1、單片機原理與接口技術(shù)鹽城工學院 電氣工程學院單片機課程組2單片機概述 1.1微型計算機系統(tǒng)組成 1.2微型計算機的運算基礎知識 1.3第1章 單片機基礎知識 31.1 單片機概述 什么是單片機? 單片機與微型計算機的關(guān)系 常用的單片機系列 單片機的應用 初識單片機控制系統(tǒng) 單片機實驗板 4 單片機是指在一塊半導體芯片上，集成了微處理器、存儲器、輸入/輸出接口、定時器/計數(shù)器以及中斷系統(tǒng)等功能部件，構(gòu)成一臺完整的微型計算機。1.1.1 什么是單片機?單片機實物微處理器存儲器I/O接口定時器/計數(shù)器中斷系統(tǒng)5單片機可通過執(zhí)行使用者編寫的程序，控制芯片的各個引腳在不同的時間輸出不同的電平，從而控制與

2、單片機各個引腳相連的外圍電路的電氣狀態(tài)。所以又被稱為微控制器。6單片機為什么可以根據(jù)程序?qū)崿F(xiàn)靈活的運算及控制？依賴于其內(nèi)部精妙的電路結(jié)構(gòu)設計。單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 在塑料基底的中央有一個微型的芯片，還有連接芯片和單片機管腳的細導線。 單片機起主要作用的是芯片部分，細導線只是起到了在芯片和管腳之間傳遞信號的作用。71.1.2 單片機與微型計算機的關(guān)系 計算機的發(fā)展經(jīng)歷了從電子管、晶體管、集成電路到大規(guī)模集成電路四代的演變。微型計算機屬于第四代計算機。 微型計算機的發(fā)展以微處理器的發(fā)展為特征，主要表現(xiàn)： (1) 芯片集成度的提高(從最初的約2000個晶體管/片發(fā)展到目前的幾百萬個晶體管/片)； (2)

3、 處理器位數(shù)的增加（從4位增加到64位）； (3) 時鐘頻率的加快(從1MHz到約幾個GHz)； (4) 價格的逐漸降低等方面。 8 微型計算機有兩個主要發(fā)展方向： 一是向高速度、高性能、大容量的高檔微型計算機方向發(fā)展； 二是向穩(wěn)定可靠、小而廉、能適應各種控制領域需要的單片機方向發(fā)展。 單片機是微型計算機發(fā)展的一個重要分支！1.1.2 單片機與微型計算機的關(guān)系91.1.3 常用的單片機系列 MCS-51系列及與之兼容的8051系列單片機Atmel公司的AVR系列Microchip公司的PIC系列Motorola公司的單片機 TI公司的MSP430系列單片機 基于ARM核的32位單片機 10:1

4、0101. 8051單片機 MCS-51系列單片機是美國Intel公司在1980年推出的高性能單片機。 型號：8051、8751、8031、8032、8052等。 其中8051是最典型的產(chǎn)品，其它單片機都是在8051的基礎上進行功能的增、減改變而來的，所以人們習慣于用8051來稱呼MCS-51系列單片機。 20世紀80年代中期Intel公司將MCS-51的核心技術(shù)授權(quán)給了很多其他公司，如：Atmel、Philips、STC、Siemens、Winbond等，這些廠商生產(chǎn)的芯片是MCS-51系列的兼容產(chǎn)品，準確地說是與MCS-51指令系統(tǒng)兼容的單片機，這些單片機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與8051相同，并且都采

5、用CHMOS工藝，因而常用80C51系列來稱呼它們。11制造廠商單片機型號AT(Atmel)AT89C51，AT89C52，AT89C53，AT89C55，AT89LV52，AT89S51，AT89S52，AT89LS53等Philips(飛利浦)P80C54，P80C58，P87C54，P87C58，P87C524，P87C528等STCSTC89C51RC，STC89C52RC，STC89C53RC，STC89LE51RC，STC89LE52RC，STC12C5412AD等Winbond(華邦)W78C54，W78C58，W78E54，W78C58等Intel(英特爾)i87C54，i87

6、C58，i87L54，i87C51FB，i87C51FCSiemens(西門子)C501-1R，C501-1E，C513A-H，C503-1R，C504-2R表1-1 不同制造廠商的80C51單片機型號列表12Atmel單片機實物圖單片機芯片AT89C51AT89S51AT89S52AT89C2051雙列直插式 (Dual In-line Package)封裝 13STC單片機實物圖塑料扁平式PQFP/TQFP(Plastic Quad Flat Package)封裝 帶引線的塑料芯片封裝PLCC44(Plastic Leaded Chip Carrier) 雙列直插式DIP40 (Dual

