第一章 單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)

單片機(jī)原理及應(yīng)用第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)

1.1單片機(jī)的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢(shì)

1.2計(jì)算機(jī)的數(shù)制和碼制及其數(shù)制間轉(zhuǎn)換

1.3計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法

1.4計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制數(shù)運(yùn)算

1.5常用的單片機(jī)產(chǎn)品

1.6單片機(jī)的應(yīng)用與選擇電子計(jì)算機(jī)是一種能夠高速而精確地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的機(jī)器。計(jì)算機(jī)的發(fā)展分為四個(gè)時(shí)代：第一代計(jì)算機(jī)是電子管時(shí)代

1946年美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)發(fā)明的ENIAC，用了18800只電子管，150平方米、30t、100kw、運(yùn)算速度為5000次/秒。第二代計(jì)算機(jī)是晶體管時(shí)代

1957年美國(guó)研制了第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)TRANSACS-1000；主存貯器為磁芯存貯器，輔存貯器為磁盤(pán)、軟件已開(kāi)始使用高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和操作系統(tǒng)。一、計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)第四代計(jì)算機(jī)是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路時(shí)代

1971年IBM370

主要存貯器為半導(dǎo)體存貯器第三代計(jì)算機(jī)是中、小規(guī)模集成電路時(shí)代

1964年IBM推出的IBM360第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)電子計(jì)算機(jī)是模仿人腦部分功能的一種工具，故俗稱“電腦”。設(shè)想一下：人用算盤(pán)來(lái)計(jì)算2436+3748-4569

的過(guò)程，把算盤(pán)記為R，則計(jì)算過(guò)程為：二、計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成5、記錄（R）結(jié)果6、停止計(jì)算1、0R2、2436R4、(R）-4569R3、(R)+3748R第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)若用電子計(jì)算機(jī)模擬上述解題過(guò)程，計(jì)算機(jī)必須具備以下條件：1、機(jī)器內(nèi)必須有相當(dāng)于算盤(pán)的運(yùn)算器；2、為了保存和記錄原始數(shù)據(jù)、解題程序和運(yùn)算的中間結(jié)果，機(jī)器內(nèi)必須有容量足夠大的存貯器；3、必須按照解題程序指揮、控制各個(gè)部件協(xié)同工作的控制器；4、必須具備將數(shù)據(jù)和程序送入機(jī)器內(nèi)部的輸入設(shè)備和給出計(jì)算結(jié)果的輸出設(shè)備。第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)運(yùn)算器、控制器、存貯器、輸入/輸出設(shè)備是計(jì)算機(jī)賴以工作的物質(zhì)基礎(chǔ)，稱為硬件。當(dāng)然只有硬件，而沒(méi)有必要的程序，則計(jì)算機(jī)什么也干不了的，計(jì)算機(jī)中的程序稱為軟件。指令——執(zhí)行某種操作的命令。程序——完成某種功能的一組指令。程序設(shè)計(jì)——編制解題程序的過(guò)程。第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)1.1單片機(jī)的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢(shì)一、單片機(jī)的發(fā)展歷史第一階段（1974~1976）：?jiǎn)纹瑱C(jī)采用雙片形式，即需另加其它外圍電路才能構(gòu)成完整的微型計(jì)算機(jī)。eg:仙童公司的F8+3851第二階段（1976~1978）：低性能的單片機(jī)階段。單片機(jī)由一片芯片構(gòu)成，性能低。eg:MCS-48(Intel)；8048，8035(I/O少，存貯器容量小)；第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)第三階段（1978~）：高性能單片機(jī)階段。CPU、并行口、串行口、定時(shí)器、RAM、ROM、A/D、多級(jí)中斷處理，RAM、ROM容量大，I/O種類(lèi)數(shù)量多，尋址范圍大。

eg:MCS-51—8031、Motorona—6801、Zilog—Z8第四階段（1982~）

8位單片機(jī)鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)推出。

eg:MCS-51—8031，MCS-96—8096（8098）第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)二、單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)（一）CPU功能的增強(qiáng)（二）內(nèi)部資源增多

1、加大存貯容量。1、雙CPU提高處理能力。2、增加數(shù)據(jù)總線寬度。

NEC

PD—7800系列，內(nèi)部采用16位數(shù)據(jù)總線。3、采用流水線結(jié)構(gòu)。指令以隊(duì)列形式出現(xiàn)在CPU中。4、串行總線。SPI、I2C

