建電2010微機教案緒論.ppt

1、同學(xué)們，上午好！,單片機原理及應(yīng)用 徐春輝主講,緒論,一、本課程的性質(zhì)和學(xué)習(xí)意義 已經(jīng)學(xué)習(xí)了很多與計算機相關(guān)的課程了（列舉？） 為什么還要學(xué)習(xí) 單片機原理及應(yīng)用 這門課？,一個應(yīng)用實例：,智能建筑中的應(yīng)用實例 也是數(shù)不勝數(shù),是一門非常重要的學(xué)科基礎(chǔ)課,二、與主要先修課程和后續(xù)課程的關(guān)系 主要先修課程：數(shù)字電子技術(shù)、程序設(shè)計； 主要后續(xù)課程：微機控制、可編程序控制器原理及應(yīng)用、DSP原理及應(yīng)用等多門專業(yè)及專業(yè)基礎(chǔ)課 尤其是畢業(yè)設(shè)計中將會較多的用到,三、本門課程的主要內(nèi)容 （學(xué)習(xí)本門課程要達到的目的） 1、了解微型計算機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,2、重點掌握MCS-51系列單片機的原理及應(yīng)用 (1)、

2、 MCS-51系列單片機的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理（包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部引腳） (2)、 MCS-51系列單片機的指令系統(tǒng) (3)、 MCS-51系列單片機的程序設(shè)計 (4)、 MCS-51系列單片機的系統(tǒng)擴展與接口設(shè) 計 (5)、單片機系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試（課程設(shè)計）,四、本課程的特點及學(xué)習(xí)方法 內(nèi)容較多，既牽扯到硬件又牽扯到軟件。許多數(shù)據(jù)、信號等只在單片機內(nèi)部傳輸，比較抽象，而且有些知識前面介紹了要到后面才會 具體用到。因此要求 （1）預(yù)習(xí) （2）認真聽講勤于思考 （3）課后要復(fù)習(xí)，學(xué)習(xí)要反復(fù) （4）多看參考書 （5）多實踐,五、教材與教學(xué)參考書及網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源 教材：單片微型計算機原理及應(yīng)用 姜志海、

3、劉連鑫、王蕾編著 參考書：MCS-51單片機原理及應(yīng)用秦實宏徐春輝主編 單片機原理及其接口技術(shù)(第二版) 胡漢才編著 微型計算機（MCS-51系列）原理、接口及應(yīng)用張慰兮主編 微型計算機原理應(yīng)用鄭學(xué)堅等編 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源：華東交大網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺 校精品課程：微機應(yīng)用原理與接口技術(shù),六、考核問題 考試課（閉卷考試） 成績構(gòu)成：考試成績占70%，平時成績占30% 平時成績包括： 課堂提問與答疑 實驗 作業(yè) 考勤 （不曠課、有事先請假，盡量不請事假，病假以醫(yī)院假條為準。曠課三次，此項目為零，（按校規(guī)，曠課超過三次（總學(xué)時的10分之一）或事假，病假合計超過次（總學(xué)時的三分之一）取消考試資格，）,七、課時安

4、排 總共計劃學(xué)時，其中上機實驗6學(xué)時，實驗室實驗4學(xué)時。,答疑與輔導(dǎo)： 時間：星期四7、8節(jié)課 地點：1056,我的三個目標： 第一、和大家交朋友（一種緣份） 第二、幫助大家實現(xiàn)各自的目標 第三、成為大家都喜愛的好老師. Email: 電話溝通渠道全方位開放，提倡有話當面直說，有問題直接解決。,第一章微型計算機基礎(chǔ),1.1 微型計算機概述 1.2 計算機中的數(shù)和編碼 1.3 微型計算機運算基礎(chǔ) 1.4 微型計算機基本結(jié)構(gòu) 1.5 單片微型計算機概述,返回目錄頁,第一節(jié)微型計算機概述,1.1.1 電子計算機的問世及其經(jīng)典結(jié)構(gòu),1946年2月15日，在美國的賓夕法尼亞大學(xué)

5、，第一臺電子數(shù)字計算機ENIAC問世，這標志著計算機時代的到來。 （CALCULATOR）,ENIAC是電子管計算機，時鐘頻率僅有100 KHz，但能在1秒鐘的時間內(nèi)完成5000次加法運算。(現(xiàn)在是 數(shù)百萬億次/秒浮點運算） 與現(xiàn)代的計算機相比，有許多不足，但它的問世開創(chuàng)了計算機科學(xué)技術(shù)的新紀元，對人類的生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生了巨大的影響 。,21,匈牙利籍數(shù)學(xué)家馮諾依曼在方案的設(shè)計上做出了重要的貢獻。1946年6月，他又提出了“程序存儲”和“二進制運算”的思想，進一步構(gòu)建了計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成這一計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)。,電子計算機技術(shù)的發(fā)展，相繼經(jīng)歷了五個時代： 電

6、子管計算機； 晶體管計算機； 集成電路計算機； 大規(guī)模集成電路計算機； 超大規(guī)模集成電路計算機。 計算機的結(jié)構(gòu)仍然沒有突破馮諾依曼提出的計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)框架。,返回本章首頁,自1946年世界上第一臺數(shù)字計算機ENIAC問世以來，至今的60多年里得到了迅速的發(fā)展和普及。1971年進入了第四代，這一代的電子計算機通常可分為巨型機、大型機、中型機、小型機和微型機五類。微型機是其中應(yīng)用最廣、發(fā)展最快的一類，它與其他幾類計算機在基本結(jié)構(gòu)和工作原理上沒有本質(zhì)差別，只是在體積、性能和應(yīng)用方面 有所不同。第五代計算機正在研究之中。,1.1.2 微型計算機的組成及其應(yīng)用形態(tài) 一、微型計算機的組成,1971年1月