7、In-line Package)封裝 10:1014STC公司8051單片機芯片的命名規(guī)則 152. Atmel公司的AVR系列 AVR系列單片機是1997年Atmel公司為了充分發(fā)揮其Flash的技術(shù)優(yōu)勢，而推出的全新配置的精簡指令集(Reduced Instruction Set Computer ，簡稱RISC)單片機。 該系列單片機一進入市場，就以其卓越的性能而大受歡迎。通過這幾年的發(fā)展，AVR單片機已形成系列產(chǎn)品，其Attiny系列、AT90S系列與Atmega系列分別對應為低、中、高檔產(chǎn)品(高檔產(chǎn)品含JTAG ICE仿真功能)。 163. Microchip公司的PIC系列 Mic

8、rochip單片機是市場份額增長最快的單片機。它的主要產(chǎn)品是PIC系列8位單片機，它的CPU是采用了精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)的嵌入式微控制器，其高速度、低電壓、低功耗、大電流LCD驅(qū)動能力和低價位OTP技術(shù)等都體現(xiàn)出單片機產(chǎn)業(yè)的新趨勢。 PIC 8位單片機產(chǎn)品共有3個系列，即基本級、中級和高級。用戶可根據(jù)需要選擇不同檔次和不同功能的芯片。 10:1017 4. Motorola公司的單片機 (飛思卡爾公司-恩智浦(NXP)半導體公司) Motorola公司是世界上最大的單片機廠商，該公司的特點是品種全、選擇余地大、新產(chǎn)品多，在8位機方面有68HC05和升級產(chǎn)品68HC08，68HC05有30

9、多個系列，200多個品種，產(chǎn)量已超過20億片。8位增強型單片機68HC11也有30多個品種，年產(chǎn)量在1億片以上。升級產(chǎn)品有68HC12。16位機68HC16也有10多個品種。32位單片機的683XX系列也有幾十個品種。 Motorola單片機特點之一是在同樣速度下所用的時鐘頻率較Intel類單片機低很多，因而使得高頻噪聲低，抗干擾能力強，更適合用于工控領域及惡劣的環(huán)境。Motorola 8位單片機過去的策略是以掩膜為主，最近推出了OTP計劃以適應單片機發(fā)展新趨勢。在32位機上，M.CORE在性能和功耗方面都勝過ARM7。 由于Motorola單片機產(chǎn)品以前主要是以掩膜為主，不太適合于教學，所以

10、沒有被選做教學用機型。18 5. TI公司MSP430系列單片機 TI公司MSP430系列單片機是超低功耗Flash型單片機，有“綠色微控制器(Green MCUs)”稱號，是目前單片機業(yè)界所有內(nèi)部集成閃速存儲器(Flash ROM)產(chǎn)品中功耗最低的，消耗功率僅為其他閃速微控制器(Flash MCUs)的1/5。在3V工作電壓下其耗電電流低于350A/MHz，待機模式僅為1A/MHz，具有5種節(jié)能模式。 MSP430 微控制器可廣泛地應用于煤氣表、水表、電子電度表、醫(yī)療儀器、火警智能探頭、通信產(chǎn)品、家庭自動化產(chǎn)品、便攜式監(jiān)視器及其他低耗能產(chǎn)品。由于MSP430微控制器的功耗極低，可設計出只需一

11、塊電池就可以使用長達10年的儀表應用產(chǎn)品。MSP430 Flash系列的確是不可多得的高性價比單片機。 196. 基于ARM核的32位單片機 ARM ( Advanced RISC Machine )是一種通用的32位RISC處理器。32位是指處理器的外部數(shù)據(jù)總線是32位的，與8位和16位的相同主頻處理器相比性能更強大。 ARM是一種功耗很低的高性能處理器，如ARM7 TDMI具有每瓦生產(chǎn)690MIPS(Millions Instruction Per Second，百萬條指令/秒)的能力，已被證明在工業(yè)界處于領先水平。 ARM公司并不生產(chǎn)芯片，而是將ARM的技術(shù)授權(quán)其他公司生產(chǎn)。ARM本質(zhì)并

12、不是一種芯片，而是一種芯片結(jié)構(gòu)技術(shù)，不涉及芯片生產(chǎn)工藝。 授權(quán)生產(chǎn)ARM結(jié)構(gòu)芯片的公司采用不同的半導體技術(shù)，面對不同的應用進行擴展和集成，標有不同的系列號。206. 基于ARM核的32位單片機 目前可以提供含ARM核CPU芯片的著名半導體公司有：Intel、TI、三星半導體、摩托羅拉、飛利浦半導體、意法半導體、億恒半導體、科勝訊、ADI公司、安捷倫、高通公司、Atmel、Intersil、Alcatel、Altera、Cirrus Logic、Linkup、Parthus、LSI Logic、Micronas等。ARM的應用范圍非常廣泛，如嵌入式控制汽車、電子設備、保安設備、大容量存儲器、調(diào)制