用三條數(shù)據(jù)總線代替8位數(shù)據(jù)總線，減少引線，降低成本。第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)2、片內(nèi)EPROM開(kāi)始EEPROM化。鑒于EEPROM中數(shù)據(jù)寫(xiě)入后就能永久保存，因此，有的單片機(jī)將它作為片內(nèi)RAM使用，有的甚至作片內(nèi)通用寄存器。3、I/O數(shù)量、能力增強(qiáng)（驅(qū)動(dòng)能力，傳輸速度、控制能力）（四）低功耗化（三）外圍電路內(nèi)裝化第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)1.2計(jì)算機(jī)的數(shù)制和碼制及其數(shù)制間轉(zhuǎn)換一、計(jì)算機(jī)的數(shù)制

逢r進(jìn)位，數(shù)的第i個(gè)數(shù)位對(duì)應(yīng)于一個(gè)固定的值rn，rn

稱為該位的“權(quán)”。小數(shù)點(diǎn)左面各位的權(quán)是一個(gè)基數(shù)r

的正次冪，小數(shù)點(diǎn)右面各位的權(quán)是一個(gè)基數(shù)r的負(fù)次冪。常用的數(shù)制有：二進(jìn)制(Binary)

、八進(jìn)制(Octadic)

、十進(jìn)制(Decimal)和十六進(jìn)制(Hexadecimal)，分別用B、O、D和H表示。舉例說(shuō)明eg1：十進(jìn)制數(shù)r=10其權(quán)為：···，102，101，100，10

1，10

2，···(987.32)10=9×102+8×101+7×100+

3×10-1+2×10-2第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)eg2：二進(jìn)制數(shù)r=2其權(quán)為：···，22，21，20，2-1，2-2，···(1011.101)2=1×23+0×22+1×21+

1×20+

1×

2

1+0×2

2+

1×

2

3eg3：八進(jìn)制數(shù)r=8其權(quán)為：···，82，81，80，8-1，8-2，···(70613.304)8=7×84+0×83+6×82+

1×81+

3×80+3×

8

1+0×8

2+

4×

8

3eg4：十六進(jìn)制數(shù)r=16其權(quán)為：···，162，161，160，16-1，16-2，···(-A0.8F)16

=-（10×161+0×160+8×16

1+15×16

2第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)二、計(jì)算機(jī)的碼制BCD（BinaryCodedDecimal）碼為用二進(jìn)制表示的十進(jìn)制數(shù)。

常用二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)有：

8421碼、2421碼、5211碼、余3碼eg：7（0111、1101），（1100、1011）

ASCII碼（AmericanStandardCodeforInformationInterchange），即美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼。ASCII碼為一種8位代碼，但采用7位代碼編碼（一般其最高位為0），共可編碼為128個(gè)字符編碼。表示的十進(jìn)制數(shù)不唯一常用第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)三、各數(shù)制間的轉(zhuǎn)換

1、直接相乘法數(shù)M是r

進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，方法是：將M

的各位數(shù)字用十進(jìn)制數(shù)字來(lái)表示，然后作乘法和加法。好麻煩！第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)2、余數(shù)法此方法適合于整數(shù)部分轉(zhuǎn)換。數(shù)M

是r

進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換成t進(jìn)制數(shù)的整數(shù)，除以t

,取余數(shù)。eg：十進(jìn)制數(shù)62轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)同理：(62)10=(76)8862···6 7(62)10=(3E)161662···E 32622312152723210011111低位高位∴

(62)10=(111110)2第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)3、取整法此方法適合于小數(shù)部分轉(zhuǎn)換。數(shù)M

是r

進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換成t進(jìn)制數(shù)的小數(shù)，乘以t,取整數(shù)。eg：十進(jìn)制數(shù)0.375轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)同理：

（0.375）10=（0.3）8=0.（3×8-1）

0.375×8=3.000······整數(shù)為3（0.375）10=（0.6）16=0.（6×16-1）

0.375×16=6.000······整數(shù)為60.375×2=0.75······整數(shù)為0高位

0.75×2=1.5······整數(shù)為10.5×2=1.0······整數(shù)為1低位∴

（0.375）10=（0.011）2

=0.（0×2-1+1×2-2+1×2-3）第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)eg：676.53轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)0.53×16=8.48······整數(shù)為80.48×16=7.68······整數(shù)為70.68×16=10.88······整數(shù)為A166761642······4162······A0······2∴

