微型计算机基础知识

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,1,章 微型计算机基础知识,1.1,计算机中的数和数制,一、计算机中的数制,表示,:,最简单,可靠；运算规则最简单。,（一）二进制数,特点：,1,具有两个不同的数字符号，即,0,和,1,。,2,逢二进位。,例如：,111,11,（,二）十六进制数,特点：,1,具有,16,个数字符号，采用,0,9,和,A,F,。,2,逢,16,进位,小数点左边的权是,16,的正次幂,小数点右边的权是,16,的负次幂,二进制和十六进制数的转换,1,十六进制转换为二进制,2,二进制转换为十六进制,数在机器中是用二进制表示的，但是，一个二进制数书写起来太长，且容易出错。我们在书写时用十六进制来表示。,二进制编码,（一）二进制编码的十进制数,较常用的是,8421 BCD,码，,十进制数的每一位是用四位二进制编码来表示的，因此，称为二进制编码的十进制数（,BCD,一,Binary Coded Decimal,）,例题,将一个,BCD,码为,00111001,的数转化为十六进制应表示为,_H,。,（二）字母与字符的编码,ASCII,码（,Americans Standard Code for Information Interchange,美国标准信息交换码）,（三）汉字的编码,国家根据汉字的常用程序定出了一级和二级汉字字符集，并规定了编码，这就是,中华人民共和国国家标准信息交换用汉字编码,二进制数的运算,（一）二进制加法,二进制加法的规则为：,0+0=0,0+1=1+0=1,1+1=0,进位,1,l,1,l=l,进位,1,（二）二进制减法,二进制减法的运算规则为：,0,一,0,0,1,一,1,0,1,一,0,1,0,一,1=1,有借位,（三）二进制乘法,二进制乘法的运算规则为：,0*0,0,0*1,0,1*0,1,1*1,1,这是十分简单的，只有当两个,1,相乘时，积才为,1,，否则积为,0,。,二进制的乘法也与十进制的类似：,（四）二进制除法,除法是乘法的逆运算，与十进制的类似,带符号数的表示方法,（一）,带符号数：最高位为符号位：,0,表示正，,1,表示负,（二）,原码：,（三）,反码：正数的反码与原码同,负数的反码表示为它的正数的按位取反（包括符号位）,特点：,1,“,0,”,有两种表示法。,2,127,+127,。,3,当一个带符号数由反码表示时，最高位为符号位。,当符号位为,0,（即正数）时，后面的七位为数值部分；,当符号位为,1,（即负数）时，要按位取反，才表示它的二进制值,（四）补码：,正数的补码与原码同,负数的反码表示为它的它的反码加,1,特点：,1,“,0,”,有一种表示法。,2,-128,+127,3,当一个带符号数由补码表示时，最高位为符号位。,当符号位为,0,（即正数）时，后面的七位为数值部分；,当符号位为,1,（即负数）时，要按位取反加,1,，才表示它的二进制值,已知原码为,00000001,，则它的反码是,_,，补码是,_,。,已知原码为,11001001,，则它的反码是,_,，补码是,_,。,在计算机中，带符号数一般都以补码的形式在机器中存放和进行运算。,关于补码运算,1.2,微型计算机结构,现在绝大多数计算机使用冯,诺依曼的结构，也就是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备,5,个部分组成。,微处理器,微处理器是用一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器（,CPU,，,Central Processing Unit,）。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。微处理器的基本组成部分有：寄存器堆、运算器、时序控制电路以及数据和地址总线。微处理器能完成取指令、执行指令以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，是微型计算机的运算控制部分，它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。,微型计算机,微型计算机（,Microcomputer,）是指以微处理器为基础，配以内存储器及输入输出（,I/O,）接口电路和相应的辅助电路而构成的裸机。把微型计算机集成在一个芯片上即构成单片微型计算机（,Single Chip Microcomputer,）。,微型计算机系统,由微型计算机配以相应的外围设备（如打印机、显示器、磁盘机和磁带机等）及其它专用电路、电源、面板、机架以及足够的软件构成的系统叫做微型计算机系统（,Microcomputer System,）。,微型计算机的结构和工作原理,一、,微型计算机功能部件,1,、中央处理器,CPU,微型计算机的核心部件，由运算器、控制器组成,运算器,运算器进行数据分析、计算和处理,控制器,处理程序指令，并协调各逻辑部件按一定时序工作,。,（,1,）算术逻辑单元,ALU,运算器的核心部件，执行算术运算、逻辑运算、移位、比较等各种数据处理的相关操作,运算器,特殊功能寄存器,SFR,累加器,工作寄存器,也叫通用寄存器，用来暂存,ALU,待处理的数据和中间结果。,规定了特殊用途的寄存器，其内容会影响计算机的工作方式和过程,使用最频繁的寄存器，配合,ALU,进行各种数据处理,（,2,）寄存器组,（,1,）指令部件,读取程序指令、指令译码、修改程序指针,控制器,指令寄存器,IR,指令译码器,ID,程序计数器,PC,存放当前指令地址。,CPU,执行程序时，先按,PC,给出的地址到存储器取一条指令，,PC,自动加,1,。