13、解調(diào)器、打印機，數(shù)字消費產(chǎn)品數(shù)碼相機、數(shù)字式電視機、游戲機、GPS、機頂盒、便攜式產(chǎn)品手提式計算機、移動電話、PDA、靈巧電話。 211.1.4 單片機的應用 單片機屬于數(shù)字控制類芯片，目前其應用領域已非常廣泛，典型應用如下： 1. 工業(yè)自動化。如數(shù)據(jù)采集、測控技術(shù)。2. 智能儀器儀表。如數(shù)字示波器、數(shù)字信號源、數(shù)字萬用表、感應電流表等。3. 消費類電子產(chǎn)品。如洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、電視機、微波爐、IC卡、汽車電子設備等。4. 通信方面。如調(diào)制解調(diào)器、程控交換技術(shù)、手機等。5. 武器裝備。如飛機、軍艦、坦克、導彈、航天飛機、魚雷制導、智能武器等。221.1.5 初識單片機控制系統(tǒng) 通過一個單

14、片機最簡應用項目使一個發(fā)光二極管閃爍的控制系統(tǒng)的設計與制作，引導大家認識單片機控制系統(tǒng)，初步了解單片機控制系統(tǒng)的設計流程。1. 項目分析 使單片機控制一個發(fā)光二極管點亮500ms，熄滅500ms，再點亮500 ms，再熄滅500ms，如此循環(huán)，如下圖所示。項目分析系統(tǒng)框圖23 (1) 單片機 (2) 電源(+5V) (3) 晶振 (4) 復位電路 構(gòu)成了真正可使用的單片機最小應用系統(tǒng) 2. 系統(tǒng)硬件設計一個發(fā)光二極管閃爍的單片機控制系統(tǒng) 24# include /52系列單片機頭文件sbit D1=P10; /聲明單片機P1口的第一位unsigned int i,j; /聲明無符號整型變量i，

15、jvoid main() /主函數(shù) while(1) /大循環(huán) D1=0; /點亮發(fā)光二極管 D1 for (i=50;i0;i-) /延時500ms for (j=125;j0;j-) ; D1=1;/關(guān)閉發(fā)光二極管D1 for (i=50;i0;i-) 延時500ms for (j=125;j0;j-) ; 3.系統(tǒng)軟件設計25 (1) 軟件程序需通過專用軟件(如第2章2.2節(jié)介紹的keil軟件)在PC機上進行編輯、調(diào)試，編譯后生成二進制代碼程序。 (2) 再采用USB轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)換器及ISP軟件(本書2.4節(jié)詳細介紹)完成二進制代碼程序從PC機到單片機的下載。4.軟件下載步驟程序從PC機到單

16、片機的下載示意圖 (3) 然后程序在單片機中運行，就會得到二極管D1亮滅閃爍的效果。265. 實物制作過程271.1.6 單片機實驗板 1.1.5節(jié)介紹了單片機控制一個發(fā)光二極管閃爍的系統(tǒng)的設計和制作過程，這是一個最簡單的單片機控制系統(tǒng)，各類復雜的單片機控制系統(tǒng)都可以看成在這個系統(tǒng)上擴展而成的。 后續(xù)各章會介紹許多單片機控制系統(tǒng)實例，如LED流水燈、數(shù)碼管控制、交通燈、鍵盤控制、液晶顯示等，為了看到單片機的真實運行效果，提高學習效率，本課程組老師開發(fā)了可以完成各章實例的印刷電路實驗板。281.1.6 單片機實驗板 實驗板的電路原理圖見教材附圖B-1，實驗板實物見教材附圖B-2所示。在實驗板上運

17、行一個發(fā)光二極管閃爍的效果圖29單片機學習網(wǎng)站http:/spoc/course/YCIT-1002100002 中國大學MOOC /share/link?shareid=90108&uk=1227362545 Proteus從入門到精通 天祥電子http：/ 51單片機學習網(wǎng) http：/ 廣州周立功單片機http：/ Philips公司http：/ Intel公司http：/ Motorola公司http：/ 凌陽大學計劃 30單片機原理與接口技術(shù)課程學習方法1 學習本課程應硬件、軟件兼顧并重，既要注意單片機 的結(jié)構(gòu)、原理，也要注意其語句和程序，做到兩者融會 貫通，能夠?qū)烧呦嗷B透。2

