第2章單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成

1、第第2 2章章 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成 2.1 MCS-512.1 MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及信號(hào)引腳單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及信號(hào)引腳 2.2 2.2 時(shí)鐘電路與時(shí)鐘電路與CPUCPU時(shí)序時(shí)序 2.3 MCS-512.3 MCS-51單片機(jī)的復(fù)位單片機(jī)的復(fù)位 2.4 CHMOS2.4 CHMOS型單片機(jī)的節(jié)電方式型單片機(jī)的節(jié)電方式 2.5 AT892.5 AT89系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu) 2.1 MCS-512.1 MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及信號(hào)引腳單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及信號(hào)引腳 MCS-51系列單片機(jī)典型的芯片有：8031、8051、8751及8951。 8031內(nèi)部無(wú)R

2、OM， 8051內(nèi)部有4KB ROM， 8751內(nèi)部有4KB EPROM， 8951內(nèi)部有4KB E2PROM。 除此之外，它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳完全相同,下面以8051為例介紹。2.1.1 80512.1.1 8051單片機(jī)結(jié)構(gòu)單片機(jī)結(jié)構(gòu) 。 （1 1）中央處理器）中央處理器CPUCPU。CPU包括運(yùn)算器和控制器兩部分電路。運(yùn)算器用于實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，包括圖中的ALU（算術(shù)邏輯單元）、ACC（累加器A）、PSW（程序狀態(tài)寄存器）、B寄存器及暫存器1和暫存器2等?？刂破魇菃纹瑱C(jī)的指揮中心，協(xié)調(diào)控制單片機(jī)各部分正常工作，包括圖中的PC（程序計(jì)數(shù)器）、PC增1、指令寄存器、指令譯碼器及定時(shí)控制

3、等。 （2 2）內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。）內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。包括128B RAM和RAM地址寄存器等。實(shí)際上，8051內(nèi)部有256個(gè)RAM單元，其中后128個(gè)單元被特殊功能寄存器占用，用戶只能通過(guò)特殊功能寄存器去使用它；而前128個(gè)單元是供用戶直接使用的，使用較為靈活。一般所說(shuō)的內(nèi)部RAM單元是指前128單元，簡(jiǎn)稱 “片內(nèi)RAM”。 （3 3）內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。）內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。8051內(nèi)部有4KB ROM單元，用于存放程序和原始數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)稱 “片內(nèi)ROM”。 （4 4）并行）并行I/OI/O口?？凇?個(gè)8位的I/O口，為P0、P1、P2和P3，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出。在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，P2和P0口作為地址總線，

4、最大尋址空間達(dá)64KB，P0作為數(shù)據(jù)總線。（5 5）定時(shí)器）定時(shí)器/ /計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器。有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，用以實(shí)現(xiàn)定時(shí)和計(jì)數(shù)功能。（6 6）串行口。）串行口。有一個(gè)全雙工的串行口，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行傳送。（7 7）中斷控制。）中斷控制。5個(gè)中斷源，可分為兩個(gè)優(yōu)先級(jí)別處理。（8 8）時(shí)鐘電路。）時(shí)鐘電路。圖的OSC為8051內(nèi)部的時(shí)鐘電路，外接石英晶體和微調(diào)電容，即可產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列。 除此之外，8051單片機(jī)內(nèi)部還包含一個(gè)位處理器，具有較強(qiáng)的位處理功能，從圖中可以看出，一個(gè)單片機(jī)就是一個(gè)簡(jiǎn)單的微型計(jì)算機(jī) 2.1.2 2.1.2 中央處理器中央處理器CPUCPU 中央處理器CPU一般包括

5、運(yùn)算器和控制器兩部分，單片機(jī)的CPU還包含一個(gè)專門進(jìn)行位數(shù)據(jù)操作的布爾處理器。 1運(yùn)算器運(yùn)算器 運(yùn)算器主要由ALU、ACC、PSW、寄存器B及暫存器等部件構(gòu)成。 （1）ALU（算術(shù)邏輯單元）。用來(lái)完成二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。 （2）ACC（累加器A）。累加器A是一個(gè)8位寄存器。 （3）寄存器B。寄存器B是一個(gè)8位寄存器，主要用于乘法運(yùn)算和除法運(yùn)算。 （4）程序狀態(tài)寄存器PSW（又稱標(biāo)志寄存器）。程序狀態(tài)寄存器是一個(gè)8位寄存器，用于存放程序執(zhí)行過(guò)程中的各種狀態(tài)信息（如存放運(yùn)算結(jié)果的一些特征和標(biāo)志）。表2-1給出了PSW寄存器每位的符號(hào)、作用和位地址。 PSW格式：2控制器控制器 控制器是單

