微机原理及应用课程

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1、微机原理及应用东华大学机械工程学院 教师:杨向萍 2010年9月12月第一章 计算机基础知识1.1 概述1.2 计算机中的数1.3 数字逻辑电路1.1-1计算机的发展概况-通用计算机1.电子数字计算机2.晶体管计算机3.集成电路计算机4.大规模集成电路计算机(LSI)重要分支:微处理器（CPU）和微型计算机 5.智能化计算机 计算机的发展方向:未来的计算机将以超大规模集成电路为基础，向 巨型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。1.1-2嵌入式计算机系统的定义与发展 定义:嵌入式系统应定义为“嵌入到对象体系中的专用 计算机系统”。3个基本要素: 嵌入性、专用性与计算机系统按形态可分为:设备级（

2、工控机）、板级（单板、模块 ）和芯片级（MCU、SoC） 将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系 统独立发展的单片机时代 Intel公司的MCS48和MCS51就是单片形态的嵌 入式系统（单片微型计算机）;MCS51的体系结构也 因此成为单片嵌入式系统的典型结构体系。 。 1.1-3微型计算机的概念微型计算机系统硬件微型计算机 （主机）微处理器(CPU)软件外围设备运算器 控制器存储器(内存)RAM ROM外部设备辅助设备输入设备(键盘、扫描仪、语音识别仪)输出设备(显示器、打印机、绘图仪、)辅助存储器(磁带、磁盘、光盘)输入/输出接口(PIO、SIO)(I/O接口)总线 (AB、DB、C

3、B)系统软件(操作系统，编辑、编译程序，故障诊断,监控程序) 应用软件(科学计算，工业控制，数据处理) 程序设计语言(机器语言、汇编语言、高级语言)电源电路 时钟电路1.1-4单片机简介 单片机即单片机微型计算机，是将计算机主机(CPU、内存和I/O接口)集成在一小块硅片上的微型机。 单片机开发系统：单片单板机、仿真器、软件仿真开发 具有三高优势：集成度高、可靠性高、性价比高 主要应用于：工业检测与控制、计算机外设、智能仪 器仪表、通讯设备、家用电器等。 特别适合于嵌入式 微型机应用系统。1.1-5 本课程的学习特点及安排学习特点：了解芯片工作原理、结构，掌握其引脚的 作用、学会编制程序、系统

4、维修为芯片级调换 课程安排：上课、实验、考试 报告：单片机发展及应用报告 成绩：平时与考试两部分 参考资料 实验指导书1.2 计算机中的数1.2-1 进位计数制 一. 十进制ND有十个数码09、逢十进一。 二. 二进制NB两个数码:0、1, 逢二进一。 三. 十六进制NH十六个数码:09, AF, 逢十六进一。 不同进位制数以下标或后缀区别,十进制数可不带下 标。 如:101、101D、101B、101H、101H1.2-2 数制的转换1二进制数转换成十进制数按权展开 2十进制整数转换成二进制整数用2去除十进制数3十进制小数转换二进制小数用2去乘十进制数 4任意进制数转换十进制数 5二进制数与

5、十六进制数转换 进位计数制的一般表达式：Nr= an-1rn-1+an-2rn-2+ +a1r1a0r0a-1r-1a-mr-m一个r1进制的数转换成r2进制数的方法：先展开，然后按r2进制的运算法则求和计算。1.2-3 二进制编码BCD码(Binary Coded Decimal) 二进制代码表示的十进制数。一.8421 BCD码二、字母与字符编码 美国标准信息交换码ASCII码，用于计算 机与计算机、计算机与外设之间传递信息。1.2-4二进制数的运算 1.一位加法规则 减法规则 乘法规则 2.八位二进制加法规则 减法规则 乘法规 则 3.一位二进制逻辑运算规则 4.八位二进制逻辑运算规则逻

6、辑与、或、非、异或1.2-5 带符号数的表示法 机器数：连同符号位一起作为能被机算机识别的一个数。 真值： 机器数所代表的数值称为机器数的真值。 举例:一个8位机器数与它的真值对应关系如下：真值：X1=+84=+1010100B X2=-84= - 1010100B 机器数：X1机= 01010100 X2机= 11010100 机器中，数的符号用“0”、“1” 表示。最高位作符号位，“0”表示“+”，“1”表示“-”。（一）机器数与真值 最高位为符号位，0表示 “+”，1表示“”。 例 8位原码机器数：真值：x1 = +1010100B x2 = 1010100B 机器数：x1原 = 010

7、10100 x2原 = 11010100 原码表示简单直观,但0的表示不唯一，为了把减法 运算转换成加法运算就引进了反码和补码。（二）机器数的三种表示方法：1.原码(True Form) 正数的反码与原码表示相同。 负数反码符号位为 1，数值位为原码数值各位取反 。 例 8位反码机器数：x= +4 ： x原= 00000100 x反= 00000100x= -4 ： x原= 10000100 x反= 111110112.反码（Ones Complement）3.补码（Twos Complement） 0的表示唯一 正数的补码表示与原码相同。 负数补码的符号位为1，数值位等于反码加1. x=+4

8、 x原=x反=x补= 00000100x=-4 x补 = 111111008位机器数表示的真值八位带符号数的表示表1.2-6 利用补码作八位带符号数的运算方法例X1=+6，Y1=+8，X2=-6，Y2=-8，求X1-Y1、X2- Y2 解求X1补、 Y1补、 -Y1补、X2补、Y2补、-Y2补 00000110 +6补 11111010 - 6补 + 11111000 -(+8)补 + 00001000 -(-8)补11111110-2补 1 00000010 +2补进位为模 ，舍弃2.补码减法运算：X-Y补=X补-Y补=X补+-Y补数的补码与“模”有关 “模”即计数系统的量程。当X0，X补=