7、，INTEL公司的特德霍夫在與日本商業(yè)通訊公司合作研制臺式計算器時，將原始方案的十幾個芯片壓縮成三個集成電路芯片。其中的兩個芯片分別用于存儲程序和數(shù)據(jù)，另一芯片集成了運算器和控制器及一些寄存器，稱為微處理器（即Intel 4004）。,微處理器、存儲器加上I/O接口電路組成微型計算機。各部分通過地址總線（AB）、數(shù)據(jù)總線（DB）和控制總線（CB）相連。,(一)微處理器、微型計算機、微型計算機系統(tǒng) 隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，一塊集成電路芯片可以包含幾十萬到幾百萬個晶體管電路，計算機的大部分功能電路都可以集成在一個芯片內(nèi)，這就出現(xiàn)了所謂的微處理器芯片。以微處理器芯片為核心構(gòu)成的計算機就是微型計算機

8、。,1微處理器 微處理器(Microprocessor)，簡稱為MPU，是一個由算術(shù)邏輯運算單元、控制器單元、寄存器組及內(nèi)部系統(tǒng)總線等單元組成的大規(guī)模集成電路芯片。它不僅是構(gòu)成微型計算機、微型計算機系統(tǒng)的核心部件，也是構(gòu)成多微處理器系統(tǒng)和現(xiàn)代并行結(jié)構(gòu)計算機的基礎(chǔ),2微型計算機 微型計算機又簡稱為微型機。它是以微處理器芯片為核心，配上內(nèi)存儲器芯片、IO (InputOutput)接口電路芯片以及相應(yīng)的輔助電路構(gòu)成的裝置。,3微型計算機系統(tǒng) 微型計算機系統(tǒng)是以微型計算機為主體，配上輸入設(shè)備、輸出設(shè)備，外存儲設(shè)備、電源機箱以及基本系統(tǒng)軟件組成的系統(tǒng),(二)微型計算機的分類 微型計算機可以從不同角度分

9、類如下。 1按組裝形式和系統(tǒng)規(guī)模分類,(1)單片微型計算機(Single Chip Microcomputer) 單片微型計算機又稱為單片機，它是一種將CPU單元、部分存儲器單元、部分IO接口單元以及內(nèi)部系統(tǒng)總線等集成在一片大規(guī)模集成電路芯片內(nèi)的計算機。它具有完整的微型計算機的功能。單片機具有體積小、可靠性高、成本低等特點，廣泛應(yīng)用于儀器、儀表、家電、工業(yè)控制等領(lǐng)域。,(2)單板微型計算機(Single Board Microcomputer) 單扳微型計算機即單扳機，它是一種將微處理器，存儲器、IO接口電路簡單外設(shè)(鍵盤 數(shù)碼顯示器)以及監(jiān)控程序等安裝在同一塊印刷電路板上構(gòu)成的計算機。,單板

10、機的I/O設(shè)備簡單，軟件資源少，使用不方便。早期主要用于微型計算機原理的教學(xué)及簡單的測控系統(tǒng)，現(xiàn)在已很少使用,(3) 多板機（系統(tǒng)機） 將CPU、存儲器、I/O接口電路和總線接口等組裝在一塊主機板（即微機主板）上，再通過系統(tǒng)總線和其它多塊外設(shè)適配板卡連接鍵盤、顯示器、打印機、軟/硬盤驅(qū)動器及光驅(qū)等設(shè)備。各種適配板卡插在主機板的擴展槽上并與電源、軟/硬盤驅(qū)動器及光驅(qū)等裝在同一機箱內(nèi)，再配上系統(tǒng)軟件，就構(gòu)成了一臺完整的微型計算機系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)機）。 PC機 就屬于典型的多板機。 工業(yè)PC機 （工控機）也屬于多板機。,微型計算機的應(yīng)用形態(tài),系統(tǒng)機（桌面應(yīng)用）屬于通用計算機，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理、辦公自

11、動化及輔助設(shè)計。 單片機（嵌入式應(yīng)用）屬于專用計算機，主要應(yīng)用于智能儀表、智能傳感器、智能家電、智能辦公設(shè)備、汽車及軍事電子設(shè)備等應(yīng)用系統(tǒng)。 單片機體積小、價格低、可靠性高，其非凡的嵌入式應(yīng)用形態(tài)對于滿足嵌入式應(yīng)用需求具有獨特的優(yōu)勢。,2按微處理器位數(shù)分類 微處理器的位數(shù)是由運算器能并行處理的二進制位數(shù)所決定的。具有不同處理位數(shù)的微處理器，其性能不同，處理器位數(shù)越多，性能就越強。,(1)8位微機 以8位微處理器為核心的微機。如早期的z80單板機、IBM PC機、MCS5l系列單片機等。 8位微機主要應(yīng)用于字符信息處理、簡單的工業(yè)控制領(lǐng)域， 但8位微機無法勝任高速運算和大容量的數(shù)據(jù)處器。,(2)

12、16位微機 以16位微處理器為核心的微機。如PCAT個人計算機、MCS96單片機等 16位微機比 8位微機具有更高的運算速度，更強的處理功能，并可用于實時的多任務(wù)處理，因而應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛,(3)32位微機 以32位微處理器為核心的微機。如386、486等個人計算機。目前，32位微機的功能已達到并超過早期的小型機，它能綜合處理數(shù)字、圖形、圖像、聲音等多媒體信息。 廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理、科學(xué)計算、CADCAM、實時控制。多媒體等多個領(lǐng)域.,(4)64位微機 以64位微處理器為核心的微機，如DEC的Alpha21164等。由這類微處理器組成的微機是迄今速度最快、功能最強的微機。,1.1.3微型計算機

13、系統(tǒng)的主要性能指標 評價計算機的性能指標是一個復(fù)雜的問題，早期只局限于字長、運算速度和存儲容量三大指標實際上，只考慮這三大指標是很不夠的，目前應(yīng)該考慮的因素有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件組成、系統(tǒng)總線、外部設(shè)備以及軟件配置等。具體有以下幾個技術(shù)指標。,1主頻(或時鐘周期)和指令執(zhí)行時間 主頻是微型計算機的主要性能指標之一，主頻很大程度上決定了微型機的運算速度，主頻的單位是兆赫茲(MHz)。 指令執(zhí)行時間是指計算機執(zhí)行一條指令所需的平均時間，其長短反映了計算機運行速度的快慢。它一方面取決于微處理器的時鐘頻率(主頻)，另一方又取決于計算機指令系統(tǒng)的設(shè)計、CPU的體系結(jié)構(gòu)等。微處理器指令執(zhí)行速度表示為每秒運行多少

