单片机原理及应用是计算机科学的一个重要分支，主要涉及微控制器的设计、开发和应用。单片机，也称为微控制器，是将计算机的核心部件集成在单一芯片上的微型计算机。它们广泛应用于各种嵌入式系统中，如家用电器、汽车电子、自动化设备等。
在学习单片机之前，首先需要理解计算机的基础知识。这包括数制与编码、计算机系统组成以及单片机与嵌入式系统的结构。以下是对这些基础知识的详细解释：
1. **数制与编码**：
- **二进制**：计算机的基础是二进制系统，因为它能够简单地被硬件理解和处理。二进制数由0和1组成，遵循"逢二进一"的计数规则。二进制数的每一位都有对应的权重，从右到左权重依次增加，用于表示不同数值。
- **数制转换**：在处理数据时，需要将不同数制之间进行转换，如二进制转十进制或十六进制。转换方法包括位权展开法、除法法（如二进制转十进制的除2取余法）和乘法法（如二进制小数转十进制的小数部分乘2取整法）。
- **十六进制**：十六进制是二进制的一种简化表示，每个十六进制位对应四位二进制数。它使用0-9和A-F这16个符号，A-F代表10-15。十六进制数后缀通常为"H"，如3A5H。
2. **计算机系统组成**：
- **计算机系统**：由硬件和软件两大部分组成，硬件包括CPU、内存、输入输出设备等，软件包括操作系统、应用程序等。
- **单片机**：是计算机系统的一种特殊形式，将CPU、RAM、ROM、I/O接口等集成在一个芯片上，形成一个完整的微型计算机系统。
- **嵌入式系统**：由嵌入式处理器（如单片机）和外围设备组成的系统，设计用于特定功能，如温度控制、图像处理等。
3. **编码**：
- **机器数与真值**：机器数是数字在计算机内的表示，而真值是该数字的实际数值，包括正负号。
- **原码**：正数的原码是其真值的直接表示，负数的原码则在最高位为1。
- **反码**：负数的反码是原码除了符号位之外的所有位取反。
- **补码**：负数的补码是其反码加1，是计算机中存储有符号数的标准方式。补码允许使用加法和减法实现加法和减法操作，简化了硬件设计。
了解这些基本概念后，可以进一步学习汇编语言，它是针对单片机编程的低级语言，直接对应机器指令。通过学习汇编语言，开发者可以直接控制单片机的硬件资源，实现高效的程序设计。一个简单的单片机应用实例可能包括控制LED灯的亮灭、读取传感器数据或实现特定的定时任务等。
单片机的学习不仅需要掌握理论知识，还需要通过实践操作来加深理解，比如使用开发板进行实验，编写和调试代码，从而熟悉单片机的工作原理和编程流程。随着技术的发展，现代单片机的功能越来越强大，应用领域也越来越广泛，学习单片机对于从事硬件开发、物联网、自动化等领域的人来说至关重要。
