《微機(jī)原理及單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》課件第1章 概述

1.11.21.31.4計(jì)算機(jī)的發(fā)展微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述8051系列單片機(jī)簡介第1章概述1.5

計(jì)算機(jī)數(shù)制與編碼二進(jìn)制數(shù)編碼

1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展

1.1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史計(jì)算機(jī)是一臺能存儲程序和數(shù)據(jù)，并能自動執(zhí)行程序的機(jī)器；是一種能對各種數(shù)字化信息進(jìn)行處理，協(xié)助人們獲取信息、處理信息、存儲信息和傳遞信息的工具。什么是計(jì)算機(jī)？什么是計(jì)算機(jī)？計(jì)算機(jī)是一臺能存儲程序和數(shù)據(jù)，并能自動執(zhí)行程序的機(jī)器；是一種能對各種數(shù)字化信息進(jìn)行處理，協(xié)助人們獲取信息、處理信息、存儲信息和傳遞信息的工具。計(jì)算機(jī)發(fā)展史世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)ENIAC

數(shù)字積分電子計(jì)算機(jī)（譯名：埃尼亞克）1946年2月美國賓夕法尼亞大學(xué)

重達(dá)30噸，使用18000支電子管，70000個(gè)電阻，10000支電容，耗電150KW，占地170平方米，運(yùn)算速度5000次/秒加、減法運(yùn)算。計(jì)算機(jī)發(fā)展史計(jì)算機(jī)發(fā)展過程第一代（1946~1958）電子管5千~4萬（次/秒)第二代（1958~1964）晶體管幾十萬~百萬（次/秒）第三代（1964~1970）中小規(guī)模集成電路百萬~幾百萬（次/秒）第四代（1971~90年代）大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路幾百萬~幾億（次/秒）按采用的主要元器件劃分為四代(c)小規(guī)模集成電路（SSI）(b)晶體管(a)電子管(d)超大規(guī)模集成電路（VLSI）一個(gè)小于1/4平方英寸的集成電路可以含有超過一百萬個(gè)電路器件電子管，晶體管與集成電路小規(guī)模集成電路（SSI）:集成度小于100個(gè)電子元件中規(guī)模集成電路（MSI）:集成度在100～3000個(gè)電子元件大規(guī)模集成電路（LSI）:集成度在3000～10萬個(gè)電子元件超大規(guī)模集成電路（VLSI）:集成度在10萬～100萬個(gè)電子元件第一代（1946---1957年）電子管式機(jī)器語言速度幾千次到幾萬次/秒應(yīng)用范圍：科學(xué)計(jì)算.第二代（1958-1964年）晶體管計(jì)算機(jī)晶體管式高級語言體積小速度幾十萬次/秒應(yīng)用范圍擴(kuò)大：數(shù)據(jù)處理,自動控制第三代（1965-1970年）

中、小規(guī)模集成電路體積更小速度幾十萬次/秒~幾百萬次/秒操作系統(tǒng)應(yīng)用范圍擴(kuò)大：企業(yè)管理,輔助設(shè)計(jì)第四代（1971至今）

大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路體積更小速度上千次/秒~數(shù)億次/秒軟件豐富網(wǎng)絡(luò)發(fā)展應(yīng)用范圍擴(kuò)大：各個(gè)領(lǐng)域目前及今后發(fā)展趨勢：（1）人工智能計(jì)算機(jī)：將人類的推理能力、邏輯判斷、圖形、語音辨識等功能集成于一體；（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)：模擬人的邏輯思維、記憶、推理、設(shè)計(jì)、分析、決策等職能活動；（3）生物計(jì)算機(jī)：利用生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白分子為主要原料的芯片；（4）光子計(jì)算機(jī)：利用光子代替現(xiàn)代半導(dǎo)體芯片中的電子。

1.1.2微型計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展第1代（1971-1973）：Intel4004/8008，45條指令，速度0.05MIPs，家電、儀表，匯編語言第2代（1974-1977）：

