郭天祥單片機教程 基礎PPT課件

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1、第1 1章 微型計算機基礎 1.1 計算機中的數(shù)制及相互轉(zhuǎn)換 1.2 二進制數(shù)的運算 1.3 帶符號數(shù)的表示 1.4 定點數(shù)和浮點數(shù) 1.5 BCD碼和ASCII碼 1.6 微型計算機的組成及工作過程 第1頁/共44頁1.1 計算機中的數(shù)制及相互轉(zhuǎn)換 1.1.1 進位計數(shù)制 按進位原則進行計數(shù)的方法, 稱為進位計數(shù)制。十進制數(shù)有兩個主要特點: （1） 有 10 個不同的數(shù)字符號: 0、 1、 2、 、 9; （2） 低位向高位進位的規(guī)律是“逢十進一”。 因此, 同一個數(shù)字符號在不同的數(shù)位所代表的數(shù)值是不同的。如555.5中 4 個 5 分 別 代 表 5 0 0 、 5 0 、 5 和 0 .

2、 5 , 這 個 數(shù) 可 以 寫 成555.5=5102+5101+5100+510-1 式中的10稱為十進制的基數(shù), 10、101、100、10-1稱為各數(shù)位的權。 第2頁/共44頁任意一個十進制數(shù)N都可以表示成按權展開的多項式: inmiimmnnnnddddddN1010.1010.1010111002211 其中, di是09共10個數(shù)字中的任意一個, m是小數(shù)點右邊的位數(shù), n是小數(shù)點左邊的位數(shù), i是數(shù)位的序數(shù)。例如, 543.21可表示為543.21=5102+4101+3100+210-1+110-2第3頁/共44頁一般而言, 對于用 R 進制表示的數(shù) N , 可以按權展開為

3、inmiimmnnnnRaRaRaRaRaRaN111002211.式中, ai 是 0、1、 、 （R-1）中的任一個, m、 n是正整數(shù), R是基數(shù)。在 R 進制中, 每個數(shù)字所表示的值是該數(shù)字與它相應的權Ri的乘積, 計數(shù)原則是“逢 R進一”。 第4頁/共44頁 1. 二進制數(shù) 當 R=2 時, 稱為二進位計數(shù)制, 簡稱二進制。在二進制數(shù)中, 只有兩個不同數(shù)碼: 0和1, 進位規(guī)律為“逢二進一”。任何一個數(shù) N, 可用二進制表示為 inmiimmnnnnaaaaaaN22.22.22111002211 例如, 二進制數(shù) 1011.01 可表示為(1011.01)2=123+022+121

4、+120+02-1+12-2 第5頁/共44頁 2. 八進制數(shù) 當R=8 時, 稱為八進制。在八進制中, 有 0、1、2、7 共 8 個不同的數(shù)碼, 采 用 “ 逢 八 進 一 ” 的 原 則 進 行 計 數(shù) 。 如 （ 5 0 3 )8可 表 示 為 ： (503)8=582+081+380 3. 十六進制 當R=16時, 稱為十六進制。在十六進制中, 有 0、1、2、 9、 A、B、C、D、E、F共 16個不同的數(shù)碼, 進位方法是“逢十六進一”。 例如, （3A8.0D）16可表示為：（3A8.0D)16=3162+10161+8160+016-1+ 1316-2 第6頁/共44頁表1.1

5、 各種進位制的對應關系 十進制十進制二進制二進制八進制八進制十六進制十六進制十進制十進制二進制二進制八進制八進制十六進制十六進制000091001119111110101012A2102211101113B3113312110014C41004413110115D51015514111016E61106615111117F7111771610000201081000108第7頁/共44頁1.1.2 不同進制間的相互轉(zhuǎn)換 1. 二、 八、 十六進制轉(zhuǎn)換成十進制 例 1 將數(shù)(10.101)2, (46.12)8, (2D.A4)1 6轉(zhuǎn)換為十進制。 （10.101)2=121+020+12-1+

