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    嵌入式系统与MCS-51基础知识.ppt

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    嵌入式系统与MCS-51基础知识.ppt

    单片机原理及嵌入式系统设计 Principles of Microcontrollerand embedded system design,讲授:张虎,第1章 基础知识,1.2单片机简介,1.3数制及其转换,1.1单片机与嵌入式系统概述,1.1单片机与嵌入式系统概述,单片机的含义单片机是单片微型计算机的简称,早期的英文名是Single-chip Microcomputer.单片机在控制领域大显身手,单片机可以装到各种智能化产品中,所以又称为嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller),MCU的基本含义是:在一块芯片上集成了中央处理单元(CPU),存储器(RAM/ROM等)、定时器计数器及多种输入输出(I/0)接口的比较完整的数字处理系统。,三总线,总线有三种:数据总线DB(Data Bus),地址总线 AB(Address Bus)和控制总线 CB(Control Bus),计算机技术在两个重要领域通用计算机领域和嵌入式(Embedded)计算机领域都获得的极其重要的进展.单片机只是一块芯片.但包含了计算机的基本组成单元,仍由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成,只不过这些都集成在一块芯片上,这种结构使得单片机成为具有独特功能的计算机。,单片机以其较高的性能价格比、灵活性等特点,在嵌入式微控制系统中具有十分重要的地位。,嵌入式系统的含义,(1)嵌入式系统的由来 世界上最早的嵌入式系统(Embedded System)被认为是20世纪60年代中后期由麻省理工学院仪器实验室的Charles Stark Draper领导的研发团队为美国阿波罗登月舱所设计的专用计算机系统AGC(Apollo Guidance Computer),该计算机被镶嵌在飞船驾驶舱控制面板的中央,主要负责飞船的导航,目前广泛认可的一种关于嵌入式系统的定义是:嵌入式系统是嵌入到应用对象体系中的专用计算机系统。简称嵌入式系统(Embedded System)。“嵌入性”、“专用性”及“软硬件紧密结合的计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。,(2)嵌入式系统的特点,特点是由其应用特征、处理器特征及软件特征共同反映出来的。1)嵌入式系统的应用特征嵌入式系统是针对各种具体应用而开发的软硬件紧密结合的计算机应用系统系统的应用特征:功能强、可靠性高、体积小、功耗低、成本低,2)嵌入式处理器的特征嵌入式处理器的特征是:集CPU及众多外设接口电路于一身,且可靠性高、体积小、功耗低、价格低。3)嵌入式系统的软件特征软件只针对某种具体的硬件平台和具体的应用要求开发,不具有通用性;由于没有标准统一的硬件平台,就不存在诸如BIOS这类通用可共享的底层软件;,软件代码量要尽可能小,代码质量要求高,通常用高效的C,C+语言或汇编开发;操作系统必须可以视具体应用的要求进行取舍(配置、剪裁),且多数采用静态编译;操作系统与应用程序联系紧密,软件与硬件的联系紧密,往往需要进行捆绑式开发没有磁盘存储器,通常将所有软件都固化于ROM中;大多数嵌入式系统具有一定的实时性要求。,从总体上说,通用计算机系统主要用于数值计算、信息处理,兼顾控制功能,而嵌入式计算机系统主要用于控制领域,兼顾数据处理。(一般人不察觉是计算机)在一个综合系统中,会出现通用计算机系统与嵌入式计算机系统的结合,各自扮演不同的角色,共同完成系统任务.,应用实例,手机、MP3/MP4,数码相机、数字电视、机顶盒、DVD,复印机、传真机、商场POS机、银行ATM机、公交刷卡机等,嵌入式处理器,(1)嵌入式微处理器及微控制器 嵌入式处理器目前主要有X86系列(主要有Intel,AMD及台湾威盛生产的产品),Motorola的Power PC,MC68系列、MIPS的MIPS系列、Zilog的Z8000系列,以及目前市场占有率最高的以ARM(Advanced RISC Machines)处理器内核衍生出的各种ARM系列。,(2)单片机单片机(Single-Chip Computer)或微控制器实际上指的是同一类处理器,这类处理器集CPU及多种外设接口电路于一身。