6、片機(jī)的神經(jīng)中樞，MCS-51系列單片機(jī)的控制器包括定時(shí)控制邏輯、指令寄存器、指令譯碼器、地址指針DPTR及程序計(jì)數(shù)器PC、PC增1等部件。 程序計(jì)數(shù)器PC是一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器，其內(nèi)容為將要執(zhí)行指令的地址，尋址范圍達(dá)64KB。程序計(jì)數(shù)器PC不在特殊功能寄存器（SFR）之中，不占RAM單元，在物理上是獨(dú)立的。用戶無(wú)法對(duì)程序計(jì)數(shù)器PC進(jìn)行讀/寫，但可以通過(guò)轉(zhuǎn)移、調(diào)用、返回等指令改變其內(nèi)容。3 3布爾處理器布爾處理器 布爾處理器具有較強(qiáng)的位處理功能，與8位算術(shù)操作指令相同，大部分位操作均圍繞著位累加器C完成，可執(zhí)行置位、取反、等于1或0轉(zhuǎn)移、等于1轉(zhuǎn)移并清0的操作，以及以C為中心，位傳送、位與、或、異

7、或操作。位操作指令允許直接尋址內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM中20H2FH的128個(gè)位單元和部分特殊功能寄存器里的位地址空間。 由于布爾處理器給用戶提供了豐富的位操作功能，在編程時(shí)，用戶可以利用指令，方便地設(shè)置狀態(tài)/控制標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)原來(lái)用復(fù)雜的硬件邏輯所實(shí)現(xiàn)的邏輯功能，實(shí)現(xiàn)位控。2.1.3 2.1.3 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 MCS-51單片機(jī)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址空間是分開的，存在三個(gè)獨(dú)立的空間，如圖所示。 內(nèi)部、外部程序存儲(chǔ)器ROM在同一個(gè)邏輯空間，它們的地址0000HFFFFH（64KB）是連續(xù)的； 內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM占一個(gè)邏輯空間，地址為00HFFH（256B）；在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單元不夠的情況下，

8、可擴(kuò)充外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其地址空間與內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM分開，但與外部I/O接口共用，地址為0000HFFFFH（64KB）。 MCS-51存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或I/O口時(shí)，地址由CPU內(nèi)部的16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器指針DPTR指出，用P2口輸出地址高8位，用P0口輸出地址低8位，用ALE作為地址鎖存信號(hào)。和程序存儲(chǔ)器不同，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的內(nèi)容既可讀出也可寫入。單片機(jī)指令中設(shè)置了專門訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的指令MOVX（產(chǎn)生或控制信號(hào)），使這種操作既區(qū)別于訪問程序存儲(chǔ)器的指令MOVC（產(chǎn)生信號(hào)），也區(qū)別于訪問內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的MOV指令，從而對(duì)不同區(qū)域相同地址的訪問不會(huì)發(fā)生沖突。 1 1程序存儲(chǔ)器程序存

9、儲(chǔ)器ROMROM 序存儲(chǔ)器是用于存放控制系統(tǒng)的監(jiān)控程序和表格常數(shù)的。51系列不同的單片機(jī)，內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的容量和類型不同，8051片內(nèi)有4KB ROM，8751片內(nèi)有4KB EPROM，8951片內(nèi)有4KB的Flash。而8052、8752、8952的片內(nèi)存儲(chǔ)器容量則為8KB。8031、8032無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，需要使用片外程序存儲(chǔ)器容量。至于片外程序存儲(chǔ)器容量，用戶可根據(jù)需要任意選擇，但片內(nèi)、片外的總?cè)萘坎坏贸^(guò)64KB。 MCS-51 CPU根據(jù)引腳EA信號(hào)來(lái)區(qū)別訪問是片內(nèi)ROM還是片外ROM。對(duì)8051而言，當(dāng)EA信號(hào)保持高電平，程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容在0000H0FFFH范圍內(nèi)（4KB）

10、，這時(shí)執(zhí)行的是片內(nèi)ROM中的程序，而當(dāng)PC的內(nèi)容在1000HFFFFH范圍時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器中的程序；當(dāng)保持低電平時(shí)，只能尋址片外程序存儲(chǔ)器中的程序。在選用8031單片機(jī)時(shí)， EA必須接低電平。 程序存儲(chǔ)器地址0003H002AH，共40個(gè)單元為特殊單元，被分為5段，每段有8個(gè)單元，固定地存放5個(gè)中斷服務(wù)子程序。中斷響應(yīng)后，根據(jù)中斷的類型自動(dòng)轉(zhuǎn)到各中斷區(qū)的首地址去執(zhí)行，如下所示： 0003H000AH 外部中斷0（INT0）中斷地址區(qū) 000BH0012H 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0（T0）中斷地址區(qū) 0013H001AH 外部中斷1（INT1）中斷地址區(qū) 001BH0022H 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1

11、（T1）中斷地址區(qū) 0023H002AH 串行中斷地址區(qū) 故往往把程序存儲(chǔ)器0003H002AH作為保留單元。 但由于單片機(jī)復(fù)位后，程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容為0000H，使單片機(jī)必須從0000H單元開始執(zhí)行程序，故在0000H處存放一條跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到用戶主程序的第一條指令，其常位于0030H之后。2 2內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單元如圖所示，MCS-51系列內(nèi)部只有128B RAM區(qū)（地址為00H7FH）和128B的特殊功能寄存器區(qū)SFR（地址為80HFFH）。 圖2-3 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單元 MCS-52系列，內(nèi)部有256B RAM區(qū)，此時(shí)高高128B RAM128B RAM區(qū)

