第一章 单片机概述

§1-1 计算机的特点及应用，典型单片机介绍 §1-2 带符号数的表示方法 §1-3 微型计算机的结构及工作过程

第一章 单片机概述§1-1 计算机的特点及应用，典型单机片介绍

一、计算机的发展历程 1 、计算机的作用及模型

计算机作为一种计算工具，它的雏形最早可以追溯到中国古老的算盘、 17 世纪数学家巴斯卡尔发明并制造的加法器、莱布尼兹发明的机械式计算机、 19 世纪数学家巴比吉提出并试图制造的机械式“分析机”等等，到 20 世纪，计算机进入了迅猛的发展的时代。

现在，计算机不仅仅是计算的工具，它已经成为高效率的“智能工具”，已经在各行各业中大显身手。

2 、发展发展

二、计算机的基本结构 （ 1 ）硬件： 基本组成：运算器、控制器、存储器、 输入 / 输出设备及接口。 — 冯 · 诺依曼结构 中心思想是存储程序原则： 指令和数据一起以二进制的形式存放在存储器中。 由计算机之父美籍匈牙利数学家冯 · 诺依曼 1945 年 3 月提出，

标志着电子计算机时代的真正开始。 结构框图如图 1-1 所示：

以微型计算机为基础，加上外围设备、电源、系统软件等就构成微型计算机系统

微机系统的组成可小结如下：

三、微型机 11 、微处理器、微型计算机、微型计算机系统、微处理器、微型计算机、微型计算机系统 (1) 中央处理器 Central Processing Unit-CPU 负责取指，执指，实现操作的核心部件，包括运算器和控制器两大

组成部分。 如果中央处理器的电路集成在一片或少数几片大规模集成电路芯片

上，就成为微处理器（ MPU ）。 (2) 微型计算机、微型计算机系统 以微处理器为核心，加配存储部件和输入输出部件而成为微型计算

机。

（ 2 ）软件 是计算机上运行的程序，是计算机系统中的逻辑部件而不是物理

部件，是人的思维结果，它总是要通过某种物理介质来存储和表示的。其分类如下：

22 、微型计算机的分类、微型计算机的分类

33 、微型计算机的发展、微型计算机的发展 1971 年，美国 Intel 公司研制出了 Intel4004 微处理器芯片，以

它为核心的 MCS-4 计算机，由该公司年轻工程师马西安 · 霍夫研制，标志了世界上第一台微机的诞生，至今，已经历了五代：

三、单片机概述 单片微型计算机： Single-Chip Microcomputer One-Chip Microcomputer 在一片芯片上集成 CPU 、存储器、 I / O 接口等组成一台完整的微型计算机。 单片机作为工业控制和数据处理的计算机，也被称为“微控制器”、 “微处理器”

（Micro-controller, Micro-processor ）。 主要有： 4 位、 8 位、 16 位、 32位等。 11 、单片机发展情况：、单片机发展情况： 从 1974 年 12 月，仙童（ Fairchild ）公司首先推出 8位单片机 F8 ，采用： 双片形式 F8 （ 8位 CPU＋ 64RAM＋ 2个并行 I/O 口）＋ 3851 （ 1K RO

M＋定时器 / 计数器＋ 2个并行 I/O ）。• 至今经历了四代

22 、、 MCS-51MCS-51 单片机单片机 属于高档单片机，是 Intel 公司的 8位系列单片机，包括 51 和 52

两个子系列。两者的区别在于 52 子系列片内 ROM 、 RAM 的容量翻倍，定时计数器增加到 3个。

单片机的供货状态： 片内无 ROM 型：单片机片内无 ROM ，价格便宜，使用时必须另外配置

程序存储器 EPROM ，实际上已成为 8751 。如 8031 、 8032 、 80C31 片内 ROM 型：单片机片内带有掩膜 ROM ，用户无法更改其程序。如 8

051 、 8052 ，用于大规模专用产品。 片内 EPROM 型：单片机片内带有 EPROM ，用户通过高压脉冲可写入

程序，但价格昂贵，使用较少。如 8751 、 8752

33 、单片机特点和应用、单片机特点和应用 单片机由于单片机由于 CPUCPU 、存储器、、存储器、 I/OI/O 接口电路均集中于一块芯片上，其结构接口电路均集中于一块芯片上，其结构非常紧凑，价格便宜，但其功能却非常强大，因此大量用于智能家电行非常紧凑，价格便宜，但其功能却非常强大，因此大量用于智能家电行业、小型的工业控制系统中。业、小型的工业控制系统中。