14、百萬條指令MIPS(Millions of Instructions Per Second)。,2字長 微型計算機的字長是指微處理器內(nèi)部一次可以并行處理的二進制代碼的位數(shù)。它與微處理器內(nèi)部的寄存器以及CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)總線是一致的。微機字長有4位、8位、16位、32位、64位等。字長與下述參數(shù)有關(guān)： 運算精度。字長越長，運算精度越高在完成同樣精度的運算時，字長較長的計算機比字長較短的計算機運算速度快。 指令長度。字長決定了指令的信息位長度，指令信息位長度直接影響到指令的處理功能。,3存儲容量 存儲容量星衡量微型計算機內(nèi)部存儲器能存儲二進制信息量大小的一個技術(shù)指標。通常把8位二進制代碼稱為一個字節(jié)(

15、byte)，16位二進制代碼稱為一個字(word),把32位 二進制代碼稱為一個雙字。存儲容量一般以字節(jié)為最基本的計量單位 一個字節(jié)記為1B 1024個字節(jié)記為1KB，1024K字節(jié)記為1MB，1024M字節(jié)記為1GB， 而1024G字節(jié)記為1TB。即 1KB1024B( ) 1MB1024KB( ) 1GB1024MB( ) 1TB1024GB( ) 目前，微型計算機內(nèi)存容量一般配置為幾百KB到幾百MB，配置的最大內(nèi)存容量受限于微處理器所能尋址的物理地址空間范圍。一個微機系統(tǒng)內(nèi)存的實際配置根據(jù)其用途、成本或價格等多種因素來決定。,4系統(tǒng)總線 系統(tǒng)總線是連接微機系統(tǒng)各功能部件的公共數(shù)據(jù)通道，其

16、性能直接關(guān)系到微機系統(tǒng)的整體性能。 5外部設(shè)備配置 在微機系統(tǒng)中，外部設(shè)備占據(jù)了重要地位。計算機信息的輸入、輸出、存儲等都必須由外設(shè)來完成。 6系統(tǒng)軟件配置 系統(tǒng)軟件也是計算機系統(tǒng)不可缺少的組成部分。軟件功能的強弱，是否支持多任務(wù)、多用戶操作等都是微機硬件系統(tǒng)性能能否得到充分發(fā)揮的重要因素。 7性能價格比,1.1.4、微型機計算機的發(fā)展概況,1.科學(xué)計算 2.數(shù)據(jù)處理和信息管理 3. CAD、CAM、CAA和CAI 4.過程控制和儀器儀表 5.軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用 6.多媒體系統(tǒng)和信息高速公路 7.家用電器和家庭自動化,1.1.5微型計算機的應(yīng)用,返回本章首頁,第二節(jié)計算機中的數(shù)和編碼,1.2.1

17、 計數(shù)制 1.2.2 二進制數(shù)（用B表示） 1.2.3 十六進制數(shù)（用H表示） 1.2.4 不同進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換 1.2.5 數(shù)制書寫約定 1.2.6 計算機中數(shù)的表示 1.2.7 計算機常用編碼,返回本章首頁,1.2.1 計數(shù)制,日常生活中廣泛使用的數(shù)為十進制數(shù)，這是一種逢十進一的計數(shù)方法。用的數(shù)制還有二進制、八進制和十六進制等。 基數(shù)小于10的計數(shù)制，可用十進制相應(yīng)的數(shù)碼作為它的數(shù)字符號，一個數(shù)一般由多個數(shù)碼組成。數(shù)碼在數(shù)中的位置不同，其值也不同。,返回本節(jié),1. 2.2 二進制數(shù)（用B表示）,以2為基數(shù)的數(shù)制稱為二進位計數(shù)制，它只包括0和1兩個數(shù)碼，很容易用電子元件的兩種不同的狀態(tài)來表示

18、，例如，用高電平表示1，用低電平表示0。所以，計算機中通常采用二進制數(shù)。 二進制數(shù)的計數(shù)特征：逢二進一，運算簡單。 在加、減、乘、除四則運算中，乘法實質(zhì)上是做移位加法，除法則是移位減法。,返回本節(jié),1. 2.3 十六進制數(shù)（用H表示）,為了書寫和閱讀方便，經(jīng)常采用十六進制數(shù)作為二進制的縮寫形式。十進制數(shù)、二進制數(shù)、十六進制數(shù)的對照表如表1-1所示。 在計數(shù)時，逢十六進一，這樣書寫長度短，且可方便將十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)或?qū)⒍M制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)。,表1-1 十進制數(shù)、二進制數(shù)、十六進制數(shù)對照表,返回本節(jié),1. 2.4 不同進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換,1二進制轉(zhuǎn)換為十進制 基本方法：將二進制數(shù)按權(quán)展開

19、式，利用十進制數(shù)的運算法則求和，即可得到等值的十進制數(shù)。,2十進制到二進制的轉(zhuǎn)換 l 十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制整數(shù) l 十進制小數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制小數(shù) l 帶小數(shù)的十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù),3二進制、十六進制之間的相互轉(zhuǎn)換 將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)，從低位開始，每四位一組，然后將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的十六進制數(shù)。如最后一組不足四位，需在左邊補0。 用同樣方法可將二進制小數(shù)轉(zhuǎn)換十六進制小數(shù)。只是分組應(yīng)從小數(shù)點右邊開始分成四位一組。 十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)，將每位十六進制數(shù)直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的二進制數(shù)。,返回本節(jié),1. 2.5 數(shù)制書寫約定,在書寫計算機程序時，一般不用基數(shù)作為下標來區(qū)分各種進制，而是用相應(yīng)的英文

