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单片机原理与应用单片机原理与应用Principles and Application of Microcontroller 讲授：唐露新讲授：唐露新广东工业大学广东工业大学信息工程学院测控技术系信息工程学院测控技术系学习要求：n上课记笔记n独立完成作业n认真做好实验学习方法：动手实践Practice is a best way to learning.第第1 1章章 计算机基础知识计算机基础知识1.1 计算机发展与应用计算机发展与应用1.2 计计算机的算机的应应用概况用概况 1.3 计算机的数制及转换计算机的数制及转换1.4 单片机应用概况单片机应用概况1.5 单片机结构及单片机结构及指令执行过程指令执行过程 1.1 计算机发展与应用计算机发展与应用一、一、发展概况发展概况1946-1958:第一代电子管计算机。磁鼓存储器，机器语言 汇编语言编程。世界上第一台数字计算机ENIAC。1958-1964:第二代晶体管计算机。磁芯作主存储器,磁盘 作外存储器，开始使用高级语言编程。1964-1971:第三代集成电路计算机。使用半导体存储器，出现多终端计算机和计算机网络。1971-:第四代大规模集成电路计算机。出现微型计算 机、单片微型计算机，外部设备多样化。1981-:第五代人工智能计算机。模拟人的智能和交流 方式。二、二、计算机发展趋势计算机发展趋势n微型化微型化 便携式、低功耗n巨型化巨型化 尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高 速度n智能化智能化 模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力n系列化、标准化系列化、标准化 便于各种计算机硬、软件兼容和升级n网络化网络化 网络计算机和信息高速公路n多机系统多机系统 大型设备、生产流水线集中管理(独立控制、故障分散、资源共享)1.2 计算机的应用概况计算机的应用概况 1 1科学计算：人造卫星轨迹，天气预报等2数据处理：企业管理、情报检索等 3自动控制：航天飞行、火星探测等现场控制等 4辅助设计和制造 5系统仿真 6智能模拟 7计算机网络与信息高速公路1.3 计算机的数制及转换计算机的数制及转换一、一、十进制十进制N ND D 有十个数码09、逢十进一。十进制用于计算机输入输出，人机交互。二、二、二进制二进制N NB B 两个数码:0、1,逢二进一。二进制为机器中的数据形式。三、三、十六进制十六进制N NH H 十六个数码:09,AF,逢十六进一。十六进制用于表示二进制数。不同进位制数以下标或后缀区别,十进制数可不带下标。如:101、101D、101B、101H、101H1.3.1 进位计数制进位计数制简介简介一、一、十进制十进制N ND D 符号集：09 规则：逢十进一。例：1234.5=1103+2102+3101+4100+510-1加权展开式以10称为基数，各位系数为09。一般表达式：ND=dn-110n-1+dn-210n-2+d0100+d-110-1+1.3.2 进位计数制进位计数制二、二、二进制二进制N NB B 符号集：0、1 规则：逢二进一。例：1101.101=123+122+021+120+12-1+12-3 加权展开式以2为基数，各位系数为0、1。一般表达式：NB=bn-12n-1+bn-22n-2+b020+b-12-1+三、三、十六进制十六进制N NH H 符号集：09、AF 规则：逢十六进一。例：DFC.8=13162+15161+12160+816-1 展开式以十六为基数，各位系数为09，AF。一般表达式：NH=hn-116n-1+hn-216n-2+h0160+h-116-1+1.3.3 不同进位计数制之间的转换不同进位计数制之间的转换 进位计数制的一般表达式：Nr=an-1rn-1+an-2rn-2+a1r1a0r0a-1r-1a-mr-m 一个r1进制的数转换成r2进制数的方法：先展开，然后 按r2进制的运算法则求和计算。一、一、二、十六进制数转换成十进制数二、十六进制数转换成十进制数 先展开，然后按照十进制运算法则求和。举例：1011.1010B=123+121+120+12-1+12-3=11.625 DFC.8H=13162+15161+12160+816-1=3580.5二、二、二进制与十六进制数之间的转换二进制与十六进制数之间的转换 24=16，四位二进制数对应一位十六进制数。举例：3AF.2H=0011 1010 1111.0010=1110101111.001B 3 A F 2 1111101.11B=0111 1101.1100 =7D.CH 7 D C 三、十进制数转换成二、十六进制数十进制数转换成二、十六进制数 1.整数转换法整数转换法 “除除基基取取余余”：十十进进制制整整数数不不断断除除以以转转换换进进制制基基数数，直直至商为至商为0。每除一次取一个余数，从低位排向高位。每除一次取一个余数，从低位排向高位。举例：举例：（1）39转换成二进制数转换成二进制数 39=100111B2 39 1 （b0）2 19 1 （b1）2 9 1 （b2）2 4 0 （b3）2 2 0 （b4）2 1 1 （b5）0（2）208转换成十六进制数转换成十六进制数 208=D0H16 208 余 016 13 余 13=DH 0 2.小数转换法小数转换法 “乘基取整”：用转换进制的基数乘以小数部分，直至小数为0或达到转换精度要求的位数。每乘一次取一次整数，从最高位排到最低位。