18、會組成單片機應用系統(tǒng)。學習時對單片機擴展用到的芯 片、接口、以及各種應用實例(環(huán)節(jié))須給予足夠的重視。 3 學習本課程時，宜結(jié)合習題、實驗、課程設計，以提高 學習質(zhì)量，鞏固和擴大學習收獲。 4 總學時 56+S16 周學時4（1-14周）31考核方法和成績評定說明 考試采用統(tǒng)一命題，閉卷考試，考試時間為120分鐘。 成績評定：閉卷筆試（70）實驗（20）平時成績（10）其中：平時成績含作業(yè)及課堂學習情況。 32教材與參考文獻1 張?zhí)m紅，鄒華，劉純利等. 單片機原理及應用(第2版)M.北京：機械工業(yè)出版社，2017.62 郭天祥. 新概念51單片機C語言教程 入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略M.北京

19、：電子工業(yè)出版社，2010.3 楊欣，張延強，張鎧麟. 實例解讀51單片機完全學習與應用M.北京：電子工業(yè)出版社，2012.4 王東峰 陳圓圓 郭向陽. 單片機C語言應用100例M(第2版).北京：電子工業(yè)出版社，20165 彭偉. 單片機C語言程序設計實訓100例基于8051+Proteus仿真(第2版)M.北京：電子工業(yè)出版社，2012.10:10331.2 微型計算機系統(tǒng)組成計算機的基本結(jié)構(gòu)微型計算機系統(tǒng)組成 微型計算機硬件 微型計算機軟件10:10341.2.1 計算機的基本結(jié)構(gòu)計算機的基本結(jié)構(gòu)運算器：是計算機處理信息的主要部件?？刂破鳎寒a(chǎn)生一系列控制命令，控制計 算機各部件自動地、協(xié)

20、調(diào)一致地工作。存儲器：是存放程序與數(shù)據(jù)的部件。輸入設備：用來輸入程序與數(shù)據(jù)，常用的輸入設備有鍵盤、鼠標、光電輸入機等。輸出設備：將計算機的處理結(jié)果用數(shù)字、圖形等形式表示出來。常用的輸出設備有顯示終端、數(shù)碼管、打印機、繪圖儀等。10:10351.2.1 計算機的基本結(jié)構(gòu)計算機的基本結(jié)構(gòu)中央處理單元CPU：運算器、控制器合稱為中央處理單元CPU(Central Processing Unit) 。主機：通常把運算器、控制器、存儲器這三部分稱為計算機主機。外設：輸入、輸出設備稱為計算機的外圍設備(簡稱“外沒”)。10:10361.2.2 微型計算機的結(jié)構(gòu) 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)將運算器、

21、控制器集成在一塊硅片上，成為獨立的器件，該芯片稱為微處理器或微處理機(Micro-processor)。 存儲器(Memory)也已經(jīng)成為一塊獨立的芯片。 微處理器芯片、存儲器芯片與輸入輸出接口 (Input/Output，簡稱IO接口) 電路芯片構(gòu)成了微型計算機(Micro-computer)，芯片之間用總線(Bus)連接。 微型計算機結(jié)構(gòu) 10:1037 1.微處理器 微處理器是微型計算機的核心，它通常包括3個部分：(1) 算術(shù)邏輯部件 (Arithmetic Logic Unit，簡稱ALU)：對傳送到微處理器的數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算或邏輯運算，如執(zhí)行加法、減法運算，邏輯與、邏輯或運算等。 (

22、2) 工作寄存器組。 CPU中有多個工作寄存器，用來存放操作數(shù)及運算的中間結(jié)果等。 (3) 控制部件：包括時鐘電路和控制電路。時鐘電路產(chǎn)生時鐘脈沖，用于計算機各部分電路的同步定時。控制電路產(chǎn)生完成各種操作所需的控制信號。 10:10382. 存儲器介紹存儲器有關(guān)概念之前，先介紹微型計算機中的幾個常用術(shù)語： (1) 位（bit） 是計算機所能表示的最小的數(shù)據(jù)單位，即1位二進制數(shù) 。它有兩種狀態(tài)：0和1。(2) 字節(jié)（Byte）一個連續(xù)的8位二進制數(shù)稱為一個字節(jié)，即1Byte8bit。(3) 字（Word） 通常把16位二進制數(shù)稱為一個字，32位二進制數(shù)稱為一個雙字。(4) 字長 CPU一次能夠處

23、理二進制信息的位數(shù)稱為字長，通常也 指CPU與輸入/輸出設備或內(nèi)存儲器之間一次傳送二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)。10:1039 計算機的字長與處理能力和計算精度有關(guān)。 (1)字長越長，計算精度越高，處理能力越強，但計算機的結(jié)構(gòu)也變得更復雜。(2) CPU的字長有1位、4位、8位、16位、32位和64位，對應的計算機就是1位機、4位機、8位機、16位機、32位機和64位機。 本書所介紹的80C51系列單片機就是8位機，這意味著如果要處理16位數(shù)據(jù)的話就應分兩次處理。 10:1040 存儲器由許多存儲單元組成，在8位字長的微機中，每個存儲單元存放8位二進制代碼，即存放一個字節(jié)(Byte)。10:1041存儲器