有的公司将其称为单片机,有的则称其为微控制器,单片机目前应用最广泛的是8位的Intel MCS-51系列以及其他公司利用MCS-51核心开发出的其他衍生产品群,如飞利浦的80C51系列、Atmel的At89系列等。另外几个应用较多的单片机系列是美国TI公司的MSP430系列、美国Atmel公司的AVR系列、飞思卡尔(Motorola)公司的MC68系列、美国Microchip公司的PIC系列、美国国家半导体公司的COP系列等。,(3)数字信号处理器 数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)是一种专用于进行数字信号处理的处理器,这类处理器内部集成了专门针对数字滤波、FFT,谱分析等常用数字信号处理算法进行处理的硬件加速器,所以对这些应用场合会比常规微处理器效率高得多,国内市场常见的DSP处理器有美国得克萨斯仪器公司TI的TMS320C系列,如TMS320C2X/C2XX,TI公司也成为世界上最大的DSP芯片供应商,其DSP市场份额占全世界份额近50%。美国ADI公司的SHARC,Blackfin系列,以及Motorola的DSP56系列等,(4)可编程片上系统SOPC(System On Programmable Chip)可编程片上系统(System On Programmable Chip,SOPC)是嵌入式系统硬件设计的最高应用形式。System-on-a-Programmable-Chip,即可编程片上系统。用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上,称作SOPC。,可编程片上系统(SOPC)是一种特殊的嵌入式系统:首先它是片上系统(SOC),即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能;其次,它是可编程系统,具有灵活的设计方式,可裁减、可扩充、可升级,并具备软硬件在系统可编程的功能。,目前的主要应用形式是含CPU软核的FPGA,如美国Altera公司的Cyclone,Stratix系列以及美国Xilinx公司的Spartan;Virtex系列等。,1.2单片机简介,1.2.1 单片机单片机:将微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路和相应实时控制器件集成在一块芯片上,称其为单片微型计算机,简称单片机。,单片机开发系统有单片单板机和仿真器。实现单片机 应用系统的硬、软件开发。,单片机为工业测控而设计,又称微控制器。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。,1.2.2单片机的主要应用领域(1)工业方面实时控制、物理量的检测与处理、工业机器人、数控机床、过程控制、教学控制、智能传感器、数据传送、分布式控制等。(2)仪器仪表方面 智能仪器仪表、医疗器械、色谱仪、示波器智能测厚仪等。,(3)民用方面 电子玩具、电子字典、记事薄、高级电子游戏机、录像机、电冰箱、洗衣机、抽湿机、消毒柜、照相机、空调机、电风扇、防盗控制、彩电、音响等。(4)电讯方面手机、调制解调器、智能线路运行控制、程控电话交换机等。,(5)导航控制方面鱼雷制导控制、智能武器装置、导弹控制、航天导航系统、电子干扰系统等。(6)数据处理方面 图形终端、复印机、硬盘驱动器、磁带机、打印机、打字机等。(7)汽车方面 点火控制、变速控制、防滑刹车、排气控制、节能控制、保安控制、冷气控制、汽车报警控制、测试设备等。,单片机发展概况,第一代 20世纪70年代:1975年 4位单片机 TMS-1000第二代1974-1977 初级8位单片机 Intel MCS-48 系列第三代20世纪80年代:高档8位单片机 Intel MCS-51系列:-51子系列:8031/8051/8751-52子系列:8032/8052/8752低功耗型80C31高性能型80C252廉价型89C2051/1051,第四代20世纪90年代:高档单片机,DSP32位单片机 ARM,第五代微处理器,1993年,Intel公司推出了第五代微处理器Pentium(中文译名为奔腾)。Pentium微处理器的推出使微处理器的技术发展到了一个崭新的阶段,标志着微处理器完成从CISC向RISC 时代的过渡,也标志着微处理器向工作站和超级小型机冲击的开始。