Intel

8080/8085，Z80，M6800,集成度提高1-4倍，速度提高10-15倍,匯編語言、BASIC、Fortran編程，單用戶操作系統(tǒng)第3代（1978-1984）：Intel

8088/8086，Z8000，M68000,

8088開啟IBMPC時(shí)代第4代（1985-1992）：

32位，Intel

80386DX發(fā)布；80486；40MHz，應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展；第5代（1993-2005）：Intel

奔騰（pentium）系列，pentium4主頻2GHz,超線程技術(shù)第6代（2006-至今）：酷睿（core）系列，節(jié)能的新型微架構(gòu)；酷睿2跨平臺微構(gòu)架；SNB(SandyBridge）微構(gòu)架；ivybridge（IVB）處理器，3D晶體管技術(shù)，USB3.0摩爾定律摩爾預(yù)言，晶體管的密度每過18個(gè)月就會翻一番，這就是著名的摩爾定律。1.2

微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

1.2.1微型計(jì)算機(jī)的基本概念微型計(jì)算機(jī)是以微處理器作為CPU的計(jì)算機(jī)，包括硬件(Hardware)和軟件(Software)。硬件是指組成計(jì)機(jī)的物理實(shí)體，包括主機(jī)箱及其內(nèi)部的電子器件、邏輯電路和鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)、磁盤驅(qū)動器等；軟件是能在計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備上運(yùn)行的程序。

1.2.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成微計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)軟件：對電腦的軟硬件資源進(jìn)行管理，為用戶提供各種服務(wù)，是用戶與硬件之間溝通的橋梁，用來啟動、運(yùn)行、管理和維護(hù)計(jì)算機(jī)硬件和應(yīng)用軟件，是保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)作的基礎(chǔ)環(huán)境。程序設(shè)計(jì)語言：將用戶語言編譯成計(jì)算機(jī)可以識別的機(jī)器語言，主要有機(jī)器語言、匯編語言和高級語言。應(yīng)用軟件：為解決各種應(yīng)用問題而編制的應(yīng)用軟件。操作系統(tǒng)：包括I/O驅(qū)動程序和文件管理程序。I/O驅(qū)動程序：用于執(zhí)行I/O操作；文件管理程序：用于管理存放在外存（或海量存儲器）中的大量數(shù)據(jù)集合。

1.2.3特點(diǎn)體積小、功耗?。何C(jī)中采取大規(guī)模集成電路從而使微型計(jì)算機(jī)的體積大大縮小。例如：，英特爾發(fā)布PentiumII450MHz處理器，采用了0.25微米工藝技術(shù),核心由750萬個(gè)晶體管組成。結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、使用方便：硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊化，構(gòu)成系統(tǒng)的各部件和適配器通過標(biāo)準(zhǔn)的總線插槽相連接增加了系統(tǒng)擴(kuò)充的靈活性?，F(xiàn)代微處理器芯片及其相應(yīng)的支持邏輯、I/O接口等都有標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的產(chǎn)品，用戶可根據(jù)不同的應(yīng)用要求選擇不同的功能外設(shè)?？茖W(xué)計(jì)算信息檢索和處理控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通信

1.2.4應(yīng)用

1.2.3微處理器結(jié)構(gòu)運(yùn)算器控制器寄存器指令寄存器控制譯碼器控制邏輯累加器數(shù)據(jù)寄存器程序計(jì)數(shù)器標(biāo)志寄存器地址寄存器

