郭天祥單片機教程 基礎(chǔ)PPT課件

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1、第1 1章 微型計算機基礎(chǔ) 1.1 計算機中的數(shù)制及相互轉(zhuǎn)換 1.2 二進(jìn)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(jìn)位計數(shù)制 按進(jìn)位原則進(jìn)行計數(shù)的方法, 稱為進(jìn)位計數(shù)制。十進(jìn)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(jìn)位的規(guī)律是“逢十進(jìn)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(jìn)制的基數(shù), 10、101、100、10-1稱為各數(shù)位的權(quán)。 第2頁/共44頁任意一個十進(jìn)制數(shù)N都可以表示成按權(quán)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(jìn)制表示的數(shù) N , 可以按權(quán)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(jìn)制中, 每個數(shù)字所表示的值是該數(shù)字與它相應(yīng)的權(quán)Ri的乘積, 計數(shù)原則是“逢 R進(jìn)一”。 第4頁/共44頁 1. 二進(jìn)制數(shù) 當(dāng) R=2 時, 稱為二進(jìn)位計數(shù)制, 簡稱二進(jìn)制。在二進(jìn)制數(shù)中, 只有兩個不同數(shù)碼: 0和1, 進(jìn)位規(guī)律為“逢二進(jìn)一”。任何一個數(shù) N, 可用二進(jìn)制表示為 inmiimmnnnnaaaaaaN22.22.22111002211 例如, 二進(jìn)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(jìn)制數(shù) 當(dāng)R=8 時, 稱為八進(jìn)制。在八進(jìn)制中, 有 0、1、2、7 共 8 個不同的數(shù)碼, 采 用 “ 逢 八 進(jìn) 一 ” 的 原 則 進(jìn) 行 計 數(shù) 。 如 （ 5 0 3 )8可 表 示 為 ： (503)8=582+081+380 3. 十六進(jìn)制 當(dāng)R=16時, 稱為十六進(jìn)制。在十六進(jìn)制中, 有 0、1、2、 9、 A、B、C、D、E、F共 16個不同的數(shù)碼, 進(jìn)位方法是“逢十六進(jìn)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(jìn)位制的對應(yīng)關(guān)系 十進(jìn)制十進(jìn)制二進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制十六進(jìn)制十進(jìn)制十進(jìn)制二進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制十六進(jìn)制000091001119111110101012A2102211101113B3113312110014C41004413110115D51015514111016E61106615111117F7111771610000201081000108第7頁/共44頁1.1.2 不同進(jìn)制間的相互轉(zhuǎn)換 1. 二、 八、 十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制 例 1 將數(shù)(10.101)2, (46.12)8, (2D.A4)1 6轉(zhuǎn)換為十進(jìn)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(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二、八、十六進(jìn)制數(shù) 任意十進(jìn)制數(shù) N 轉(zhuǎn)換成 R 進(jìn)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(jìn)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(yīng)進(jìn)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(jìn)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(yīng)進(jìn)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(jìn)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(jìn)制與八進(jìn)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(jìn)行二八換算: 若不足 3 位的以 0 補足, 便可將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)。反之, 采用“一分為三”的原則, 每位八進(jìn)制數(shù)用三位二進(jìn)制數(shù)表示, 就可將八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。 例 5 將（101011.01101)2轉(zhuǎn)換為八進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)制數(shù)的運算 1.2.1 二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運算 二進(jìn)制數(shù)只有 0和

10、1兩個數(shù)字,其算術(shù)運算較為簡單,加、 減法遵循“逢二進(jìn)一”、“借一當(dāng)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(jìn)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(jìn)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(guān)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(guān)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(jìn)制數(shù)的最高位用作符號位，來表示這個數(shù)的正負(fù)。規(guī)定符號位用“0”表示正，用“1”表示負(fù)。例如：X=-1101010B，Y=+1101010B，則X的二進(jìn)制數(shù)表示為：11101010B，Y的二進(jìn)制數(shù)表示為01101010B。 一個二進(jìn)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(dāng)正數(shù)的符號位用0表示, 負(fù)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(jìn)制機器數(shù)稱為原碼, 用X原表示, 設(shè)X為整數(shù)。 例如+115和-11

14、5在計算機中（設(shè)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(jìn)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(fù)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(fù)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 “模”是指一個計量系統(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(shè)當(dāng)前時鐘指向11點, 而準(zhǔn)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(fù)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(fù)數(shù)補碼的過程中, 由于做減法不方便, 一般該法不用。負(fù)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(jìn)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(jìn)制數(shù)N表示成N=M2E其中, M為尾數(shù), 為純二進(jìn)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(fù)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(shè)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(jìn)制數(shù) 8421BCD碼 十進(jìn)制數(shù) 8421BCD碼 00000501011000160110200107011130011810004010091001表1.2 8421BCD編碼表 BCD碼：用4位二進(jìn)制數(shù)表示1位十進(jìn)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(shù)邏輯部件（ALU, Arithmetical Logic Unit）, 主要完成對數(shù)

20、據(jù)的算術(shù)運算和邏輯運算。 控制器（Controller）是整個計算機的指揮中心, 它負(fù)責(zé)從內(nèi)部存儲器中取出指令并對指令進(jìn)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(guān)部件及設(shè)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(dāng)人腦記憶部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲器（基本內(nèi)存、顯存、內(nèi)存條）相當(dāng)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(gòu)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(yīng)的I/O設(shè)備（如: 鍵盤、 鼠標(biāo)、顯示器、 打印機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、音箱、麥克等）, 使得這些設(shè)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(shè)備必須配置與其相適應(yīng)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(jìn)去(A/D, D/A, PWM, Motor-Controller etc.), 構(gòu)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(yīng)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(gòu)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(shè)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(yīng)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(jìn)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A(yù)DD 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(jìn)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(jìn)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