亚微米CMOS工艺,它具有64位的数据总线和32位的地址总线,CPU内部采用超标量流水线设计,Pentium芯片内采用双Cache结构(指令Cache和数据Cache),每个Cache容量为8KB,数据宽度为32位,数据Cache采用回写技术,大大节省了处理时间。,第六代微处理器,1996年Intel公司将其第六代微处理器正式命名为Pentium Pro(奔腾)。该处理器的集成电路采用了0.35的工艺,时钟频率为200MHz,在处理方面,Pentium Pro引入了新的指令执行方式,其内部核心是PISC处理器,运算速度达200MIPs。Pentium Pro允许在一个系统里安装4个处理器,因此,Pentium Pro最合适的位置是作为高性能服务器和工作 站,第七代微处理器,2000年11月,Intel也推出了他的第七代微处理器:奔腾4(Pentium 4,或简称奔4或P4),这一新的架构称做NetBurst。Pentium 4有着非常快速到400MHz的前端总线,之后更有提升到533MHz、800MHz。它其实是一个为100MHz的四条并列总线(100Mhz x4 并列),因此理论上它可以传送比一般总线多四倍的容量,所以号称有400MHz的速度。,总的发展过程:从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。,1.微型计算机组成结构,计算机知识,2.计算机主要技术指标,字长:CPU并行处理二进制的数据位数 8位机、16位机、32位机和64位机。,内存容量:内存存储单元数 容量单位:1K=210=1024,1M=220=1KK 8K、64K、16M、64M。,运算速度:CPU处理速度时钟频率、主频、每秒运算次数 6MHz、12MHz、24MHz、100MHz、300MHz。,内存存取周期:内存读写速度 50nS、70nS、200nS。,1.2.5 典型单片机产品简介1、Intel公司单片机 MCS-51单片机系列 MCS-51可分为两个子系列和4种类型,如表1-1所示。按资源的配置数量,MCS-51系列分为51和52两个子系列,其中51子系列是基本型,而52子系列属于增强型。表1-1 MCS-51系列单片机分类,80C51与8051的比较(1)MCS-51系列芯片采用HMOS工艺,而80C51芯片则采用CHMOS工艺。CHMOS工艺是COMS和HMOS的结合,(2)80C51芯片具有COMS低功耗的特点。例如8051芯片的功耗为630mW,而80C51的功耗只有120mW。(3)80C51在功能增加了待机和掉电保护两种工作方式,以保证单片机在掉电情况下能以最低的消耗电流维持。(4)此外,在80C51系列芯片中,内部程序存储器除了ROM型和EPROM型外,还有E2PROM型,例如89C51就有4KB E2PROM。并且随着集成技术的提高,80C51系列片内程序存储器的容量也越来越大,目前已有64KB的芯片了。另外,许多80C51芯片还具有程序存储器保密机制,以防止应用程序泄密或被复制。,MCS-96系列单片机 MCS-96系列单片机是Intel公司在1983年推出的16位单片机,它与8位机相比,具有集成度高、运算速度快等特点。它的内部除了有常规的I/O接口、定时器计数器、全双工串行口外,还有高速I/O部件、多路AD转换和脉宽调制输出(PWM)等电路,其指令系统比MCS-51更加丰富。,2、ATMEL公司单片机 ATMEL公司生产的具有8051结构的FLASH型和EEPROM型单片机(尤其是89C51和89C52),由于和Intel的MCS-51系列单片机中典型产品完全兼容,开发和使用简便,在我国得到了广泛的应用。1997年,ATMEL公司推出了全新配置的精简指令集(RISC)的AVR单片机,由于AVR单片机优良的性能,在越来越多的领域得到了应用。,3.Philips公司的单片机 PhiliPs公司生产的单片机包括8051结构的80C51系列8位单片机、采用8051结构的16位单片机、以680(力为核心的16位单片机。其中80C51系列8位单片机品种多、片内资源丰富、容易开发应用产品,因此得到了广泛的应用。80 Csl系列单片机的特点是具有便于开发的FLASH型单片机,具有I2C串行总线口,具有8一10位A/D,程序存储器和数据存储器容量大,还具有CAN BUS(控制器局域网)接口.,4Motorola公司的单片机 68HC05是Motorola公司推出的一种采用HCMOS技术的8位单片机。它的典型代表为MC68HC705C8A,它有8位CPU、8KB的EPROM、304B的RAM、16位多功能定时器、34根I/O线(31根双向I/O线,3根中断和定时器输人输出线)、串行通信口、串行扩展口、Watchdog(看门狗)、5个中断向量(9个中断源)。