§1-2 计算机中数和编码 返回 一、数制及其转换 11 、进位计数制的概念、进位计数制的概念 使用有限个基本数码来表示数据，按进位的方法进行

计数称为进位计数制。包含两大要素：基数和位权 基数：用来表示数据基本数码的个数 J ，≧此数后必须进位。

位权：数码在表示数据时所处的数位所具有的固定值 J i 。 简称“权”。 特点： 1 ）基数为 J ，用 0 ， 1 ，…， J-1 来表示数据，逢 J 进 1；

2 ）各位的权为 J i

任意一个 J 进制数的表示方法为： 其中 ki=0,1,… ， J-1 m--- 小数部分位数 , n--- 整数部分位数 , i--- 正整数

im

nii JkA

1

22 、计算机中常用进制、计算机中常用进制 （ 1 ）十进制（ Decimal ）表示法 特点：①基数为 10 ，用 0 ， 1 ，…， 9 来表示数据，逢十进一； ②各位的权为 10i 。 任意一个十进制数的表示方法为： 其中 k i=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 例如（ 273.45） D=2×102+7×101 +3×100+4×10-1+5×10-2

（ 2 ）二进制 ( Binary )表示法 特点：①基数为 2 ，用 0 ， 1 两个数码来表示数据，逢二进一 ②各位的权为 2i 。 任意一个二进制数的表示方法为： 其中 k i=0,1 例如（ 1011.101 ） B=1×23+0×22 +1×101+1×20+1×2-1+ 0×2-2+1×2-3

im

niikA 2

1

im

niikA 10

1

（ 3 ）十六进制 (Hexadecimal) 表示法 特点：①基数为 16，用 0-9 和字母 A,B,C,D,E,F （对应十进制 10-15）来表示数据，逢十六进一； ②各位的权为 16i 。 任意一个十六进制数的表示方法为 其中 k i= 0-F 例如 : （ 55） H=5×161+5×160

（ A87.E79 ） H=A×162+8×161+7×160+E×16-1+ 7×16-2+9×16-3

33 、进制间的转换、进制间的转换 （ 1 ） J 进制转换为十进制 按定义： 只需按权展开即可。

im

niikA 16

1

（ 2 ）十进制转换为 J 进制 ①整数部分的转换 把十进制的整数不断除以所需要的基数 J ，直至商为零，取其余数，

就能转换成以 J 为基数的数，称为除基取余法。 ②小数部分的转换 要将一个十进制小数转换成 J 进制小数时，可不断将十进制小数

部分乘以 J ，并取整，直至小数部分为零为止。称为乘基取整法。 例如：（ 25.3125 ） D=(11001.0101)B

（ 116.84375 ） D= （ 74.DB ） H

过程如下：

44 、二进制与十六进制数的相互转换、二进制与十六进制数的相互转换 由于二进制的基数是 2 ，而十六进制的基数为 16=24 ，即 4位二

进制数正好对应一位十六进制数，因此二者之间的转换十分方便。 使用 8421权 例如： （ B6.8 ） H= 1011 0110 . 1000= （ 10110110.1 ） B

（ 11011.011 ） B= 0001 1011 . 0110= （ 1B.6 ） H

注意： （ 1 ）以小数点为界，朝左右划分，整数部分不足 4位高位加 0 ，小

数部分不足 4位低位加 0 。 （ 2 ）二进制与八进制之间也有类似的情况（ 23=8 ）。

二、二进制数的运算 11 、算术运算、算术运算 （ 1 ）运算规则 加法： 0+0=0 ， 0+1=1 ， 1+1=0 进位 1 ， 1+1+1=1 进位 1； 减法： 0-0=0 ， 1-0=1 ， 0-1=1借位 1 ， 1-1=0； 乘法： 0×0=0 ， 0×1=0 ， 1×0=0 ， 1×1=1； （ 2 ）无符号数的运算 ①加法：按照加法运算规则，从最低位开始逐位相加。两个 4位的二