6、02-2+12-3=2.625 (46.12)8=481+680+18-1+28-2=38.156 25 (2D.A4)16=2161+13160+1016-1+416-2=45.640 62 第8頁/共44頁 2. 十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二、八、十六進制數(shù) 任意十進制數(shù) N 轉(zhuǎn)換成 R 進制數(shù), 需將整數(shù)部分和小數(shù)部分分開, 采用不同方法分別進行轉(zhuǎn)換, 然后用小數(shù)點將這兩部分連接起來。 (1) 整數(shù)部分: 除基取余法。 分別用基數(shù) R 不斷地去除 N 的整數(shù), 直到商為零為止, 每次所得的余數(shù)依次排列即為相應進制的數(shù)碼。最初得到的為最低有效數(shù)字, 最后得到的為最高有效數(shù)字。 第9頁/共44頁例 2

7、將（168)10轉(zhuǎn)換成二、 八、 十六進制數(shù)。 第10頁/共44頁 (2) 小數(shù)部分: 乘基取整法。 分別用基數(shù) R(R=2、8或16）不斷地去乘N 的小數(shù), 直到積的小數(shù)部分為零（或直到所要求的位數(shù)）為止, 每次乘得的整數(shù)依次排列即為相應進制的數(shù)碼。 最初得到的為最高有效數(shù)字, 最后得到的為最低有效數(shù)字。 第11頁/共44頁故： (0.645)10=(0.10100)2=(0.51217)8=(0.A51EB)16 第12頁/共44頁例 4 將（168.645)10轉(zhuǎn)換成二、 八、 十六進制數(shù)。 根據(jù)例2、例 3 可得 （168.645)10= (10101000.10100)2= (250

8、.51217) 8=(A8.A51EB)16 第13頁/共44頁 3. 二進制與八進制之間的相互轉(zhuǎn)換 由于23= 8, 故可采用“合三為一”的原則, 即從小數(shù)點開始分別向左、右兩邊各以3位為一組進行二八換算: 若不足 3 位的以 0 補足, 便可將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進制數(shù)。反之, 采用“一分為三”的原則, 每位八進制數(shù)用三位二進制數(shù)表示, 就可將八進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)。 例 5 將（101011.01101)2轉(zhuǎn)換為八進制數(shù)。 101 011 . 011 010 5 3 . 3 2 即 （101011.01101)2= (53.32)8 第14頁/共44頁例 6 將(123.45)8轉(zhuǎn)換成二進制

9、數(shù)。 1 2 3 . 4 5001 010 011 . 100 101 即 ：（123.45)8=(1010011.100101) 例 7 將（110101.011)2轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)。 0011 0101 . 0110 3 5 . 6 即：（110101.011) 2=(35.6)16 例 8 將（4A5B.6C)16轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)。 4 A 5 B . 6 C0100 1010 0101 1011 . 0110 1100即 （4A5B.6C)16=(100101001011011.011011)2 第15頁/共44頁1.2 二進制數(shù)的運算 1.2.1 二進制數(shù)的算術運算 二進制數(shù)只有 0和

10、1兩個數(shù)字,其算術運算較為簡單,加、 減法遵循“逢二進一”、“借一當二”的原則。 1. 加法運算規(guī)則: 0+0=0; 0+1=1; 1+0=1; 1+1=10(有進位) 例 1 求1001B+1011B。 第16頁/共44頁2. 減法運算規(guī)則: 0-0=0; 1-1=0; 1-0=1; 0-1=1(有借位) 例 2 求1100B-111B。 第17頁/共44頁3. 乘法運算規(guī)則: 00=0; 01=10=0; 11=1例 3 求1011B1101B。 第18頁/共44頁即： 10100101B/1111B=1011B 4. 除法運算規(guī)則: 0/1=0; 1/1=1例 4 求10100101B/

11、1111B 第19頁/共44頁1.2.2 二進制數(shù)的邏輯運算 1. “與”運算 “與”運算是實現(xiàn)“必須都有,否則就沒有”這種邏輯關系的一種運算。 運算符為“ ”, 其運算規(guī)則如下:00=0, 01=10=0, 11=1 例 5 若X=1011B, Y=1001B, 求XY。 100110011011.即 XY=1001B 第20頁/共44頁 2. “或”運算 “或”運算是實現(xiàn)“只要其中之一有,就有”這種邏輯關系的一種運算, 其運算符為“+”。 “或”運算規(guī)則如下:0+0=0, 0+1=1+0=1, 1+1=1 例 6 若X=10101B, Y=01101B, 求X+Y。 10101011011

