第1章 基礎(chǔ)知識

目錄第1章概論第2章MCS-51系列單片機的資源配置第3章MCS-51系列單片機的指令系統(tǒng)及匯編語言程序設(shè)計第4章單片機的C語言第5章MCS-51系列單片機的片內(nèi)接口及中斷第6章MCS-51系列單片機的擴展技術(shù)第7章單片機應(yīng)用系統(tǒng)接口技術(shù)第8章單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計第9章單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計實例照明能源觸摸智能儀表連接第1章計算機基礎(chǔ)知識主要內(nèi)容：有符號數(shù)的表示微型計算機工作原理單片機的概念及特點9章節(jié)：1.1計算機中的信息及表示1.2微型計算機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理1.3單片微型計算機101.1信息在計算機中的表示1.1.1數(shù)在計算機內(nèi)的表示計算機中的數(shù)通常有兩種：無符號數(shù)和有符號數(shù)。

無符號數(shù)<-----

二進制形式表示

例如：123表示成01111011B。

有符號數(shù)---

機器數(shù)，它的數(shù)值稱為機器數(shù)的真值。11符號位數(shù)值位機器數(shù)在計算機中有三種表示法：

原碼、反碼和補碼。+0-1機器數(shù)在計算機中表示：12一.原碼符號位絕對值注意:（1）原碼表示范圍為-(2n-1-1)~+(2n-1-1)，例如：8位的范圍為-127~+127。（2）原碼表示時，-0的編碼為10000000，+0的編碼為00000000。（假設(shè)機器字長為8位）【例1-1】求+67、-25的原碼（機器字長8位）因為

+67

=67=1000011B

-25

=25=11001B所以[+67]原=01000011B[-25]原=10011001B格式:13二.反碼符號位0絕對值符號位1絕對值各位取反格式:正數(shù)負數(shù)注意:（1）反碼表示范圍為-(2n-1-1)~+(2n-1-1)，例如：8位的范圍為-127~+127。（2）反碼表示時，-0的編碼為11111111，+0的編碼為00000000。（假設(shè)機器字長為8位）14三.補碼

【例1-3】求+67、-25的補碼（機器字長8位）。因為[+67]原=01000011B[-25]原=10011001B所以[+67]補=01000011B[-25]補=11100111B

符號位0絕對值符號位1絕對值各位取反格式:正數(shù)負數(shù)+115注意:（1）補碼表示范圍為-(2n-1-1)~+(2n-1)，例如：8位的范圍為-128~+127。（2）補碼表示時，-0的編碼為00000000，+0的編碼為00000000。（假設(shè)機器字長為8位）[X]補

[-X]補

【例1-4】已知+25的補碼為00011001B，用求補運算求-25的補碼。因為[25]補

[-25]補所以

[-25]補=11100110+1=11100111B16求補運算：一個二進制數(shù)，符號位和數(shù)值位一起取反，末位加1。求補運算具有以下的特點：174.補碼的加減運算補碼的加、減法運算規(guī)則如下：[X+Y]補=[X]補+[Y]補[X-Y]補=[X]補-[Y]補=[X]補+[-Y]補=[X]補+{[Y]補}求補即：補碼表示時，求兩個數(shù)之和[X+Y]補，直接用兩個數(shù)相加（[X]補+[Y]補）；求兩個數(shù)之差[X-Y]補，可以直接用兩個數(shù)相減[X]補-[Y]補，也可以先對減數(shù)[Y]補求補運算，然后再與被減數(shù)[X]補相加。18【例1-5】假設(shè)計算機字長為8位，完成下列補碼運算。① (＋25)+(＋32)因為 [＋25]補=00011001B[＋32]補=00100000B [＋25]補=00

011001+ [＋32]補=00100

0

0

0所以[(＋25)+(＋32)]補=[＋25]補+[＋32]補=00111001B=[＋57]補00111001② (+25)+(-32)因為 [+25]補=00011001B[-32]補=11100000B [+25]補=00

011001+ [-32]補=11

100

0

0

0所以[(+25)+(-32)]補=[+25]補+[-32]補=11111001B=[-7]補1111100119(+25)-(+32)因為[+25]補=00011001B[+32]補=00100000B｛[+32]補｝求補=11011111+1=11100000B [＋25]補=00011001- [＋32]補=00100000[+25]補=00011001+ [-32]補=11100000

