单片机原理及接口技术 前修课程：数模电、微机原理

学习目的：掌握MCS-51单片机的硬件组成、运行原理和指令集，提高软硬件应用技术。 应用对象：家用电器、仪器仪表、自动控制系统。 优势：价格便宜、功能齐全。

学习要求： 理论学习 48 实验 16

第一章 微机基础知识 §1-1 微处理器、微机和单片机的概念 §1-2 计算机中数制和编码 §1-3 计算机中数的表示方法 §1-4 二进制数的运算

§1-1微处理器、微机和单片机的概念 一、微处理器：（芯片） 微处理器（CPU）是微机的核心部件，完成控 制和运算功能。 1.运算器（ALU）：完成算术运算和逻辑运算的场所 算术运算：加、减、乘、除，BCD码运算 逻辑运算：与、或、异或、测试 2.控制器：由程序计数器、指令寄存器、指令译码 器、时序发生器、操作控制器。 负责整机控制，协调各部件工作。

3.寄存器阵列 通常CPU的寄存器有: 累加器 A 、数据寄存器DR 、程序计数器PC 、指令寄存器IR、指令译码器ID等

二、微型计算机：（计算机） 微处理器（CPU） 存储器：存放程序和数据 输入输出接口：用于将外部设备与CPU和存储器相连接 系统总线：CPU向存储器及接口电路提供地址、数据及控制信息的通路

三、微型计算机系统 微型计算机 输入输出设备 系统软件

四、单片机 单片机的全称为单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）。 将微处理器（CPU）、一定容量的ROM和RAM、定时/计数器、并/串行口等电路集成在一块芯片上，构成单片微型计算机，简称单片机。

五、单片机的发展史 四个阶段 第一阶段：单片机初级阶段。单片机的发展始于 1974年，到了1976年，Intel公司推出了MCS-48系 列单片机，将CPU、存储器、I/O接口、定时器/计 数器集成在一块芯片上，使计算机完成了单芯片化。 第二阶段：单片机完善阶段。此阶段单片机的功能 及体系结构得到了不断的完善。 1980年，Intel公 司在MCS-48系列单片机的基础上增添了I/O串行口， 增大了存储器容量，完善了中断系统（设置了5个 中断源，2个优先级），定时器/计数器为16位的， 在内部存储器上设置了位地址空间，提供位操作指 令，推出了高性能的MCS-51系列单片机。

第三阶段：微控制器形成阶段。为了更高的测 控应用，需要对单片机的外围接口电路进行增 强与完善，如数模转换器（D/A）、模数转换 器（A/D）、高速I/O接口、程序监视定时器 （WDT）等，尽量将外围功能集成在芯片内部。 第四阶段：微控制器技术成熟阶段。随着技术 的不断成熟，国内外对单片机的开发和研制竞 争异常激烈，极大地丰富了微控制器的类型， 功能不断地完善，成本降低，外围电路减少， 可靠性不断提高。

所谓的数制是指数的制式，是人们利用符号计数的一种科学方法。 §1-2 计算机中数制和编码 一、数制及数制转化 1、数制 所谓的数制是指数的制式，是人们利用符号计数的一种科学方法。 一个r进制数按权展开，其表达式为：

二进制 B （Binary） 八进制 Q或O （Octal） 十六进制 H （Hexadecimal） 十进制 D或者省略 (Decimal)

2、进制转换 不同数制之间的相互转换

1）任意进制转换十进制（N-十转换） 加权求和 N——计数的基数 Ni——第i位的权 a.11010.01B = 1×24+1×23+0×22+1×21+0×20+0×2-1+1×2-2 = 26.25D b.19B.ABH = 1×162+ 9×161+ 11×160+ 10×16-1+11×16-2 = 256 +144 +11 + 0.625+0.04296875 = 411.66796875D