68HC05系列有几十种型号,它们的程序存储器(ROM、EPROM)和RAM容量、引脚封装、存储空间分配、I/O功能各不相同,以适应各种应用场合的不同需要。表14列出了68 HC05系列单片机的功能特性。,5Microchip公司的单片机 Microchip公司有12位程序存储器的低档单片机、14位程序存储器的中档单片机、16位程序存储器的高档单片机和16位程序存储器的增强型单片机共四大系列。Microchip公司的PlC单片机品种丰富,在各类电子产品中被广泛应用,其产品在8位单片机市场份额中排名第二。,6TOSHIBA公司的单片机 TOSHIBA公司有TLCS-470系列4位单片机,TLCS870、TLCS870X、TLCS870C、系列8位单片机,TLCS900系列1632位单片机。这些单片机不但CPU和指令系统的功能强,而且片内外围部件丰富,提供汇编语言和C-Like语言的软件开发手段。TLCS-870系列国产的单片机开发工具STF870A,7.HITACHI公司的单片机 HITACHI公司的单片机有H400的4位单片机系列、H8/300L与H8/300的8位单片机系列、H8/300H(外数据总线8位或16位)、H8S/2000和H8/500的16位单片机系列和SH的32位单片机系列。其中4位单片机H400主要应用于低档家用消费类产品以及BP机等;8位单片机的H8/300L主要用于VCR/MD录像机等中高档家用消费类产品以及无绳电话等,H8/300主要用子键盘和ABS汽车刹车等;16位单片机中的H8/300H则用于CD-ROM驱动器和打印机等,H8S/2000将用于PHS系统和蜂窝电话,H8/500则用于电机控制和工程控制等;32位单片机SH用于多媒体和航空航天等领域。,8SIEMENS公司的单片机 SIEMENS公司生产C166系列16位单片机和C500系列8位单片机。C166系列为高速、高性能16位单片机,CPU内部采用流水线型结构,指令周期最小为80ns,乘法(16位*16位)、除法(32位16位),仅400ns,片内ROM(或OTP或FLASH Memory)最大为128KB,数据存储器RAM最大为4KB。片内除常规I/O部件以外,还具有10位A/D、C AN2.OB等特殊I/O接口,多达16个中断优先级、20个中断源的中断系统。该系列有C161、C163、C164、C165、C166和C167等产品。C166系列单片机主要用于通信,导航等复杂的实时控制系统中。,9 NS公司的单片机 NS(National Semiconductor Corporation,美国国家半导体公司)有COP4系列4位单片机、COP8系列8位单片机、HPC系列16位单片机,其中COP8系列是NS公司的主要产品。COP8(Contol Oriented Processor)是面向控制的8位单片机,该系列品种齐全,应用范围广,根据应用对象的不同可以分为特色型、基本型和新型三大类。,10 ARM系列单片机 ARM是ARM微处理器核的简称,ARM微处理器核是基于RISC(精简指令集计算机)技术的微处理器核,由英国的ARM公司设计开发。ARM公司本身不直接从事芯片生产,作为知识产权供应商,靠转让设计许可,由合作公司生产各具特色的芯片。目前,全世界有几十家大的半导体公司从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核,根据各自不同的应用领域,加人适当的外围电路,从而生产出具有自己特色的 ARM单片机。ARM系列单片机与普通单片机的主要区别体现在以下几个方面:(1)速度快(2)存储器容量大,(3)外部通信接日丰富 ARM单片机的通信接口要比普通单片机丰富得多,有UART、USB、Ethernet、CAN、SPI和I2C等通信接口,可以满足嵌入式系统通信多样化的要求。(4)有许多第三方的软件支持,11DSP系列单片机 DSP(Digital signal Processor)是数字信号处理器的简称。DSP起源于20世纪五六十年代,当时主要应用于雷达、原油探勘、太空探索和医学影像等领域。现在来看DSP也是一种单片机,是一种运行速度高,擅长于数字信号处理的单片机。DSP系列单片机与普通单片机的主要区别体现在以下几个方面:(1)速度快 DSP单片机主频较高,执行一条指令所用时间较短,DSP具有指令流水线,可以多条指令并行执行。此外,许多DSP单片机采用32位运算单元,做与普通单片机相同的运算,所用的指令数目少。以上的几个因素导致DSP单片机比普通单片机快得多。