,CPU执行完一条指令，再到存储器取下一条指令，,。,暂存当前指令。,指令操作码送指令译码器。,将每条,指令译码变成控制电平,（,2,）时序部件,时钟和内部分频电路。时钟信号经过分频，与指令译码信号组合，形成一定节拍的时序信号，控制各逻辑部件协调工作。,控制器,1),PC,给出当前指令的存储地址,PC=,程序存储器,地址,程序代码,0000H,指令代码,1,0001H,指令代码,2,0002H,指令代码,3,N,指令代码,n,PC=,PC=,2)CPU,到存储器取指令，,PC,自动加,1,3),指令译码器对指令译码，,CPU,执行指令,4)CPU,到存储器取指令，,PC=PC+1,5),CPU,执行下一条指令，,CPU,执行程序的简要过程,2,、存储器,位,b,(bit),：一个二进制位，信息最小单位,字节,B,(Byte),：,8,位为一个字节,字长,W,(Word Length),：一个字包含的二进制位数,（,1,）存储器结构,存储器功能,：存放程序和数据等信息,存储内容,：程序或数据的二进制代码,存储地址,：存储器每个单元的位置编号,存储器容量,：指存储单元的多少，如存储器容量为,1KB=10248,位,1KB,存储器,地址,存储内容,0,10011010,1,01101011,1023,10100111,存储器,读,：将信息从存储器中读入,CPU,存储器,写,：将信息从,CPU,写到存储器中,（,2,）存储器的读写操作,1KB,存储器,地址,存储内容,0,10011010,1,01101011,1023,10100111,CPU,地址,内容,读写控制,存储器的,读写操作,B,、发出读写控制时序信号，对选定单元进行读或写,A,、,CPU,先送出一个确定的单元地址给存储器,RAM,：,随机读写存储器。,能方便读出和改写信息，但失电后信息将不复存在。,RAM,常用作数据存储器，暂存各种现场数据、运算结果和正在调试的程序,。,ROM,：,只读存储器。工作时从,ROM,中读出信息，不能随意改写。断电后信息不会丢失。,ROM,常用作程序存储器，存放已调试好的固定程序和常数,。,（,3,）存储器的分类,注意,所谓的只读和随机存取都是指在正常工作情况下而言，也就是在使用这块存储器的时候，而不是指制造这块芯片的时候。,程序存储器：,存放程序指令代码，每个指令周期,CPU,自动对程序存储器读操作,。,数据存储器,存放待处理数据，数据存储器读写操作发生在,CPU,执行程序的过程中,。,3,、,I/O,接口,I/O,接口是联系微型计算机与外部设备的桥梁，每一台外部设备必须通过,I/O,接口与计算机连接,。,微型计算机有多种功能,I/O,接口：,PIO,：并行,I/O,接口,SIO,：串行,I/O,接口,CTC,：定时计数器,ADC,、,DAC,：,A/D,、,D/A,转换器,INT,：,中断输入口,二、微型计算机结构特点,微型计算机由大规模集成电路组成，其应用系统一般也采用特定功能的大规模集成电路器件和组件。,总线,(Bus),微型计算机各功能部件的连接线，各功能部件之间的公共信息通道。,总线宽度,：总线上能并行传送的二进制位数。,内部总线,CPU,或单片机芯片内部各逻辑部件之间的信息传输线，通常为单总线结构。,1,、微型机的总线结构,外部总线,指微型机各功能芯片之间的信息传输线。,CPU,或单片机芯片应用系统的主要外部引线。,系统总线,微机系统各逻辑功能板卡之间的信息传输线。通常为统一标准总线。,（,3,）控制总线,CB,单向三态。传送各种控制脉冲、联络、状态电平等信号，使存储器、,I/O,接口等部件协调工作。控制总线的根数根据微型计算机控制功能的需要而定。,1KB,存储器,地址,存储内容,0,10011010,1,01101011,1023,10100111,CPU,地址,内容,读写控制,2,、微型计算机总线的主要信号线,（,2,）数据总线,DB,双向三态。传送程序和数据的二进制代码。,数据总线宽度一般与微型机的字长相同。,（,1,）地址总线,AB,单向三态。传送存储器和,I/O,接口的地址信息。,地址总线宽度决定计算机寻址空间,(,最大寻址,),。,MCS-51,有,16,根地址总线，寻址空间,2,16,=64K=65536,3,、微处理器与外设之间数据传送的三种方式,（,1,）查询,结构简单，但信息交换速度慢，,CPU,效率低，通常用来实现,CPU,与低速外设间的信息交换。,（,2,）中断,当,CPU,需要输入输出时，若外设已准备好，,CPU,就暂停原执行的程序，转去执行输入输出任务，完成后，再继续执行原来的程序。中断方式适用于随机出现的服务（如：键盘、打印机）,（,3,）,DMA,信息交换时，由,DMA,控制器控制总线直接在主存储器和外设之间进行数据交换。,DMA,利用中断申请归还总线使用权。,DMA,方式适用于高速成组的数据交换。,三、微型计算机软件,1,、机器语言,指令的二进制代码，又称,指令代码,。机器语言指令组成的程序称为目标程序。,例如：,ADD A,R0,00101000,2,、汇编语言,与机器语言指令一一对应的英文单词缩写，称为指令助记符。汇编语言编写的程序称为汇编语言源程序。,例如：,ADD A,，,R0,3,、高级语言,语句和语法接近人们习惯的表达方式。高级语言编写的程序称为高级语言源程序。,源程序通过编译得到机器能执行的目标程序,汇编语言程序可以高效率利用计算机资源，目标程序占用内存少，执行速度快，适合于自动测控系统反应快速、结构紧凑的要求。实际应用中，常与,C,语言配合使用。,高级语言程序容易掌握，通用性好，但编译程序系统开销大，目标程序占用内存多，且执行时间比较长，多用于科学计算、工业设计、企业管理,。,源程序,目标程序,编译,程序,