20、字母作后綴來表示各種進制的數(shù)。 例如：B（Binary）表示二進制數(shù)。 D（Decimal）表示十進制數(shù)，一般D可省略，即無后綴的數(shù)字為十進制數(shù)。 H（Hexadecimal）表示十六進制數(shù)。,返回本節(jié),1. 2.6 計算機中數(shù)的表示,1原碼、反碼和補碼(機器數(shù)與真值) l原碼：在符號位中用0表示正、用1表示負的二進制數(shù)，稱為原碼。例如， x1=1110111B， x1原=01110111B x2=1110111B， x2原=11110111B 數(shù)0可是0或0。因此，0在原碼中形式： 0原=0000 0000B， 0原=1000 0000B,l 反碼：正數(shù)的反碼=原碼；負數(shù)的反碼=原碼的符號位

21、不變而數(shù)值按位取反。所謂按位取反，即將各位的1變成0，0變成1。 例如，x1=13， x1反=13原=0 0001101B 。 又如，x2=13， x2原=13原=1 0001101B， x2反=13反=1 1110010B。,l補碼：正數(shù)的補碼=原碼；負數(shù)的補碼=反碼1。 例如，x1=1101101B， x1補=13原=0 1101101B 。 又如， x2=1101101B， x2反=10010010B， x2補=10010011B。 在補碼表示中，“0”是唯一的。即0補=00000000B,2數(shù)的小數(shù)點表示方法 l定點表示法：表示小數(shù)點的位置是固定不變的。分為純整數(shù)和純小數(shù)兩類。,純整數(shù)

22、表示方法,純小數(shù)表示方法,其格式如下所示：,0 110 0100 = +110 0100.,0 110 0100 = +0.110 0100,l 浮點表示法 浮點表示法中小數(shù)點的位置是不固定的。 如D= 125 = 0.125103 = 1. 25102 同樣，任意二進制數(shù)N一般可表示為：N=2PS 如：1101B = 2100B0.1101B 一個浮點數(shù)分為階碼和尾數(shù)兩部分，二者各有表示正負的階符和數(shù)符，常用存儲格式：,在微計算機中常用的浮點數(shù)表示有： （1）四字節(jié)浮點數(shù)格式（如圖1-2所示），它由一個字節(jié)指數(shù)（EXP）、三個字節(jié)尾數(shù)構(gòu)成，共用四個存儲單元。 （2）三字節(jié)浮點數(shù)格式（如圖1-

23、3所示）。,圖1-2 四字節(jié)浮點數(shù)格式,圖1-3 三字節(jié)浮點數(shù)格式,D7 D6 D5D0,返回本節(jié),1. 2.7 計算機常用編碼,常見的編碼有BCD碼、ASCII碼等。 1二 十進制編碼 是一種用二進制編碼的十進制數(shù)，稱BCD碼。BCD碼用標準的8421的純二進制碼的十六個狀態(tài)中的十個（如表1-2所示）。 用BCD碼表示十進制數(shù)，只要將每位十進制數(shù)用適當?shù)乃奈欢M制碼代替即可。,表1-2 BCD編碼,2字母和符號的編碼 微機普遍采用的是ASCII碼（如表1-3所示）。ASCII碼是一種八位代碼，最高位一般用于奇偶校驗，其余七位二進制碼對128個字符進行編碼。,表1-3 ASCII(美國標準信息

24、交換碼)表,返回本節(jié),第三節(jié) 微型計算機運算基礎(chǔ) 一、二進制數(shù)的運算 微型計算機中的運算分為兩類; 一類是算術(shù)運算，包括加、減、乘、除 另一類是邏輯運算，包括邏輯乘、邏輯加、邏輯非和邏輯異或等。,(一)算術(shù)運算 1二進制加法 二進制數(shù)的加法運算規(guī)則如下： 0000+11 1十01 1十10(進位1) 2二進制減法 二進制數(shù)的減法運算規(guī)則如下： 000101110011(有借位) 3二進制乘法 二進制數(shù)的乘法規(guī)則如下；,3二進制乘法 二進制數(shù)的乘法規(guī)則如下；,例110 設(shè)有兩個4位二進制數(shù) x1101B，y=101lB， 試求,解 二進制數(shù)的乘法與十進制數(shù)的類似- 被乘數(shù)左移和部分積相加的算法（

25、傳統(tǒng)）： 被乘數(shù) 1101 X) 乘數(shù) 1011 1101 第一次部分積 1101 第二次部分積 0000 第三次部分積 1101 第四次部分積 100011l 1 B 這種算法很簡單，但實現(xiàn)這種算法的重復(fù)性差，所需的硬件開銷大，不便于在機器中實現(xiàn)。在計算機中是采用硬件開銷不大的算法求積。,下面介紹一種常用的“部分積右移”的乘法算法：,設(shè)被乘數(shù)，乘數(shù)，“部分積右移”的算法如下： (1)開始部分積為0。 (2)檢查乘數(shù)最低位的狀態(tài)。如為1，則將部分積加被乘數(shù)得新部分積如為0，則新部分積即為原部分積 (3)新部分積及乘數(shù)各右移1位(它們的最低位從右邊移出，不再參加運算)。 (4)重復(fù)2及3的步驟，

26、直到乘數(shù)最高位運算完畢。 “部分積右移”的乘法算法的流程如圖1-2所示。,4. 二進制除法 除法是乘法的逆運算，二進制除法也可轉(zhuǎn)化為移位與減法來實現(xiàn)。,(二)邏輯運算 1邏輯乘運算 邏輯乘又稱邏輯與，常用“”算符表示。邏輯乘運算法則為： 00=0 10= 0 01= 0 11=1 2邏輯或運算 邏輯或運算又稱邏輯加，常用算符“V”表示。邏輯或的運算規(guī)則為： 0V 0=0 lV0=l 0V1=1 1Vl=1 3邏輯非運算 邏輯非運算又稱邏輯取反，常采用“”運算符表示。運算規(guī)則為：,4邏輯異或 邏輯異或又稱為半加，是不考慮進位的加法，常采用算符表示。邏輯異或的運算規(guī)則為：,（三）、補碼運算 1.