24、的一個重要指標是容量。假如存儲器有256個單元，每個單元存放8位二進制數(shù)那么該存儲器容量為256字節(jié)，或2568位。存儲容量單位：“KB”、“MB”、“GB” 、“TB” 1KB1024B210B，1MB1024KB220B，1GB1024MB 230B ， 1TB1024GB 240B 。10:1042存儲器的讀寫操作： (1) 計算機工作時，將數(shù)據(jù)存入存儲器的過程稱為“寫”操作。(2) CPU從存儲器中取數(shù)據(jù)的過程為“讀”操作。(3)寫入存儲單元的數(shù)據(jù)取代了原有的數(shù)據(jù)，而且在下一個新的數(shù)據(jù)寫入之前一直保留著，即存儲器具有記憶數(shù)據(jù)的功能。(4) 在執(zhí)行讀操作后，存儲單元中原有的內(nèi)容不變，即存

25、儲器的讀出是非破壞性的。10:1043 存儲單元的地址和容量的關(guān)系： (1) 為了便于讀、寫操作，要對存儲器所有單元按順 序編號，這種編號就是存儲單元的地址。(2) 地址的二進制位數(shù)N與存儲容量Q之間的關(guān)系是： Q2N。10:10443. 輸入/輸出接口電路(1) I/O接口是溝通CPU與外圍設備的不可缺少的重要部件。(2) 外部設備種類繁多，其運行速度、數(shù)據(jù)形式、電平等各不相同，常常與CPU不一致，所以要用I/O接口作橋梁，起到信息轉(zhuǎn)換與協(xié)調(diào)的作用。10:10454. 總線 總線（Bus）是在微型計算機各芯片之間或芯片內(nèi)部各部件之間傳輸信息的一組公共通信線。各芯片之間的一組8位總線 10:1

26、046 根據(jù)傳遞信息種類，總線分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。 (1) 地址總線AB（Address Bus）是CPU用于給存儲器或輸入/輸出接口發(fā)送地址信息的單向通信總線，以選擇相應的存儲單元或寄存器。地址總線的寬度（根數(shù)）決定了CPU的尋址范圍（即CPU所能訪問的存儲單元的個數(shù)）。 (2) 數(shù)據(jù)總線DB（Data Bus）是用于實現(xiàn)CPU、存儲器及I/O接口之間數(shù)據(jù)信息交換的雙向通信總線。 (3) 控制總線CB（Control Bus）是傳輸各種控制信號的單向總線，其中有的用于傳送從CPU發(fā)出的信息；有的是其它部件發(fā)給CPU的信息。10:10471.2.3 微型計算機系統(tǒng)微型計算機系統(tǒng)框

27、圖10:10481.2.4 微型計算機軟件1. 軟件定義 硬件：是在執(zhí)行任務過程中相對固定的一種物質(zhì)體現(xiàn)。軟件：則是在執(zhí)行任務過程中比較靈活的信息的體現(xiàn)，即指使用和管理計算機的各種程序(Program)。2.指令 指令：控制計算機進行各種操作的命令稱為指令。操作碼：表示該指令執(zhí)行何種操作。 操作數(shù)：表示參加運算的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)所在的地址3. 程序 程序：一系列指令的有序集合稱為程序。程序設計：編制程序的過程稱為程序設計。 10:10494.機器語言、匯編語言和高級語言 (1) 匯編語言：用助記符(通常是指令功能的英文縮寫)表示操作碼、用字符(字母、數(shù)字、符號)表示操作數(shù)的指令稱為匯編指令。用匯編指

28、令編制的程序稱為匯編語言程序。 特點： 這種程序占用存儲器單元少，執(zhí)行速度較快，能夠準確掌握執(zhí)行時間，可實現(xiàn)精細控制，因此特別適用于實時控制。 然而匯編語言是面向機器的語言，各種計算機的匯編語言是不同的，必須對所用機器的結(jié)構(gòu)、原理和指令系統(tǒng)比較清楚，才能編寫出它的各種匯編語言程序，而且不能通用于其他機器，這是匯編語言的不足之處。50(2) 高級語言：為使用戶編程容易，程序中所用的語句與實際更接近，而且使用戶不必了解具體的機器，就能編程，使編出的程序通用性更強，于是產(chǎn)生了高級語言。 常用的高級語言有BASIC、FORTRAN、C等。 特點：高級語言是面向過程的語言，用高級語言編寫程序時主要著眼于

