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1、微机原理及应用,中国矿业大学信息与电气工程学院电气工程系 张同庄 博士 副教授,单片机学习网站(部分)1.“学习单片机”WWW2.“单片机基地”WWW3.“PIC单片机”WWW4.“中国单片机世界”WWW5.“单片机资讯网”WWW6.“微控设计网”WWW7.“C8051F网络”WWW8.“华工单片机科技网”WWW,微机原理及应用,自我介绍:张同庄，男，1964年生，1985年大学本科毕业于中国矿业大学自动化系；1988年研究生硕士毕业于中国矿业大学信电学院（电力电子与电力传动）；2002年研究生博士毕业于中国矿业大学信电学院（电力电子与电力传动）；现在电气工程系主任。电话号码：13952115
2、828办公室：南湖校区信电学院楼B517电子信箱：,微机原理及应用,有几句话送给大家，希望我们共同勉励：“常问问自己，谁最关心你的未来。”“别人的轻视不可怕，可怕的是自己轻视自己。”“远离心浮气躁的人，易于成就大业。”“命运是一念之间的事，所以人的命运随时都可以改变。”“拖延所毁掉的最后一个目标是人的前途。”“时间是生命的代名词。不能珍惜当下，就不能很好地把握未来。”“要努力把未来变成现在，不要把希望寄托在未来。”“消极的人，总是替失败找借口；积极的人，总是为成功找方法。”“奴隶社会虽然走远了，但到浪费时间的人群中，仍能找到奴隶。”,微机原理及应用课程教学说明,1.考试方式:闭卷,90分钟.2
3、.成绩评定方法:考试成绩(100分)占总成绩的70%,实验成绩(100分)占总成绩的20%,平时成绩(100分)(主要是作业)占总成绩的10%.3.每人准备一个作业本,每班指定一名课代表.4.主要参考书:(1)教材(2)赵德安,单片机原理与应用,机械工业出版社,2005(3)刘瑞新,单片机原理与应用教程,机械工业出版社,2005(4)周兴华,手把手教你学单片机(第2版),北航出版社,2007(5)陈连坤,嵌入式系统的设计与开发,清华大学出版社,2005,微机原理及应用课程教学说明,(6)周兴华,手把手教你单片机C程序设计,北京航空航天大学出版社,2007.(7)刘同法,单片机基础与最小系统,北
4、航出版社,2007.(8)周坚,单片机轻松入门(第2版),北航出版社,2007.(9)杨居义,单片机原理与工程应用,清华大学出版社,2009,3.(10)杨居义,单片机课程设计指导,清华大学出版社,2009,9.(11)潘晓宁，单片机程序设计实践教程，清华大学出版社，2009，8.（12）谢维成，单片机原理与应用及C51程序设计，清华大学出版社，2009，7.,微机原理及应用课程重要性的说明,企业家周立功的感言:我在2003年出版的单片机与CPLD综合应用技术一书中写了一篇前言,叫寻找一份好工作并不难.这篇前言开头写道:“2002年1112月间的一个多月的时间里，我走访了全国各地的十几所大学，
5、接触了300多名应届本科与硕士生，面试的结果实在有点出人意外，至今（2007年3月）仍然令人感慨万千，我的内心久久不能平静。”若大的一个国家找几个有用之才竟是这样如此之艰辛，可谓是可悲可叹啊！这在一名企业家的心灵深处，留下的是怎样的感叹？企业家对人才的渴望是尤为深切的。我们每年对人才的寻找，都要花费很大的人力与财力，几乎发动了全国所有的相关老师。,微机原理及应用课程重要性的说明,我曾在该文中呼吁：“我只要求他们能够掌握单片机应用开发的基本技能。用汇编和C51语言写过一些基本的程序，真正动手做过一些简单的项目，然后可以将自己做过的项目写成比较规范的文档。”“这种形式的自我介绍肯定要比写得千篇一律
6、的八股文简历不知道要强多少倍。”“只有具备这样基础的学生，才值得企业花钱对其进行二次开发。”古人云：“一叶知秋”，这就是企业家对目前高校培养的人才的忧虑。,微机原理及应用,第1章 微型计算机基础第2章 MCS-51单片机的结构和原理第3章 MCS-51单片机的指令系统第4章 汇编语言程序设计第5章 半导体存储器第6章 定时器及应用第7章 MCS-51单片机的中断系统第8章 单片机系统扩展及接口第9章 MCS-51的串行通讯,第1章微型计算机基础,电子计算机是一种对信息进行加工处理的机器,它具有记忆,判断和运算能力,能模仿人类的思维活动,代替人的部分脑力劳动,并能对生产过程实施某种控制,等等.1
7、946年,美国制造出世界上第一台电子计算机.它经历了电子管,晶体管,集成电路和超大集成电路等阶段,现在进入第四代,一般分为巨型机,大型机,中型机,小型机和微型机等五类.就系统组成和工作原理来说,微型机与其他几类计算机并无本质区别,只是在体积,性能和应用范围方面有所不同.本章主要介绍微机的基础知识,组成原理,以及单片机的产生,发展和应用,为后续几章的学习打下基础.,1.1 计算机中的数制及数的转换,1.1.1 计算机中的数制数制:是指数的形式,是人们利用符号计数的一种科学方法.常用的有十进制,二进制,八进制,十六进制等.1.十进制(Decimal)主要特点:(1)有09十个不同的数码,作为基本符