2）十－二转换 整数部分——除2（基）取余法 小数部分——乘2（基）取整法 a.97.6875=?B 整数部分97 高 低 97D = 2 97 2 48 2 24 2 12 2 6 2 3 2 1 余数为1, 余数为0, 97D = 1100001B

97.6875 = 1100001.1011B 小数部分0.6875 0.6875 ×  2 1.3750 整数部分为1， 0.3750 余下的小数部分 × 2 0.7500 整数部分为0， 0.7500 余下的小数部分 × 2 1.5000 整数部分为1， 0.5000 余下的小数部分 ×   2 1.0000 整数部分为1， 0.0000 余下的小数部分为0，结束 低 高 0.6875D = 0.1011B

注意： 任何十进制整数都可以精确地转换 成一个二进制整数，但任何十进制小数 却不一定可以精确地转换成一个二进制 小数。

3）二－十六转换 1110110101100.10101B = ?H 四位一画，两头补0 1110110101100.10101 0001110110101100.10101000 1 D A C . A 8 ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 1110110101100.10101B = 1DAC.A8H

4）十六－二转换（注意舍0） 39F.E1AH = ?B 3 9 F . E 1 A ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 001110011111 . 111000011010 39F.E1AH = 0011 1001 1111.1110 0001 1010B = 11 1001 1111.1110 0001 101B

5）十－十六、十－八转换 97.6875=?H 97.6875=?Q 余数为1, 余数为6, 16 97 16 6 商为0 余数为1, 余数为4, 8 97 8 12 8 1 商为0 0.6875 16 11.000 0.000 整数部分为11，即B 余下的小数部分为0， 结束 0.6875 × 8 5.5000 整数部分为5， 0.5000 余下的小数部分 4.0000 整数部分为4， 0.0000 余下的小数部分 结束 97.6875=61.BH=141.54Q

二进制数、八进制数、十进制数和十六进制数之间的对应关系 整 数 小 数 二进制 八进制 十进制 十六进制 0000B 00Q 0H 0B 0Q 0001B 01Q 1 1H 0.1B 0.4Q 0.5 0.8H 0010B 02Q 2 2H 0.01B 0.2Q 0.25 0.4H 0011B 03Q 3 3H 0.001B 0.1Q 0.125 0.2H 0100B 04Q 4 4H 0.0001B 0.04Q 0.0625 0.1H 0101B 05Q 5 5H 0.00001B 0.02Q 0.03125 0.08H 0110B 06Q 6 6H 0.000001B 0.01Q 0.015625 0.04H 0111B 07Q 7 7H … 1000B 10Q 8 8H 1001B 11Q 9 9H 1010B 12Q 10 AH 1011B 13Q 11 BH 1100B 14Q 12 CH 1101B 15Q 13 DH 1110B 16Q 14 EH 1111B 17Q 15 FH

1、BCD码——二－十进制码 二、计算机中常用编码 一种二进制形式的十进制码，用4位二进制数表示一位十进制数，最常用的是8421BCD码。

8421BCD码表

字母、数字、符号等的二进制编码。是一种字符编码，是美国信息交换标准代码的简称。 2、ASCII码 字母、数字、符号等的二进制编码。是一种字符编码，是美国信息交换标准代码的简称。 共128种字符，每个ASCII码占用1个字节，最高位为0，后7位进行编码。 当作符号的数字0～9的ASCII码：30H～39H 字母A～Z的ASCII码： 41H～5AH 字母a～z的ASCII码： 61H～7AH

ASCII码表

§1-3 计算机中数的表示方法 以二进制形式 存储和运算 每类数据占据固定长度的二进制数位。 处理整数（无符号数，带符号数），浮点数。

一、机器数与真值 1.机器数 规定带符号数的最高位为符号位，通常用“0”表 示正数，“1”表示负数。 例如：8位计算机中+65D = 01000001B， -65D = 11000001B。 计算机中以二进制形式表示的数为机器数，而把这 个数本身代表的真实值称为机器数的真值（一般用十进 制表示）。