9、 模-X。 举例：钟表对时。 设时钟系统“模”为12，标准时间为7点整。8位二进制数的模为： 28 = 256当X0，X补= 28 -X= 256 -X= 255 -X+1= X反码 + 1 9+-2补 = 9+10 = 7+12 = 7(舍弃模)1.3 数字逻辑电路 1.3-1基本逻辑门 1.与门ABCABCABC 000 010 100 111布尔代数：C=AB=AB=ABABc+ABcABC 000 011 101 111布尔代数：C=A+B2.或门AC3.非门ACAC0110 布尔代数：C=/A1.3-2利用基本逻辑门构成运算器1.半加器电路 2.全加器电路 3.二进制加法电路 4.可

10、控反相器及加/减法电路 作业: 习题一 4、5、11、13习题答案4 将下列十进制数转换为二进制数： 100（64H1100100B），234（0EAH11101010B）0.125（0.001H0.000000000001B)，0.625(0.AH0.1010B)13.75(0D.CH1101.11B)，47(2FH101111B)0.74(0.BD7H0.101111010111B)， 24.38(18.6147H11000.01100001B) 5 将下列二进制数转换为十进制数： 10111011B(0BBH187),11000010B(0C2H194)10101010B(0AAH170

11、),10000000B(80H128),11001100B(0CCH204) 6 将下列十六进制数转换为二进制： 3FH,C4H,5AH,DCH,BDH,FFH 7 将下列二进制数转换为十六进制数： 10111100B,11001100B,10011101B,11110011B,10110,101B,1101, 1011B第二章 微型计算机的基本组成电路2.1 算术逻辑部件 2.2 触发器 2.3 寄存器 2.4 三态输出电路（三稳态电路） 2.5 总线结构 2.6 存储器概论2.1算术逻辑部件（ALU） 可以进行加减、乘除、逻辑运算等ALUA BSControl2.2触发器 触发器是计算机记

12、忆装置的基本单元，也可以 说是记忆细胞触发器寄存器存储器一、触发器-RS触发器S QR QSRS端-置位端，使Q=1R端-复位端，使Q=0RSQ 011 100 11不变 00不变时标RS触发器 为了使触发器在整个机器中能和其他部件协调工作，RS 触发器经常有外加的时标脉冲，如图。时标脉冲与置位信号脉冲S同时加到一个与 门的两个输入端；而与复位信号脉冲同时加到另一 个与门的两个输入端。这样，无论是置位还是复位 ，都必须在时标脉冲端为高电位时才能进行。二、触发器-D触发器D触发器时标D触发器边沿触发的D触发器三、触发器-JK触发器J PR QCLKK CLR QJKQ动动作 00保持原状自锁状态

13、 010复位 101置位 11原状态的反码翻转JK触发器2.2寄存器（register) 寄存器是由触发器组成的。一个触发器就是一个一位寄存器。 一、缓冲寄存器用以暂存数据LOADCLKCLRXQ 可控缓冲寄存器符号可控缓冲寄存器L门LOAD门（ 装入门）二、移位寄存器能够将其所存的数据一位一位地向左或向右移 Q3 D3CLKQ2 D2Q1 D1Q0 D0Din左移寄存器Q3 D3CLKQ2 D2Q1 D1Q0 D0Din右移寄存器三、计数器-(counter)也是由若干个触发器组成的寄存器， 它的特点是能够把存储在其中的数字加1。计数器的种类很多，有 行波计数器、同步计数器、环形计数器和程序

14、计数器等。各位的J，K输入端都是悬浮的，这相当于J，K端都是置l的状态，亦即是各位都处于准备翻转的状 态。只要时钟脉冲边缘一到，最右边的触发器就会翻转，即Q由0转为l或由1转为0。行波计数器的工作原理可控计数器原理计数器-环形计数器CLR它只是仅有唯一的一个位为高电位，即只有一位为1，其他各位为0。当 CLR端有高电位输入时，除右边第1位(LSB)外，其他各位全被置0(因清除 电位CLR都接至它们的CLR端)，而右边第1位则被置1(因清除电位CLR被 引至其PR端)。环形计数器不是用来计数用，而是用来发出 顺序控制信号的，这在计算机的控制器中是一 个很重要的部件。环行计数器的电路原理 计数器-

15、程序计数器COUNTLOADCLKCLRXY程序计数器(program counter)也是一个行波计数器。不过它不但可 以从0开始计数，也可以将外来的数装入其中，这就需要一个 COUNT输入端，也要有一个LOAD门。程序计数器 2.4三态输出电路“0”、“1”和“高阻”由于记忆元件是由触发器组成的，而触发器只有两个状态：0和1，所以每条 信号传输线只能传送一个触发器的信息(0或1)。如果一条信号传输线既能与一个 触发器接通，也可以与其断开而与另外一个触发器接通，则一条信息传输线就可 以传输随意多个触发器的信息了。三态输出电路(或称三态门)就是为了达到这个 目的而设计的。三态输出电路及其符号双向三态输出电路三态门(E门)和装入门(L门)一样，都可加 到任何寄存器(包括计数器和累加器)电路上去 。这样的寄存器就称为三态寄存器。L门专管 对寄存器的装入数据的控制，而E门专管由寄 存器输出数据的控制。有了L门和E门就可以利用总线结构，使计 算机的信息传递的线路简单化，控制器的设 计也更为合理而易于理解了。2.5总线结构总线结构符号图总线结构的