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单片机原理及应用 张兰红
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第 1 章 微型计算机的基本概念
1.1 微型计算机由哪几部分组成？每一部分各起何作用？
解： 微型计算机由微处理器芯片、存储器芯片、输入／输出接口电路芯片与总线组成。 微处理器是微型计算机的核心，它通常包括 3 个基本部分：① 算术逻辑部件 ALU(Arithmetic
Logic Unit)，对传送到微处理器的数据进行算术运算或逻辑运算的电路，如执行加法、减法运算，
逻辑与、逻辑或运算等。② 工作寄存器组，用来存放操作数及运算的中间结果等。③ 控制部件，
包括时钟电路和控制电路，时钟电路产生时钟脉冲，用于计算机各部分电路的同步定时；控制电路
产生完成各种操作所需的控制信号。
存储器是微型计算机的重要组成部分，计算机有了存储器才具备记忆功能。 I／O 接口是沟通 CPU 与外部设备的不可缺少的重要部件。外部设备种类繁多，其运行速度、 数据形式、电平等各不相同，常常与 CPU 不一致，所以要用 I／O 接口作桥梁，起到信息转换与协 调的作用。
总线是在微型计算机各芯片之间或芯片内部各部件之间传输信息的一组公共通信线。 1.2 什么是 CPU？什么是主机？
解：由于运算器、控制器是计算机处理信息的关键部件，所以常将它们合称为中央处理单元 CPU
（Central Processing Unit，简称 CPU）。
通常把运算器、控制器、存储器这三部分称为计算机的主机。 1.3 何谓计算机系统？何谓单板机？何谓单片机？
解：计算机与外围设备、电源、系统软件一起构成应用系统，称为计算机系统。
在一块印刷电路板上，集成了中央处理单元 CPU、只读存储器 ROM、随机存取存储器 RAM、 I/O 接口、定时器/计数器、中断系统等功能部件，构成一台完整的微型计算机，称为单板机。
在一块半导体芯片上，集成了中央处理单元 CPU、只读存储器 ROM、随机存取存储器 RAM、 I/O 接口、定时器/计数器、中断系统等功能部件，构成一台完整的微型计算机，称为单片机。
1.4 为什么要采用总线结构？芯片为什么要通过缓冲器才能挂在总线上？
解：微型计算机采用总线结构后，芯片之间不需单独走线，大大减少了连接线的数量。 挂在总线上的芯片不能同时发送信息，否 则多个信息同时出现在总线上将发生冲突而造成出错。
如果有几块芯片需要输出信息，就必须分时传送，为了实现这个要求，挂在总线上的各芯片必须通
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过缓冲器与总线相连。
1.5 何谓程序计数器？程序计数器中存放的是什么内容？它对计算机的工作起什么作用？在什么情
况下，程序的执行顺序发生转移？此时程序计数器的内容是怎么样的？ 解：程序计数器 PC 是管理程序执行次序的特殊功能寄存器。
程序计数器 PC 中存放的是下一条要执行的指令的地址。它管理程序执行的次序。 在执行转移指令的情况下，程序的执行顺序发生转移。此时程序计数器直接接受内部总线送来
的数据，并用该数据取代原有的内容。
1.6 评价存储器有哪些重要的指标？为什么说存储器性能已成为计算机性能提高的关键？
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解：存储器的重要指标是容量和存取速度。
容量越大，则记忆的信息越多，计算机的功能就越强。存储器的存取速度比 CPU 的运算速度要
低，所以存储器的工作速度是影响计算机工作速度的主要因素。 1.7 综述存储器的种类、特点、用途和优缺点？（主要针对内存）
解：按结构与使用功能分，内存储器可分为随机存取存储器 RAM 和只读存储器 ROM 两类。 随机存取存储器 RAM 又称读写存储器，它的数据读取、存入时间都很短，因此，计算机运行时，
既可以从 RAM 中读数据，又可以将数据写入 RAM。但掉电后 RAM 中存放的信息将丢失。 RAM 适宜存放原始数据、中间结果及最后的运算结果，因此又被称作数据存储器。
只读存储器 ROM 读出一个数据的时间为数百纳秒，有时也可改写，但写入一个数据的时间长达
数十 ms，因此在计算机运行时只能执行读操作。掉电后 ROM 中存放的数据不会丢失。 ROM 适宜存放程序、常数、表格等，因此又称为程序存储器。 只读存储器又可以分为下列四类：
① 掩膜 ROM：在半导体工厂生产时，已经用掩膜技术将程序做入芯片，用户只能读出其内容而
不能改写。掩膜 ROM 只能应用于有固定程序且批量很大的产品中。
② 可编程只读存储器 PROM：用户可将程序写入 PROM，仅程序一经写入就不能改写。
③ 可擦除可编程只读存储器 EPROM：用户可将程序写入 EPROM 芯片。如果要改写程序，先 用紫外灯照射芯片，擦去原先的程序，然后写入新程序。与 PROM 芯片一样，写入的速度很慢，且
要用到高压，所以必须用特定的 EPROM 编程器写入信息。在计算机运行时只能执行读操作。 ④ 电擦除可编程只读存储器 EEPROM：这是近年发展起来的一种只读存储器。由于采用电擦 除方式，而且擦除、写入、读出的电源都用十 5V，故能在应用系统中在线改写。但目前写入时间较
长，约需 10ms 左右，读出时间约为几百 ns。
1.8 何谓堆栈？为什么要设置堆栈？栈区是怎样确定的？数据进栈、出栈按照何种规律？进栈用什
么指令？出栈用什么指令？进栈、出栈时栈指针如何变化？通常栈底所指是什么内容？ 解：微型计算机中的堆栈是读写存储器 RAM 中的一个特殊的区域，是一组按照“先进后出”的方式工
作的、用于暂存信息的存储单元。
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设置堆栈的目的是便于保护断点地址与现场信息。 用堆栈指针指示堆栈所在的位置。
数据进栈、出栈“按先进后出”的原则工作。
进栈用 PUSH 指令，出栈用 POP 指令。进栈时指针向地址增加的方向变化，出栈时指针向地址
减小的方向变化。
栈底是最先进栈的信息所在的单元。 1.9 请解释下列名词：
（1） 字长，字，字节，BCD 码，ASCII 码。 （2） 指令，指令地址，指令系统，程序。
解：（1）一台计算机一次所能处理的二进制代码的位数称为该计算机的字长。 16 位二进制数称为一个字。 8 位二进制数称为一个字节。 二进制编码的十进制数，简称二
十进制数，又称 BCD 码 (Binary Coded Decimal)。
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ASCII 码是美国标准信息交换代码(American Standard Code for Information Interchange)的缩写。
（2）指令：控制计算机进行各种操作的命令称为指令。 指令地址：指令所在存储单元的地址。
指令系统：一台计算机所具有的所有指令的结合，称为该计算机的指令系统。 程序：一系列指令的有序集合称为程序。 1.10 计算机中常用的计数制有哪些? 解：二进制、十进制(BCD)、十六进制。 1.11 什么是机器码? 什么是真值?