2.机器数的字长 1word = 16bit 1byte = 8bit 1double word = 32bit

二、数的定点和浮点表示 用机器数来表示带小数点的数通常有两种表示方法， 即定点表示法和浮点表示法。 二、数的定点和浮点表示 用机器数来表示带小数点的数通常有两种表示方法， 即定点表示法和浮点表示法。 在定点表示法中，小数点在数中的位置是固定不变的。 定点表示法的优点是运算规则简单，但它能表示数的范围没有相同位数的浮点表示法大。 浮点数是都由阶码和尾数两部分组成，其中阶码部分包括阶符和阶码，尾数部分包括数符和尾数。 浮点表示法的优点是数的表示范围大，缺点是运算规则复杂，通常要阶码和尾数分别进行运算。

最高位是符号位，符号位之后是该数的绝对值。 三、有符号数 用0表示正数，用1表示负数，这种表示数的方法， 称为带符号数，带符号数有3种表示形式。 1.原码 记作（±N）原码 最高位是符号位，符号位之后是该数的绝对值。 1 符 号 位 数值部分 ① ＋22 1 符 号 位 数值部分 ②－22

n位原码表示数的范围： -(2n-1-1) ～2n-1-1 0有两种表示方式： （＋0）原码＝0000 0000B 8位原码表示数的范围：-127～+127 0000 0000B～0111 1111B 0～127 即 0～27-1 1000 0000B～1111 1111B 0～-127 即0～-(27-1) n位原码表示数的范围： -(2n-1-1) ～2n-1-1 0有两种表示方式： （＋0）原码＝0000 0000B （－0）原码＝1000 0000B 不适合进行计算 原码表示带符号带符号数相当简便、直观，适用乘法、除法或同符号数相加。但对于不同符号的数进行加、减运算时就变得复杂了。

例：N1 = +10101B，N2 = -10101B，试写出N1和N2在8位 字长的计算机中原码。 解： 数值不变 “0”表示正数 （N2）原=10010101B 数值不变 “1”表示正数

2.反码 记作（±N）反码 正数的反码与其原码相同； 负数的反码在其正数原码的基础上按位求反。 0有两种表示方式： （＋0）反码＝0000 0000B （－0）反码＝1111 1111B 不适合进行计算 n位反码表示数的范围： -(2n-1-1) ～2n-1-1。

例：求+13，-13的反码。 解： （+13）反码 = （+13）原码 = 00001101B （-13）原=1 0 0 0 1 1 0 1B （-13）反=1 1 1 1 0 0 1 0B 各位取反 符号位不变

3.补码 记作（±N）补码 正数的补码与其原码相同； 负数的补码在其正数原码（无符号数）的基础上求反加1。 ① ＋112 ②－112 （＋112）原码＝0111 0000B （＋112）补码＝0111 0000B （－112）补码＝1001 0000B 0111 0000B→（求反）1000 1111B →（+1）1001 0000B 求补运算← →求反加1

从右边开始首先碰到的0和第一个1不变，其余按位求反。 （＋112）原码＝0111 0000B （－112）补码＝1001 0000B 0的表示方式只有一种： （＋0）补码＝0000 0000B （－0）补码＝1111 1111B+1＝(1) 0000 0000B ＝0000 0000B 求补的方法二： 从右边开始首先碰到的0和第一个1不变，其余按位求反。 （＋112）原码＝0111 0000B （－112）补码＝1001 0000B 左 右 8位补码表示数的范围：-128～+127 n位补码表示数的范围：-2n-1～2n-1-1

注意： 1）补码≠负数 2）求补≠补码 3）使用补码可以把两个数的减法化为加法 98－76＝98＋（－76） 01100010B－01001100B＝01100010B＋10110100B 0110 0010B 0110 0010B －0100 1100B ＋1011 0100B 0001 0110B 0001 0110B