29、算法，而不必了解計算機的硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，因此易學易用。高級語言是獨立于機器的，一般地說，同一個程序可在任何種類的機器中使用。 應用：高級語言適用于科學計算、數(shù)據(jù)處理等方面 。 10:1051(3) 機器語言：二進制代碼形式的程序就是機器語言程序。二進制代碼形式的指令又稱機器指令或機器碼。匯編指令與機器指令具有一一對應的關(guān)系，特點：計算機最終執(zhí)行的都是機器語言程序。 機器語言只有0和1兩個符號，用它來直接編寫程序十分困難。因此，往往先用匯編語言或高級語言編寫程序，然后再轉(zhuǎn)換成目標程序。 10:1052(4) 幾個概念：源程序：匯編語言程序與高級語言程序統(tǒng)稱為源程序目標程序：機器語言程序又稱為

30、目標程序。匯編：將匯編語言程序翻譯成目標程序的過程稱為匯編。手工匯編：由編程人員對照指令表，一條一條查找、翻譯的方法稱為手工匯編。機器匯編：由計算機自動完成匯編語言轉(zhuǎn)換為機器語言的稱為機器匯編。匯編程序：機器匯編時用到的軟件稱為匯編程序。編譯程序：高級語言轉(zhuǎn)換成機器語言的工作只能由計算機完成，轉(zhuǎn)換時所用的軟件為編譯程序。10:10535、程序分類計算機軟件示意圖10:10541.3.1 數(shù)制的概念1.3.2 與計算機有關(guān)的數(shù)制1.3.3 數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換1.3.4 碼制的概念1.3 微型計算機的運算基礎知識10:1055 在數(shù)字電子計算機中，無論是大型計算機還是單片微型計算機，都是將所有的信

31、息作為數(shù)值進行處理的，包括數(shù)字(如7、-8、4)，英文字符(如A、B、k、m)，各種符號(如+、-、%、)。10:1056一個數(shù)值，可以用不同進制的數(shù)表示。1. 十進制日常習慣使用2. 二進制數(shù)字計算機最終均是用二進制數(shù)實現(xiàn)的3. 十六進制和二進制轉(zhuǎn)換很方便4. 八進制、十二進制、六十進制等 1.3.1 數(shù)制的概念10:1057為了表示不同的數(shù)制，可以在數(shù)的后面放一個英文字母作為標識符。1. 二進制數(shù)用B(Binary)2. 十六進制數(shù)用H(Hexdecimal)3. 十進制數(shù)用D(Decimal)，D可以省略不用，即不帶標識符的數(shù)是十進制數(shù)。 也可以在數(shù)的右下方加一個小數(shù)字說明，例：(101

32、1011)2，(896)10，(896)16。如何區(qū)分不同進位計數(shù)制的數(shù)字數(shù)制的基：計數(shù)制中所具有的數(shù)碼的個數(shù)。數(shù)制的權(quán)：計數(shù)制中每一位所具有的值。10:10581 、十進制數(shù) 特點：有十個不同的數(shù)字符號：0、1、2、39。 逢十進位，即各位的權(quán)是以十為底的冪。一般表達式：1.3.2 與計算機有關(guān)的數(shù)制其中m、n為正整數(shù)，i表示數(shù)字符號所在的位，Di是第i位的數(shù)碼，10i表示第i位的位權(quán)。10:1059 十進制數(shù)398.6可表示為： 398.6310291018100610-1 例：10:10602.二進制數(shù)特點：(1) 有兩個不同的數(shù)字符號：0、1。 (2) 逢二進位，即各位的權(quán)是以2為底的

33、冪。一般表達式：其中m、n為正整數(shù)，i表示數(shù)字符號所在的位，Bi是第i位的數(shù)碼，2i表示第i位的位權(quán)。10:1061 二進制數(shù)111.1B可表示為：111.1B122121120121例：10:10623.十六進制數(shù)特點：(1) 有十六個不同的數(shù)字符號：09、AF。 (2)逢十六進位，即各位的權(quán)是以十六為底的冪。表達式：其中m、n為正整數(shù)，i表示數(shù)字符號所在的位，Hi是第i位的數(shù)碼，16i表示第i位的位權(quán)。10:1063 十六進制數(shù)18AF.CBH可表示為：18AF.CBH11638162A161F160 C161B162 例：10:1064十、二、十六進制數(shù)之間的對應關(guān)系十進制數(shù)二進制數(shù)十六

