第一章  单片机基础知识
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第一章 单片机基础知识. §1-1 单片机概述 §1-2 数制及数码. 内容提要:. §1-1 单片机概述. 一、什么是单片机 单片机就是单片微型计算机( Single-Chip Microcomputer)。 微型计算机系统的硬件部分通常由五部分组成:. 输入设备. 运算器. 输出设备. 控制器. 存储器. 这种计算机系统通常由多块印刷电路板制成:. 显卡. 声卡. 网卡. 存储器接口. 主板. 输入输出接口. 内存条. CPU. 多板机. 单板机. 印

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第一章 单片机基础知识

§1-1 单片机概述

§1-2 数制及数码

内容提要:


§1-1 单片机概述

一、什么是单片机

单片机就是单片微型计算机(Single-Chip Microcomputer)。

微型计算机系统的硬件部分通常由五部分组成:

输入设备

运算器

输出设备

控制器

存储器


这种计算机系统通常由多块印刷电路板制成:

显卡

声卡

网卡

存储器接口

主板

输入输出接口

内存条

CPU

多板机


单板机

存储器接口

输入输出接口

内存条

输入输出接口

芯片

存储器芯片

CPU芯片

CPU

定时计数器

芯片

A/D、D/A

芯片


单片机

存储器

CPU

I / O口

时钟电路

控制电路

定时器


单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(Single Chip Microcontroller)。

单片机特点:

(1)体积小,重量轻;

(2)可靠性高,运行速度快,抗干扰能力强;

(3)控制功能强,使用灵活,性价比高;

(4)易扩展,易于开发;

(5)受集成度限制,片内存储器容量较小,一般

内ROM在8KB以下,内RAM在256B以内。


以单片机为核心的应用系统广泛应用于:单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(

家用电器;

工业过程控制;

仪器仪表;

智能武器;

航空、汽车等领域。


存储器单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(

接口部件

定时计数器

CPU

AB

DB

CB

键盘

显示器

数码管

打印机

二、单片机系统的组成


运算器单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(

CPU

寄存器组

单片机芯片

控制器

内存

中断控制逻辑

硬件部分

并行I / O口

通用接口

串行UART

8253

定时/计数器

8251

外围器件

8255A、8155

指令系统

2764、6264

软件部分

ADC0809、DAC0832

应用程序

单片机系统


§1-2 数制及数码单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(

计算机只识别和处理数字信息,数字是以二进制数的形式表示的。它易于物理实现,同时,资料存储、传送和处理简单可靠;运算规则简单,使逻辑电路的设计、分析、综合方便,使计算器具有逻辑性。

一、数制

1、常用数制

(1.)十进制数:

1985 = 1000+900+80+5

= 1×103+9×102+8×101+5×100

特点:有0 ~ 9 十个不同的符号。

逢十进一。

一般用下脚标 D 表示,如 1985D ,或无下脚标。


( 2.)二进制数:单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(

特点:有0,1两个不同的符号。

逢二进一。二进制数的下脚标为B

例如:对于整数,

1001B=1×23+0×22+0×21+1×20 = 9D

对于小数,

0.101B = 1×2-1 + 0×2-2 + 1×2-3 = 0.625D

二进制数每一位的权是:以小数点分界,

…..24 , 23 , 22 , 2 1, 2 0 . 2 -1, 2 -2, 2 - 3, ……


( 3.)十六进制数:单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(

有0~ 9 ,A,B,C,D,E,F 共十六个不同的符号。

逢十六进位。用下脚标 “H” 表示十六进制数。

例:327 H = 3×162+2×161+7×160

= 807D

3AB . 11H= 3×162+A×161+B×160+1×161+1×16-2

=939 . 0664 D


2、数制的转换 单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(

(1.)二进制转换为十进制数

方法: 按权展开。

111.101B =1×22+1×2 1+1×2 0 +1× 2 -1 +0× 2 -2

+1× 2 –3

=4+2+1+0.5+0.125

=7.625D

(2.)十进制数转换为二进制数

方法: 整数部分除二取余,小数部分乘二取整


例1、将十进制数45转换成二进制数。单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(

2

45 余数

2

22

1

11

0

2

2

5

1

1

2

2

2

1

0

1

0

即 45 = (101101)2


例2:十进制小数部分的转换: 乘二取整单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(

0.6875

×  2

最高位 取 1 1.3750

0.375

× 2

取 0 0.750

× 2

取 1 1. 50

0.5

× 2

最低位 取 1 1. 0

从上至下写成从左至右

0.6875D = 0.

