第一章 微型计算机基础知识

1.1 微型计算机的组成及工作原理 1.1.1 微型计算机中的基本概念 1. 微处理器 2. 微型计算机 (1)单片微处理机 1.1.1 微型计算机中的基本概念 1. 微处理器 2. 微型计算机 (1)单片微处理机 (2)通用微型计算机 3. 微型计算机系统

1.1.2 微机基本结构 微型计算机的基本组成如图1.1所示，它由中央处理器（CPU）、存储器（Memory）、输入输出接口（I/O接口）和系统总线（BUS）构成。 图1.1 微型计算机的基本组成

1.1.3 微型计算机的基本工作过程 微型计算机的基本工作过程是执行程序的过程，也就是CPU自动从程序存放的第1个存储单元起，逐步取出指令、分析指令，并根据指令规定的操作类型和操作对象，执行指令规定的相关操作。如此重复，周而复始，直至执行完程序的所有指令，从而实现程序的基本功能，这就是微型计算机的基本工作原理。

1.2 典型单片机产品简介 1.2.1 MCS-51单片机系列 MCS-51可分为两个子系列和4种类型，如表1-1所示。按资源的配置数量，MCS-51系列分为51和52两个子系列，其中51子系列是基本型，而52子系列属于增强型。 表1-1 MCS-51系列单片机分类 资 源 配 置 子 系 列 片内ROM的形式 片内 ROM 容量 RAM 定时器 与 计数器 中 断 源 无 EPROM E2PROM 8×51系列 8031 8051 8751 8951 4KB 128B 2×16 5 8×C51系列 80C31 80C51 87C51 89C51 8×52系列 8032 8052 8752 8952 8KB 256B 3×16 6 8×C252系列 80C232 80C252 87C252 89C252 7

80C51与8051的比较 （1）MCS-51系列芯片采用HMOS工艺，而80C51芯片则采用CHMOS工艺。CHMOS工艺是COMS和HMOS的结合， （2）80C51芯片具有COMS低功耗的特点。例如8051芯片的功耗为630mW,而80C51的功耗只有120mW。 （3）80C51在功能增加了待机和掉电保护两种工作方式，以保证单片机在掉电情况下能以最低的消耗电流维持。 （4）此外，在80C51系列芯片中，内部程序存储器除了ROM型和EPROM型外，还有E2PROM型，例如89C51就有4KB E2PROM。并且随着集成技术的提高，80C51系列片内程序存储器的容量也越来越大，目前已有64KB的芯片了。另外，许多80C51芯片还具有程序存储器保密机制，以防止应用程序泄密或被复制。

1.2.2 MCS-96系列单片机 MCS-96系列单片机是Intel公司在1983年推出的16位单片机，它与8位机相比，具有集成度高、运算速度快等特点。它的内部除了有常规的I/O接口、定时器／计数器、全双工串行口外，还有高速I/O部件、多路A／D转换和脉宽调制输出（PWM）等电路，其指令系统比MCS-51更加丰富。 1.2.3 ATMEL公司单片机 ATMEL公司于1992年推出了全球第一个3V超低压F1ash存储器，并于1994年以E2PROM技术与Intel公司的80C31内核进行技术交换，从此拥有了80C31内核的使用权，并将ATMEL特有的Flash技术与80C31内核结合在一起，生产出AT89C51系列单片机。

1.3 单片机的应用模式 1.3.1 单片机应用系统的结构 单片机应用系统的结构通常分为以下三个层次。 1.3 单片机的应用模式 1.3.1 单片机应用系统的结构 单片机应用系统的结构通常分为以下三个层次。 (1)单片机：通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件。 (2)单片机系统：指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统。时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机共同构成了单片机系统。 (3)单片机应用系统：指能满足嵌入对象要求的全部电路系统。在单片机系统的基础上加上面向对象的接口电路，如前向通道、后向通道、人机交互通道(键盘、显示器、打印机等)和串行通信口(RS232)以及应用程序等。