12、1101+即 X+Y=11101B 第21頁/共44頁 3. “非”運算 “非”運算是實現(xiàn)“求反”這種邏輯的一種運算，如變量A的“非”運算記作 。 其運算規(guī)則如下: A10, 01例 7 若A=10101B, 求 。 ABBA0101010101 第22頁/共44頁 4. “異或”運算 “異或”運算是實現(xiàn)“必須不同, 否則就沒有”這種邏輯的一種運算, 運算符為“”。其運算規(guī)則是: 011 , 101 , 110 , 000例 8 若X=1010B, Y=0110B, 求XY。 101001101100即 XY=1100B 第23頁/共44頁1.3 帶符號數(shù)的表示 1.3.1 機器數(shù)及真值 一個

13、帶符號的二進制數(shù)的最高位用作符號位，來表示這個數(shù)的正負。規(guī)定符號位用“0”表示正，用“1”表示負。例如：X=-1101010B，Y=+1101010B，則X的二進制數(shù)表示為：11101010B，Y的二進制數(shù)表示為01101010B。 一個二進制數(shù)連同符號位在內(nèi)，稱為機器數(shù)；而一般的書寫形式的數(shù)，稱為該機器數(shù)的真值，如-1101010B、 +1101010B機器數(shù)有三種表示方法：原碼、反碼、補碼第24頁/共44頁1.3.2 數(shù)的碼制 1. 原碼 當正數(shù)的符號位用0表示, 負數(shù)的符號位用1表示, 數(shù)值部分用真值的絕對值來表示的二進制機器數(shù)稱為原碼, 用X原表示, 設X為整數(shù)。 例如+115和-11

14、5在計算機中（設機器數(shù)的位數(shù)是8）其原碼可分別表示為+115原= 01110011B; -115原= 11110011B 值得注意的是, 由于+0原=00000000B, 而-0原=10000000B, 所以數(shù) 0的原碼不唯一。 8位二進制原碼能表示的范圍是: -127+127。 第25頁/共44頁 2. 反碼 一個正數(shù)的反碼, 等于該數(shù)的原碼; 一個負數(shù)的反碼, 由它的正數(shù)的原碼按位取反形成。反碼用X反表示。 例如: X=+103, 則X反=X原=01100111B; X=-103, X原=11100111B, 則X反=10011000B。 負數(shù)的反碼等于：符號位不變，數(shù)值位取反。第26頁/

15、共44頁 3. 補碼 “?！笔侵敢粋€計量系統(tǒng)的計數(shù)量程。如, 時鐘的模為12。任何有模的計量器, 均可化減法為加法運算。仍以時鐘為例, 設當前時鐘指向11點, 而準確時間為7點, 調(diào)整時間的方法有兩種, 一種是時鐘倒撥4小時, 即11-4=7; 另一種是時鐘正撥8小時, 即11+8=12+7=7。 由此可見, 在以12為模的系統(tǒng)中, 加8和減4的效果是一樣的, 即 -4=+8（mod 12）對于n位計算機來說, 數(shù)X的補碼定義為 ,2,XXXn補02)2(mod;2011XXnnn第27頁/共44頁即正數(shù)的補碼就是它本身, 負數(shù)的補碼是真值與模數(shù)相加而得。 例如, n=8時, +75補=010

16、01001B -75補=100000000 B- 01001001B=10110111B 0補=+0補=-0補=00000000B 可見, 數(shù)0的補碼表示是唯一的。在用補碼定義求負數(shù)補碼的過程中, 由于做減法不方便, 一般該法不用。負數(shù)補碼的求法: 用原碼求反碼, 再在數(shù)值末位加1, 即: X補= X 反+ 1 。 例 如 : - 3 0 補= - 3 0 反+ 1 = + 3 0 原+1=11100001+1=11100010B。 8位二進制補碼能表示的范圍為: -128 +127, 若超過此范圍, 則為溢出。 第28頁/共44頁1.4 定點數(shù)和浮點數(shù) 1. 定點法 定點法中約定所有數(shù)據(jù)的小