8、号.(2)逢10进位.(3)统一表示形式:式中:i表示数中任意一位,是一个变量,ai表示第i位的数码,n为该数整数部分的位数,m 为小数部分的位数.,1.1 计算机中的数制及数的转换,2.二进制(Binary)主要特点为:(1)它共有0和1两个数码,二进制数都由它们组成.(2)基数是2,是逢2进1的进位原则.10110.11B=22.753.十六进制(Hexadecimal)主要特点为:(1)它有0,1,2,9,A,B,C,D,E,F等十六个数码.(2)基数是16,进位计数为逢16进1.在计算机内,数的表示形式是二进制.因为只有0和1,采用晶体管的导通和截止,脉冲的高电平和低电平很容易表示,二
9、进制运算简单,便于电子线路实现.,1.1 计算机中的数制及数的转换,二进制的缺点:阅读和书写困难.采用十六进制可以大大减轻阅读和书写二进制数时的负担.例如:11011011B=DBH为了区分数制,数的后面要用大写字母写出数制的标志,二进制用B,如:00110011B.十六进制要用H,例如:00FFH.1.1.2 计算机中数制间的转换1.二进制数和十进制数间的转换(1)二进制数转换成十进制数:只要把欲转换的数按权展开后相加即可.(2)十进制数转换成二进制数A 十进制整数转换成二进制整数:”除2取余,倒序排列法”B十进制小数转换成二进制小数:”乘2取整,正序排列法”,1.1 计算机中的数制及数的转
10、换,2.十六进制数和十进制数间的转换(1)十六进制数转换成十进制数:把十六进制数按权展开后相加.FFH=255(2)十进制数转换成十六进制数A 整数:“除16取余法”.例如:100=64HB 小数:“乘16取整法”.例如:0.761 718 75=0.C3H3.二进制数和十六进制数的转换(1)二进制数转换成十六进制数“四位合一位法”.例如:01011010B=5AH(2)十六进制数转换成二进制数“四位展开,连成一体”.例如:BCH=10111100B,1.2 计算机中数的表示方法,在计算机中,小数和整数都是以二进制形式表示的,但对小数点,通常有定点和浮点两种表示方法.小数点采用定点表示法的称为
11、定点机,采用浮点表示法的叫做浮点机.1.2.1 定点机中数的表示方法在定点计算机中,二进制数的小数点位置是固定不变的,小数点可以固定在数值位之前,也可以约定在数值之后.前者称为定点小数计算机,后者叫做定点整数计算机.1.定点整数表示法小数点位置被固定在数值位之后.优点:运算规则简单.缺点:表示的数的范围小.,1.2 计算机中数的表示方法,2.定点小数表示法小数点的位置被约定在数值位之前.因此,这种计算机在实际计算前应先把参加计算的二进制整数按适当比例替换成纯小数,计算结束后再按同样的逆比例替换后输出.1.2.2 浮点机中数的表示方法小数点的位置是浮动的,不固定的.一个浮点数N由阶码和尾数两部分
12、组成.阶码部分包括阶符和阶码,尾数部分由数符和尾数组成.其中Pf为阶符,Pf=0表示为正,Pf=1表示为负;Sf为数符,Sf=0表示为正数,Sf=1表示为负数.,1.2 计算机中数的表示方法,浮点法的优点:数的表示范围大.缺点:运算规则复杂,通常要对阶码和尾数分别计算.1.2.3 二进制数的计算大部分计算机采用定点整数表示法1.算术运算(1)加法运算(2)减法运算(3)乘法运算(4)除法运算2.逻辑运算逻辑与,逻辑或,逻辑取反,逻辑异或等.,1.2 计算机中数的表示方法,逻辑与运算通常可用于从某数中取出某几位。逻辑或运算通常可用于使某数中某几位变为“1”。逻辑异或运算通常可用于使某数中某几位取
13、反。,1.3 计算机中数的表示形式,1.3.1 机器数的原码、反码和补码机器数是指数的符号和值均采用二进制的表示形式.原码、反码和补码是机器数的三种基本形式,它和机器数的真值不同.1.原码(true form)定义:机器数的原码为最高位为符号位,其余位为数值位,符号位为0表示该数为正数,符号位为1表示它是负数.例如:X=+1010B Y=-1010BX原=00001010B Y原=10001010B+0原=00000000B-0原=10000000B 原码在进行乘法和除法运算时特别方便.,1.3 计算机中数的表示形式,2.反码(ones complement)(1)正数的反码和原码相同.(2)
14、负数的反码的符号位和负数的原码相同,数值位是它的数值位的按位求反.例如:X=+1101101B Y=-0110110B X原=01101101B Y原=10110110B X反=01101101B Y反=11001001B3.补码(twos complement)(1)正数的补码和原码相同.(2)负数的补码是其原码求反加1.例如:X=+1010B Y=-01010BX原=00001010B Y原=10001010BX补=00001010B Y补=11110110B,1.3 计算机中数的表示形式,4.补码的符号扩展补码数的符号扩展可以定义为一个n位补码数扩展为2n位补码数,只要把符号位向左扩展n