1.2.4主要技術(shù)指標(biāo)處理器硬盤總線容量速度帶寬位寬工作頻率字長主頻運(yùn)算速度內(nèi)存容量1.3

80C51系列單片機(jī)簡介1.3.180C51系列單片機(jī)的發(fā)展單片機(jī)：是把中央處理器、存儲器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、各種輸入輸出接口等都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。它的最大優(yōu)點(diǎn)是體積小，可放在儀表內(nèi)部，但存儲量小，I/O口少，功能簡單，也稱微控制器，嵌入式應(yīng)用。第一次飛越：從MCS-51到MCU第二次飛越：引入快擦寫存儲器第三次飛越：向SoC轉(zhuǎn)化1.3.2 AT89系列單片機(jī)的特點(diǎn)及分類特點(diǎn)：內(nèi)部含F(xiàn)lash存儲器89系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和80C51相近工作原理和指令系統(tǒng)完全相同分類：標(biāo)準(zhǔn)型、低檔型和高檔型1.3.3 略1.4計(jì)算機(jī)中的數(shù)制與編碼常用數(shù)制----二,十,十六進(jìn)制為了區(qū)別3種不同數(shù)制，約定目前在計(jì)算機(jī)中，數(shù)幾乎全部用二進(jìn)制表示為書寫方便,微機(jī)中的二進(jìn)制數(shù)用十六進(jìn)制數(shù)縮寫人們最熟悉、最常用的是十進(jìn)制數(shù)數(shù)后加B表示二進(jìn)制數(shù)帶D或不帶字母符號表示十進(jìn)制數(shù)帶H表示十六進(jìn)制數(shù)

1.4.1 計(jì)算機(jī)的數(shù)制十進(jìn)制、二進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)之間的關(guān)系表十進(jìn)制二進(jìn)制十六進(jìn)制十進(jìn)制二進(jìn)制十六進(jìn)制000000810008100011910019200102101010A300113111011B401004121100C501015131101D601106141110E701117151111F1.4.2數(shù)制間轉(zhuǎn)換二進(jìn)制整數(shù)→十六：從右（最低位）向左將二進(jìn)制數(shù)4位1組劃分，最后一組若不足4位則在其左邊補(bǔ)0，每組用1位十六進(jìn)制數(shù)表示如：1111111000111B→1111111000111B

→0001111111000111B=1FC7H十六→二：用4位二進(jìn)制數(shù)代替1位十六進(jìn)制數(shù)1.二←→十六如：3AB9H=0011101010111001B3.二←→十十進(jìn)制數(shù)→二進(jìn)制數(shù)：十進(jìn)制數(shù)→十六進(jìn)制數(shù)→二進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)→十進(jìn)制數(shù)：二進(jìn)制數(shù)→十六進(jìn)制數(shù)→十進(jìn)制數(shù)使用2n(2n的二進(jìn)制數(shù)等于1后跟n個(gè)0)和十六進(jìn)制數(shù)、十進(jìn)制數(shù)的對應(yīng)關(guān)系(如下表所示)以及個(gè)別十進(jìn)制整數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)的對應(yīng)關(guān)系(如50=32H，80=64H，100=64H等)轉(zhuǎn)換，如:38947=32768+4096+2048+32+3=8000H+1000H+800H+20H+3H=9823H1F3DH=2000H-(80H+40H+3H)=8192-(128＋64+3)=79971.4.3

二進(jìn)制數(shù)的邏輯運(yùn)算與邏輯電路（1）邏輯非→按位求反（2）邏輯乘∧(邏輯與)→按位求“與”如：A=01100001B,B=11001011BA=10011110B,B=00110100B規(guī)則：０∧０=0，０∧１=0,1∧0=0,1∧1=1如：01100001B∧11001011B=01000001B

（3）邏輯加∨(邏輯或)→按位求“或”

