第0章计算机的基础知识.ppt

第0章计算机的基础知识,单片机原理、接口及应用,内容提要,★微型计算机的基本结构和工作原理★计算机中的数制与码制★小结,0.1.1微机的系统结构,,,,,微机系统,软件,硬件,主机,外围设备,微处理器（CPU）,运算器控制器寄存器,,存储器（内存）,RAMROM,,,输入/输出接口（I/O接口）,并行、串行接口定时器、A/D、D/A,总线,,系统软件应用软件程序设计语言,,外部设备,辅助设备,,,输入设备输出设备辅助存储器,电源电路时钟电路,CPU是计算机的控制核心，它的功能是执行指令，完成算数运算、逻辑运算，并对整机进行控制。存储器用于存储程序和数据。输入/输出接口（又称I/O接口）是CPU和外设之间相连的逻辑电路，外设必须通过接口才能和CPU相连。不同的外设所用接口不同。每个I/O接口也有一个地址，CPU通过对不同的I/O接口进行操作来完成对外设的操作。存储器、I/O接口和CPU之间通过总线相连。用于传送程序或数据的总线称为数据总线；地址总线用于传送地址，以识别不同的存储单元或I/O接口；控制总线用于控制数据总线上数据流送的方向、对象等。,0.1.2微机的基本工作原理,存储程序、执行程序是微机的工作原理，取指令，译码，执行是微机的基本工作过程。单片机是微型计算机的一种，是将计算机主机（CPU、存储器和I/O接口）集成在一小块硅片上的微机，又称微控制器。它专为工业测量与设计而设计，具有三高优势（集成度高、可靠性高、性价比高），他的特点是小而全体积小，功能全），主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器、仪表、通信设备、家用电器等，特别适合于嵌入式微型机应用系统。,0.1.3微机的主要技术指标,微型计算机主要有如下一些技术指标字长CPU并行处理数据位，由此定为8位机、16位机、32位机等。存储容量存储器单元数，例如256B、8KB、1MB等（1B即一个字节，也就是一个8位二进制数，是计算机数据的基本单位）。运算速度CPU处理速度，它和内部的工艺结构以及外接的时钟频率有关。时钟频率在CPU极限频率以下，时钟频率越高，执行指令速度越快，对单片机而言，有6MHz、12MHz、24MHz等。,0.2.1计算机中的数,计算机中的数字电路具有两种不同的稳定状态且能相互转换，即“0”和“1”两种状态。计算机处理的一切信息均用二进制数表示，但是二进制数书写起来太长，所以微型计算机中的二进制数都采用十六进制来缩写。十六进制数用0～9、A～F等16个数码表示十进制数0～15。为了区别十进制数、二进制数及十六进制数3种数制，在数的后面加一个字母以进行区别。用B（binary）表示二进制数制；D（decimal）或不带字母表示十进制数制；H（hexadecimal）表示十六进制数制。,表0-1不同进位记数制对照表,二进制数和十六进制数间的相互转换将二进制数从右（最低位）向左每4位为1组分组，若最后一组不足4位，则在其左边添加0，以凑成4位，每组用1位十六进制数表示。如1111111000111B→1111111000111B→0001111111000111B＝1FC7H十六进制数转换位二进制数，只需用4位二进制数代替1位十六进制数即可。如3AB9H0011101010111001B,十六进制数和十进制数间的相互转换将十六进制数按权展开相加，如1F3DH1631＋16215＋1613＋1601340961＋25615＋163＋1134096＋3840＋48＋137997十进制整数转换为十六进制数可用出16取余法，即用16不断地去除待转换的十进制数，直至商等于0为止。将所得的各次余数，依倒叙排列，即可得到所转换的十六进制数。如将38947转换为十六进制数，其方法及算式如下即389479823H,,,0.2.2计算机中数的几个概念,1.机器数与真值机器数机器中数的表示形式，它将数的正、负符号和数值部分一起进行二进制编码，其位数通常为8的整数倍。真值机器数所代表的实际数值的正负和大小，是人们习惯表示的数。2。数的单位位（bit）一个二进制数中的1位，其值不是1便是0。字节（Byte）一个字节，就是一个8位的二进制数。字（Word）两个字节，就是一个16位的二进制数。双字两个字，即四个字节，一个32位二进制数。只有8位、16位或32位机器数的最高位才是符号位。,0.2.3计算机中的有符号数的表示,有符号数有原码、反码和补码三种表示法。1.原码数值部分用其绝对值，正数的符号位用“0”表示，负数的符号位用“1”表示。