(shù)器PC（Program counter） 程序計(jì)數(shù)器PC是CPU中最重要的專用寄存器，用于保存下一條要執(zhí)行的指令的地址。指令保存在存儲(chǔ)器的某個(gè)

31、存儲(chǔ)單元，每個(gè)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)地址。要執(zhí)行哪條指令，就需要CPU把哪條指令的地址（存儲(chǔ)在PC中）通過(guò)地址總線送到存儲(chǔ)器。由于指令大部分是順序執(zhí)行的，也就是說(shuō)，當(dāng)PC的地址送到地址總線上后，可對(duì)PC的內(nèi)容自動(dòng)加1，使其指向下一條要執(zhí)行的指令，從而可以繼續(xù)執(zhí)行指令。從這一方面看，PC的作用是非常重要的。 當(dāng)然，程序不一定總是順序執(zhí)行的，也存在跳轉(zhuǎn)的可能。當(dāng)跳轉(zhuǎn)時(shí)，PC的內(nèi)容除了自動(dòng)加一外，還要執(zhí)行一些調(diào)整操作以修改PC的指向。這在后文介紹指令系統(tǒng)時(shí)將有詳細(xì)解釋。 6. 指令寄存器、指令譯碼器 指令寄存器（IR, Instruction Register）用于保存從存儲(chǔ)器傳送過(guò)來(lái)的指令信息，該信息在指令

32、執(zhí)行過(guò)程中一直存在。 指令譯碼器（ID,Instruction Decoder）對(duì)指令寄存器送來(lái)的指令進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生各種電平控制信號(hào)。這些控制信號(hào)送到控制信號(hào)發(fā)生器。由指令譯碼器送出的電平信號(hào)同外部時(shí)鐘脈沖在控制信號(hào)產(chǎn)生電路中組合，形成各種按照一定節(jié)拍變化的電平信號(hào)和脈沖信號(hào)，也就是生成各種控制信號(hào)。這些控制信號(hào)被送到運(yùn)算器、存儲(chǔ)器或I/O接口電路，執(zhí)行各種操作。1.4.4 程序執(zhí)行過(guò)程 一條指令的執(zhí)行大致可分為兩個(gè)過(guò)程：取指令階段和執(zhí)行指令階段?！叭≈噶睢笔菑拇鎯?chǔ)器的某存儲(chǔ)單元將指令通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳送到指令寄存器的過(guò)程?！皥?zhí)行指令”是指將指令從指令寄存器IR中送到指令譯碼器ID，由ID對(duì)指令進(jìn)

33、行解釋，然后通過(guò)控制部件執(zhí)行的過(guò)程。程序執(zhí)行的具體過(guò)程可描述為：1）控制器將PC當(dāng)前內(nèi)容送到地址寄存器AR，即送出當(dāng)前指令的地址，然后PC自動(dòng)加1。2）在控制器作用下，指令地址通過(guò)地址總線送到存儲(chǔ)器的地址譯碼部件，由地址譯碼部件選中存儲(chǔ)器的相應(yīng)存儲(chǔ)單元。3）控制器向存儲(chǔ)器發(fā)出“讀”指令的控制命令，存儲(chǔ)器收到命令后，選中相應(yīng)存儲(chǔ)單元，并將其內(nèi)容，也就是當(dāng)前指令的機(jī)器碼送到數(shù)據(jù)總線。4）通過(guò)數(shù)據(jù)總線，指令機(jī)器碼送入指令寄存器IR，然后送到指令譯碼器ID譯碼，在控制信號(hào)產(chǎn)生器的作用下產(chǎn)生各種控制信號(hào)，執(zhí)行各種操作。需要說(shuō)明，當(dāng)程序完全是順序執(zhí)行時(shí)，PC自動(dòng)加1就可保證程序的自動(dòng)、高效執(zhí)行。但是當(dāng)程序