15、位,其值不变.1.3.2 补码的加减运算(1)补码的加法运算 X+Y补=X补+Y补(2)补码的减法运算 X-Y补=X补+-Y补 两数之差的补码等于两数补码之和.上述运算表明:补码加法可以将减法运算化为加法来做.,1.4 计算机中数和字符的编码,计算机只能识别二进制数,因此键盘上所有数字,字母和符号必须事先为它们进行编码,以便于计算机对它们加以识别,存储和传送.1.4.1 BCD码和ASCII码BCD码(Binary Coded Decimal,二进制编码的十进制数),ASCII码(American Standard Code for Information Interchange,美国信息交换
16、标准码)1.BCD码 8421码,2421码,余3码,格雷码等.(1)8421码 一种采用4位二进制数来代表十进制数码的代码系统.0000B-0,0001B-1,0010B-2,0011B-3,0100B-4,0101B-5,0110B-6,0111B-7,1000B-8,1001B-9,00010000B-10,1.4 计算机中数和字符的编码,(2)BCD码的加法运算计算机先按二进制数进行运算,然后进行十进制调整.原则如下:若和的低4位大于9或低4位高4位向发生了进位,则低4位加6修正;若高4位大于9或高4位的最高位发生了进位,则高4位加6修正.例如:X=48,Y=69,试分析BCD的加法过
17、程.(3)BCD减法:变成补码的加法进行计算.例如:X=51,Y=28,试分析BCD的减法过程.2.ASCII码诞生于1963年,由7位二进制编码构成,共128个字符编码,如书上附录A.,1.4 计算机中数和字符的编码,1.4.2 汉字的编码两类:汉字输入法编码,汉字内部二进制编码.输入编码:五笔字型编码,汉语拼音编码等数百种.计算机内部编码:电报码,国标码,区位码等.1.4.3 检验码编码作用:用于信息的传递和交换.欲发送的信息应首先按照某种约定规律编码成检验码,使有用的信息加载在检验码上进行传送;接收端对接收到的检验码按约定规律的逆规律进行解码和还原,并在解码过程中去发现和纠正因传输过程中
18、的干扰所引起的错误码位.1.奇偶检验码编码又称奇偶校验,是一种只有一位冗余位的检验码编码方法.作用:常用于主存校验和信息传送.,1.4 计算机中数和字符的编码,奇偶校验分为两种:奇校验和偶校验.奇校验:奇校验的约定编码规律要求编码后的检验码中”1”的个数(包括有效信息位和奇校验位)保持为奇数.偶校验:偶校验则要求编码后的校验码中”1”的个数(包括有效信息位和偶校验位)保持为偶数.例如:奇校验 奇校验位 有效数位 A=1 100 0001B B=1 100 0010B C=0 100 0011B接收端奇偶校验电路只要判断每个字节中是否有奇数个”1”(包括奇偶校验位)就可以知道信息在传送中是否出错
19、.2.海明码编码(略),1.5 单片微型计算机概述,单片微型计算机是微机的一个重要分支,简称单片机,又称为微控制器(Microcontroller).1.5.1 单片机的内部结构所谓单片机,是在一块晶片上,把计算机的主要部件,包括CPU,ROM,RAM,I/O接口,定时器/计数器,中断系统,A/D,D/A等全部集成起来形成的.单片机的内部结构如右图所示.1.存储器2.CPU(中央处理器)3.内部总线4.I/O接口和特殊功能部件.,1.5 单片微型计算机概述,1.5.2 单片机的基本原理1.单片机的指令系统和程序编制指令码(Instruction Code)操作码(Operation Code)
20、地址码(Address Code)指令系统(Instruction System,Instruction Set)编程(Programming)2.单片机执行程序的过程单片机执行程序的过程如图所示.,1.5 单片微型计算机概述,1.5.3 单片机的分类和发展1974年,美国仙童(Fairchild)公司研制出世界上第一台单片机F8.1.单片机的分类(1)4位单片机:控制功能较弱,常用于计算器,智能单元,家用电器中的控制器.(2)8位单片机:控制功能较强,品种最为齐全.Intel MCS-51,Philips 80C51,Motorola M6805,Microchip PIC,Atmel AT89等等.(3)16位单片机:功能强大,运算速度快.Intel MCS-96,Motorola M68HC16等等.(4)32 位单片机:功能极为强大,运算速度极高.Motorola M68300,ARM 系列等等.,1.5 单片微型计算机概述,2.8位单片机的市场前景3.8位单片机的新发展(1)CPU功能增强(2)内部资源增多(3)引脚的多功能化(4)低电压和低功耗1.5.4 典型单片机性能概览1.5.5 单片机在工业控制中的应用习题与思考题1-16,1-19,1-25.,工业自动化；智能化仪表；各种机器人；民用消费类电子产品；汽车、航空、导航与武器装备；数据处理及终端设备；通信设备,