（4）邏輯異或⊕(按位加)→按位求模２和規(guī)則：0∨0=0,0∨1=1,1∨0=1,1∨1=1

如：01100001B∨11001011B=11101011B規(guī)則：0+0=0,0+1=1,1+0=1,1+1=0

如：01100001B⊕11001011B=10101010B

（5）正邏輯與負(fù)邏輯正邏輯——高電平表示邏輯１，低電平表示邏輯0負(fù)邏輯——高電平表示邏輯0，低電平表示邏輯11.4.4

符號數(shù)的表示方法用數(shù)的符號和數(shù)值部分一起編碼的方法表示符號數(shù)8位(字節(jié))、16位(字)或32位(雙字)機(jī)器數(shù)的最高位是符號位。最高位為0→正數(shù),為1→負(fù)數(shù)區(qū)分：機(jī)器數(shù)、真值、無符號數(shù)掌握符號數(shù)的三種常用表示法：原碼，反碼，補(bǔ)碼→數(shù)值用其絕對值，正數(shù)的符號位用0表示，負(fù)數(shù)的符號位用1表示如：X1=105=+1101001B[X1]原=01101001BX2=-105=-1101001B[X2]原=11101001B（1）原碼注：原碼表示的數(shù),8位數(shù)中,D7位為符號位,其余7位為數(shù)值位(為真值的絕對值)8位原碼數(shù)的數(shù)值范圍為FFH～7FH（-127～127）；16位原碼數(shù)的數(shù)值范圍為FFFFH～7FFFH（-32767～32767）原碼表示簡單易懂,且與真值轉(zhuǎn)換方便,但內(nèi)部運(yùn)算復(fù)雜,為簡化計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu),引進(jìn)了反碼和補(bǔ)碼注：

一個(gè)負(fù)數(shù)的反碼的數(shù)值部分并不是其真值的絕對值,要按位取反才能求得真值的絕對值正數(shù)的反碼與原碼一樣，符號位為0，其余位為其數(shù)值；負(fù)數(shù)的反碼為它的絕對值連同符號位按位取反如：X1=105=+1101001B[X1]反=01101001BX2=-105=-1101001B[X2]反=10010110B（2）反碼正數(shù)的補(bǔ)碼與原碼一樣，符號位為0，其余位為其數(shù)值；負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼為其絕對值的補(bǔ)數(shù)補(bǔ)數(shù)有兩種求法：按位取反后再加1從最低位向最高位掃描，保留直至第一個(gè)“1”的所有“0”位，第一個(gè)“1”左邊各位按位取反如：X1=105=+1101001B[X1]補(bǔ)=01101001BX2=-105=-1101001B[X2]補(bǔ)=10010111B對補(bǔ)碼表示的負(fù)數(shù)求補(bǔ)可以得到其絕對值如：

[-105]補(bǔ)=10010111B=97H求補(bǔ)，得：01101001=69H=105，即補(bǔ)碼表示的機(jī)器數(shù)97H的真值是-69H（=-105）（3）補(bǔ)碼注：一個(gè)補(bǔ)碼數(shù)，若最高位為0，則該數(shù)即為此數(shù)的絕對值；若最高位為1，則其補(bǔ)數(shù)為該數(shù)的絕對值8位補(bǔ)碼數(shù)的范圍：80H～7FH（-128～127）.16位補(bǔ)碼數(shù)的范圍：8000H～7FFFH（-32768～32767）補(bǔ)碼數(shù)80H和8000H的最高位既代表了符號為負(fù)又代表了數(shù)值為11個(gè)二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)的符號位向左擴(kuò)展若干位后，所得到的補(bǔ)碼數(shù)的真值不變?nèi)纾篬68]補(bǔ)=44H→字節(jié)，

[68]補(bǔ)=0044H→字

[-68]補(bǔ)=BCH→字節(jié)，

[-68]補(bǔ)=FFBCH→字微機(jī)中，符號數(shù)用補(bǔ)碼表示！1.4.5

二進(jìn)制數(shù)的加減運(yùn)算二進(jìn)制加法規(guī)則:二進(jìn)制減法規(guī)則:0+0=00+1=1+0=11+1=0→進(jìn)位10-0=01-0=11-1=00-1=1→借位1計(jì)算機(jī)把機(jī)器數(shù)均當(dāng)作無符號數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，即符號位也參與運(yùn)算1)兩個(gè)無符號數(shù)相加----和為正數(shù).當(dāng)和超過其位數(shù)所允許的范圍時(shí)，向更高位進(jìn)位，用CF表示如：