,(2)具有适合数字信号处理的特殊指令 数字信号处理时,需要做大量的乘法和累加运算,DSP单片机专门的乘累加指令,使乘法和累加运算可以在一条指令中完成,大大提高了数字信号处理的效率。(3)具有独特的寻址方式 数字信号处理中,需要对采集来的数据进行重新排序,DSP单片机的“反比特”寻址方式使排序很容易实现,大大提高了排序效率。DSP单片机的生产厂家很多,其中AD公司、ATT公司、Motorola公司和TI公司生产的DSP单片机在国内比较流行,尤其是TI公司的DSP最为普及。,当前常用的51系列单片机主要产品有:51单片机*Intel的:80C31、80C51、87C51,80C32、80C52、87C52等;*ATMEL的:89C51、89C52、89C2051等;*Philips、华邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的许多产品,1.2.6 单片机的应用模式单片机应用系统的结构 单片机应用系统的结构通常分为以下三个层次。(1)单片机:通常指应用系统主处理机,即所选择的单片机器件。(2)单片机系统:指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统。时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机共同构成了单片机系统。(3)单片机应用系统:指能满足嵌入对象要求的全部电路系统。在单片机系统的基础上加上面向对象的接口电路,如前向通道、后向通道、人机交互通道(键盘、显示器、打印机等)和串行通信口(RS232)以及应用程序等。,单片机应用系统三个层次的关系如图所示,单片机应用系统三个层次的关系,1.2.7 单片机嵌入式系统的开发过程,通常开发一个单片机系统可按以下6个步骤进行。(1)明确系统设计任务,完成单片机及其外围电路的选型工作。(2)设计系统原理图和PCB板,经仔细检查PCB板后送工厂制作。(3)完成器件的安装焊接。(4)根据硬件设计和系统要求编写应用程序。(5)在线调试软硬件。(6)使用编程器烧写单片机应用程序,独立运行单片机系统。,1.3 计算机的数制和转换,(1)十进制ND有十个数码09、逢十进一。十进制用于计算机输入输出,人机交互。(2)二进制NB两个数码:0、1,逢二进一。二进制为机器中的数据形式。(3)十六进制NH十六个数码:09,AF,逢十六进一。十六进制用于表示二进制数。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、101H,介绍计算机中数的表示方法和基本运算方法。,进位计数制,(1)二进制NB符号集:0、1 规则:逢二进一。例 1101.101=123+122+021+120+12-1+12-3 加权展开式以2为基数,各位系数为0、1。一般表达式:NB=bn-12n-1+bn-22n-2+b020+b-12-1+,计数进位规则与表达,(2)十六进制NH符号集:0-9、A-F 规则:逢十六进一。例:DFC.8=13162+15161+12160+816-1 展开式以十六为基数,各位系数为09,AF。一般表达式:NH=hn-116n-1+hn-216n-2+h0160+h-116-1+,1.3.3 不同进位计数制之间的转换,先展开,然后按照十进制运算法则求和。举例:1011.1010B=123+121+120+12-1+12-3=11.625DFC.8H=13162+15161+12160+816-1=3580.5,(一)二、十六进制数转换成十进制数,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r进制的运算法则求和计算。,(二)二进制与十六进制数之间的转换24=16,四位二进制数对应一位十六进制数。举例:,3AF.2H=0011 1010 1111.0010=3 A F 2 1111101.11B=0111 1101.1100=7D.CH 7 D C,(三)十进制数转换成二、十六进制数,整数、小数分别转换 1.整数转换法“除基取余”:十进制整数不断除以转换进制基数,直至商为0。每除一次取一个余数,从低位排向高位。举例:,1.39转换成二进制数39=100111B2 39 1(b0)2 19 1(b1)2 9 1(b2)2 4 0(b3)2 2 0(b4)2 1 1(b5)0,2.208转换成十六进制数 208=D0H16 208 余 016 13 余 13=D 0H,(三)十进制数转换成二、十六进制数,2.