27、補碼的物理定義 （1） 模的概念 首先以日常生活中經(jīng)常遇到的鐘表為例來說明補碼的概念。假定現(xiàn)在是北京標準時間2時整，而一只表卻指向3時整。為了校正此表，可以采用倒拔和順拔兩種方法。倒拔就是反時針減少1小時(把倒拔視為減法，相當于3-12)，時針指向2。還可將時針順拔11時，時鐘同樣也指向2。把順拔視力加法，相當3+1112(自動丟失)+22。這自動丟失的數(shù)(12)就叫做模(mod)，即個系統(tǒng)的量程或此系統(tǒng)所能表示的最大數(shù)。上述的加法就稱為“按模12的加法”，用數(shù)學(xué)式可表示為： 3+11=2(mod l2) 因時針轉(zhuǎn)一圈會自動丟失1個數(shù)12、故3-2與3+11是等價的。稱11和1對模12互補，1

28、1是1對模12的補碼。引進補碼的概念后，就可將原來的減法3-21轉(zhuǎn)化為加法3+112（mod 12)。,（2）補碼的定義 在字長為n的計算機中，數(shù) 和0的表示形式一樣。若機器中的數(shù)以補碼表示，則數(shù)的補碼以 為模。 即： 由式上式可知， 若X為正數(shù)，則X補X； 若X為負數(shù)，則 即負數(shù)X的補碼等于模 加上其真值或減其真值的絕對值。,2. 求補碼的方法 (1)根據(jù)定義求補碼 鐘表往回撥一格與往前撥十一格是否一樣？ (2)根據(jù)原碼求補碼,值得指出，二進制數(shù)既然可用十六進制數(shù)表示，那么二進制數(shù)的補碼也可通過十六進制原碼計算得到。若X原為8位，則,特別要指出，在計算機中凡是帶符號的數(shù)一律用補碼表示且符號參

29、加運算，其運算結(jié)果也是用補碼表示。若結(jié)果的符號位為“o”，則表示結(jié)果為正數(shù)，此時可以認為它是以原碼形式表示的(正數(shù)的補碼即為原碼)；若結(jié)果的符號位為“1”，則表示結(jié)果為負數(shù)，它是以補碼形式表示的。若要用原碼來表示該結(jié)果，還需要對結(jié)果求補(即除符號位以外各位“取反末位加 1”)即,3、補碼運算 （1）、補碼的加法 設(shè)x和Y是兩個帶符號的補碼數(shù)，則有： 即兩個數(shù)和的補碼等于兩個數(shù)補碼的和,（2）、補碼的減法 兩個帶符號數(shù)相減，有如下基本公式； XYX十(一Y) 即兩數(shù)差的補碼等于被減數(shù)的補碼及減數(shù)相反數(shù)的補碼之和。也說明了在補碼運算中，減法運算可以用加法來代替。,這里關(guān)鍵在于求 。 如果已知 ，那

30、么對于 的每一位(包括符號位)都按位求反，然后再加l，結(jié)果即為 。 稱 為對 “變補”，即 它有別于 。 已知 ，求 的過程叫求補，已知 ，求 的過程叫變樸。這一概念要清楚。,值得注意的是： 在微型計算機中，帶符號數(shù)都是以補碼形式存放的根據(jù)指令，這些數(shù)可以進行加法運算，也可以進行減法運算，但在實際機器中只有加法器，減法運算也是通過加法運算來完成的，且運算結(jié)果也是用補碼表示的。由于計算機的字長有一定范圍，所以一個帶符號數(shù)也是有一定范圍的。,由表可以看出，8位二進制數(shù)的原碼和反碼形式所表示的數(shù)的范圍都是一127一十127，而補碼表示的數(shù)的范圍是一128一+127。 當兩個帶符號位的一進制數(shù)進行補碼

31、運算時，若運算結(jié)果的絕對值超過了這個范圍，數(shù)值部分便會占據(jù)符號位的位置，從而造成運算錯誤，這就是溢出。,返回本章首頁,回憶一下數(shù)字電路中的半加器和全加器的結(jié)構(gòu)和原理是不是以全加器為基礎(chǔ)就可以實現(xiàn)這些運算了？ 復(fù)雜運算都可由四則運算實現(xiàn)（數(shù)值計算課程解決）由此有了運算器的基礎(chǔ) 更高級計算機算法由硬件實現(xiàn),第四節(jié) 微型計算機的基本結(jié)構(gòu) 及其工作原理 自從1945年由馮諾依曼(John Von Neumann)提出“存儲程序”工作原理以來，迄今為止，不論是巨型機、大型機、中型機、小型機還是微型機都遵循這個原理，存儲程序計算機的工作原理可以歸納為三點： （1）計算機是通過執(zhí)行程序來完成指定的任務(wù)； （

32、2）程序在執(zhí)行之前存放在計算機的存儲部件中； （3）程序不需要人工干預(yù)而自動執(zhí)行。,馮諾依曼型計算機的基本組成如下圖所示,一、微型計算機基本構(gòu)成,(一)存儲器 這里的存儲器是指內(nèi)存儲器。微機的內(nèi)存儲器通常采用半導(dǎo)體存儲器。 1隨機存取存儲器與只讀存儲器 存儲器除了前面所介紹的按存儲器的空間位置不同可分為內(nèi)存和外存外，還可根據(jù)其性能分為隨機存儲器RAM(Random Access Memory)和只讀存儲器ROM(Read Only Memory)兩大類。,2隨機存取存儲器RAM的組成 3.隨機存取存儲器的基本操作 RAM的基本操作是讀操作和寫操作。 注意：存儲單元地址與其內(nèi)容是兩類不同的 數(shù)據(jù)