17、數(shù)點隱含在某個固定位置。 對于純小數(shù), 小數(shù)點固定在數(shù)符與數(shù)值之間; 對于整數(shù), 則把小數(shù)點固定在數(shù)值部分的最后面, 其格式為 純小數(shù)表示: 數(shù)符. 尾數(shù) 數(shù) 符尾 數(shù).小數(shù)點數(shù) 符尾 數(shù).小數(shù)點第29頁/共44頁 2. 浮點法 浮點法中, 數(shù)據(jù)的小數(shù)點位置不是固定不變的, 而是可浮動的。 因此, 可將任意一個二進制數(shù)N表示成N=M2E其中, M為尾數(shù), 為純二進制小數(shù), E稱為階碼?？梢? 一個浮點數(shù)有階碼和尾數(shù)兩部分, 且都帶有表示正負的階碼符與數(shù)符, 其格式為 階 符階碼E數(shù) 符尾數(shù)M 設階碼 E的位數(shù)為m位, 尾數(shù)M的位數(shù)為n位, 則浮點數(shù)N的取值范圍為 2-n2-2m+1|N|(1-

18、2-n)22m-1 為了提高精度, 發(fā)揮尾數(shù)有效位的最大作用, 還規(guī)定尾數(shù)數(shù)字部分原碼的最高位為1, 叫做規(guī)格化表示法。 如0.000101表示為: 2-30.101 第30頁/共44頁1.5 BCD碼和ASCII 碼 1.5.1 BCD碼 十進制數(shù) 8421BCD碼 十進制數(shù) 8421BCD碼 00000501011000160110200107011130011810004010091001表1.2 8421BCD編碼表 BCD碼：用4位二進制數(shù)表示1位十進制數(shù)的編碼形式。 例 1. 69.25的BCD碼：69.25 =（01101001.00100101）BCD 第31頁/共44頁1.5

19、.2 ASCII碼 表 1.3 ASCII 碼 表 第32頁/共44頁1.6 微型計算機的組成及工作過程 1.6.1 基本組成 圖 1.1 微型計算機的基本組成 第33頁/共44頁 1. 中央處理器CPU CPU（Central Processing Unit）是計算機的核心部件, 它由運算器和控制器組成, 完成計算機的運算和控制功能。 CPU中還包括若干寄存器（Register）, 它們的作用是存放運算過程中的各種數(shù)據(jù)、地址或其它信息。這些寄存器主要有：通用寄存器、累加器A、程序計數(shù)器PC等。 運算器又稱算術邏輯部件（ALU, Arithmetical Logic Unit）, 主要完成對數(shù)

20、據(jù)的算術運算和邏輯運算。 控制器（Controller）是整個計算機的指揮中心, 它負責從內(nèi)部存儲器中取出指令并對指令進行分析、判斷, 并根據(jù)指令發(fā)出控制信號, 使計算機的有關部件及設備有條不紊地協(xié)調(diào)工作, 保證計算機能自動、連續(xù)地運行。第34頁/共44頁 2. 存儲器M 存儲器（Memory）是具有記憶功能的部件, 用來存儲數(shù)據(jù)和程序。 存儲器（根據(jù)用途分類）：程序存儲器（硬盤、軟盤、光盤、U盤、BIOS）相當人腦記憶部分數(shù)據(jù)存儲器（基本內(nèi)存、顯存、內(nèi)存條）相當于人腦思維部分存儲器（根據(jù)固有性質(zhì)）分類：只讀存儲器ROM固定掩膜存儲器ROM可編程存儲器PROM紫外光可擦除存儲器EPROM（27