1 1111100111111001所以[(+25)-(+32)]補=[+25]補+[-32]補

=[+25]補+｛[+32]補｝求補

=11111001B=[-7]補借位1自動丟失20(+25)-(-32)因為[+25]補=00011001B[-32]補=11100000B｛[-32]補｝求補=00011111+1=00100000B [+25]補=00011001- [-32]補=11100000 [+25]補=00011001+ [+32]補=0010000010011100100111001借位1自動丟失所以[(+25)-(-32)]補=[+25]補+[-32]補

=[+25]補+｛[-32]補｝求補

=00111001B=[+57]補四．十進制數(shù)的表示

十進制編碼又稱為BCD碼。分壓縮BCD碼和非壓縮BCD碼。壓縮BCD碼又稱為8421碼，它是用四位二進制編碼來表示一位十進制符號。21例如：十進制數(shù)124的壓縮BCD碼為000100100100。

十進制數(shù)4.56的壓縮BCD碼為0100.01010110。十進制符號壓縮BCD編碼十進制符號壓縮BCD編碼0000050101100016011020010701113001181000401009100122

非壓縮BCD碼是用八位二進制來表示一位十進制符號，其中低四位二進制編碼與壓縮BCD碼相同，高四位任取。例如：十進制數(shù)124的非壓縮BCD碼為 001100010011001000110100。1.1.2字符在計算機內(nèi)的表示美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼ASCII碼AmericanStandardCodeforInformationInterchange23數(shù)字符號0～9：30H—39h26個大寫字母：41H—5AH26個小寫字母：61H—7AH1.2微型計算機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

現(xiàn)在的計算機采用馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)，由運算器、控制器、存貯器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成。集成運算器和控制器的這一塊集成電路稱為中央處理器或微處理器，簡稱CPU。1.2.1微型計算機的發(fā)展1971年誕生，一般分為以下幾代：第一代（1971～1973）：4位和低檔8位微處理器第二代（1974～1977）：中高檔8位微處理器第三代（1978～1984）：16位微處理器第四代（1985～1992）：32位微處理器第五代（1993～1999）：超級32位Pentium（奔騰）微處理器第六代（2000年以后）：64位高檔微處理器241.2.2微型計算機的基本結(jié)構(gòu)中央處理器（CPU）隨機存儲器RAMI/O接口電路I/O設(shè)備2I/O接口電路只讀存儲器ROM數(shù)據(jù)總線（雙向）地址總線（單向）控制總線I/O設(shè)備1微型計算機由中央處理器、存儲器、輸入/輸出設(shè)備和系統(tǒng)總線等組成251.2.3微處理器8086總線

地址總線（20位）

ALU數(shù)據(jù)總線（16位）

地址加法器

隊列總線

指令隊列

總線接口部件（BIU）

123456

CS

IP

內(nèi)部通信寄存器

總線

控制

邏輯

數(shù)據(jù)總線

暫

存

器

ALU

標(biāo)志寄存器

EU

控制器

指令執(zhí)行部件（EU）

∑

（16位）

（8位）

通

用

寄

存

器

ES

DS

SS

AX

BX

CX

DX

BP

SP

SI

DI

AHAL

BHBL

CHCL

DHDL

由運算器、控制器、寄存器組和片內(nèi)總線組成261、執(zhí)行單元(EU)執(zhí)行部件由運算器（ALU）、通用寄存器、標(biāo)態(tài)寄存器和EU控制系統(tǒng)等組成。EU從BIU的指令隊列中獲得指令，然后執(zhí)行該指令，完成指今所規(guī)定的操作?？偩€接口部件BIU同外部總線連接，為執(zhí)行部件EU完成全部的總線操作，并且計算、形成20位的內(nèi)部存儲器的物理地址，達到尋址1M字節(jié)內(nèi)存地址空間的目的。2、總線接口單元(BIU)內(nèi)部分為兩個部分：27內(nèi)部寄存器