33、，不能相混淆。,(二)微處理器 微處理器亦稱做處理機，它是微機的中央處理部件。 CPU包括運算器和控制器兩部分，其作用是從存儲器中取出指令并對其進行分析，產(chǎn)生相應(yīng)的微操作(最基本而又簡單的邏輯功能動作)序列，向存儲器或IO設(shè)備寫入數(shù)據(jù)或從存儲器或I0設(shè)備讀出數(shù)據(jù)、執(zhí)行算術(shù)和邏輯操作、處理數(shù)據(jù)、識別外設(shè)的中斷請求信號井作出適當?shù)捻憫?yīng),1運算器 運算器用于對二進制數(shù)進行算術(shù)和邏輯運算，其操作過程是在控制器控制下進行的。運算器由算術(shù)邏輯單元ALU，累加器A、通用寄存器R、皙存器TMF和狀態(tài)寄存器FSW等五部分組成。 累加器A(Accumulator)是一個具有輸人輸出能力的八位移位寄存器，由八個觸發(fā)

34、器組成。累加器A在加法前用于存放一個操作數(shù)，加法操作后用于存放兩數(shù)之和，以便再次累加，因此得名 TMP(Temporary Register)為暫存器，也是一個八位寄存器，用于暫存另一操作數(shù)。,ALU(Arithmctic And Logical Unit)為算術(shù)邏輯單元，主要由加法器，移位電路和判斷電路等 組成，用于對累加器A和暫存器TMP中兩個操作數(shù)進行四則運算和邏輯操作。操作過程中形成的狀態(tài)，例如：累加器A中的運算結(jié)果是否為零、最高位是否有進位或借位、低四位向高四 位是否有進位或借位等等，都可以記錄到狀態(tài)寄存器PSW(Program Status Word)中去。 R0為通用寄存器 GR

35、(General Purpose Register)，用于存放操作數(shù)或運算結(jié)果。,2控制器 計算機是根據(jù)事先存儲的程序?qū)θ珯C實行控制的，而程序是指能實現(xiàn)某一功能的指令序列?？刂破骶褪歉鶕?jù)指令來對各種邏輯電路發(fā)布命令的機構(gòu)，它是計算機的指揮中心?？刂破饔芍噶畈考r序部件和微操作控制部件等三部分組成。 (1)指令部件 指令部件是一種能對指令進行分析、處理和產(chǎn)生控制信號的邏輯部件，也是控制器的核心。通常，指令部件由程序計數(shù)器 PC(Program Counter)、指令寄存器IR(1nstruction Register)和指令譯碼器ID(1nstructionDecodcr)等三部分組成。,指令

36、是一 種能供機器執(zhí)行的二進制控制代碼，有操作碼和地址碼兩部分。指令不同，相應(yīng)的代碼長度也不一樣。因此，指令可分為單字節(jié)指令、雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令等等。指令和數(shù)據(jù)都是以二進制代碼的形式存放在存儲單元內(nèi)的，從存儲單元的內(nèi)容區(qū)分不出指令與數(shù)據(jù)，為此在控制器中設(shè)置一個專門寄存器用來存放當前要執(zhí)行的指令在存儲器中的位置信息 (即存儲器地址)，以便根據(jù)此地址去讀取指令，這個寄存器就是程序計數(shù)器PC。由于程序在存儲器中是按順序進行存放當順序執(zhí)行指令時，每執(zhí)行一條指令，微操作控制電路輸出“加 l”信號，PC就自動加1，為順序地取下一條指令作好準備，這就使計算機能自動、連續(xù)地工作當執(zhí)行轉(zhuǎn)移類指令時，微操作控制

37、電路不輸出“加1”信號，而輸出相應(yīng)的控制信號，將轉(zhuǎn)移地址送人PC中，從而實現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移。在八位微處理器MPU中，程序計數(shù)器PC通常為十六位。,指令寄存器IR用來暫時存放從存儲器中取出的當前要執(zhí)行指令的指令碼。該指令碼在IR中得到寄存和緩沖，被送到指令譯碼器ID中譯碼后就知道該指令進行哪種操作，并在時序部件幫助下去推動微操作控制部件完成指令的執(zhí)行。 指令譯碼器ID的作用是對指令操作碼進行分析，在其輸出端產(chǎn)生各種控制電平，以形成相應(yīng)的微操作，用以實現(xiàn)指令執(zhí)行過程中所需要的功能控制。,(2)時序部件 由時鐘系統(tǒng)和脈沖分配器組成，用于產(chǎn)生微操作控制部件所需的定時脈沖信號。其中，時鐘系統(tǒng)(ClockSy

38、stem)產(chǎn)生機器的時鐘脈沖序列，脈沖分配器(PluseDistributor)又稱節(jié)拍發(fā)生器，用于產(chǎn)生節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖。,(3)微操作控制部件 可以為ID輸出信號配上節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖，也可和外部進來的控制信號組合，共同形成相應(yīng)的徽操作控制序列，按照嚴格的先后順序執(zhí)行指令譯碼器給出的各種徽操作，以完成規(guī)定的操作。,(三)輸人輸出設(shè)備及其接口電路 微機的輸入輸山設(shè)備亦稱外部設(shè)備，簡稱I0設(shè)備。如鍵盤、盒式磁帶機、軟盤驅(qū)動器、硬盤驅(qū)動器、打印機、紙帶閱讀機等。為了使這些IO設(shè)備能與CPU交換信息，并對它們進行輸入輸出控制，必須要有輸入輸出接口電路，簡稱IO接口電路。微機的IO接口電路都已作成獨

39、立的大規(guī)模集成電路芯片，常用的IO接口電路芯片有如下4種：,1并行輸入輸出接口電路 (Parallel Input Output Controller)： 通常做成可編程的8位通用的接口電路，只要編制不同的程序就可適用于不同的場合。例如它既可以作為鍵盤輸入接口又可作為打印機的輸出接口電路。,2串行輸入輸出接口電路 (Serial InputOutput Controller)： 有很多外部設(shè)備，由于動作速度較慢，或者離主機較遠，往往采用串行數(shù)據(jù)傳送方式，它只需要一對通信線就可傳送各種信號。串行接口電路能把計算機的并行信息轉(zhuǎn)變?yōu)榇行畔l(fā)送出去，也能把從通信線上收到的串行信息轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿行畔⑻峁┙o