进制数相加，其“和”可能超过 4位，从而产生进位。 ②减法：按照减法运算规则，从最低位开始逐位相减，与十

进制数相减类似，不够减时，应向高位借位。 记住，二进制的 10 相当于十进制的 2 。

③乘法：乘法运算可看作是被乘数自身多次移位相加，相加的次数由乘数的数值决定。

④除法：除法是乘法的逆运算，它是确定一个数可以从另一个数中减去多少次的过程。

例如：

22 、基本逻辑运算、基本逻辑运算 常用有“与”、“或”、“非”、“异或”等逻辑运算。 （ 1 ）“与”： AND ，“有 0 出 0 ，全 1 出 1” ， C=A·B ， 运算规则： 0·0=0 ， 0·1=0 ， 1·0=0 ， 1·1=1 （ 2 ）“或”： OR ，“有 1 出 1 ，全 0 出 0” ， C=A + B ， 运算规则： 0+0=0 ， 0+1=1 ， 1+0=1 ， 1+1=1 （ 3 ）“非”： NOT，“求反”， C= 运算规则： （ 4）“异或”： XOR ，“异则 1 ，同则 0” ， C= A B⊕ ，运算规则：

0 0=0⊕ ， 1 0=1⊕ ， 0 1=1⊕ ， 1 1=0⊕ 例如： DAH 、 99H 两个数的四种运算方法如下：

A

与： DAH · 99H=98H； 或： DAH + 99H=DBH； 异或： DAH + 99H=43H； 如图：

三、符号数的表示法 计算机只能识别 0 、 1 两种信息，那么“符号数” 在计算机中如何表示呢？ (8 位二进制数 ) 比如 RAM中某单元的内容是 EFH →11101111B ， 代表十进制数多少呢？ 又如， +17 ， -17 计算机是如何识别的呢？

试问： +17又是如何表示呢？（→ 00010001B ） 1 、机器数与真值 符号的数码化：将符号用“ 0 正 1 负”表示，并以二进制数的最高位（ D7位）作为符号位。

例如：（原码） +91=0 1011011 = 5BH； -91=1 1011011= -5BH；

机器数：数据在计算机中连同数码化的符号位一起表示的编码数。

真 值：把机器数实际代表的数称为机器数的真值。

2 、有符号数的表示方法 1 ）原码表示法 D7位作为符号位（ 0 正 1 负）， D6-D0 为原来

的 二进制数值位。 例如： （ +55）原 =0 0110111 （ - 55）原 =1 0110111

特点： 1 ） 8位二进制数表示的范围： -127～ +127； 2 ）（ +0 ）原=00000000B ，（— 0 ）原=10000000B； 3 ）加、减运算困难。 2 ）反码表示法 正数的反码 = 正数的原码 负数的反码 = 相应正数的原码按位取反 例如：（ +0 ）反 = 0 0000000；（ +127 ）反 = 0 1111111

（ - 0 ）反 = 1 1111111；（ -127 ）反 = 1 0000000

特点： 1 ）范围 -127～ +127； 2 ） +0 、 -0 不相等； 3 ）求真值时，若 D7=1 ，则按位取反。

3 ）计算机内符号数的补码表示法 （ 1 ）引例一：钟表调时 如图： 10 点→ 6 点，可以逆时针拨，也可顺时针拨： 逆拨： 10 – 4 = 6 （减） 顺拨： 10 + 8 = 18 = 12 + 6 = 6 （加） 在顺拨中， 12 可自然丢失，称为模；而 8被称为是 – 4 的补码。

显然钟表采用十二进制，系统所能表示的最大量程 为 12 ，称之为模（基）。 ∵ 8 = 12 – 4 =12 + （– 4 ） ∴ （– 4 ）补 = 12 – 4 =12 + （– 4 ） = 8 即： （ X ）补 = 模 + X 补码的进一步解释： 引例二：十进制数（以二位十进制数举例） 70 - 100 =30 引例三：二进制数（以 8 位二进制数举例） 40H +（ -32H）补 =40H+CEH= 10EH = 256 + 0EH=0EH

（ 2 ）二进制补码的计算方法 正数的补码 = 正数的原码 负数的补码 = 反码加 1( 相应正数的原码按位取反，再加 1 ） 例如： （ -127 ）补 = 10000001 （ -1 ）补 = 11111111 特点： 1 ）补码的符号位作为数值的一部分，可以参加运算； 2 ） 0只有一种表示，即 + 0 = - 0 = 00000000；