单片机应用系统三个层次的关系如图1.2所示 图1.2 单片机应用系统三个层次的关系

1.3.2 单片机系统的开发过程 通常开发一个单片机系统可按以下6个步骤进行。 (1) 明确系统设计任务，完成单片机及其外围电路的选型工作。 1.3.2 单片机系统的开发过程 通常开发一个单片机系统可按以下6个步骤进行。 (1) 明确系统设计任务，完成单片机及其外围电路的选型工作。 (2) 设计系统原理图和PCB板，经仔细检查PCB板后送 工厂制作。 (3) 完成器件的安装焊接。 (4)  根据硬件设计和系统要求编写应用程序。 (5)  在线调试软硬件。 (6) 使用编程器烧写单片机应用程序，独立运行单片机系统。

1.4 单片机的应用 1.单片机在机、电、仪一体化等智能产品中的应用 日常生活中含单片机的电器产品 智能化的仪器仪表 1.4 单片机的应用 1.单片机在机、电、仪一体化等智能产品中的应用 日常生活中含单片机的电器产品 智能化的仪器仪表 2.单片机在工业测控中的应用 3.单片机在通信技术中的应用

1.5 数制与编码 1.5.1 数制的表示 1.常用数制 （1）十进制数 我们熟悉的十进制数有两个主要特点： 1.5 数制与编码 1.5.1 数制的表示 1.常用数制 （1）十进制数 我们熟悉的十进制数有两个主要特点：  有十个不同的数字符号：0、1、2、…、9；  低位向高位进、借位的规律是“逢十进一”“借一当十”的计数原则进行计数。 例如： 1234.45=1×103＋2×102＋3×101＋4×100＋4×10-15×10-2 式中的10称为十进制数的基数, 103、102、101、100、10-1称为各数位的权。十进制数用D结尾表示。

（2）二进制数 在二进制中只有两个不同数码：0和1，进位规律是“逢二进一”“借一当二”的计数原则进行计数。二进制数用B结尾表示。 例如，二进制数11011011.01可表示为： (11011011.01)2==1×27＋1×26＋0×25＋1×24＋1×23＋0×22＋1×21＋1×20＋0×2-1＋1×2-2 （3）八进制数 在八进制中有0、1、2…、7八个不同数码，采用“逢八进一”“借一当八”的计数原则进行计数。八进制数用Q结尾表示。 例如，八进制数（503.04）Q可表示为： （503.04）Q=5×82+0×81+3×80+0×8-1+4×8-2

（4）十六进制数 在十六进制中有0、1、2…、9、A、B、C、D、E、F共十六个不同的数码，采用“逢十六进一”“借一当十六”的计数原则进行计数。十六进制数用H结尾表示。 例如，十六进制数（4E9.27）H可表示为 （4E9.27）H=4×162＋14×161＋9×160＋2×16-1＋7×16-2 2．不同进制数之间的相互转换 表1-4列出了二、八、十、十六进制数之间的对应关系，熟记这些对应关系对后续内容的学习会有较大的帮助。

表1-4 各种进位制的对应关系 十进制 二进制 八进制 十六进制 9 1001 11 1 10 1010 12 A 2 1011 13 B 9 1001 11 1 10 1010 12 A 2 1011 13 B 3 1100 14 C 4 100 1101 15 D 5 101 1110 16 E 6 110 1111 17 F 7 111 10000 20 8 1000 10001 21

（1）二、八、十六进制数转换成为十进制数 根据各进制的定义表示方式，按权展开相加，即可转换为十进制数。 【例1-1】将（10101）B，(72)Q，（49）H转换为十进制数。 (10101)B=1×24＋0×23＋1×22＋0×21＋1×20=37 (72)Q=7×81+2×80=58 (49)H=4×161＋9×160=73 （2）十进制数转换为二进制数 十进制数转换二进制数,需要将整数部分和小数部分分开,采用不同方法进行转换,然后用小数点将这两部分连接起来。

①整数部分：除2取余法。 具体方法是：将要转换的十进制数除以2，取余数；再用商除以2，再取余数，直到商等于0为止，将每次得到的余数按倒序的方法排列起来作为结果。 【例1-2】将十进制数25转换成二进制数 所以（25）D=11001B

