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单片机基础知识汇总


第0章 计算机的基础知识

单片机原理、接口及应用

第0章 计算机的基础知识

内 容 提 要
★微型计算机的基本结构和工作原理 ★计算机中的数制与码制

★小结

第0章 计算机的基础知识

0.1.1 微机的系统结构
微处理器 (C

PU) 存储器 (内存) 主 机 运算器 控制器 寄存器 RAM ROM

输入/输出接口 (I/O接口) 总线 外部设备

并行、串行接口 定时器、A/D、D/A

硬件

输入设备 输出设备 辅助存储器 电源电路 时钟电路

微机系统

外围设备 辅助设备 软件 系统软件 应用软件 程序设计语言

第0章 计算机的基础知识

CPU是计算机的控制核心,它的功能是执行指令,完 成算术运算、逻辑运算,并对整机进行控制。 存储器用于存储程序和数据。 输入/输出接口(又称I/O接口)是CPU和外设之间相 连的逻辑电路,外设必须通过接口才能和CPU相连。不同 的外设所用接口不同。每个I/O接口也有一个地址,CPU通 过对不同的I/O接口进行操作来完成对外设的操作。 存储器、I/O接口和CPU之间通过总线相连。 用于传送程序或数据的总线称为数据总线;地址总线 用于传送地址,以识别不同的存储单元或I/O接口;控制 总线用于控制数据总线上数据流送的方向、对象等。

第0章 计算机的基础知识

0.1.2 微机的基本工作原理
存储程序、执行程序是微机的工作原理,取指令,译 码,执行是微机的基本工作过程。 单片机是微型计算机的一种,是将计算机主机(CPU、 存储器和I/O接口)集成在一小块硅片上的微机,又称微 控制器。它专为工业测量与设计而设计,具有三高优势 (集成度高、可靠性高、性价比高),他的特点是小而全 (体积小,功能全),主要应用于工业检测与控制、计算 机外设、智能仪器、仪表、通信设备、家用电器等,特别 适合于嵌入式微型机应用系统。

第0章 计算机的基础知识

0.1.3 微机的主要技术指标
微型计算机主要有如下一些技术指标:
?字长:CPU并行处理数据位,由此定为8位机、16位机、32

位机等。 ?存储容量:存储器单元数,例如256B、8KB、1MB等(1B 即一个字节,也就是一个8位二进制数,是计算机数据的基 本单位)。 ?运算速度:CPU处理速度,它和内部的工艺结构以及外接 的时钟频率有关。 ?时钟频率:在CPU极限频率以下,时钟频率越高,执行指 令速度越快,对单片机而言,有6MHz、12MHz、24MHz等。

绪论

0.2.1 计算机中的数
一、进制计数及其特点 数制:进位计数制和非进位计数制 1、非进位计数制(non-carring) 特点:数码所代表的数值同它在数中的位置无关。

Eg:罗马数字
2、进位计数制(carring) 特点:每个数码表示的数制,不仅取决于数码本身,而 且还取决于该数码在数中的位置。 Eg:十进制数

绪论

1、十进位(Decimal natation)
特点:a、有十个数码 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 b、逢十进一 Ex: 5453.25=

绪论

2、二进位(Binary natation)
特点:a、有两个数码 0、1 b、逢二进一、借一当二 Ex: (11 1011.101)2=59.625

绪论

3、八进位(Octal natation)
特点:a、有八个数码 0、1、2、3、4、5、6、7 b、逢八进一,借一当八

绪论

4、十六进位(Hexadecimal natation)
特点:a、有十六个数码 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、 A、B、C、D、E、F b、逢十六进一、借一当十六
N ? N n ?1 P n ?1 ? N n ? 2 P n ? 2 ? ?? ? N 1 P 1 ? N 0 P 0 ? N ?1 P ?1 ? ?? N ? m P ? m ?
i?? m

Ni Pi ?

n ?1

绪论

二、不同进位制之间的转换
表0-1 不同进位记数制对照表

绪论

1、二<--?十进制数的转换 A、二--?十进制

方法:按权展开,然后相加
Ex: 1 0110.01B=22.25 B、二<--十进制 a.整数部分 方法:除2取余法

Ex: 215.1875=1101 0111.0011B
b.小数部分 方法:乘2取整法

绪论

2、十六<--?十进制数的转换

A、十六--?十进制
方法:按权展开,然后相加 Ex: 7F0.CH = 2023.75 B、十六<--十进制 (1)整数部分

方法:除16取余法
Ex: 3901.015625 = F3DH.004H b.小数部分 方法:乘16取整法

绪论

3、二<--?十六进制数的转换

A、二--?十六进制
法则:从小数点开始,或左或右,四位一组,不足四位 以0补足,然后分别把每组用十六进制数表示 1 1011 1110 0011.1001 0100B=1BE3.94H B、二<--十六进制