小数转换法2009年10月14日“乘基取整”:用转换进制的基数乘以小数部分,直至小数为0或达到转换精度要求的位数。每乘一次取一次整数,从最高位排到最低位。举例:,1.0.625转换成二进制数0.625 2 1.250 1(b-1)2 0.5 0 0(b-2)2 1.0 1(b-3)0.625=0.101B,2.0.625转换成十六进制数 0.625 16=10.0 0.625=0.AH3.208.625 转换成十六进制数208.625=D0.AH,带符号数的表示方法,机器数在计算机中,因为只有“0”和“1”两种形式,所以数的正、负号,也必须以“0”和“1”表示。通常把一个数的最高位定义为符号位,用0表示正,1表示负,称为数符:其余位仍表示数值。把在机器内存放的正、负号数码化的数称为机器数,把机器外部由正、负号表示的数称为真值数。,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,机器数:机器数是把符号数字化的数,机器中数的二进制表示形式,其位数通常为8的倍数 真值:机器数所代表的实际数值。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(原码):X1机=01010100 X2机=110101002010年9月27日星期一,要注意的是,机器数表示的范围受到字长和数据的类型的限制。字长和数据类型定了,机器数能表示的数值范围也就定了。例如,若表示一个整数,字长为8位,则最大的正数为01111111,最高位为符号位,即最大值为127。若数值超出127,就要“溢出”。最小负数为10000000,最高位为符号位,即最小值为-128。,(二)数的定点和浮点表示 计算机内表示的数,主要分成定点小数、定点整数与浮点数三种类型。(1)定点小数的表示法 定点小数是指小数点准确固定在数据某一个位置上的小数。一般把小数点固定在最高数据位的左边,小数点前边再设一位符号位。按此规则,任何一个小数都可以写成:N=NS N1,N2NM,NS为符号位,(2)整数的表示法 整数所表示的数据的最小单位为1,可以认为它是小数点定在数值最低位右面的一种表示法。整数分为带符号和不带符号两类。对带符号的整数,符号位放在最高位。可以写成:N=NS Nn Nn1N2 N1 N0,NS为符号位,(3)浮点数的表示方法一般定点数表示的范围和精度都较小,在数值计算时,大多数采用浮点数。浮点法中,数据的小数点位置不是固定不变的,而是可浮动的。一个浮点数a由两个数m和e来表示:a=M bE(b的e次方)因此,可将任意一个二进制数N表示成N=M2E其中,M为尾数,为纯二进制小数,E称为阶码。可见,一个浮点数有阶码和尾数两部分,且都带有表示正负的阶码符与数符,其格式为,这种设计可以在某个固定长度的存储空间内表示定点数无法表示的更大范围的数。浮点表示法对应于科学(指数)计数法,如数110.011可表示为:N=110.011=1.100112+10=11001.1210=0.1100112+11【例】设尾数为4位,阶码为2位,则二进制数N=101.1的浮点数表示形式为:,,,应当注意:浮点数的正、负是由尾数的数符确定,而阶码的正、负只决定小数点的位置,即决定浮点数的绝对值大小。带符号数的表示 在计算机中,带符号数可以用不同方法表示,常用的有原码、反码和补码。,最高位为符号位,0表示“+”,1表示“”。数值位与真值数值位相同。(取绝对值)例 8位原码机器数:真值:x1=+1010100B x2=1010100B 机器数:x1原=01010100 x2原=11010100原码表示简单直观,但0的表示不唯一,加减运算复杂。,有符号数通常使用三种表示方法:,(三)原码(True Form),+1原0 0000001,-1原1 0000001+127原0 1111111,-127原1 111111l在原码表示中,零有两种表示形式,即:+000000000,-010000000。,(四)补码(Twos Complement),正数的补码表示与原码相同。负数补码的符号位为1,数值位等于绝对值求反加1。,例:求 8位补码机器数:x=+4 x补=00000100 x=-4 10000100 11111011 x补=11111100,补码表示的优点:0的表示唯一,加减运算方便。,补码是根据同余的概念引入的,我们来看一个减法通过加法来实现的例子。假定现在是北京时间6点整,有一只手表却是8点整,比北京时间快了2小时,校准的方法有两种,一种是倒拨2小时,一种是正拨10小时。