第一章 单片机基础知识

§1-1 单片机概述

§1-2 数制及数码

内容提要 :

§1-1 单片机概述一、什么是单片机

单片机就是单片微型计算机 (Single-Chip Microcomputer) 。

微型计算机系统的硬件部分通常由五部分组成 :

输入设备 运算器 输出设备

控制器 存储器

这种计算机系统通常由多块印刷电路板制成：

多板机 主板

显卡声卡

存储器接口网卡

输入输出接口

内存条内存条 CPU

CPUCPU 芯片CPU 芯片内存条内存条存储器接口

存储器芯片存储器芯片输入输出接口输入输出接口

芯片输入输出接口

芯片

定时计数器芯片

定时计数器芯片

A/D 、 D/A芯片

A/D 、 D/A芯片

单板机

印

刷

电

路

板

单

硅

晶

片

CPU存储器

控制电路 定时器时钟电路

I / O 口

单片机

（ 1 ）体积小，重量轻；

（ 2 ）可靠性高，运行速度快，抗干扰能力强；

（ 3 ）控制功能强，使用灵活，性价比高；

（ 4 ）易扩展，易于开发；

（ 5 ）受集成度限制，片内存储器容量较小，一般

内 ROM 在 8KB 以下，内 RAM 在 256B 以内。

单片机是应工业测控的需要而诞生的 , 它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的 , 故又称单片微控制器(Single Chip Microcontroller) 。

单片机特点：

以单片机为核心的应用系统广泛应用于：家用电器；

工业过程控制；

仪器仪表；

智能武器；

航空、汽车等领域。

二、单片机系统的组成

CPU

AB

DB

CB

存储器 接口部件

键盘 显示器 数码管 打印机

定时计数器

单片机系统

硬件部分

软件部分

单片机芯

片

外围器件

CPU

内存中断控制逻辑

通用接口

运算器

寄存器组

控制器

并行 I / O 口串行 UART

定时 / 计数器

ADC0809 、 DAC0832

8253

8251

8255A 、 8155

2764 、 6264指令系统

应用程序

§1-2 数制及数码计算机只识别和处理数字信息，数字是以二进制数的形式表示的。它易于物理实现，同时，资料存储、传送和处理简单可靠；运算规则简单，使逻辑电路的设计、分析、综合方便，使计算器具有逻辑性。

一、数制1 、常用数制

（ 1. ）十进制数：

1985 = 1000+900+80+5

= 1×103+9×102+8×101+5×100

特点：有 0 ~ 9 十个不同的符号。

逢十进一。

一般用下脚标 D 表示，如 1985D , 或无下脚标。

（ 2. ）二进制数：

特点：有 0 ， 1 两个不同的符号。

逢二进一。二进制数的下脚标为 B

例如：对于整数，

1001B=1×23+0×22+0×21+1×20 = 9D

对于小数，

0.101B = 1×2-1 + 0×2-2 + 1×2-3 = 0.625D

二进制数每一位的权是：以小数点分界，

…..24 , 23 , 22 , 2 1, 2 0 . 2 -1, 2 -2, 2 - 3, ……

（ 3. ）十六进制数：

有 0~ 9 ， A,B,C,D,E,F 共十六个不同的符号。

逢十六进位。用下脚标 “ H” 表示十六进制数。

例： 327 H = 3×162+2×161+7×160

= 807D

3AB . 11H = 3×162+A×161+B×160+1×161+1×16-2

=939 . 0664 D

2 、数制的转换

（ 1. ）二进制转换为十进制数

方法 : 按权展开。

111.101B =1×22+1×2 1+1×2 0 +1× 2 -1 +0× 2 -2

+1× 2 –3

=4+2+1+0.5+0.125

=7.625D

（ 2. ）十进制数转换为二进制数

方法： 整数部分除二取余，小数部分乘二取整

45 余数 22 1

11 0

5 1

2 1

1 0

0 1

2

2

2

2

2

2

即 45 = （ 101101 ） 2

例 1 、将十进制数 45 转换成二进制数。

例 2 ：十进制小数部分的转换 : 乘二取整0.6875

× 　　 2

最高位 取 1 1.3750

0.375

× 2

取 0 0.750

× 2

取 1 1. 50

0.5

× 2

最低位 取 1 1. 0

从上至下写成从左至右 10110.6875D = 0.