59+164=3BH+0A4H

127＋160=7FH＋A0H=0DFH=11FH=287

無進(jìn)位，CF=0有進(jìn)位，CF=1（1）無符號數(shù)的運(yùn)算

00111011+1010010011011111

01111111+10100000100011111進(jìn)位192-10=C0H-0AH=B6H=182無借位，CF=010-192=0AH-C0H=-B6H=-182有借位，CF=111000000-000010101011011000001010-11000000101001010借位

結(jié)論：對無符號數(shù)進(jìn)行減法運(yùn)算，其結(jié)果的符號用進(jìn)位來判別：CF=0(無借位)結(jié)果為正；CF=1(有借位)結(jié)果為負(fù)如：2)兩個(gè)無符號數(shù)相減----被減數(shù)大于或等于減數(shù)，無借位，結(jié)果為正；被減數(shù)小于減數(shù)，有借位，結(jié)果為負(fù)。兩數(shù)進(jìn)行運(yùn)算,結(jié)果超出表示范圍會產(chǎn)生溢出;用OF表示（2）符號數(shù)的運(yùn)算如：105+50=155＞127，超出范圍，產(chǎn)生溢出又如：-105-50=-155＜-128，超出范圍，產(chǎn)生溢出

01101001+0011001010011011=155→視為無符號數(shù)，結(jié)果正確=-65H→結(jié)果為負(fù)，錯(cuò)誤，溢出，0F=1

10010111+11001110101100101進(jìn)位=-155→將進(jìn)位視為符號，結(jié)果正確=65H→結(jié)果為正，錯(cuò)誤，溢出，0F=1說明:將多位二進(jìn)制數(shù)拆成多部分運(yùn)算時(shí),數(shù)的低位部分均為無符號數(shù),只有高位部分才為符號數(shù)注意區(qū)分進(jìn)位與溢出溢出不同于補(bǔ)碼運(yùn)算中的進(jìn)位或借位丟失

如：-50-5=-5511001110+11111011111001001=-00110111B=-55進(jìn)位丟失結(jié)果正確，無溢出判斷補(bǔ)碼運(yùn)算有無溢出的方法：

01101001+0011001010011011CY=0，

CS=1OF=0

⊕1=1,有溢出如：105+50CY=1，

CS=0

10010111+11001110101100101OF=1

⊕0=1,有溢出-105-50CY=1，

CS=1

11001110+11111011111001001OF=1⊕1=0,無溢出-50-5設(shè)符號位向進(jìn)位位的進(jìn)位為CY，數(shù)值部分向符號位的進(jìn)位為CS，則溢出判別式為：OF=CY⊕CS

當(dāng)OF=1時(shí)，有溢出；當(dāng)OF=0時(shí)，無溢出1.5二進(jìn)制編碼1.5.1BCD碼即用二進(jìn)制表示的十進(jìn)制數(shù)，簡稱BCD數(shù)（binarycodeddecimal)，常用的是8421BCD碼計(jì)算機(jī)里，字母、各種符號以及指揮計(jì)算機(jī)執(zhí)行操作的指令，均用二進(jìn)制數(shù)的組合表示，稱為二進(jìn)制編碼8421BCD編碼表十進(jìn)制數(shù)壓縮BCD數(shù)非壓縮BCD數(shù)(ABCⅡBCD數(shù))十進(jìn)制數(shù)壓縮BCD數(shù)非壓縮BCD數(shù)(ABCⅡBCD數(shù))00H(0000B)00H(00000000B)55H(0101B)05H(00000101B)11H(0001B)01H(00000001B)66H(0110B)06H(00000110B)22H(0010B)02H(00000010B)77H(0111B)07H(00000111B)33H(0011B)03H(0000