若规定倒拨是做减法,正拨是做加法,那么对手表来讲减2与加10是等价的,也就是说减2可以用加10来实现。,这是因为8加10等于18,然而手表最大只能指示12,当大于12时12自然丢失,18减去12就只剩6了。这说明减法在一定条件下,是可以用加法来代替的。这里“12”称为“模”,10称为“-2”对模12的补数。推广到一般则有:A B=A+(B+M)=A+(B)补,补码运算,X+Y补=X补+Y补X-Y补=X补+-Y补,+1补00000001,-1补11111111+127补01111111,-127补10000001 由此看出,在补码表示中:正数的补码与原码相同,负数的补码等于它的反码加1。机器数的最高位是符号位,0代表正号,1代表负号。在补码表示中,0有唯一的编码:0补0补00000000。补码的运算方便,二进制的减法可用补码的加法实现,使用较广泛。,数的补码与“模”有关“模”即计数系统的量程。10月6日,当X0,X补=模-X,7位二进制数的模为:27=128当X0,X补=27-X=128-X=127-X+1=X反码+1 规则:求反加1,符号位不变。如:1000 1101B 其补码:1111 0011规定:0000 0000B 为0 1000 0000B 不是0,而是128,8位机器数表示的真值,带符号数的表示方法,机器数与真值之间的转换,1)X1=+127,X2=-127,求X原、X补 X1原=X1补=01111111=7FH X2原=11111111=FFH X2补=10000001=81H 2)X1=+255,X2=-255,求X原、X补 X1原=X1补=0000000011111111=00FFH X2原FFH X2补FF01H,1.真值机器数,1.3.6 二十进制编码BCD码,例:求十进制数876的BCD码876BCD=1000 0111 0110 876=36CH=11 0110 1100B,BCD码(Binary Coded Decimal)二进制代码表示的十进制数。,一.8421 BCD码,【例】将69.25转换成BCD码。6 9.2 5 0110 1001.0010 0101 结果为69.25=(01101001.00100101)BCD【例】将BCD码转换成十进制数。1001 0111 1000.0101 0110 9 7 8.5 6 结果为()BCD=978.56,二.BCD码运算,十进制调整:计算机实际按二进制法则计算,加入十进制调整操作,可计算BCD码。十进制调整方法:当计算结果有非BCD码或产生进位或借位,进行加6或减6调整。,例:计算BCD码 78+69=?0111 1000 78BCD+0110 1001+69BCD 1110 0001产生非BCD码和半进位+0110 0110+66H调整1 0100 0111 带进位结果:147,例:计算BCD码 38-29=?0011 1000 38BCD+1101 0111-29BCD 1 0000 1111 产生非BCD+1111 1010-06调整 0 0000 1001 结果无借位:9,1.3.7字符编码2015年9月28日星期一,计算机中数的单位位(bit)计算机中数的最小单位字节(byte)表示存储空间大小的最基本的容量单位字(word)计算机进行数据处理和运算的单位,二进制编码:把数字、字母、符号都转化成特定的二进制码来表示。字母与字符的编码方法:可有不同的编码方式,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。计算机使用最多、最普遍的是ASCII(American Standard Code For Information Interchange)字符编码,即美国信息交换标准代码,如表所示。,把数字(0-9),英文大小写字母,标点和控制的附加字符,用7位二进制来表示。高3位和低4位。,ASCII码的每个字符用7位二进制数表示,其排列次序为d6d5d4d3d2d1d0,d6为高位,d0为低位。而一个字符在计算机内实际是用8位表示。正常情况下,最高一位d7为“0”。7位二进制数共有128种编码组合,可表示128个字符,其中数字10个、大小写英文字母52个、其他字符32个和控制字符34个。数字09的ASCII码为30H39H。大写英文字母AZ的ASCII码为41H5AH。小写英文字母az的ASCII码为61H7AH。对于ASCII码表中的0、A、a的ASCII码30H、41H、61H应尽量记住,其余的数字和字母的ASCII码可按数字和字母的顺序以十六进制的规律写出。