B

二进制数转换成八进制数与上述类似。

（ 3. ）十六进制数与二进制数之间的转换 :

十六进制数转换为二进制：

9 A B . 7 C 5 H

1001 1010 1011 . 0111 1100 0101B

二进制数转换十六进制数 :

0001 1011 1110 0011 . 1001 0111 1000B

1 B E 3 . 9 7 8H

二、数码1 、机器数与真值

机器只认识二进制数： 0 、 1 。

这是因为，电路状态常常有两种情况，

如：电路的通、断； 高电平、低电平；可用 0 、 1 表示。

在机器中，这种 0 、 1 、 0 、 1 的表现形式称为机器数。

机器数分为无符号数、带符号数。

无符号数如： 00000001 、 10010011 、 01010010 、 …… 等等，范围： 00H ~ FFH 。

有符号数如： +1010110B 、 -1101001B 、等等

01010110B、

11101001B

2、机器数的编码及运算对带符号数而言，有原码、反码、补码之分，计算机内一般使用补码。

（ 1 ）原码

将数“数码化”，原数前“ +” 用 0 表示，原数前“ -” 用 1 表示，数值部分为该数本身，这样的机器数叫原码。

设 X——原数；则 [X] 原 = X （ X0 ）

[X] 原 = 2n-1 – X （ X0 ）， n 为字长的位数。

如， [+3] 原 = 00000011B

[-3] 原 = 27 - （ -3 ） = 10000011B

0 有两种表示方法： 00000000 —— +0

10000000 —— -0

原码最大、最小的表示： +127 、 -128

（ 2 ）反码

规定正数的反码等于原码；负数的反码是将原码的数值位各位取反。

[X] 反 = X （ X0 ）

[X] 反 = （ 2n –1 ） + X （ X0 ）如，

[+4] 反 = [+4] 原 = 00000100 B

[-4] 反 =(28–1)+(-5)=11111111-00000101= 11111010 B

反码范围： -128 ~ +127

两个 0 ： +0 —— 00000000 B

-0 —— 11111111 B

运用补码可使减法变成加法。

规定：正数的补码等于原码。

负数的补码求法： 1 ）反码 + 1

2 ）公式： [X] 补 = 2n + X （ X<0 ）

如，设 X = - 0101110 B ， 则 [X] 原 = 10101110 B

则 [X] 补 = [X] 反 + 1 = 11010001 + 00000001 = 11010010 B

如， [+6] 补 = [+6] 原 = 00000110 B

[-6] 补 = 28 + （ -6 ） = 10000000 – 00000110 = 11111010 B

8 位补码的范围 – 128 ~ +127 。

0 的个数：只一个，即 00000000

而 10000000 B 是 -128 的补码。

原码、反码、补码对照表：见下表

12

3

（ 3 ）补码补码的概念：现在是下午 3 点，手表停在 12 点，可正拨 3 点，也可倒拨 9 点。即是说 -9 的操作可用 +3来实现，在 12 点里： 3 、 -9互为补码。

八位二进制数所能表示的数据范围 机器数 无符号数 原码 反码 补码

00000000 0 +0 +0 +0

00000001 1 +1 +1 +1

. . . . .

01111111 127 +127 +127 +127

10000000 128 -0 -127 -128

10000001 129 -1 -126 -127

. . . . .

. . . . .