②小数部分：乘2取整法。 具体方法是：将十进制小数不断地乘以2，直到积的小数部分为零（或直到所要求的位数）为止，每次乘得的整数依次排列即为相应进制的数码。最初得到的为最高有效数位，最后得到的为最低有效数字。 【例1-3】将十进制数0.625转换成二进制数。 所以（0.625）D=0.101B

【例1-4】将十进制数25.625转换成二进制数，只要将上例整数和小数部分组合在一起即可，即(25.625)D=(11001.101)B 例如：将十进制193.12转换成八进制数。 所以（193.12）D  (301.075)Q

(3) 二进制与八进制之间的相互转换 由于23=8，故可采用“合三为一”的原则，即从小数点开始向左、右两边各以3位为一组进行二-八转换：若不足3位的以0补足，便可以将二进制数转换为八进制数。反之，每位八进制数用三位二进制数表示，就可将八进制数转换为二进制数。 【例1-5】将（10100101.01011101）2转换为八进制数。 010 100 101.010 111 010 2 4 5 . 2 7 2 即 (10100101.01011101)B =(245.272)Q

【例1-6】将(756.34)Q转换为二进制数。 7 5 6 . 3 4 111 101 110 . 011 100 即 (756.34)Q=(111101110.0111)B (4) 二进制与十六进制之间的相互转换 由于24=16，故可采用“合四为一”的原则，即从小数点开始向左、右两边各以4位为一组进行二—十六转换，若不足4位的以0补足，便可以将二进制数转换为十六进制数。反之，每位十六进制数用四位二进制数表示，就可将十六进制数转换为二进制数。

1.5.2 常用的信息编码 【例1-7】将(1111111000111.100101011)B转换为十六进制数。 0001 1111 1100 0111 . 1001 0101 1000 1 F C 7 . 9 5 8 即 (111111000111.100101011)B =(1FC7.958)H 【例1-8】将(79BD.6C)H转换为二进制数。 7 9 B D . 6 C 0111 1001 1011 1101 . 0110 1100 即 (79BD.6C)H=(111100110111101.011011)B 1.5.2 常用的信息编码 二—十进制BCD码（Binary-Coded Decimal） 二—十进制BCD码是指每位十进制数用4位二进制数编码表示。由于4位二进制数可以表示16种状态，可丢弃最后6种状态，而选用0000～1001来表示0～9十个数符。这种编码又叫做8421码。见表1-5所示。

表1-5 十进制数与BCD码的对应关系 十进制数 BCD码 0000 10 00010000 1 0001 11 00010001 2 0000 10 00010000 1 0001 11 00010001 2 0010 12 00010010 3 0011 13 00010011 4 0100 14 00010100 5 0101 15 00010101 6 0110 16 00010110 7 0111 17 00010111 8 1000 18 00011000 9 1001 19 00011001

【例1-9】将69.25转换成BCD码。 6 9 . 2 5 0110 1001 . 0010 0101 结果为69.25=(01101001.00100101)BCD 【例1-10】将BCD码100101111000.01010110转换成十进制数。 1001 0111 1000 . 0101 0110 9 7 8 . 5 6 结果为（100101111000.01010110）BCD=978.56 2. 字符编码（ASCII码） 计算机使用最多、最普遍的是ASCII（American Standard Code For Information Interchange）字符编码，即美国信息交换标准代码，如表1.6所示。

表1-6 七位ASCII代码表 d3 d2 d1d0位 0 d6 d5d4位 000 001 010 011 100 101 110 111 0000 NUL DEL SP ＠ P ｀ p 0001 SOH DC1 ！ 1 A Q a q 0010 STX DC2 ″ 2 B R b r 0011 ETX DC3 ＃ 3 C S c s 0100 EOT DC4 ﹩ 4 D T d t 0101 ENQ NAK ％ 5 E U e u 0110 ACK SYN ﹠ 6 F V f v 0111 BEL ETB ＇ 7 G W g w 1000 BS CAN ﹙ 8 H X h x 1001 HT EM ﹚ 9 I Y i y 1010 LF SUB ﹡ ： J Z j z 1011 VT ESC ＋ ﹔ K ［ k ﹛ 1100 FF FS ， ＜ L ＼ l ｜ 1101 CR GS － ＝ M ］ m ｝ 1110 SO RS · ＞ N ↑ n ～ 1111 SI HS ／ ﹖ O ← o