如X1＋500000101B[X1]原00000101BX2-5-00000101B[X2]原10000101B符号位,,8位原码数的范围为FFH～7FH（-127～127）。原码数00H和80H的数值部分相同、符号位相反，它们分别为0和-0。16位原码数的数值范围为FFFFH～7FFFH（-32767～32767）。原码数0000H和8000H的数值部分相同、符号位相反，它们分别为0和-0。原码表示简单易懂，而且与真值的转换方便。但若是两个异号数相加，或两个同号数相减，就要做减法。为了把减运算转换为加运算，从而简化计算机的结构，就引进了反码和补码。,,,（2）反码正数的反码与原码相同；负数反码符号位不变，数值部分按位取反。例求8位反码机器数x14[x1]原00000100B[x1]反00000100B＝04Hx2-4[x2]原10000100B[x2]反11111011BFBH,,3补码正数的补码与原码相同；负数补码为其反码加1。例求8位补码机器数x14[x1]原[x1]反[x1]补0000010004Hx2-4[x2]原10000100[x2]反11111011[x2]补[x2]反11111100FCH8位补码数的数值范围为-128～127（80H～7FH）。16位补码数的数值范围为8000H～7FFFH（-32768～32767）。字节80H和字8000H的真值分别是-128-80H和-32768-8000H。补码数80H和8000H的最高位既代表了符号为负,又代表了数值为1。,快速求法将负数原码的最前面的1和最后一个1之间的每一位取反。例如x-4[x]原10000100[x]补11111100FCH取反②两数互补是针对一定的“模”而言，“模”即计数系统的过量程回零值，例如时钟以12为模（12点也称0点），4和8互补，一位十进制数3和7互补（因为3＋7＝10，个位回零，模为101＝10），两位十进制数35和65互补（因为35＋67＝100，十进制数两位回零，模为102＝100），而对于8位二进制数，模为28＝100000000B100H,同理16位二进制数，模为216＝10000H由此得出求补的通用方法一个数的补数＝模－该数，这里补数是对任意的数而言，包括正、负数。而补码是针对符号机器数而言。,设有原码机器数X,X0,[X]补[X]原当X0，[X]补模-｜X｜例如对于八位二进制数x14[x1]补0000010004H；x2-4[x2]补100H-4FCH对于16二进制位数x24[x2]补0004H；x2-4[x2]补10000H-4FFFCH,几点说明①根据两数互为补的原理，对补码求补码就可以得到其原码，将原码的符号位变为正、负号，即是它的真值例如求补码数FAH的真值。因为FAH为负数求补码[FAH]补＝86H-6例如求补码数78H的真值。因为78H为正数求补码[78H]补＝78H120②一个用补码表示的机器数，若最高位为0，则其余几位即为此数的绝对值；若最高位为1，其余几位不是此数的绝对值，必须把该数求补（按位取反（包括符号位）加1），才得到它的绝对值。如X-15[-15]补＝F1H＝11110001B求补得00001110＋1＝00001111B15,③当数采用补码表示时，就可以把减法转换为加法。例164-1064-1054[64]补40H01000000B[10]补0AH00001010B[-10]补11110110B做减法运算过程用补码相加过程结果相同，其真值为36H（54）。由于数的八位限制，最高位的进位是自然丢失的（再计算机中。进位被存放在进位标志CY中的。）用补码表示后，减法均可以用补码相加完成。因此，在微机中，凡是符号数一律是用补码表示的。用加法器完成加、减运算，用加法器和移位寄存器完成乘、除运算，简化计算机硬件结构。,例234-6834-68＝-343422H00100010B6844H01000100B[-68]补10111100B做减运算过程用补码相加过程结果相同。因为符号位为1，对其求补，得其真值-00100010B，即为-34（-22H）。由上面两个例子还可以看出，1用补码相加完成两数相减，相减若无借位，化为补码相加就会有进位；相减若有借位，化作补码相加就不会有进位。2补码运算后的结果为补码，需再次求补才能得到运算结果的真值。,0.2.4进位和溢出,例3105＋50＝155105＝69H50＝32H若把结果视为无符号数，为155，结果是正确的。若将此结果视为符号数，其符号位为1，结果为-101，这显然是错误的。