四、常用编码 计算机中表示的数、字母、符号等都以二进制数表示的。 常用编码有以下几种： 1 、 BCD 码（ Binary Code Decimal ）表示法 BCD码二—十进制数（ BCD）：用 4 位二进制数表示一个十进制数。因共有 24=16种组合状态，故可选其中十种编码来表示 0~9十个数字，不同的选法不同相应编码方案。分为有权码和无权码：

有权码： 8421 、 2421 、 5211 、 4311 等 无权码：余 3码、格雷码等 （ 1 ） 8421 BCD 码 4 位二进制码的权分别为 8、 4、 2 、 1码，是一种最常用的编码。 特点： ①0～ 9 ，由四位二进制数（ 0000~1001 ）表示； ②逢“十”进一； ③需 DA 调整，即加法运算和数（结果）大于 9 时，需加 6 修整。

是否调整有DA A判别。

练习： （ 1001 0001 0111 0010 ） BCD=9172； 求码 48+69= ？ 117 0100 1000 + 0110 1001 1011 0001 + 0110 0110 加 6 修正 1 0001 0111 低 4位向高 4 位进位，表明低位和大于 9 ，需加 6 修正，而高位由于获得进位而出现非法码，因此也需要加 6 修正，修正后，结果为 117 ，正确。

思考： BCD码减法，如何修正？（求减数对 9A的补码）

（ 2 ）余 3 码 在 8421码的基础上，将每个代码加 0011 而形成。 特点：每个十进制数等于它减 3 ，而且运算规则简单。 是： 0011 ， 0100 ， 0101 ， 0111 ， 1000 ， 1001 ， 1010 ， 1011 ， 1100 35=（ 0011 0101 ） BCD 1 ）十进制数±8，±18，±113 的补码（负数 F8 ； EEH； 8FH）， 2 ）补码数 1BH， C9H的真值 （ +27； -55）

  2 、 ASCII 码

American Standard Code for Information Interchange （美国标准信息交换码）

在计算机中，除要处理大量的数据信息外，还需处理一些 字母、符号，它们也要用二进制编码来表示。 目前，普遍采用的 ASCII码用 7位二进制编码来表示数符。 共有 27=128 种组合状态。它们是 52 大小写英文字母； 10个十进制数； 7个标点符号； 9个运算符号； 50个其他符号。

§1-3 微型计算机基础 返回 一、微机的三总线结构 总线：微机系统中各部件和模块之间用于传送信息的一组公 用导线。

一般包括，数据总线、地址总线和控制总线。 地址：内存由许多存储单元组成，每个存储单元（字节）有一个用于区分的编号，称为地址，一般用十六进制数表示。

微机的总线结构

11 、数据总线（、数据总线（ DBDB ）：）： 传送数据，双向， CPU 的位数和外部数据总线的位数一致。而数据

可能是指令代码、状态量或控制量，也可能是真正的数据。 22 、地址总线、地址总线（（ ABAB））： 传送 CPU 发出的地址信息，单向，宽度（线数目）决定了 CPU 的可寻址范围。

例如： 2根地址线，可寻址 22=4个字节单元； 16根地址线，可寻址 216=64K字节单元； 33 、控制总线、控制总线（（ CBCB ））： 传送使微机协调工作的定时、控制信号，双向，但对于每一条具体的

控制线，都有固定的功能。控制线数目受芯片引脚数量的限制。

8 位微机的 DB总是 8 位， AB总是 16 位，而 CB的数目则随机型不同而不同。。

二、微处理器的基本结构 微处理器（ CPU ）是微型计算机的核心，内部采用单总线结构，由运算器和控制器两大部分组成。

微处理器典型结构如下图所示。

片内总线

B A TEMP

ALUPSW

数据总线

11 、运算器、运算器 （ 1 ）算术逻辑单元ALU (arithmetic logic unit) 是运算器的主要组成部分，是一个纯粹的运算部件，没有寄存功能。 （ 2 ）累加器 A (Accumulator) 是 CPU 中使用最忙的关键寄存器。 ALU 进行运算时一个操作数必需

来自累加器，同时也是运算结果的寄存场所。 （ 3 ）标志寄存器 PSW（ Flag ） 存放微机执行一条指令后所处状态的信息。不同的计算机，标志有所

不同。 常用的标志有： C 、 AC 、 OV、 P 等。

（ 4）暂存寄存器 TEMP (temp register) 用来存放参加 ALU 运算的另一个操作数，该操作数必须先暂存在 TR

中，以免数据发生冲突。 （ 5）地址和数据缓冲器（ ABuffer 、 DBuffer ） 协调 CPU与存储器、 I/O接口电路之间在运行速度、工作周期等方面必然存在的差异。