例：二进制数1000 0000B分别作原码、反码和补码看，其十进制真值分别是多少？ 判断：1开头，负数 真值：－0 原码： 反码：在正数原码的基础上按位求反得到 正数原码： 真值：－127 补码：在正数原码的基础上求反＋1得到 取反： 正数原码（无符号数）： 真值：－128 1 符号位 数值部分 1 1 1

四、无符号数 无符号数二进制表示没有符号位，皆为数值位。 8位无符号二进制数表示数的范围：0～+255 n位无符号二进制数表示数的范围：0～+2n-1

一些典型值

§1-4 二进制数的运算 1.加法运算 二进制加法运算的法则为： 0+0 = 0 1+0 = 0+1 = 1 一、算术运算 1.加法运算 二进制加法运算的法则为： 0+0 = 0 1+0 = 0+1 = 1 1+1 = 10 （向近邻高位有进位） 1+1+1 = 11 （向近邻高位有进位）

1011 0110 B X + 1101 1001 B Y 11000 1111 B X+Y 解： 按照二进制数加法运算法则，得到： 例：设有两个二进制数X =10110110，Y = 11011001，试求该两个二进制数的相加和，X+Y= ？ 解： 按照二进制数加法运算法则，得到： 1011 0110 B X + 1101 1001 B Y 11000 1111 B X+Y

2.减法运算 二进制数减法法则： 0-0 = 0 1-0 = 1 1-1 = 0 0-1 = 1 （向近邻高位借位1）

例：设有两个二进制数X = 11011001，Y = 10010111，试求该两个二进 制数的相减，X-Y= ？ 解： 按照二进制数的减法法则，得到： 1101 1001B - 1001 0111B X-Y = 0100 0010B

3.乘法运算 二进制数乘法法则： 1×0 = 0×1 = 0 1×1 = 1

例:设有两个二进制数X =1101，Y = 1011，试求该两个二进制数的相乘，X×Y= ？ 解： 1101B × 1011B 1101 1101 0000 + 1101 X×Y = 10001111B

4. 除法运算 除法运算是乘法运算的逆运算。与十进制数除 法运算类似。 够减，商1。不够减商0，再多看一位。

例：设有两个二进制数X =10101011，Y = 110，试求该两个二进制数的相除，X÷Y= ？ 解： 按照二进制数除法法则，得到： 11100 110） 10101011 110 1001 110 110 110 11 所以，X÷Y = 11100B……余11B

二、逻辑运算 1. 逻辑乘（与）运算 其运算法则为： 0∧0 = 0 1∧0 = 0∧1 = 0 1∧1 = 1

例：设有两个二进制数X =10110110，Y = 11011001，试 求该两个二进制数的逻辑与运算，X∧Y= ？ 解： 按照逻辑与运算法则，得到： 1011 0110B ∧ 1101 1001B X∧Y = 1001 0000B

2. 逻辑加（或）运算 其运算法则为： 0∨0 = 0 1∨0 = 0∨1 = 1 1∨1 = 1

例：设有两个二进制数X =10110110，Y = 11011000，试求该两个二进制数的逻辑或运算，X∨Y= ？ 解： 按照逻辑或运算法则，得到： 1011 0110B ∨ 1101 1000B X∨Y = 1111 1110B

1 = B 01010100 1 X = 3. 逻辑非（取反）运算 其运算法则为： 3. 逻辑非（取反）运算 其运算法则为： 1 = 例：设有两个二进制数X =10101011，试求该二进制数的逻辑非运算 解： 按照逻辑非运算法则，得到： B 01010100 1 X =

4.逻辑异或运算 逻辑异或运算又称为逻辑半加运算，是不考虑进位的加运 算，其运算法则为： 相同为0，相异为1 = Å

例：设有两个二进制数X =10110110，Y =11011000，试求该两个二进制数的逻辑异或运算，X Y= ？ Å 10110110B 11011000B X Y = 01101110B 解： Å