40、計算機。,3計數(shù)定時電路(Counter TimerCircuit)；通常也做成可編程序的接口電路，可用程序設(shè)定的方法實現(xiàn)計數(shù)及定時功能。 4直接存儲器存取接口電路(DirectMemoryAccess）：它提供存儲器和I / O設(shè)備間不經(jīng)CPU控制而直接傳送數(shù)據(jù)的功能。,(四)地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線 微型機在結(jié)構(gòu)形式上采用了總線結(jié)構(gòu)所有的部件都通過一組公共的、具有邏輯控制功能的信號線聯(lián)系起來，各部件之間的數(shù)據(jù)和信號都通過此信號線傳送。通常將多個裝置或部件連接起來并傳送信息的公共通道稱為總線(Bus)。總線實際上是印刷電路板上的組傳輸信號的短路線，這組線的數(shù)目則取決于微處理器本身的結(jié)構(gòu),

41、總線結(jié)構(gòu)的信息傳輸,總線結(jié)構(gòu)符號圖,總線通常有三種類型： 1數(shù)據(jù)總線(Data Bus，簡稱DB) 用來在微處理器和存儲器以及輸入輸出接口之間傳送數(shù)據(jù)，例如；從存儲器中取數(shù)據(jù)到CPU，把運算結(jié)果從CPU送到外部輸出設(shè)備等通常微處理器的位數(shù)和外部數(shù)據(jù)總線的位數(shù)一致。數(shù)據(jù)總線是雙向的，即數(shù)據(jù)可從CPU傳出，也可以從外部送入CPU。,2.地址總線(AddressBus，簡稱AB) AB也叫地址母線，因其上僅傳送MPU的地址碼而得名。當微處理器MPU和存儲器或 外部設(shè)備交換信息時，必須指明要和哪個存儲單元或哪個外部設(shè)備交換因此，地址總線AB必須和所有存儲器的地址線對應(yīng)相連，也必須和所有I0接口設(shè)備碼線

42、相連。這樣，當微處理器MPU對存儲器或外設(shè)讀寫數(shù)據(jù)時，只要把存儲單元地址碼或外設(shè)的設(shè)備碼送到地址總線上便可選中工作。地址總線由所選CPU型號決定，地址總線的數(shù)目決定了CPU可以直接訪問的內(nèi)存儲器的單元數(shù)目。地址總線是單向的，即數(shù)據(jù)從CPU傳出到存儲器或外設(shè)，在八位機中，它通常為16根，CPU可直接訪問的內(nèi)存儲器的單元數(shù)目為64KB(字節(jié))。,3控制總線(Control Bus，或CB) 控制總線可以傳送CPU送出的控制信號，也可以傳送其他部件輸入到微處理器的信號。對于每一條具體的控制線，信號的傳送方向則是固定的，不是輸入到CPU就是從CPU輸出?？刂瓶偩€的數(shù)目與微處理器的位數(shù)沒有直接關(guān)系，一般

43、受引腳的限制，控制總線的數(shù)目不會太多。 微型計算機采用總線結(jié)構(gòu)，使之在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上簡單、規(guī)則，易于擴展，其他的功能部件只要符合總線的規(guī)范，就可以接人系統(tǒng)，從而擴展系統(tǒng)的功能。但采用總線結(jié)構(gòu)后，在每一時刻，一種總線上只能有一組信號，這對提高計算機的運行速度不利。 微型計算機的外部結(jié)構(gòu)特點是三總線結(jié)構(gòu)，所有部件都通過三組總線分別傳送各類信息。 而CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點是單總線結(jié)構(gòu)，即CPU內(nèi)部的所有部件都通過一組總線來傳送各種信息。,二、指令執(zhí)行過程 (一)指令和指令格式 程序就是一系列按一定順序排列的指令 指令就是指揮機器工作的指示和命令，計算機中的控制器靠指令指揮機器工作，人則用指令表達自己的意圖

44、。 指令系統(tǒng)：一臺計算機所能執(zhí)行的各種不同指令的集合叫做計算機的指令系統(tǒng)。每一臺計算機均有白己特定的指令系統(tǒng)。這個系統(tǒng)反映廠計算機的基本功能，是在設(shè)計計算機時規(guī)定下來的。,一條指令通常包括兩方面的內(nèi)容：一是指出機器執(zhí)行什么樣的操作，二是指出操作數(shù)在存儲器或通用寄存器組的地址，即給出操作數(shù)地址。在計算機中，操作數(shù)和操作數(shù)地址都是用二 進制數(shù)碼表示的，分別稱為擇作碼和地址碼即一條指令的基本格式如下： 整條指令以二進制編碼的形式存放在存儲器中，此條指令的二進制編碼稱為指令的機器代碼或簡稱指令碼,(二)指令執(zhí)行過程 為弄清微型計算機指令的執(zhí)行過程，現(xiàn)以如下的 x2+3求和程序來說明。 7402H MO

45、V A，#02H；A 2 2403H ADD A，#03H；A 3+2,1第一條指令的執(zhí)行討程,三、微型計算機系統(tǒng)的組成,返回本章首頁,第五節(jié) 單片微型計算機概述 在微型計算機發(fā)展的同時，1974年出現(xiàn)了位片式(BitSlice)微處理器和單片微型計算機，即單片機。它是一種將CPU單元、部分存儲器單元、部分IO接口單元及內(nèi)部系統(tǒng)總線集成在同一片大規(guī)模集成電路芯片內(nèi)的計算機，由于它的結(jié)構(gòu)和指令功能都是按照工業(yè)控制要求設(shè)計的，故又叫微控制器(Microcontroller)。它的出現(xiàn)為智能化儀器儀表開辟了廣闊道路。對于運算不太復(fù)雜，數(shù)據(jù)量不大的應(yīng)用，往往用一片單片機再加適當?shù)能浖屯獠吭O(shè)備就能滿足