8086CPU有14個16位寄存器，分為5個組28291)通用寄存器組AX稱為累加器，是算術(shù)運算時使用的主要寄存器，所有外部設(shè)備的輸入輸出指令只能使用AL或AX作為數(shù)據(jù)寄存器。BX稱為基址寄存器，可以用作數(shù)據(jù)寄存器，在訪問存儲器時，可以存放被讀寫的存儲單元的地址，是具有雙重功能的寄存器。CX稱為計數(shù)寄存器，可以用作數(shù)據(jù)寄存器，在字符串操作、循環(huán)操作和移位操作時用作計數(shù)器。DX稱為數(shù)據(jù)寄存器，它可以用作數(shù)據(jù)寄存器，在乘、除法中作為輔助累加器，在輸入輸出操作中存放接口的地址。302)指針和變址寄存器組主要用來存放操作數(shù)的偏移地址（即操作數(shù)的段內(nèi)地址）。SP稱為堆棧指針寄存器，在堆棧操作中存放棧頂?shù)钠频刂贰P稱為基址指針寄存器，常用作堆棧區(qū)的基地址寄存器。SI稱為源變址寄存器，主要用于在字符串操作中存放源操作數(shù)的偏移地址。DI稱為目的變址寄存器，主要用于在字符串操作中存放目的操作數(shù)的偏移地址。313)段寄存器組段寄存器用來存放段的基址(即段的起始地址的高16位)。CS稱為代碼段段寄存器，代碼段用來存放程序代碼。CS中存放當(dāng)前正在執(zhí)行的代碼段的段基址。DS稱為數(shù)據(jù)段段寄存器，數(shù)據(jù)段用于存放當(dāng)前使用的數(shù)據(jù)。DS中存放當(dāng)前數(shù)據(jù)段的段基址。SS稱為堆棧段段寄存器，堆棧段是內(nèi)存中一段特殊的存儲區(qū)。SS中存放堆棧段的段基址。ES稱為附加數(shù)據(jù)段段寄存器，程序需要第二個數(shù)據(jù)段時，可以使用ES存放的該數(shù)據(jù)段的段基址。324)指令指針寄存器指令指針寄存器IP（instructionpointer）是一個16位的寄存器，IP存放下一條要執(zhí)行的指令的偏移地址。8086中，由CS和IP控制著程序的執(zhí)行順序。在程序執(zhí)行時，由EU控制器控制，通過BIU部件從CS和IP指向的內(nèi)部存儲器中取出當(dāng)前執(zhí)行的指令送執(zhí)行部件執(zhí)行，在取出的同時，指令指針寄存器IP會自動調(diào)整（加上當(dāng)前指令的字節(jié)數(shù)）以指向下一條指令，以便程序能自動往后執(zhí)行。當(dāng)程序發(fā)生轉(zhuǎn)移時，就必須把新的指令地址（目標(biāo)地址）裝入CS和IP，這通常由轉(zhuǎn)移指令來實現(xiàn)。5)標(biāo)志寄存器標(biāo)志寄存器FLAGS共有9個標(biāo)志位，其中6個為狀態(tài)標(biāo)志位，3個為控制標(biāo)志位。ODITSZAPCC——進位標(biāo)志位。P——奇偶標(biāo)志位。A——半加標(biāo)志位。Z——零標(biāo)志位。S——符號標(biāo)志位。T—陷阱標(biāo)志位(單步標(biāo)志位)。I——中斷允許標(biāo)志位。D——方向標(biāo)志位。O—溢出標(biāo)志位。331.2.4存儲器指內(nèi)部存儲器（又稱為主存或內(nèi)存）。它是微型計算機的存儲和記憶裝置，用來存放微型計算機執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。存儲單元內(nèi)容和存儲單元地址341.存儲器的基本結(jié)構(gòu)-------半導(dǎo)體存儲器