11111110 254 -126 -1 -2

11111111 255 -127 -0 -1

（ 4 ）补码的运算

当 X≥0 时， [X] 补 = [X] 反 =[X] 原

[ [X] 补 ] 补 = [X] 原

[X] 补 + [Y] 补 = [ X+Y ] 补

[ X-Y ] 补 = [ X+ （ -Y ） ] 补

例：已知 X=52 Y=38 求 X-Y

方法 1 ： 减法：

X-Y = 52-38 =14

0 0 1 1 0 1 0 0

- ） 0 0 1 0 0 1 1 0

0 0 0 0 1 1 1 0

方法 2 ： 加法

X-Y = [ [ X-Y] 补 ]补 = [ [X] 补 +[-Y] 补 ] 补

=[ [52] 补 +[ -38] 补 ] 补

=[ 14 ] 补 =14

[52] 补： 0 0 1 1 0 1 0 0

[-38] 补： + ） 1 1 0 1 1 0 1 0

1 0 0 0 0 1 1 1 0

自然丢失

计算机在做算术运算时，必需检查溢出，以防止发生错误

(5) 运算的溢出问题

由于计算机中表示数据的字长（位数）有一定限制，所以数据的表示应有一个范围。

如字长 8 位时； 补码范围 -128~+127

若运算结果超出这个范围，便溢出。

例：

[98] 补： 0 1 1 0 0 0 1 0

[25] 补： + ） 0 0 0 1 1 0 0 1

[123] 补 0 0 1 1 1 1 0 1 1

未溢出 0 0

Cs+1 Cs （未溢出）

[85] 补： 0 1 0 1 0 1 0 1

[47] 补： + ） 0 0 1 0 1 1 1 1

[132] 补： 1 0 0 0 0 1 0 0

溢出 0 1

Cs+1 Cs （溢出）

错：两个正数相加和为负数。

[- 85] 补： 1 0 1 0 1 0 1 1

[- 47] 补： + ） 1 1 0 1 0 0 0 1

[- 132] 补： 1 0 1 1 1 1 1 0 0

溢出 1 0

Cs+1 Cs

错：两个负数相加和为正数。

[- 19] 补： 0 1 0 1 0 1 0 1

[- 79] 补： + ） 1 0 1 1 0 0 0 1

[- 98] 补： 1 1 0 0 1 1 1 1

未溢出 1 1

Cs+1 Cs

错：两个负数相加和为正数。

总之：结果正确（无溢出）时， Cs+1 = Cs

结果错误（溢出）时， Cs+1 ≠ Cs

溢出判断：溢出 = Cs+1Cs （即结果是 0 为无溢出； 1 为有溢出）

1 、 （ 6 ） 十进制数的编码

对机器：二进制数方便，

对人 ：二进制数不直观，习惯于十进制数。

在编程过程中，有时需要采用十进制运算，但机器不认识十进制数。

怎么办？

可以将十进制的字符用二进制数进行编码：

     0     0000 5 0101 1010 1111

1 0001 6 0110 1011

2 0010 7 0111 1100

3 0011 8 1000 1101

4 0100 9 1001 1110

这叫做二进制数对十进制编码—— BCD 码。

上述每 4 位二进制数表示一个十进制字符，这 4 位中各位的权依次是：

8 、 4 、 2 、 1——8421 BCD 码。

BCD 码的运算：

例、 1 8

+ ） 3

2 1

0 0 0 1 1 0 0 0

+ ） 0 0 0 0 0 0 1 1

0 0 0 1 1 0 1 1

B 是非 BCD 码（错）需进行十进制调整：

0 0 0 1 1 0 0 0

+ ） 0 0 0 0 0 0 1 1

0 0 0 1 1 0 1 1 （个位大于 9 ，应进 1 ）

+ ） 0 1 1 0 （加 6 使进 1 ）

0 0 1 0 0 0 0 1 （结果形如 21 ）

BCD 码加法规则：

两个 BCD 数相加时，“某位”的和小于 10 则保持不变；

两个 BCD 数相加时，“某位”的和大于 9 ，则和数应加 6修正。

BCD 码减法规则：

两个 BCD 数相减时，“某位”的差未发生借位，则差数保持不变；

两个 BCD 数相减时，“某位”发生了借位，其差应减 6修正。

这里“某位”指 BCD 数中的“个位”、“十位”、“百位”、……

加法举例：

0 1 1 0 0 1 0 1 （ 6 5 ）

+ ） 1 0 0 1 0 1 1 1 （ 97 ）

1 1 1 1 1 1 0 0

+ ） 0 1 1 0 0 1 1 0 （加 66调整）

1 0 1 1 0 0 0 1 0 （ 162 ）

减法举例：

0 0 1 1 0 1 0 0 （ 3 4 ）

- ） 0 0 0 1 0 1 0 1 （ 15 ）

0 0 0 1 1 1 1 1

- ） 0 1 1 0 （减 6调整）

0 0 0 1 1 0 0 1 （ 29 ）

（ 7 ）字符信息的表示

计算机能识别 0 、 1 、 0 、 1 、……；这些 0 、 1 、 0 、 1 、……有的

代表数值，有的仅代表要处理的信息（如字母、标点符号、

数字符号等文字符号），所以，计算机不仅要认识各种数字，

还要能识别各种文字符号。人们事先已对各种文字符号进行

二进制数编码。

如，美国信息交换标准码—— ASCII 码，用一个字节表示一个

字符。低 7 位是字符的 ASCII 码值；最高位是通信时的

校验位。

行 列 000 001 010 011 100 101 110 111

0000 NUL DLE SP 0 @ 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 US / ？ O _ o DEL

综上所述 ,

计算机中的数可以有各种不同的表示方法 ,

计算机中以一个字节为一个单元保存数据 ,

一个字节为 8位二进制数 ,可以有 256种组合 ,

也就是可以表示 256个数据 ,

我们称它为机器数 , 每一个机器数实际表示的是什么 ,

要看采用的是那种表示方法。