34、進制數(shù)十進制數(shù)二進制數(shù)十六進制數(shù)000000810008100011910019200102101010A300113111011B401004121100C501015131101D601106141110E701117151111F10:10651. 二進制、十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù) 方法是：將二進制數(shù)或十六進制數(shù)寫成按權(quán)展開式，然后各項相加，則得相應的十進制數(shù)。1.3.3 數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換10101.1011B124+122+120+12-1+12-3 +12-421.6875例1-1 把二進制數(shù)10101.1011B轉(zhuǎn)換成相應的十進制數(shù)。10:1066 0F3DHF1623161D1

35、60152563161313901例1-2 把十六進制數(shù)0F3DH轉(zhuǎn)換成相應的十進制數(shù)。10:1067 2. 十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成為二進制數(shù)整數(shù)部分方法是：采用除2取余法小數(shù)部分方法是：采用乘2取整法先采用除2取余法將19轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)例1-3 把十進制數(shù)19.625轉(zhuǎn)換成為對應二進制數(shù)。所以 19=10011B10:1068再采用乘2取整法將0.625轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)所以0.625=0.101B因此十進制數(shù)19.62510011.101B 十進制數(shù)轉(zhuǎn)換十六進制數(shù)的方法: 將基數(shù)2換成16即可。10:10694位二進制數(shù)與1位十六進制數(shù)一一對應例1-4 將二進制數(shù)1111000111.100101B轉(zhuǎn)

36、換成為十六進制數(shù) 。1111000111.100101B0011 1100 0111.1001 0100B3C7.94H 注意：位數(shù)不夠時要補03. 二進制數(shù)與十六進制數(shù)間的相互轉(zhuǎn)換例1-5 將十六進制數(shù)2FB5H轉(zhuǎn)換成為二進制數(shù)2FB5H0010 1111 1011 0101B10111110110101B10:10701.3.4 碼制的概念1. 計算機中帶符號數(shù)的表示 在字長為8位的微型計算機中，一個數(shù)用8位二進制數(shù)表示。 如果計算機處理的是無符號數(shù)，8位二進制數(shù)的8位數(shù)符都表示數(shù)值。 從0000 0000B、0000 0001B到1111 1111B，表示的無符號數(shù)數(shù)值從0、1到255。

37、 8位二進制數(shù)表示的無符號數(shù)范圍是0255。10:1071 很多場合，數(shù)有正負之分，稱為帶符號數(shù)。 在計算機中，符號“+”、“-”要用1位二進制數(shù)表示。8位微型計算機中約定：最高位D7表示符號，其他7位表示數(shù)值。D7l 表示負數(shù)，D70 表示正數(shù)。連同符號位一起數(shù)值化了的數(shù)，稱為機器數(shù)。機器數(shù)所表示的真實的數(shù)值，稱為真值。 10:1072 真值 機器數(shù) +1001B（+9） 01001B -1001B（-9） 11001B計算機中的機器數(shù)有原碼、反碼與補碼三種。10:1073 用最高位表示帶符號數(shù)的正負，其余各位表示該數(shù)的絕對值。例如：+74+1001010B，+74原01001010B-74

38、-1001010B， -74原11001010B0的原碼表示有如下兩種，不是唯一的。 +0原0000 0000B -0原1000 0000B 位二進制數(shù)原碼表示范圍為-127+127。(1) 原碼10:1074 正數(shù)的反碼與原碼相同，負數(shù)的反碼是原碼符號位不變，其余各位按位取反。例如：+74+1001010B，+74反01001010B-74-1001010B， -74反10110101B。位二進制數(shù)反碼表示范圍為-127+127。0的反碼表示有如下兩種，不是唯一的。 +0反0000 0000B -0反=1111 1111B (2) 反碼10:1075 正數(shù)的補碼與反碼、原碼表示相同；負數(shù)的補

39、碼是原碼符號位不變，其余各位按位求反后再加1。 微型計算機中所有帶有符號的數(shù)均是以補碼形式來存放的。例如：+74+1001010B，+74補01001010B4AH；-74-1001010B， -74補10110110BB6H。位二進制數(shù)補碼表示范圍為-128+127。 0的補碼表示是唯一的。 對于0：+0補-0補0000 0000B(3) 補碼10:1076 已知一個數(shù)的補碼，求其原碼時，應將其補碼再求補。即 x補補=x原 負數(shù)補碼的簡便求法：對負數(shù)的原碼，從最低位向左數(shù)，在遇到第一個1以前，包括第一個1，重寫每一位，其余各位取反，符號位置1。-74-1001010B， -74原1100 1