ASCII码的每个字符用7位二进制数表示，其排列次序为d6d5d4d3d2d1d0, d6为高位，d0为低位。而一个字符在计算机内实际是用8位表示。正常情况下，最高一位d7为“0”。7位二进制数共有128种编码组合，可表示128个字符，其中数字10个、大小写英文字母52个、其他字符32个和控制字符34个。 数字0～9的ASCII码为30H～39H。 大写英文字母A～Z的ASCII码为41H～5AH。 小写英文字母a～z的ASCII码为61H～7AH。 对于ASCII码表中的0、A、a的ASCII码30H、41H、61H应尽量记住，其余的数字和字母的ASCII码可按数字和字母的顺序以十六进制的规律写出。

3. 奇偶校验码 奇偶校验码是在传送的代码上附加一个校验位，作为代码的比较校验。这样在接收方，先对信息代码按双方的校验规定求奇偶校验码，然后再与收到的附加校验位作比较，若相等则认为接收的代码是正确的，否则为错。奇偶校验就是鉴别代码中有奇数个“1，还是有偶数个“1。例如，有效信息为1011001，若采用偶校验码记为“0”的话，则有效代码为1011001 0；采用奇校验码记为“1”的话，有效代码则为1011001 1。有效代码的最后的那个数位，就是奇偶校验位。当接受方收到这组代码后，便根据奇、偶校验的约定和有效代码中“1”的个数形成校验码，然后再与接收的校验位作比较。比较相等的话，说明接受的信息正确；反之，则认为出现了错误。

1.6 计算机数值数据表示与运算 1.6.1 二进制数在计算机内的表示 1.机器数 1.6 计算机数值数据表示与运算 1.6.1 二进制数在计算机内的表示 1.机器数 在计算机中，因为只有“0”和“1”两种形式，所以数的正、负号，也必须以“0”和“1”表示。通常把一个数的最高位定义为符号位，用0表示正，1表示负，称为数符：其余位仍表示数值。把在机器内存放的正、负号数码化的数称为机器数，把机器外部由正、负号表示的数称为真值数。

【例1-11】真值为(-0101100)B的机器数为10101100，存放在机器中，如图1.3所示。 要注意的是，机器数表示的范围受到字长和数据的类型的限制。字长和数据类型定了，机器数能表示的数值范围也就定了。 例如，若表示一个整数，字长为8位，则最大的正数为01111111，最高位为符号位，即最大值为127。若数值超出127，就要“溢出”。最小负数为10000000，最高位为符号位，即最小值为-128。

2. 数的定点和浮点表示 计算机内表示的数，主要分成定点小数、定点整数与浮点数三种类型。 （1）定点小数的表示法 定点小数是指小数点准确固定在数据某一个位置上的小数。一般把小数点固定在最高数据位的左边，小数点前边再设一位符号位。按此规则，任何一个小数都可以写成： N=NSN－1N－2···N－M， NS为符号位 （2）整数的表示法 整数所表示的数据的最小单位为1，可以认为它是小数点定在数值最低位右面的一种表示法。整数分为带符号和不带符号两类。对带符号的整数，符号位放在最高位。可以写成： N=NSNnNn－1···N2 N1 N0， NS为符号位

一般定点数表示的范围和精度都较小，在数值计算时，大多数采用浮点数。 (3)浮点数的表示方法 浮点表示法对应于科学(指数)计数法，如数110.011可表示为： N=110.011=1.10011×2+10=11001.1×2－10=0.110011×2+11 在计算机机中一个浮点数由两部分构成：阶码和尾数，阶码是指数，尾数是纯小数。其存储格式如图1.4所示。 阶符 阶码 数符 尾数 图1.4 存储格式 【例1-12】设尾数为4位，阶码为2位，则二进制数N=211×l011的浮点数表示形式为：

应当注意：浮点数的正、负是由尾数的数符确定，而阶码的正、负只决定小数点的位置，即决定浮点数的绝对值大小。 带符号数的表示 在计算机中，带符号数可以用不同方法表示，常用的有原码、反码和补码。 (1)原码 【例1-13】当机器字长n=8时： [+1]原＝0 0000001， [-1]原＝1 0000001 [+127]原＝0 1111111， [-127]原＝1 111111l