,汉字编码 由于汉字是象形文字,数目很多,常用汉字就有30005000个,加上汉字的形状和笔画多少差异极大,因此,不可能用少数几个确定的符号将汉字完全表示出来,或像英文那样将汉字拼写出来。每个汉字必须有它自己独特的编码。,汉字交换码收录汉字6763个,字符682个用两个连续的字节表示一个特定的汉字汉字编码包括:汉字输入码、机内码、字形码(汉字库)1)信息交换用汉字编码字符集基本集 2)汉字的机内码(GB2312-1980国标码)3)汉字的输入码(外码)4)汉字的字形码,信息交换用汉字编码字符集基本集是我国于1980年制定的国家标准GB231280,代号为国标码,是国家规定的用于汉字信息交换使用的代码的依据。,汉字的机内码是供计算机系统内部进行存储、加工处理、传输统一使用的代码,又称为汉字内部码或汉字内码。,汉字输入码是为了将汉字通过键盘输入计算机而设计的代码。汉字输入编码方案很多,其表示形式大多用字母、数字或符号。,汉字字形码是汉字字库中存储的汉字字形的数字化信息,用于汉字的显示和打印。,为了区别汉字和西文,将汉字编码的最高位置成“1”,然后由软件根据最高位做出判断一个汉字可有几个外码,但只有一个内码,GB2312的编码所有的国标汉字与符号组成一个9494的矩阵。在此方阵中,每一行称为一个区,每一列称为一个位,因此,这个方阵实际上组成了一个有94个区(区号分别为0 1到94)、每个区内有94个位(位号分别为01到94)的汉字字符集。一个汉字所在的区号和位号简单地组合在一起就构成了该汉字的区位码。在汉字的区位码中,高两位为区号,低两位为位号。在区位码中,01-09区为682个特殊字符,1687区为汉字区,包含6763个汉字。其中16-55区为一级汉字(3755个最常用的汉字,按拼音字母的次序排列),56-87区为二级汉字(3008个汉字,按部首次序排列)。,ISO2022规定每个汉字的区号和位号必须分别加上32(即二进制数00100000),经过这样的处理而得的代码称为国标交换码,简称交换码“学”字的国标交换码计算为:00110001 00000111+00100000 00100000-01010001 00100111用十六进制数表示即为5127H。,由于文本中通常混合使用汉字和西文字符,汉字信息如果不予以特别标识,就会与单字节的ASCII码混淆。此问题的解决方法之一是将一个汉字看成是两个扩展ASCII码,使表示GB2312汉字的两个字节的最高位都为1。这种高位为1的双字节汉字编码即为GB2312汉字的机内码,简称为内码。,因此,“学”字的机内码为:11010001 10100111用16进制表示即为D1A7H。,总结,汉字的区位码每两位加上0 xA0就是计算机中的GB2312码。比如“啊”区位码是1601,GB码是0 xB0A1。B0=10+A0,A1=01+A0。,汉字字形码,为了将汉字在显示器或打印机上输出,把汉字按图形符号设计成点阵图,就得到了相应的点阵代码(字形码)。用于显示的字库叫显示字库。显示一个汉字一般采用1616点阵或2424点阵或4848点阵。已知汉字点阵的大小,可以计算出存储一个汉字所需占用的字节空间。例:用1616点阵表示一个汉字,就是将每个汉字用16行,每行16个点表示,一个点需要1位二进制代码,16个点需用16位二进制代码(即2个字节),共16行,所以需要16行2字节/行=32字节,即1616点阵表示一个汉字,字形码需用32字节。即:字节数=点阵行数(点阵列数/8),0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0.1.1.2.1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1.3.1.1.4.1.1.5.1.1.6.1.1.7.1.1.0.1.1.1.1.1.2.1.1.3.1.1.4.1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1.5.1.1.6.7.图1-6“口”字的1616点阵字形图,用于打印的字库叫打印字库,其中的汉字比显示字库多,而且工作时也不像显示字库需调入内存。全部汉字字形码的集合叫汉字字库。汉字库可分为软字库和硬字库。软字库以文件的形式存放在硬盘上,现多用这种方式,硬字库则将字库固化在一个单独的存储芯片中,再和其它必要的器件组成接口卡,插接在计算机上,通常称为汉卡。,可以这样理解,为在计算机内表示汉字而统一的编码方式形成汉字编码叫内码,内码是惟一的。为方便汉

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