46、控制或測量的要求，從而使硬件電路更為簡化，造價更為低廉。因此，它也是一種應(yīng)用廣泛、生命力強大的機種。,一、單片機的發(fā)展歷史 單片機的發(fā)展與微機的發(fā)展大體上同步，主要經(jīng)歷了以下幾個階段： 第一階段(1974年1976年)為單片機的初級階段，因受工藝和集成度的限制，單片機采用雙片形式。 第二階段(1976年一1978年)為低性能的8位單片機階段。 以Intel公司于1976年生產(chǎn)的MCS 48為代表 第三階段(1978年一1983年)為高性能8位單片機階段。 以Intel公司的MCS51系列為代表 第四階段(1983年)為8位單片機鞏固發(fā)展及16位單片機推出階段。此階段的主要特征是 一方面發(fā)展16

47、位單片機(如Intel公司的MCS96)及專用單片機；另一方面不斷完善高檔8位片機，改善其結(jié)構(gòu)，以滿足不同的用戶需求。,二、單片機的發(fā)展趨勢 近幾年來，單片機的發(fā)展速度很快，縱觀各個系列的單片機產(chǎn)品的特性，可以看出單片機正朝著高性能、多品種的方向發(fā)展。 1CPU功能增強 2內(nèi)部資源增多 所謂單片機內(nèi)部資源是指它內(nèi)部的存儲器容量和常用IO電路的種類和數(shù)量。目前，單片機內(nèi)部的ROM容量已達32KB，RAM已達1KB，還有掉電后信息能保護的E2PROM存儲器，同時還將一些常用的IO接口電路集成到單片機內(nèi)部，如并行和串行口、AD和DA轉(zhuǎn)換器、DMA通道等。這樣便大大減少了單片機的外接電路，使大多數(shù)單片

48、機應(yīng)用系統(tǒng)體積小可靠。,3使用多功能引腳 隨著單片機內(nèi)部資源的增多，所需的引腳也相應(yīng)增加。為了減少引腳數(shù)量，提高應(yīng)用的靈活性，單片機中普遍使用多功能引腳，即一個引腳有多種功能供用戶選擇。 4尋址范圍大 許多高性能的單片機不但內(nèi)部存儲器容量增大了，而且擴大了CPU的尋址范圍，存儲空間達64KB一16MB，從而提高了系統(tǒng)的擴展能力。 5低功耗和低電壓 普遍采用CHMOS制造工藝，同時增加空閑等待方式和掉電(停機)方式，極大地降低了 單片機的功耗。,三、單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 單片機內(nèi)部包括計算機的基本功能部件，典型的單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖110所示。,四、典型單片機產(chǎn)品 目前，單片機的制造商很多，主要有美國

49、的Intel、Motorola和荷蘭Philip公司等?，F(xiàn)對Intel公司和Motorola公司的典型產(chǎn)品作一介紹。 (一)Intel單片機 ， Intel公司的單片機產(chǎn)品主要有MCS48、MCS51和MCS96系列。,(二)Motorola公司單片機 Motorola公司生產(chǎn)8位和16位單片機，該公司的單片機自成體系，產(chǎn)品的種類很多。其中，高檔八位單片機系列(MC68HC05系列)是最常用的，它采用HCMOS工藝制成，指令系統(tǒng)的功能很強，內(nèi)部資源也很豐富。表17列出了一些主要產(chǎn)品。,20世紀80年代中期以后，Intel公司已把精力集中在CPU芯片的開發(fā)、研制上，并逐漸放棄了單片機芯片的生產(chǎn)。

50、 但是以MCS-51為技術(shù)核心和主導(dǎo)的單片機已經(jīng)成為許多廠家、電氣公司競相選用的對象，以此為基核。以專利或技術(shù)交換的形式把8051內(nèi)核技術(shù)轉(zhuǎn)讓給各廠家。如：AMTEL、PHILIPS、ANALOG DEVICES、DALLAS公司。 這些廠家的兼容單片機，與8051的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（主要是指令系統(tǒng)）相同，采用CMOS工藝- 80C51系列。 80C51系列：所有具有8051指令系統(tǒng)的單片機，不應(yīng)直接稱為MCS-51系列單片機，MCS只是Intel公司專用的單片機系列符號,(三）關(guān)于AT89C5x系列單片機,習(xí)慣把兼容機等衍生產(chǎn)品統(tǒng)稱為51系列單片機或51單片機。 在8051的基礎(chǔ)上又進行了一些擴充,

51、稱為增強型、擴展型，如52子系列單片機，功能和市場競爭力更強。 世界單片機芯片生產(chǎn)廠商推出的與8051（80C51）兼容的主要產(chǎn)品如下表,眾多的MCS-51單片機及其各種增強型、擴展型衍生品種，ATMEL公司推出的AT89C5x系列，尤其是該系列中的AT89C51單片機在8位單片機應(yīng)用中占有相當大的市場份額。 ATMEL公司以E2PROM技術(shù)與Intel公司的80C51內(nèi)核的使用權(quán)進行交換。該公司技術(shù)優(yōu)勢是其閃爍（Flash）存儲器技術(shù)，將Flash存儲器與80C51內(nèi)核相結(jié)合，形成了AT89C5x系列。 與MCS-51系列單片機在功能、引腳及指令系統(tǒng)方面完全兼容。又增加了一些新的功能，如看門狗定時器WDT、ISP及SPI串行接口等，,是取代MCS-51系列單片機的主流芯片之一 。 表1-3為ATMEL公司生產(chǎn)的AT89系列單片機的主要產(chǎn)品的片內(nèi)硬件資源。,盡管AT89C5x系列單片機有多種機型，但是掌握好基本型AT89C51是十分重要的，是具有8051內(nèi)核的各種型號單片機的基礎(chǔ)，具有典型性、代表性，也是各種增強型、擴展型等衍生品種的基礎(chǔ)。 因此，以AT89C51為51單片機的代表機型來介紹，并簡寫為89C51。 除了8位單片機得到廣泛應(yīng)用外，一些廠家的16位單片機也得到