34、中存在跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，還需根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整PC的取值。1.5 單片微型計(jì)算機(jī)概述 所謂單片微型計(jì)算機(jī)，就是將CPU、RAM、ROM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和多種I/O接口電路都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)，又簡(jiǎn)稱為單片機(jī)或微控制器。 單片機(jī)具有集成度高、功能強(qiáng)、體積小、成本低、功耗小、可靠性強(qiáng)、使用靈活方便、控制功能強(qiáng)、編程保密化等特點(diǎn)，使它在工業(yè)控制、智能儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和處理、節(jié)能技術(shù)改造、通信系統(tǒng)和分布式控制系統(tǒng)及家用電器產(chǎn)品中都得到了廣泛應(yīng)用。 1.5.1 單片機(jī)的分類 通用型/專用型 通用型單片機(jī)內(nèi)部資源比較豐富，性能全面，而且通用性強(qiáng)，可履蓋多種應(yīng)用要求。 專用型單片機(jī)針對(duì)某一種產(chǎn)品或

35、某一種控制應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)時(shí)已使結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)，軟硬件應(yīng)用最優(yōu)，可靠性及應(yīng)用成本最佳。專用型單片機(jī)用途比較專一，出廠時(shí)程序已經(jīng)一次性固化好，不能再修改的單片機(jī)。 2. 總線型/非總線型 這是按單片機(jī)是否提供并行總線來(lái)區(qū)分的。總線型單片機(jī)普遍設(shè)置有并行地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線，這些引腳用以擴(kuò)展并行外圍器件。如我們常常見(jiàn)到的80C51單片機(jī)就是總線結(jié)構(gòu)。非總線型單片機(jī)把所需要的外圍器件及外設(shè)接口集成在一片內(nèi)，在許多情況下不需要擴(kuò)展總線，大大地節(jié)省了封裝成本和芯片體積。 3. 工控型/家電型 這是按照單片機(jī)大致應(yīng)用的領(lǐng)域進(jìn)行區(qū)分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運(yùn)算能力強(qiáng)；用于家電的單片機(jī)多為專用

36、型，通常是小封裝、低價(jià)格，外圍器件和外設(shè)接口集成度高。 4. 4位單片機(jī)/8位單片機(jī)/16位單片機(jī)/32位單片機(jī)/64位單片機(jī) 這是按照CPU字長(zhǎng)來(lái)劃分的，4位機(jī)每次只能處理以為BCD碼數(shù)據(jù)，指令系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)算功能單一，主要由于袖珍或臺(tái)式計(jì)算器、家電、娛樂(lè)產(chǎn)品和簡(jiǎn)單的過(guò)程控制，是單片機(jī)的低級(jí)階段。 8位單片機(jī)一次可以處理一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，指令系統(tǒng)比較完善，尋址能力強(qiáng)，外圍配套電路齊全，功能豐富，通用性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于事務(wù)管理、工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)檢測(cè)和控制、通信、智能終端、教育以及家用電器控制等領(lǐng)域。8位單片機(jī)，特別是8051內(nèi)核的單片機(jī)，是目前教學(xué)和工程應(yīng)用中使用最多的單片機(jī)。1.5.2單片機(jī)的硬

37、件特性及其特點(diǎn) 1. 單片機(jī)的硬件特性（1）集成度高 許多單片機(jī)不僅集成了構(gòu)成微型計(jì)算機(jī)的中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口、定時(shí)器等傳統(tǒng)功能單元，而且還集成了A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、脈寬調(diào)制器（PWM）、看門狗定時(shí)器和多種通信方式（如UART、CAN、SPI等）。 （2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，模塊化 許多單片機(jī)內(nèi)部集成程序存儲(chǔ)器（EPROM或Flash）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），在實(shí)際應(yīng)用中一般不再需要外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，從而不再需要外部擴(kuò)展總線。構(gòu)成系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積減小，穩(wěn)定性提高。 單片機(jī)按其程序存儲(chǔ)器類型，可分為掩模（MASK）ROM型單片機(jī)、一次性可編程（OTP）ROM型單片機(jī)以及多次可編程（MTP）的Flash ROM型單片機(jī)。這三種單片機(jī)適合于特定的應(yīng)用