法则:把十六进制中每位用二进制表示,再把各位连成
一体。 3AB.7A5H=11 1010 1011.0111 1010 0101B

绪论

十进制数

四合一位法
二进制数 一位分四位法 十六进制数

绪论

二进制数的运算
1、逻辑运算 (1)逻辑乘(与) 法则:0^0=0 1^0=0^1=0 1^1=1 Ex: 1101 1010B^0000 1111B= 用途:用于从某数中取出某几位

绪论

(2)逻辑加(或) 法则:0∨0=0

0∨1=1∨0=1
1∨1=1

Ex:1010 1010 ∨0000 1111B=
用途:使某数中某几位置1

绪论

(3)逻辑非 法则: (4)逻辑异或(半加,不考虑进位的加法,也称模2加)

法则:
用途:令某数中某几位取反

绪论

2、算术运算
(1)加/减法运算 a.加法运算 法则:0+0=0 0+1=1+0=1

1+1=0(逢2进1)
Ex: BDH+AAH=67H

绪论

a.减法运算
法则:0-0=1-1=0 1-0=1 0-1=1(有借位)

Ex: B5H-93H=22H

绪论

(2)乘/除法运算
a.乘法运算 法则:0×0=0×1=1×0=0 1×1=1 在计算机中,乘法采用部分积左移或部分积右移法实现。

b.除法运算
法则:二进制除法类似于十进制除法

第0章 计算机的基础知识

0.2.2 计算机中数的几个概念
1.机器数与真值 ? 机器数:机器中数的表示形式,它将数的正、负符号和数 值部分一起进行二进制编码,其位数通常为8的整数倍。 ? 真值:机器数所代表的实际数值的正负和大小,是人们习 惯表示的数。 2。数的单位 ? 位(bit):一个二进制数中的1位,其值不是1便是0。 ? 字节(Byte):一个字节,就是一个8位的二进制数。 ? 字(Word):两个字节,就是一个16位的二进制数。 ? 双字:两个字,即四个字节,一个32位二进制数。 只有8位、16位或32位机器数的最高位才是符号位。

绪论

0.2.3 计算机中的有符号数的表示
数的两种表示方式: (1)无符号数:只表示数的绝对值大小,不考虑正负 (2)有符号数:用0表示正数,用1表示负数。最高位为 符号位。 ? 机器数:符号也码化的二进制数

? 真值:原来带正号和负号的数值
? 机器数的三种常用表示方法:原码表示法、反码表示 法和补码表示法

绪论

1、原码(符号编码)表示法

定义:用“0”和“1”分别表示“+”和“-”,数值部
分为真值的绝对值。 Eg:X=(+5) 10= X=(-5 ) 10= X=(+0) 10=

X=(-0 ) 10=

绪论 结论:

(1)可见:原码有以下特点:
(a)原码中0有两种形式: (+0) 原=00000000B, (-0) 原=10000000B, (b)8位带符号数的原码范围为:-127(11111111B)~ +127

(01111111B);
16位带符号数的原码范围为:-32767(1111111111111111B)~ + 32767 (0111111111111111B) (2)原码表示法简单易懂,而且与真值的转换方便,但不适宜用简 单的加法来进行运算。 Eg : 5+(-3)=

绪论

2、反码表示法

原则:
(1)正数的反码表示与原码相同,即在原二进制数的前 面加符号位0。 (2)负数的反码表示:规定为它对应的正数按位取反 (连同符号位)。

Eg:X=(+4) 10
X=(+127) 10 X=(+0 ) 10

X=(-4) 10
X=(-127) 10 X=(-0 ) 10

绪论 结论:

(1)特点:
(a)0有两种形式: (+0) 反=00000000B, (-0) 反=11111111B, (b)8位带符号数的原码范围为:-127(10000000B)~ +127

(01111111B);
16位带符号数的原码范围为:-32767(1000000000000000B)~ + 32767 (0111111111111111B) 问题:已知一个数的反码,怎么求它的真值呢? (2)同原码相似,反码表示也不适宜用简单的加法器来进行运算。 Eg : 5+(-3)=

绪论

3、补码(Two’s complement)表示法

原则:
(1)正数的反码表示与原码相同。 (2)负数的反码表示:规定为它对应的反码加1。 Eg:X=(+4) 10 X=(+127) 10 X=(-4) 10 X=(-127) 10

X=(+0 ) 10

X=(-0 ) 10

绪论 结论:

(1)特点:
(a)0只有一种形式: (+0)补= (-0) 补= 00000000B。 (b)8位带符号数的原码范围为:-128(10000000B)~ +127 (01111111B); 16位带符号数的原码范围为:-32768(1000000000000000B)~ + 32767 (0111111111111111B) 补:快速求补码法:将负数原码的最前面的1和最后一个1之间的每 一位数求反。 问题:已知一个数的反码,怎么求它的真值呢? (2)当负数采用补码表示时,就可以把减法运算转换为加法运算。

Eg : 5+(-3)=

第0章 计算机的基础知识

① 快速求法:将负数原码的最前面的1和最后一个1之间的每一位 取反。例如 x=-4: [x]原 = 10000100
取反

[x]补 = 11111100=FCH取反

② 两数互补是针对一定的“模”而言,“模”即计数系统的过量

程回零值,例如时钟以12为模(12点也称0点),4和8互补,
一位十进制数3和7互补(因为3+7=10,个位回零,模为101= 10),两位十进制数35和65互补(因为35+67=100,十进制 数两位回零,模为102=100),而对于8位二进制数,模为28= 100000000B=100H,同理16位二进制数,模为216=10000H由此 得出求补的通用方法:一个数的补数=模-该数,这里补数是 对任意的数而言,包括正、负数。而补码是针对符号机器数而 言。

第0章 计算机的基础知识

设有原码机器数X, X>0, [X]补=[X]原

当 X<0, [X]补= 模-|X| 例如对于八位二进制数:

x1=+4: [x1]补= 00000100=04H;
x2= - 4: [x2]补 = 100H-4=FCH 对于16二进制位数: x2=+4: [x2]补= 0004H; x2= -4: [x2]补 = 10000H-4=FFFCH

第0章 计算机的基础知识

几点说明: ① 根据两数互为补的原理,对补码求补码就可以得到其 原码,将原码的符号位变为正、负号,即是它的真值 例如求补码数FAH的真值 。因为FAH为负数求补码 [FAH]补=86H=-6 例如求补码数78H的真值 。因为78H为正数求补码 [78H] 补=78H=+120 ② 一个用补码表示的机器数,若最高位为0,则其余几位 即为此数的绝对值;若最高位为1,其余几位不是此数 的绝对值,必须把该数求补(按位取反(包括符号位) 加1),才得到它的绝对值。如:X=-15 [-15]补=F1H =11110001B

求补得00001110+1=00001111B=15

第0章 计算机的基础知识 ③ 当数采用补码表示时,就可以把减法转换为加法。 例1:64-10=64+(-10)=54 [64]补=40H=0100 0000B [10]补=0AH=0000 1010B [-10]补=1111 0110B 做减法运算过程: 用补码相加过程

结果相同,其真值为36H(=54)。由于数的八位限制,最高位的进位 是自然丢失的(再计算机中。进位被存放在进位标志CY中的。)用补 码表示后,减法均可以用补码相加完成。因此,在微机中,凡是符号数 一律是用补码表示的。用加法器完成加、减运算,用加法器和移位寄存 器完成乘、除运算,简化计算机硬件结构。

第0章 计算机的基础知识 例2: 34-68=34+(-68)=-34 34=22H=0010 0010B 68=44H=0100 0100B [-68]补=1011 1100B 做减运算过程: 用补码相加过程:

结果相同。因为符号位为1,对其求补,得其真值:-00100010B,即为-34

(-22H)。
由上面两个例子还可以看出, 1)用补码相加完成两数相减,相减若无借位,化为补码相加就会有进位; 相减若有借位,化作补码相加就不会有进位。 2)补码运算后的结果为补码,需再次求补才能得到运算结果的真值。

第0章 计算机的基础知识

0.2.4 进位和溢出
例3 105+50=155 105=69H 50=32H 若把结果视为无符号数,为155,结果是正确的。若将此结果视为符号 数,其符号位为1,结果为-101,这显然是错误的。其原因是和数155大于 8位符号数所能表示的补码数的最大值127,使数值部分占据了符号位的位 置,产生了溢出,从而导致结果错误。又如: -105-50=-155 CY=1 两个负数相加,和应为负数,而结果01100101B却为正数,这显然是错误 的。其原因是和数-155小于8位符号数所能表示的补码数的最小值-128, 也产生了溢出。 结论:当两个补码数相加结果超出补码表示范围,就会产生溢出,导致 结果错误。 计算机中设立了溢出标志位OV,通过最高位的进位(符号位的进位)CY 和次高位进位(低位向符号位的进位)CY-1异或产生。