由此可以看出，在原码表示法中： 最高位为符号位，正数为0，负数为1，其余n-1位表示数的绝对值。 在原码表示中，零有两种表示形式，即： [+0]＝00000000， [-0]＝10000000。 (2)反码 【例1-14】当机器字长n=8时： [+1]反＝00000001， [-1]反＝11111110 [+127]反＝01111111， [-127]反＝10000000 由此看出，在反码表示中： 正数的反码与原码相同，负数的反码只需将其对应的正数按位求反即可得到。

机器数最高位为符号位，0代表正号，1代表负号。 反码表示方式中，零有两种表示方法： [+0]反＝00000000， [-0]反＝11111111。 （3）补码 【例1-15】当机器字长n＝8时， [+1]补＝00000001， [-1]补＝11111111 [+127]补＝01111111， [-127]补＝10000001 由此看出，在补码表示中： 正数的补码与原码、反码相同，负数的补码等于它的反码加l。 机器数的最高位是符号位，0代表正号，1代表负号。 在补码表示中，0有唯一的编码： [＋0]补＝[－0]补＝00000000。 补码的运算方便，二进制的减法可用补码的加法实现，使用较广泛。

【例1-16】假定计算机字长为8位，试写出122的原码、反码和补码。 [122]原＝[122]反＝[122]补＝01111010B 【例1-17】假定计算机字长为8位，试写出－45的原码、反码和补码。 　　　　 [－45]原＝10101101B 　　　　　[－45]反＝11010010B 　　　　　[－45]补＝11010011B 对于用补码表示的负数，首先认定它是负数，而后用求它的补码的方法可得到它的绝对值，即可求得该负数的值。例如，补码数(11110011)B是一个负数，求该数的补码为(00001101)B，该数相应的十进制数为13，故求出(11110011)B为(－13)D。 【例1-18】试写出原码11011001的真值。 （原码）补＝（原码）反＋1＝10100111B＝－39

1.6.2 补码的运算 在微处理机中，使用补码进行运算是十分方便的，它使同一个微处理机中既能运算带符号数又能运算不带符号的数。而且，在采用补码表示带符号数的情况下，两个数的减法可以用加法来实现。下面我们将会看到这一点。 在进行带符号数的加减运算时，应把参与运算的数据转换成补码形式进行运算。当使用8位二进制数表示带符号的数时，它所能表示的数值范围在(-128)10～(+127)10之间，如果相加结果超出了这个范围，就会导致错误发生。 [X+Y]补=[X]补+[Y]补　　 [X-Y]补=[X]补+[-Y]补

【例1-20】两个带符号的数(01000001)2(十进制数+65)与(01000011)2(十进制数+67) 例中是两个正数相加，但结果却是一个负数——符号位为1。显然，这个结果是错误的，出现这种错误的原因就在于这两个数相加的结果超过了8位二进制带符号数所能表示的数值范围。 【例1-21】两个负数(10001000)2和(11101110)2的相加情况。

由于规定用8位二进制数来表示带符号的数，故忽略作为进位位的第九位。按8位二进制数来解释这两个符号数的相加，其结果为一个正数。很明显，结果是错误的。 【例1-22】两个无符号数(11111101)2和(00000011)2相加： 从相加计算的结果来看，如果微处理机只有8位，也就是用8位二进制数来解释运算的结果，则将出现错误。因此，在微处理机中设有专门的一位，称为进位位，它将用于保存第九位以防丢失信息。

1.6.3 逻辑运算 （1）“与”运算。“与”运算的运算规则是： 00=0 01=0 10=0 11=1 【例1-23】 二进制数01011101B和11010101B相与。 （2）“或”运算。“或”运算的运算规则是： 0 0=0 01=1 10=1 11=1

【例1-24】二进制数10101101和01010000相或。 （3）“异或”运算。“异或”运算的运算规则是： 00=0 01=1 10=1 11=0 【例1-25】二进制数10101101和01101110相异或。