解：把符号数值化的数称为机器数或机器码，原来的数值叫做机器数的真值。 1.12 完成下列数制的转换。 (1)10100110B＝( )D＝( )H (2)0.11B＝( )D
(3)253.25＝( )B＝( )H
(4)10ll011.101B＝( )H＝( )BCD 解：
(1) 166，A6 (2) 0.75
(3) 11111101.01，FD.4
(4) 5B.A，10010001．011000100101
1.13 8 位和 16 位二进制数的原码、补码和反码可表示的数的范围分别是多少？ 解：8 位二进制数原码(127
～+127)、16 位二进制数原码(32767 ～+32767)
8 位二进制数补码(128～+
127)、16 位二进制数补码(32768 ～+32767)
8 位二进制数反码(127～+
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127)、16 位二进制数反码(32767～+ 32767)
1.14 写出下列真值对应的原码和补码的形式。 (1) X＝111001lB (2) X＝71D
(3) X＝+1001001B 解：
(1) 原码：11110011B 补码：10001101B (2) 原码：11000111B 补码：10111001B (3) 原码：01001001B 补码：01001001B
1.15 写出符号数 10110101B 的反码和补码。 解：11001010B，11001011B
1.16 已知 X 和 Y 的真值，求[X 十 Y]的补码 (1) X＝1110111B Y＝+l011010B
(2) X＝56D Y＝21D
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解；(1) 11100011B (2) 00100011B
1.17 己知 X＝1101001B， Y＝1010110B． 用补码求 XY 的值。
解：11101101B
1.18 请写出下列字符的 ASCII 码。 4A3＝！
解：34H，41H，33H，3DH，21H
1.19 若给字符 4 和 9 的 ASCII 码加奇校验，应是多少? 解：34H，B9H
1.20 上题中若加偶校验，结果如何? 解：B4H，39H
1.21 计算下列表达式。
(1) (4EH 十 10110101B) ×(0.0101)BCD＝( )D (2) 4EH(
24/08H 十‘B’/2)＝( )B 解：(1) 129．5D (2) 101010B
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第 2 章 MCS51 单片机的硬件结构
2.1 请结合课本中 MCS51
系列单片机的结构图，阐明其大致组成。
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解：按功能部件分，51 子系列单片机由 CPU、数据存储器 RAM、程序存储器 ROM、特殊功能寄存
器、4 个并行 I/O 口、1 个串行口、定时器/计数器、中断系统等八个功能部件组成。 CPU 由累加器 A、暂存器 1、2、ALU、PSW 等组成 数据存储器由 RAM 地址寄存器、RAM 单元等组成。 程序存储器指 EPROM 或 ROM。
SFR 指 P0、P1、P2、P3 锁存器、B、DPTR 等。 2.2 综述 MCS51
系列单片机各引脚的作用，并进行分类。 解：(1) 主电源引脚 Vcc：接+5V 电源正端。 Vss：：接+5V 电源地端。 (2) 外接晶体引脚
XTAL1：片内反相放大器输入端 XTAL2： 片内反相放大器输出端 (3) 输入／输出引脚 P0.0P0.7：
P0 口的 8 个引脚。在不接片外存储器与不扩展 I／O 接口时，作为准双向输入／输 出接口（在输入时需要附加条件的双向输入输出口，称为准双向 I/O 口）。在接有片外存储器或扩展
I/O 接口时，P0 口分时复用为低 8 位地址总线和双向数据总线。 P1.0P1.7：
P1 口的8 个引脚。可作为准双向 I／O 接口使用。对于 52 子系列，P1.0 与 P1.1 还有 第二种功能：P1.0 可用作定时器／计数器2 的计数脉冲输入端 T2；P1.1 可用作定时器／计数器 2 的
外部控制端 T2EX。 P2.0P2.7；
P2 口的 8 个引脚。一般可作为准双向 I／O 接口；在接有片外存储器或扩展 I／O 接 口且寻址范围超过 256 个字节时，P2 口用为高 8 位地址总线。 P3.0P3.7；
P3 口的 8 个引脚。
① 一般可作为准双向 I／O 接口； ② P3 口的第二功能如表 21 所示。 表 21
引脚 第二功能 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7