第0章 计算机的基础知识 例4 74+74=4AH+4AH 01001010
0 01

1001010 CY CY-1=0 1=1…..有溢出 OV=1 无进位 CY=0

10010100 CY CY-1

由上两例中,例3的 OV=1、CY=1,例4中OV=1、CY=0,可见溢 出和进位并非有必然的联系,这是由于两者产生的原因是不同的, 两者判断的方法也是是不同的。重述如下: 溢出OV:两个补码数相加结果超出补码表示范围而产生,OV= CY CY-1
进位CY: 当运算结果超出计算机位数的限制(8位、16位),会 产生进位,它是由最高位计算产生的,在加法中表现为进位,在减 法中表现为借位。

第0章 计算机的基础知识

0.2.5 BCD码
生活中人们习惯于十进制数,计算机只能识别二进制

数,为了将十进制数变为二进制数,出现了BCD码,即二
进制代码表示的十进制数。故名思意,它即是逢十进一, 又是一组二进制代码。用4位二进制数编码表示1位十进制

数称为压缩的BCD码,8位二进制数可以放2个十进制数位。
也可以用8位二进制数表示1个十进制数位,这种BCD码称 为非压缩的BCD码。十进制数和BCD码的对照表见表0-2

第0章 计算机的基础知识 表0-2 BCD编码表

第0章 计算机的基础知识

例:求十进制数876的BCD码 压缩的BCD码 :

[876]BCD = 1000 0111 0110B=876H
非压缩的BCD码: [876]BCD=00001000 00000111 00000110B=080706H 又如,十进制数1994的压缩的BCD码=1944H 1994的非压缩的BCD码=01090404H

第0章 计算机的基础知识

0.2.6 BCD码的运算
BCD码运算应该得到BCD码结果,由于计算机是按二进制运算,结果 不为BCD码,因此要进行十进制调整。调整方法为:当计算结果有非 BCD码或产生进位/借位时,加法进行 +6、减法进行 -6 调整运算。 例:计算BCD码 78+69=? 0111 1000 + 0110 1001 1110 0001 + 0110 0110 1 0100 0111 78H + 69H E1H………不调整,结果为二进制 + 66H………调整, 高4位产生非BCD码+6,和低4位有半 进位+6 147 调整结果:147 (带进位一起)为十进制结果

第0章 计算机的基础知识

例:计算BCD码 38-29=? 0011 1000 - 0010 1001 0000 1111 - 0000 0110 0000 1001 38H - 29H 0FH - 06 9 低4位有半借位-6调整 高4位未产生非 BCD且无借位不调整 结果:9

在计算机中,有专门的调整指令完成调整操作。

第0章 计算机的基础知识

0.2.7 ASCII码
表1-3 常用字符的ASCII码) 美国标准信息交换码ASCII码,用8 位二进制编码表示字符,用于计算机 与计算机、计算机与外设之间传递信 息,每一个符号都有对应的ASCII码, 常用数字和字母ASCII码如表1-4所列, 在程序中,字符可用ASCII码表示,也 可以用加引号的字符表示,例如字符4, 可以用34H表示,也可以用’4’表示, 此时,它只有符号的意义,而无数量 的概念。
表1-3 常用字符的ASCII码)

第0章 计算机的基础知识

0.3 小



1.了解计算机的系统结构,明确单片机是微机的一种。 2.计算机的基本数制是二进制,所有的信息都是以二进 制数的形式存放,为方便阅读,以十六进制表示,对 于二、十、十六几种进制之间的转换要求十分熟练。 3.计算机中的有符号数一律以补码表示,补码、原码。 真值之间的转换要求十分熟练。 4.计算机中的计算一律为二进制运算,符号位也参与运 算,运算中会产生进位和溢出,应明确概念,掌握判 断方法 5.编码是用一组特定的数码表示一定的字符,计算机常 用的编码有BCD码和ASCII码,应记住常用的字符编 码。

第0章 计算机的基础知识

特别提出的是,计算机只识别0 和1,是有符号数还是无
符号数、是补码还是原码、是BCD码、ASCII码还是一般的二 进制数计算机是不能识别的,完全是人的认定,人根据不同 的认定作不同的分析和处理。例如FFH 作为无符号,它代表 255,作为有符号原码,它代表-127,作为有符号补码,它 代表-1;又如32H,视作ASCII码它是字符‘2’, 视作BCD 码,它是十进制数32,视作二进制数它是50…这就是根据不 同的认定作不同的分析,编程作不同的处理,如:认定是 BCD码,运算后加调整指令,如果认定不是BCD码,而是一 般的二进制数,运算后不加调整指令。


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