（676.49）10=（2A4.87A）164、二進(jìn)制與十六進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換1110101.10100111(75.A7)16

(5A.3C)1601011010.00111100第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)1.3計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法一、真值和機(jī)器數(shù)一個(gè)數(shù)是由符號(hào)和數(shù)值兩部分組成的。

eg:+74=+100101001001010

-74=-100101011001010

真值機(jī)器數(shù)機(jī)器本身只能表示0，1，不能表示+、-，故一般用“0”表示“+”，用“1”表示“-”。真值：

直接用正號(hào)“+”和負(fù)號(hào)“-”來(lái)表示的二進(jìn)制數(shù)。機(jī)器數(shù)：一個(gè)數(shù)在機(jī)器中的表示形式。

二、帶符號(hào)數(shù)的表示Dn-1Dn-2...D0

符號(hào)位數(shù)值部分第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)eg:

11001010=-(26+23+21)=-74

機(jī)器數(shù)最高位為符號(hào)位，用“0”表示“+”，用“1”表示“-”。其余的（n-1）位為數(shù)值部分。三、無(wú)符號(hào)數(shù)的表示無(wú)符號(hào)數(shù)沒(méi)有符號(hào)位，機(jī)器的全部有效位都用來(lái)表示數(shù)的大小。Dn-1···Dn-2D0（11001010）2=（202）10例如：D7D6···D010011001第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)定點(diǎn)數(shù)：小數(shù)點(diǎn)固定。浮點(diǎn)數(shù)：小數(shù)點(diǎn)不固定（位置不固定）隨階碼浮動(dòng)。四、數(shù)的定點(diǎn)和浮點(diǎn)表示1、定點(diǎn)表示法符號(hào).數(shù)值部分或符號(hào)數(shù)值部分.小數(shù)點(diǎn)固定在數(shù)值部分的最高位之前或最低位之后。

eg:1.101011或1101011.2、浮點(diǎn)表示法階符階碼數(shù)符尾數(shù)決定小數(shù)點(diǎn)位置第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)N=

S*2

PS——二進(jìn)制小數(shù)，稱 “尾數(shù)”，S≥0P——稱為數(shù)N的階碼,為非負(fù)正數(shù)2——階碼“底”尾數(shù)符階碼數(shù)符五、原碼、補(bǔ)碼、反碼原碼、補(bǔ)碼、反碼都是帶符號(hào)數(shù)在機(jī)器中的表示方法1、原碼原碼——把真值的符號(hào)部分用0或1表示。

N1=+1001010[N]原

=

01001010

N2=-1001010[N]原

=

11001010第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)2、補(bǔ)碼模數(shù)——一個(gè)計(jì)量器的容量。eg：一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)它的容量為2n,所以它的模數(shù)為2n。同余——如果兩個(gè)整數(shù)a、b,當(dāng)用某一個(gè)正整數(shù)M（模）去除所得余數(shù)相等時(shí)，則稱a和b對(duì)模M是同余的。eg：16=4（mod12)即：16和4對(duì)12是同余，即16點(diǎn)鐘和4點(diǎn)鐘在以12為模的鐘面上，其指示是一樣的。若 x=

+

xn-2

xn-3···x1x0則： [x]補(bǔ)

=2n+x=

0xn-2

xn-3···x1x0第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)若 x=

-

xn-2

xn-3···x1x0則：[x]補(bǔ)

=1xn-2

xn-3···x1x0+1

按位取反加1[x]補(bǔ)=x

0

x

2n-12n+x -2n-1

x

0 （mod2n）①當(dāng)x為正數(shù)時(shí)，補(bǔ)碼與原碼相同。②當(dāng)x為負(fù)數(shù)時(shí)，2n+x=2n

|x|性質(zhì)：

[x+y]補(bǔ)=[x]補(bǔ)

+[y]補(bǔ)

[x-y]補(bǔ)=[x]補(bǔ)

-[y]補(bǔ)

當(dāng)x為純小數(shù)時(shí)，x=

x-1x-2···x-n-1第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)3、反碼用0代替符號(hào)位符號(hào)位為1，其它位按位取反[x]反=0xn-2

xn-3···x1x0 0

x

2n-11xn-2

xn-3···x1x0 -2n-1

x

0

1.4計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制數(shù)運(yùn)算一、算術(shù)運(yùn)算