举例：（1）0.625转换成二进制数转换成二进制数 1)0.625 2 2)1.250 1 (b-2 3)0.5 0 0 (b-2 1.0 1 (b-0.625=0.101B（2）0.625转换成十六进制数转换成十六进制数 0.625 16=10.0 0.625=0.AH（3）208.625 转换成十六进制转换成十六进制数数 208.625=D0.AH1.3.4 带符号数的表示方法带符号数的表示方法 机器中，数的符号用“0”、“1”表示。最高位作符号位，“0”表示“+”，“1”表示“-”。一、一、机器数与真值机器数与真值 机器数：机器中数的表示形式，其位数通常为8的倍数 真值：机器数所代表的实际数值。举例:一个8位机器数与它的真值对应关系如下：真值：X1=+84=+1010100B X2=-84=-1010100B 机器数：X1机=01010100 X2机=11010100二、二、原码原码(True Form)最高位为符号位，0表示“+”，1表示“”。数值位与真值数值位相同。例 8位原码机器数：真值：x1 =+1010100B x2 =1010100B 机器数：x1原 =01010100 x2原=11010100 原码表示简单直观,但0的表示不唯一，加减运算复杂。三、三、补码（补码（Twos Complement）正数的补码表示与原码相同。负数补码的符号位为1，数值位等于求反加1。例：求 8位补码机器数：x=+4 x补=00000100 x=-4 10000100 x1111011 x补=11111100 补码表示的优点：0的表示唯一，加减运算方便 数的补码与“模”有关“模”即计数系统的量程。当X0，X补=模-X。8位二进制数的模为：28=256 当X0，X补=28-X =256-X=255-X+1 =X反码+1 规则：求反加1，符号位不变。如：1000 1101B 其补码：1111 0010 规定：0000 0000B 为0 1000 0000B 不是0，而是1288位机器数表示的真值四、机器数与真值之间的转换 1.真值机器数(1)X1=+127，X2=-127，求X原、X补 X1原=X1补=01111111=7FH X2原=11111111=FFH X2补=10000001=81H(2)X1=+255，X2=-255，求X原、X补 X1原=X1补=0000000011111111=00FFH X2原=1000000011111111=80FFH X2补=1111111100000001=FF01H 1.3.5 二十进制编码BCD码 BCD码(Binary Coded Decimal)二进制代码表示的十进制数。一、8421 BCD码 例：求十进制数876的BCD码 876BCD=1000 0111 0110 876=36CH=11 0110 1100B二、BCDBCD码运算码运算 十进制调整：计算机实际按二进制法则计算，加入十十进制调整：计算机实际按二进制法则计算，加入十进制调整操作，可计算进制调整操作，可计算BCDBCD码。码。十进制调整方法：当计算结果有非十进制调整方法：当计算结果有非BCDBCD码或产生进位码或产生进位或借位，进行或借位，进行加加6 6或减或减6 6调整。调整。例：计算例：计算BCDBCD码码 38-29=38-29=？0011 10000011 1000 3838BCD BCD +1101 0111+1101 0111 -29-29BCDBCD 1 1 0000 1111 0000 1111 产生非产生非BCDBCD +1111 1010+1111 1010 -06 -06调整调整 1 1 0000 1001 0000 1001 结果无借位：结果无借位：9 91.3.6 字符编码字符编码 美国标准信息交换码美国标准信息交换码ASCIIASCII码，用于计算机与计算机及码，用于计算机与计算机及外设之间传递信息。外设之间传递信息。1.4 单片机应用概况单片机应用概况1976-1978 初级8位单片机 Intel MCS-48 系列1978-高档8位单片机 Intel MCS-51系列：-51子系列：8031/8051/8751 -52子系列：8032/8052/8752低功耗型80C31高性能型80C252廉价型89C2051/10511983-16位单片机 Intel MCS-96 系列 8098/8096、80C198/80C196,DSP 32位单片机 ARM二、二、计算机主要技术指标计算机主要技术指标字长：CPU并行处理二进制的数据位数 8位机、16位机、32位机和64位机。内存容量：内存存储单元数 容量单位：1K=210=1024，1M=220=1KK 8K、64K、16M、64M。运算速度：CPU处理速度 时钟频率、主频、每秒运算次数 6MHz、12MHz、24MHz、100MHz、300MHz。内存存取周期：内存读写速度 50nS、70nS、200nS。1.5 单片机结构及单片机结构及指令执行过程指令执行过程 单片机即单片机微型计算机，是将计算机主机(CPU、内存和I/O接口)集成在一小块硅片上的微型机。单片机为工业测控而设计，又称微控制器。具有三高优势(集成度高、可靠性高、性价比高)。主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用电器等。特别适合于嵌入式微型机应用系统。单片机开发系统有单片单板机和仿真器。实现单片机应用系统的硬、软件开发。一、一、单片机结构单片机结构图1-1 单片机组成框图二、二、计算机指令执行过程计算机指令执行过程 开始取指令PC+1执行指令图1-2 取指令、执行指令序列