40、010B = CAH -74補1011 0110BB6H。10:1077 99補 0110 0011B +-58補 1100 0110B 99-58補10010 1001B 用補碼運算99-58=？ x、y無論是正數(shù)還是負數(shù)，都有： xy補x補+y補 引入補碼的概念后，可將減法變?yōu)榧臃ㄟ\算。因此微機中帶符號數(shù)采用補碼表示后可只設置加法器，簡化了硬件結(jié)構(gòu)。補碼運算在8位字長的計算機中，第九位進位自然丟失。所以99-58補99補+-58補0010 1001B，99-58原0010 1001B，因此99-58=41。10:1078 -99補 1001 1101B +-58補 1100 0110B -

41、99-58補 10110 0011B 在8位字長的計算機中，第九位進位自然丟失。所以-99-58補-99補+-58補0110 0011B，因符號位為正，所以-99-58原0110 0011B，則-99-58=99，這個結(jié)果自然是錯誤的，原因在哪里呢？ 用補碼運算-99-58=？10:1079由于受計算機字長的限制，補碼所能表示的數(shù)值范圍也有一定的限制。如8位字長的計算機補碼所能表示的范圍是-128+127。因此當運算結(jié)果超出此范圍時，將得到錯誤的結(jié)果，這就是溢出現(xiàn)象。當兩個同符號相加或兩個異號數(shù)相減時，結(jié)果可能會超出8位二進制補碼所能表示的范圍，可能會發(fā)生溢出。帶符號數(shù)運算的溢出現(xiàn)象10:10

42、80兩個8位帶符號數(shù)(用補碼表示)相加(或相減)，設第7位向上的進位(或借位)為C，D6向D7位的進位(或借位)為C，則當CC=1時，產(chǎn)生溢出，否則無溢出。溢出的判別方法：10:1081解： 1001 1001B + 1100 1101B 10110 0110B C=1，C=0，CC=1，有溢出，結(jié)果錯誤。兩個8位帶符號數(shù)1001 1001B+1100 1101B相加是否溢出？ 10:1082兩個8位帶符號數(shù)1000 0001B+0111 0011B相加是否溢出？ 解： 1000 0001B + 0111 0011B 1111 0100B C=0，C=0，CC=0，無溢出，結(jié)果正確。10:10

43、83(1) 二進制編碼的十進制數(shù)（BCD碼）有些場合，計算機輸入、輸出數(shù)據(jù)時仍使用十進制數(shù)，以適應人們的習慣。然而，計算機中只能采用二進制數(shù)，只有0、1兩種狀態(tài)。為此，十進制數(shù)的數(shù)符必須用二進制碼表示，這就形成了二進制編碼的十進制數(shù)，簡稱二十進制數(shù)，又稱BCD碼 (Binary Coded Decimal)，用標識符BCD表示。2 . 二進制編碼10:1084十進制數(shù)、BCD碼、二進制數(shù)的對應關(guān)系十進制數(shù)BCD碼二進制數(shù)00000BCD0000B10001BCD0001B91001BCD1001B100001 0000 BCD1010B110001 0001 BCD1011B120001 00

44、10 BCD1100B130001 0011 BCD1101B140001 0100 BCD1110B150001 0101 BCD1111B10:1085 BCD碼的特點：BCD碼是十進制數(shù)，逢十進一，只是數(shù)符09用4位二進制數(shù)00001001來表示。 十進制數(shù)與BCD碼之間的轉(zhuǎn)換十分方便，只要把數(shù)符09與對應的00001001互換就行了。例如：0100 1001 000101011000BCD491.58BCD碼與二進制數(shù)之間不能直接轉(zhuǎn)換，通常要先經(jīng)過十進制數(shù)。例如：0100 0011B67D01100111BCD10:1086 計算機的運算器總是按二進制運算。在計算機輸入BCD碼時，由于

45、標識符不能進入計算機，故運算器依然按二進制運算。 然而，4位二進制數(shù)逢16進一，對應的1位BCD碼逢10進一，這將產(chǎn)生差錯。為此，計算機執(zhí)行BCD碼運算時，對運算結(jié)果須進行調(diào)整。加法運算的調(diào)整方法是：1) 兩個BCD碼相加后，如和的高4位(或低4位)出現(xiàn)非法碼10101111，則高4位(或低4位)要加6修正。2) 如果和的高4位(或低4位)的D7（或D3位）出現(xiàn)向高位的進位，則高4位(或低4位)要加6修正。10:1087例 按照BCD碼方法計算48+69=？10:1088減法運算的調(diào)整方法是： 差的高4位(或低4位)的D7（或D3位）出現(xiàn)了非法碼，或出現(xiàn)向高位的借位，則高4位(或低4位)要減6修正。10:1089(2) ASCII碼除了數(shù)值數(shù)據(jù)以外，計算機還常常處理大量非數(shù)值數(shù)據(jù)，如字母、專用符號等，這些數(shù)據(jù)也必須編寫為二進制代碼。目前應用最廣