1、加法運(yùn)算二進(jìn)制加法法則為：0+0=0；1+0=0+1=1；1+1=10； （向鄰近高位有進(jìn)位）1+1+1=11； （向鄰近高位有進(jìn)位）第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)例：兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)X=10110110B，Y=11011001B，試求X+Y。解：X+Y可寫(xiě)成如下豎式：

X10110110BY11011001BX+Y110001111B被加數(shù)

加數(shù)和∴X+Y=10110110B+11011001B=110001111B兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)相加時(shí)要注意低位的進(jìn)位，兩個(gè)8位二進(jìn)位數(shù)的和最大不會(huì)超過(guò)9位。

第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)二進(jìn)制減法法則為：0

0=0；1

1=0；1

0=1；0

1=1 ； （向鄰近高位借1當(dāng)作2）例：兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)X=10010111B，Y=11011001B，試求X

Y。解：由于Y>X，故有X

Y=

（Y

X），相應(yīng)豎式為：

被減數(shù)

Y 11011001B

減數(shù)

X 10010111B

差數(shù)

Y

X 01000010B∴

X

Y=

01000010B2、減法運(yùn)算第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)∴X·Y=1101B×1011B=10001111B3、乘法運(yùn)算二進(jìn)制加法法則為：1×0=0×1=0；1×1=1；例：兩個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)X=1101B和Y=1011B，試用手工算法求出X×Y之值。

被乘數(shù)

1101B

乘數(shù)

× 1011B

110111010000+1101

乘積

10001111B

第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)除法是乘法的逆運(yùn)算。與十進(jìn)制類(lèi)似，二進(jìn)制除法也是從被除數(shù)最高位開(kāi)始，查找出夠減除數(shù)的位數(shù)，并在其最高位處上商1和完成它對(duì)除數(shù)的減法運(yùn)算，然后把被除數(shù)的下一位移到余數(shù)位置上。若余數(shù)不夠減除數(shù)，則上商0，并把被除數(shù)的再下一位移到余數(shù)位置上。若余數(shù)夠減除數(shù)，則上商1，余數(shù)減除數(shù)。4、除法運(yùn)算例：設(shè)X=10101011B，Y=110B，試求X÷Y之值。解：X÷Y的豎式是：∴X÷Y=10101011B÷110B=11100B·········余11B第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)

邏輯乘又稱邏輯與，常用“∧”運(yùn)算符表示，邏輯乘運(yùn)算法則為：

0∧0=0；1∧0=0∧1=0；1∧1=1

兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行邏輯乘，其運(yùn)算方法類(lèi)似于二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算。二、邏輯運(yùn)算1、邏輯乘運(yùn)算∴ X∧Y=01100000B解：X∧Y的運(yùn)算豎式為：

01100110B∧11110000B01100000B例：已知X=01100110B，Y=11110000B，試求X∧Y的值。第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)2、邏輯加運(yùn)算

邏輯加又稱邏輯或，常用算符“∨”表示，邏輯加的運(yùn)算規(guī)則為：0∨0=0；1∨0=0∨1=1；1∨1=1例：已知X=01100110B，Y=11110000B，試求X∨Y的值。解：X∨Y的運(yùn)算豎式為：

01100110B∨11110000B11110110B

∴ X∨Y=11110110B第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)3、邏輯非運(yùn)算4、邏輯異或運(yùn)算邏輯異或又稱為半加，是不考慮進(jìn)位的加法，常采用“

”算符表示。邏輯異或的運(yùn)算規(guī)則為：

0

0=1

1=0；1

0=0

1=1例：已知X=10110110B，Y=11110000B，試求X

Y的值。解：X

Y的運(yùn)算豎式為：10110110B

11110000B01000110B∴X

Y=10110110B

11110000B=01000110B邏輯非運(yùn)算又稱邏輯取反。運(yùn)算規(guī)則為：0=1；1=0例：已知X=11000011B，試求X的值。解：∵X=11000011B，∴X=00111100B第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)1.5常用的單片機(jī)產(chǎn)品目前生產(chǎn)單片機(jī)的廠商主要有Intel公司、Motorola公司、Philips公司、ATMEL公司、WinBond公司、Microchip公司、AMD公司、Zilog公司等，產(chǎn)品型號(hào)規(guī)格眾多，性能各具特色。型號(hào)ROM/EPROMRAM時(shí)鐘速度(MHz)I/O線定時(shí)器/計(jì)數(shù)器串行口