地址譯碼器00單元01單元02單元┇┇FF單元000102FF地址單元內(nèi)容ABCBI/O緩沖器控制邏輯DB圖1.10存儲器結(jié)構(gòu)圖35主要由地址譯碼器、存儲矩陣、控制邏輯和三態(tài)雙向緩沖器等部分組成。對內(nèi)存單元的操作有兩種：讀和寫。(1)讀操作地址譯碼器0單元內(nèi)容2BH┇┇FF單元內(nèi)容05控制邏輯地址單元內(nèi)容AB讀信號DB052BHI/O緩沖器1）CPU通過地址總線送地址號05H至存儲器地址譯碼器2）存儲器中的地址譯碼器對它進行譯碼，找到05H號存儲單元3）CPU發(fā)出讀的控制命令，05H號存儲單元中的內(nèi)容2BH就出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線36(2)寫操作寫信號地址譯碼器0單元內(nèi)容┇┇FF單元內(nèi)容I/O緩沖器06地址單元內(nèi)容ABDB061AH1AH控制邏輯1）CPU通過地址總線送地址號06H至存儲器地址譯碼器2）存儲器中的地址譯碼器對它進行譯碼，找到06H號存儲單元3）數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容1AH經(jīng)數(shù)據(jù)總線送給存儲器4）CPU發(fā)出寫的控制命令，于是數(shù)據(jù)總線上的信息1AH就可以寫入到06H號存儲單元中372．存儲器的分類

隨機讀寫存儲器RAM（RandomAccessMemory）和只讀存儲器ROM（ReadOnlyMemory）。3．8086中的存儲器總存儲空間為1M字節(jié)，地址20位。由于8086的寄存器都是16位，不能直接提供20地址，因此，為了管理方便，8086把1M空間分成若干塊（稱為“邏輯段”），各個邏輯段之間可在實際存儲空間中完全分開，也可以部分重疊，甚至可以完全重疊。每個邏輯段容量不超過64K字節(jié)，這樣就可用16位寄存器提供地址訪問。38物理地址與邏輯地址物理地址：送給存儲器的20位地址。邏輯地址：程序中訪問存儲器的地址，“段基址：偏移地址”轉(zhuǎn)換：物理地址=段基址×16+段內(nèi)偏移地址例如：段基址：偏移地址分別是1200H：0345H則物理地址=1200H×16+0345H=12345H。391.2.5輸入/輸出設(shè)備及I/O接口電路1．I/O接口的功能

(1)數(shù)據(jù)的寄存和緩沖功能(2)信號轉(zhuǎn)換功能(3)設(shè)備選擇功能(4)外設(shè)的控制和監(jiān)測功能(5)中斷或DMA管理功能(6)可編程功能2．外部設(shè)備與CPU之間的數(shù)據(jù)傳送方式

(1)無條件傳送方式(2)查詢傳送方式(3)中斷傳送方式403．8086中的常用接口電路簡介

8255A是Intel公司生產(chǎn)的可編程并行I/O接口芯片。8253是Intel公司生產(chǎn)的可編程計數(shù)/定時器接口電路。8251A是INTEL公司生產(chǎn)的可編程的串行通訊接口芯片。8259A是Intel公司生產(chǎn)的可編程中斷控制器芯片。411.2.6總線按總線在微機結(jié)構(gòu)中所處的位置不同，可把總線分為以下四類：(1)片內(nèi)總線：(2)片級總線：(3)系統(tǒng)總線：(4)外部總線：按總線功能可分三類。(1)地址總線（AB）：(2)數(shù)據(jù)總線（DB）：(3)控制總線（CB）：

總線是連接多個設(shè)備或功能部件的一簇公共信號線，它是計算機各組成部件之間信息交換的通道。421.2.7微型計算機工作過程“存儲程序”和“程序控制”指令是指計算機完成一個基本操作的命令。指令系統(tǒng)是一個計算機所能夠處理的全部指令的集合。一條指令一般包括兩個部分：操作碼和操作數(shù)。例如計算3+5=？在執(zhí)行程序之前需要做好如下幾項工作：(1)用助記符號指令（匯編語言）編寫程序（源程序）；(2)用匯編軟件（匯編程序）將源程序匯編成計算機能識別的機器語言程序；(3)將數(shù)據(jù)和程序通過輸入設(shè)備送入存儲器中存放。43假設(shè)上面例子的匯編語言源程序和機器語言程序如下：匯編語言 機器語言 功能MOVAL，03H 1011000000000011B ；把01送入

累加器A。ADDAL，05H 0000010000000101B ；02與A中內(nèi)

容相加，結(jié)果存入A。HLT 11110100B ；停止操作。編譯好的機器語言程序有5個字節(jié)，設(shè)放于存儲器地址為00H開始的單元處。441．執(zhí)行第一條指令的過程----(1)取第一條指令