其原因是和数155大于8位符号数所能表示的补码数的最大值127，使数值部分占据了符号位的位置，产生了溢出，从而导致结果错误。又如-105-50-155CY1两个负数相加，和应为负数，而结果01100101B却为正数，这显然是错误的。其原因是和数-155小于8位符号数所能表示的补码数的最小值-128，也产生了溢出。结论当两个补码数相加结果超出补码表示范围，就会产生溢出，导致结果错误。计算机中设立了溢出标志位OV，通过最高位的进位（符号位的进位）CY和次高位进位（低位向符号位的进位）CY-1异或产生。,,例474＋74＝4AH4AH01001010001100101010010100CYCY-1011..有溢出OV＝1CYCY-1无进位CY0由上两例中，例3的OV1、CY1,例4中OV1、CY0，可见溢出和进位并非有必然的联系，这是由于两者产生的原因是不同的，两者判断的方法也是是不同的。重述如下溢出OV两个补码数相加结果超出补码表示范围而产生，OVCYCY-1进位CY当运算结果超出计算机位数的限制（8位、16位），会产生进位，它是由最高位计算产生的,在加法中表现为进位，在减法中表现为借位。,,,,0.2.5BCD码,生活中人们习惯于十进制数，计算机只能识别二进制数，为了将十进制数变为二进制数，出现了BCD码，即二进制代码表示的十进制数。故名思意，它即是逢十进一，又是一组二进制代码。用4位二进制数编码表示1位十进制数称为压缩的BCD码，8位二进制数可以放2个十进制数位。也可以用8位二进制数表示1个十进制数位，这种BCD码称为非压缩的BCD码。十进制数和BCD码的对照表见表0-2,表0-2BCD编码表,,例求十进制数876的BCD码压缩的BCD码[876]BCD100001110110B876H非压缩的BCD码[876]BCD000010000000011100000110B＝080706H又如,十进制数1994的压缩的BCD码＝1944H1994的非压缩的BCD码＝01090404H,0.2.6BCD码的运算,BCD码运算应该得到BCD码结果，由于计算机是按二进制运算，结果不为BCD码，因此要进行十进制调整。调整方法为当计算结果有非BCD码或产生进位/借位时，加法进行6、减法进行-6调整运算。例计算BCD码78690111100078H0110100169H11100001E1H不调整，结果为二进制0110011066H调整，高4位产生非BCD码6，和低4位有半进位6101000111147调整结果147（带进位一起）为十进制结果,例计算BCD码38-290011100038H-00101001-29H000011110FH-00000110-06低4位有半借位-6调整高4位未产生非BCD且无借位不调整000010019结果9在计算机中，有专门的调整指令完成调整操作。,0.2.7ASCII码,表１-3常用字符的ASCII码）美国标准信息交换码ASCII码，用8位二进制编码表示字符，用于计算机与计算机、计算机与外设之间传递信息，每一个符号都有对应的ASCII码，常用数字和字母ASCII码如表1-４所列，在程序中，字符可用ASCII码表示，也可以用加引号的字符表示，例如字符4，可以用34H表示，也可以用’4’表示，此时，它只有符号的意义，而无数量的概念。,表１-3常用字符的ASCII码）,0.3小结,1．了解计算机的系统结构，明确单片机是微机的一种。2．计算机的基本数制是二进制，所有的信息都是以二进制数的形式存放，为方便阅读，以十六进制表示，对于二、十、十六几种进制之间的转换要求十分熟练。3．计算机中的有符号数一律以补码表示，补码、原码。真值之间的转换要求十分熟练。4．计算机中的计算一律为二进制运算，符号位也参与运算，运算中会产生进位和溢出，应明确概念，掌握判断方法5．编码是用一组特定的数码表示一定的字符，计算机常用的编码有BCD码和ASCII码，应记住常用的字符编码。,特别提出的是，计算机只识别0和1，是有符号数还是无符号数、是补码还是原码、是BCD码、ASCII码还是一般的二进制数计算机是不能识别的，完全是人的认定，人根据不同的认定作不同的分析和处理。例如FFH作为无符号，它代表255，作为有符号原码，它代表－127，作为有符号补码，它代表－1；又如32H，视作ASCII码它是字符‘2’,视作BCD码，它是十进制数32，视作二进制数它是50这就是根据不同的认定作不同的分析，编程作不同的处理，如认定是BCD码，运算后加调整指令，如果认定不是BCD码，而是一般的二进制数，运算后不加调整指令。,