1011

B


( 3.)十六进制数与二进制数之间的转换:单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(

十六进制数转换为二进制:

9 A B . 7 C 5 H

1001 1010 1011 . 0111 1100 0101B

二进制数转换十六进制数:

0001 1011 1110 0011 . 1001 0111 1000B

1 B E 3 . 9 7 8H

二进制数转换成八进制数与上述类似。


二、数码单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(

1、机器数与真值

机器只认识二进制数:0、1。

这是因为,电路状态常常有两种情况,

如:电路的通、断; 高电平、低电平;可用0、1表示。

在机器中,这种0、1、0、1的表现形式称为机器数。

机器数分为无符号数、带符号数。

无符号数如:00000001、10010011、01010010、 …… 等等,范围:00H ~ FFH。

有符号数如:+1010110B、-1101001B、等等

01010110B、

11101001B


2、机器数的编码及运算单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(

对带符号数而言,有原码、反码、补码之分,计算机内一般使用补码。

(1)原码

将数“数码化”,原数前“+”用0表示,原数前“-”用1表示,数值部分为该数本身,这样的机器数叫原码。

设X——原数;则[X]原 = X(X0)

[X]原 = 2n-1 – X (X0),n为字长的位数。

如,[+3]原 = 00000011B

[-3]原 = 27 - (-3) = 10000011B

0有两种表示方法:00000000 —— +0

10000000 —— -0

原码最大、最小的表示:+127、-128


(2)反码单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(

规定正数的反码等于原码;负数的反码是将原码的数值位各位取反。

[X]反 = X (X0)

[X]反 =(2n –1)+ X (X0)如,

[+4]反 = [+4]原 = 00000100 B

[-4]反=(28–1)+(-5)=11111111-00000101= 11111010 B

反码范围:-128 ~ +127

两个0: +0 —— 00000000 B

-0 —— 11111111 B


(3)补码单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(

补码的概念:现在是下午3点,手表停在12点,可正拨3点,也可倒拨9点。即是说-9的操作可用+3来实现,在12点里:3、-9互为补码。

12

3

运用补码可使减法变成加法。

规定:正数的补码等于原码。

负数的补码求法:1)反码 + 1

2)公式:[X]补 = 2n + X (X<0)

如,设X = - 0101110 B , 则[X]原 = 10101110 B

则[X]补 = [X]反 + 1 = 11010001 + 00000001 = 11010010 B

如,[+6]补 = [+6]原 = 00000110 B

[-6]补 = 28 + (-6) = 10000000 – 00000110 = 11111010 B

8位补码的范围 –128 ~ +127。

0 的个数:只一个,即00000000

而10000000 B是-128的补码。

原码、反码、补码对照表:见下表


八位二进制数所能表示的数据范围单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(

机器数 无符号数 原码 反码 补码

00000000 0 +0 +0 +0

00000001 1 +1 +1 +1

. . . . .

01111111 127 +127 +127 +127

10000000 128 -0 -127 -128

10000001 129 -1 -126 -127

. . . . .

. . . . .

11111110 254 -126 -1 -2

11111111 255 -127 -0 -1


(4)补码的运算单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(

当X≥0时,[X]补= [X]反=[X]原

[ [X]补]补 = [X]原

[X]补+ [Y]补 = [ X+Y ]补

[ X-Y ]补= [ X+(-Y)]补

例:已知X=52 Y=38 求X-Y

方法1: 减法:

X-Y = 52-38 =14

0 0 1 1 0 1 0 0

-) 0 0 1 0 0 1 1 0

0 0 0 0 1 1 1 0


方法2: 加法单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(

X-Y = [ [ X-Y]补]补 = [ [X]补+[-Y]补]补

=[ [52]补+[ -38]补]补

=[ 14 ]补 =14

[52]补: 0 0 1 1 0 1 0 0

[-38]补:+) 1 1 0 1 1 0 1 0

1 0 0 0 0 1 1 1 0

自然丢失

计算机在做算术运算时,必需检查溢出,以防止发生错误


(5) 运算的溢出问题单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(

由于计算机中表示数据的字长(位数)有一定限制,所以数据的表示应有一个范围。

如字长8位时; 补码范围-128~+127

若运算结果超出这个范围,便溢出。

例:

[98]补: 0 1 1 0 0 0 1 0

[25]补:+)0 0 0 1 1 0 0 1

[123]补 0 0 1 1 1 1 0 1 1

未溢出 0 0

Cs+1 Cs(未溢出)


[85]单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(补: 0 1 0 1 0 1 0 1

[47]补:+)0 0 1 0 1 1 1 1

[132]补: 1 0 0 0 0 1 0 0

溢出 0 1

Cs+1 Cs (溢出)

错:两个正数相加和为负数。

[- 85]补: 1 0 1 0 1 0 1 1

[- 47]补:+)1 1 0 1 0 0 0 1

[- 132]补:1 0 1 1 1 1 1 0 0

溢出 1 0

Cs+1 Cs

错:两个负数相加和为正数。


[- 19]单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(补: 0 1 0 1 0 1 0 1

[- 79]补:+)1 0 1 1 0 0 0 1

[- 98]补: 1 1 0 0 1 1 1 1

未溢出 1 1

Cs+1 Cs

错:两个负数相加和为正数。

总之:结果正确(无溢出)时,Cs+1 = Cs

结果错误(溢出)时,Cs+1 ≠ Cs

溢出判断:溢出 = Cs+1Cs(即结果是0为无溢出;1为有溢出)


1、     (6)     十进制数的编码单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(

对机器:二进制数方便,

对人 :二进制数不直观,习惯于十进制数。

在编程过程中,有时需要采用十进制运算,但机器不认识十进制数。

怎么办?

可以将十进制的字符用二进制数进行编码:

     0     0000 5 0101 1010 1111

1 0001 6 0110 1011

20010 7 0111 1100

3 0011 8 1000 1101

4 0100 9 1001 1110

这叫做二进制数对十进制编码——BCD码。

上述每4位二进制数表示一个十进制字符,这4位中各位的权依次是:

8、4、2、1——8421 BCD码。


BCD单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(码的运算:

例、 1 8

+) 3

2 1

0 0 0 1 1 0 0 0

+)0 0 0 0 0 0 1 1

0 0 0 1 1 0 1 1

B是非BCD码(错)

需进行十进制调整:

0 0 0 1 1 0 0 0

+)0 0 0 0 0 0 1 1

0 0 0 1 1 0 1 1 (个位大于9,应进1)

+) 0 1 1 0 (加6使进1)

0 0 1 0 0 0 0 1 (结果形如21)


BCD单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(码加法规则:

两个BCD数相加时,“某位”的和小于10则保持不变;

两个BCD数相加时,“某位”的和大于9,则和数应加6修正。

BCD码减法规则:

两个BCD数相减时,“某位”的差未发生借位,则差数保持不变;

两个BCD数相减时,“某位”发生了借位,其差应减6修正。

这里“某位”指BCD数中的“个位”、“十位”、“百位”、……


加法举例:单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(

0 1 1 0 0 1 0 1 (6 5)

+)1 0 0 1 0 1 1 1 (97)

1 1 1 1 1 1 0 0

+)0 1 1 0 0 1 1 0 (加66调整)

1 0 1 1 0 0 0 1 0 (162)

减法举例:

0 0 1 1 0 1 0 0 (3 4)

-) 0 0 0 1 0 1 0 1 (15)

0 0 0 1 1 1 1 1

-) 0 1 1 0 (减6调整)

0 0 0 1 1 0 0 1 (29)


(7)字符信息的表示单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(

计算机能识别0、1、0、1、……;这些0、1、0、1、……有的

代表数值,有的仅代表要处理的信息(如字母、标点符号、

数字符号等文字符号),所以,计算机不仅要认识各种数字,

还要能识别各种文字符号。人们事先已对各种文字符号进行

二进制数编码。

如,美国信息交换标准码——ASCII码,用一个字节表示一个

字符。低7位是字符的ASCII码值;最高位是通信时的

校验位。


综上所述,单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(

计算机中的数可以有各种不同的表示方法,

计算机中以一个字节为一个单元保存数据,

一个字节为8位二进制数,可以有256种组合,

也就是可以表示256个数据,

我们称它为机器数,每一个机器数实际表示的是什么,

要看采用的是那种表示方法。


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