J2I2ALUF內(nèi)部數(shù)據(jù)總線ALBL00PLAIDB0HB0HCPUB0H01H04H02HF4H

3E

DB存儲器PC00+1AR……DRIR②①AB③④⑤⑥⑦

讀451)當(dāng)前程序計數(shù)器PC或IP內(nèi)容（00H）送地址寄存器AR。2)PC自動加1，等于01H，指向下一個存儲器單元。這里指向第一條指令的操作數(shù)。3)地址寄存器AR的內(nèi)容00H通過地址總線AB送至存儲器，經(jīng)地址譯碼器譯碼選中相應(yīng)的00H單元。4)CPU發(fā)出存儲器“讀”命令。5)在讀命令的控制下，所選中的00H單元的內(nèi)容讀至數(shù)據(jù)總線DB上。6)讀出的內(nèi)容經(jīng)數(shù)據(jù)總線DB送至數(shù)據(jù)寄存器DR。7)指令譯碼。因為取出來的是指令的操作碼，所以數(shù)據(jù)寄存器DR的內(nèi)容被送至指令寄存器IR中，然后再送至指令譯碼器ID，譯碼后由控制器發(fā)出執(zhí)行這條指令的各種控制命令。取第一條指令

46J2I2ALUF內(nèi)部數(shù)據(jù)總線01HBL01PLAIDIR01HCPUB0H01H04H02HF4H

3E

DB存儲器PC01+1AR……DR②①AB④⑤⑥⑦③AL

讀1．執(zhí)行第一條指令的過程----(2)執(zhí)行第一條指令。

471)將當(dāng)前程序計數(shù)器PC或IP的內(nèi)容01H送至地址寄存器AR。2)PC自動加1，等于02H，這里指向下一條指令，為取下一條指令作準(zhǔn)備。3)地址寄存器AR的內(nèi)容01H通過地址總線AB送至存儲器，經(jīng)地址譯碼器譯碼后選中存儲器01H單元。4)CPU發(fā)出存儲器“讀”命令。5)在讀命令的控制下，所選中的01H存儲單元的內(nèi)容01H讀至數(shù)據(jù)總線DB上。6)讀出的內(nèi)容經(jīng)數(shù)據(jù)總線DB送至數(shù)據(jù)寄存器DR。7)因為經(jīng)過譯碼已經(jīng)知道讀出送到累加器AL，所以數(shù)據(jù)寄存器DR的內(nèi)容01H通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送至累加器AL。于是第一條指令執(zhí)行完畢，操作數(shù)01H被送到累加器AL中。執(zhí)行第一條指令。482．執(zhí)行第二條指令的過程-----(1)取第二條指令。與取第一條指令同2)執(zhí)行第二條指令。I1I2ALUF內(nèi)部數(shù)據(jù)總線03HB03PLAIDIR02HCPUB0H01H04H02HF4H

3E

DB存儲器PC03+1AR……DR②①AB④⑤⑥⑦③A

讀⑧⑨⑩491)將當(dāng)前程序計數(shù)器PC或IP的內(nèi)容03H送至地址寄存器AR。2)PC自動加1，等于04H，這里指向下一條指令，為取下一條指令作準(zhǔn)備。3)AR通過地址總線把地址03H送至存儲器，經(jīng)過譯碼，選中相應(yīng)的單元，4)CPU發(fā)出存儲器“讀”命令。5)在讀命令的控制下，所選中的03H存儲單元的內(nèi)容02H讀至數(shù)據(jù)總線DB上。6)讀出的內(nèi)容經(jīng)數(shù)據(jù)總線DB送至數(shù)據(jù)寄存器DR。7)數(shù)據(jù)寄存器DR的內(nèi)容通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送至ALU的一個輸入端。8)累加器AL中的內(nèi)容01H送ALU的另一個輸入端，在ALU中執(zhí)行加法操作。9)相加的結(jié)果03H由ALU輸出至累加器AL中。執(zhí)行第二條指令503．執(zhí)行第三條指令的過程

第二條指令執(zhí)行結(jié)束后，程序計數(shù)器PC的值為04H，指向第三條指令在存儲器中的首地址，進入第三條指令的執(zhí)行過程。第三條指令的處理與前面完全相同，第三條指令的操作碼F4H（HLT）取出經(jīng)譯碼器譯碼后就停機。整個程序執(zhí)行完畢。511.3單片機及其特點1.3.1單片機的