（ 6）寄存器阵列（ RA） (register array) 包括通用寄存器和专用寄存器两种。 通用寄存器组：作为 CPU内部的小容量高速存储器，来存放一些中间

数据，以减少 CPU对存储器的频繁访问 专用寄存器组： PC 、 SP 、 F、 AB、 DB等。 22 、控制器、控制器 完成指令译码，并发出各个操作的控制信号， 主要包括如下部件： （ 1 ）程序计数器 PC(program counter 存放要读取的指令所在地址的专用寄存

器。具有计数（加 1 ）和接受转移地址的二种功能。

（ 2 ）指令寄存器 IR (instruction register) 存放 CPU从 ROM中取出的正要被执行的指令，使整个分析执行的

过程，一直在该指令的控制下，而指令的操作码送 ID，指令中的操作数，一般为参加运算的地址，被送到地址缓冲寄存器。

（ 3 ）指令译码器 ID (instruction decoded) 接收 IR 送来的操作码并译码，生成与指令相应的特定操作的启动信息。

（ 4）微操作控制部件 又称可编程逻辑阵列。 ID 送出的电平信号与外部时钟脉冲在该电路中组合，形成各种内部信号和外部控制信号。

（ a ）微程序控制：微存储元中保持微码，每一个微码对应于一个最基本的微操作，又称微指令。指令译码以后，通过执行由这些微码确定的若干个微操作，即可完成某条指令的执行。

（ b）逻辑硬布线控制：指令译码后，控制器通过不同的逻辑门的组合，发出不同序列的控制时序信号，直接去执行一条指令中的各个操作。

控制器的组成框图如下：

操作码 地址码

指令寄存器 IR时钟发生器

操作码译码器

程序计数器 PC

节拍发生器

地址总线

微操作控制电路

控制信号（至运算器、存储器、 I/O 接口等）

三、 存储器及其读写原理 11 、有关常用术语、有关常用术语 （ 1 ）位（ bit ）、字节（ Byte ）、字（ Word ）、双字（ DW ）。 1B=8bit； 1KB=1024B； 1MB=1024KB； 1GB=1024MB （ 2 ）字长：计算机每个字所包含的二进制数码的位数。通常国际上以

微处理器芯片外部数据总线的位数来确定计算机的字长。 （ 3 ）内存：存放当前运算所需的程序和数据，容量较小、存取速度快，

设在微机内部。多数为MOS电路组成的半导体存储器，如 RAM、 ROM、EPROM、 EEPROM。

（ 4）外存：存放大量暂时不直接参与运算的程序和数据，可成批转入内存。在微机中，一般为磁盘、光盘等。

22 、存储器结构 存储器结构 计算机有两种存储结构： 哈佛结构：程序存储器和数据存储器分开。 普林斯顿结构：程序存储器和数据存储器合并。 单片机为哈佛结构 注意 ： （ 1 ）对于 8位地址，可表示 256 个单元； （ 2 ）每个单元可存放 8 位二进制数； （ 3 ）注意单元内容与地址的区别；

四、四、 CPUCPU 执行指令的过程执行指令的过程 一条指令的执行过程包括取指和执指两个阶段。指令执行前，首先要一条指令的地址送到程序计数器 PC 中，然后开始执行指令。具体过程如下：

例如：执行指令 MOV A， #05H 机器码为：

第一单元 74H（指令码）；第二单元 05H（数据码）

执行过程如下：

五、输入 / 输出设备及其接口 I/OI/O 设备设备： 简称外设，功能是为微机提供具体的输入输出手段。标准的 I/O 设备系指键盘和显示器。

I/OI/O 接口接口： 由于各种外设的工作速度、驱动方式差别很大，无法与 C

PU 直接匹配，而需要一个接口电路来充当它们与 CPU间的桥梁，起转换、协调作用。

本章小结 1 、 计算机中的数制和常用编码、进位计数制及其转换、二进制常

用编码（ BCD码、 ASCII码、 带符号数的表示方法（真值、原码、反码、补码）、二进制数的

算术、逻缉运算

2 、微型计算机基本结构、储器工作（读写）原理、微型计算机基本概念

重点：进位计数制及其转换、带符号数的表示方法（真值、原、反码、补码）极其转换

难点：补码的概念