21、64、2732.）電改寫存儲器EEPROM、E2PROM（2864、閃存）隨機讀寫存儲器RAM靜態(tài)RAM（6264） （內(nèi)存條） 動態(tài)RAM；集成度高、價格底、功耗低，但需刷新。第35頁/共44頁 3. 輸入/輸出接口（I/O接口） 輸入/輸出（I/O）接口由大規(guī)模集成電路組成的I/O器件構成（如：串口、并口、USB口、I/O擴展插槽、其它I/O專用接口1394、讀卡器.）, 用來連接主機和相應的I/O設備（如: 鍵盤、 鼠標、顯示器、 打印機、網(wǎng)絡設備、音箱、麥克等）, 使得這些設備和主機之間傳送的數(shù)據(jù)、信息在形式上和速度上都能匹配。不同的I/O設備必須配置與其相適應的I/O接口。 第36頁

22、/共44頁 4. 總線 總線（BUS）是計算機各部件之間傳送信息的公共通道。微機中有內(nèi)部總線和外部總線兩類。 外部總線有三種（三總線）：數(shù)據(jù)總線 DB（Data Bus）, 地址總線 AB（Address Bus）控制總線 CBControl Bus）。內(nèi)部總線是CPU內(nèi)部之間的連線。外部總線是指CPU與其它部件之間的連線。第37頁/共44頁 將中央處理器(CPU),存儲器(Mem.)和輸入輸出接口部件(I/O interface)集成在一個芯片中, 單一芯片具備了一臺微型計算機的基本功能, 這種單芯片的計算機就稱謂單片微型計算機(MCU). 且近年來, 單片機的CPU速度不斷提高, 就51系

23、列來說, 僅時鐘頻率從12MHz, 提高到24MHz, 40MHz; 存儲器不斷擴容(內(nèi)部ROM 4K, 8K, 12K, 60K, 內(nèi)部RAM); I/O接口不斷豐富(I2C,SPI,USART,CAN), 一些單片機將一些功能部件直接集成進去(A/D, D/A, PWM, Motor-Controller etc.), 構成系統(tǒng)芯片(SoC); 且系列很多,品種很全, 可滿足幾乎所有場合的應用.5. 單片微型計算機第38頁/共44頁 1.6.2 基本工作過程 根據(jù)馮諾依曼原理構成的現(xiàn)代計算機的工作原理可概括為: 存儲程序和程序控制。存儲程序是指人們必須事先把計算機的執(zhí)行步驟序列（即程序）及

24、運行中所需的數(shù)據(jù), 通過一定的方式輸入并存儲在計算機的存儲器中。程序控制是指計算機能自動地逐一取出程序中的一條條指令, 加以分析并執(zhí)行規(guī)定的操作。 略！第39頁/共44頁 來看Z=X+Y的執(zhí)行過程。 假定我們有一個虛擬機SAM, 主存儲器由4K16位的字組成, CPU 中有一個可被程序員使用的16位累加器A。 SAM指令格式為 操作碼地址碼SAM中有如下指令: 第40頁/共44頁 假設X和Y均已存放在存儲單元中。注意, X是個變量名, 可以是某個存儲單元的地址,該單元中存放的是X的值。 (1) 從地址為X的單元中取出X的值送到累加器中。 (2) 把累加器中的X與地址為Y 的單元的內(nèi)容相加, 結(jié)

25、果存放在累加器中。 (3) 把累加器中的內(nèi)容送到地址為Z的單元中。 相應的SAM指令是: LOAD X ADD Y STORE Z 第41頁/共44頁表 1.4 計算Z=X+Y的程序 第42頁/共44頁 指令被取出后送入指令寄存器 IR（Instrction Register）, 由控制器中的譯碼器對指令進行分析, 識別不同的指令類別及各種獲得操作數(shù)的方法。以加法指令ADD Y為例, 譯碼器分析后得到如下結(jié)果: (1) 這是一個加法指令; (2) 一個操作數(shù)存放在Y（地址為A01H）中, 另一操作數(shù)隱含在累加器 A中。 接著, 操作進入指令執(zhí)行階段。仍以 ADD Y 為例, 將Y 與A中內(nèi)容送入 ALU, 進行加法運算, 結(jié)果送入A。 第43頁/共44頁感謝您的觀看！第44頁/共44頁