12、和128B的特殊功能寄存器區(qū)（SFR）的地址是重合的，均為80HFFH。究竟訪問的是哪個(gè)區(qū)域的存儲(chǔ)單元，是通過(guò)不同的尋址方式加以區(qū)分的。 訪問高訪問高128B RAM128B RAM單元單元（80HFFH）采用的是寄存器間接尋址方式； 訪問特殊功能寄存器訪問特殊功能寄存器SFRSFR區(qū)域區(qū)域（80HFFH），則只能采用直接尋址方式；訪問低128B RAM（00H7FH）時(shí)，兩種尋址方式均可采用。 低低128B RAM128B RAM區(qū)按其用途劃分為工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)、用戶數(shù)據(jù)區(qū)，如圖所示 （1 1）工作寄存器區(qū)。）工作寄存器區(qū)。4組工作寄存器區(qū)占據(jù)內(nèi)部RAM的00H1FH單元，每組8個(gè)寄存

13、器分別用R0R7表示，用來(lái)暫存數(shù)據(jù)及中間結(jié)果，使用靈活。在任一時(shí)刻，CPU通過(guò)程序狀態(tài)寄存器PSW中的RS1、RS0位的狀態(tài)來(lái)選擇當(dāng)前所使用的工作寄存器區(qū)（見上表）。（2 2）位尋址區(qū)。）位尋址區(qū)。內(nèi)部RAM的20H2FH單元，既可以字節(jié)尋址，作為一般的RAM單元使用；又可以按位尋址進(jìn)行布爾操作。位尋址區(qū)對(duì)應(yīng)128個(gè)位地址00H7FH，位地址的具體分配見表2-3。 表表2-3 2-3 內(nèi)部?jī)?nèi)部RAM 20HRAM 20H2FH2FH位尋址區(qū)位地址分布表位尋址區(qū)位地址分布表 （3 3）用戶數(shù)據(jù)區(qū)。）用戶數(shù)據(jù)區(qū)。內(nèi)部RAM 30H7FH單元是供用戶使用的數(shù)據(jù)區(qū)，用戶的大量數(shù)據(jù)存放在此區(qū)域，在實(shí)際使

14、用時(shí)，常把堆棧也開辟在此。 關(guān)于堆棧和堆棧指針：關(guān)于堆棧和堆棧指針：堆棧是在RAM內(nèi)開辟用于暫存數(shù)據(jù)的一種特殊的存儲(chǔ)區(qū)域，只允許在其一端進(jìn)行數(shù)據(jù)插入和刪除操作，該端稱為棧頂，其地址存在堆棧指針寄存器SP內(nèi)。堆棧操作有入棧和出棧兩種：在進(jìn)行入棧操作時(shí)，SP的內(nèi)容會(huì)自動(dòng)加1；在進(jìn)行出棧操作時(shí)，SP的內(nèi)容會(huì)自動(dòng)減1，按照先進(jìn)后出（FILO）的原則存取數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)復(fù)位后，SP的內(nèi)容為07H，堆棧操作由08H單元開始。由于08H1FH單元對(duì)應(yīng)工作寄存器區(qū)13，如果程序中要用到這些工作寄存器區(qū)，應(yīng)該把SP設(shè)置為1FH或更大，通常設(shè)在內(nèi)部RAM的30H7FH中（跳過(guò)可位尋址區(qū)）。由于初始化時(shí)SP可設(shè)置不同的

15、值，因此堆棧位置是浮動(dòng)的，SP的內(nèi)容一經(jīng)確定，堆棧的位置也就確定下來(lái)。 將字節(jié)數(shù)據(jù)A3、A4、A5入棧的過(guò)程如圖2-5（a）所示，SP先自動(dòng)加1，然后數(shù)據(jù)放入SP指定的單元；數(shù)據(jù)出棧過(guò)程如圖2-5（b）所示，先將SP所指單元的內(nèi)容放入指定單元，然后SP自動(dòng)減1。 圖圖2-5 數(shù)據(jù)入棧、出棧過(guò)程數(shù)據(jù)入棧、出棧過(guò)程3 3特殊功能寄存器區(qū)特殊功能寄存器區(qū) 對(duì)于MCS-51系列單片機(jī)，有21個(gè)特殊功能寄存器離散地分布在內(nèi)部80HFFH的128個(gè)字節(jié)單元中，其余單元現(xiàn)無(wú)定義，用戶不能對(duì)這些單元進(jìn)行讀/寫操作。 對(duì)于MCS-52系列單片機(jī)，有26個(gè)特殊功能寄存器離散地分布在80HFFH的128個(gè)字節(jié)單元中

16、，剩余的地址單元可作為一般數(shù)據(jù)單元使用。MCS-51/52系列單片機(jī)可尋址特殊功能寄存器見表2-4（帶*的為MCS-52特有）。表2-4 特殊功能寄存器的地址分配表 特殊功能寄存器大體可分為兩類：一類與芯片的引腳有關(guān)，如特殊功能寄存器是P0P3，它們實(shí)際上是4個(gè)8位并行I/O口；數(shù)據(jù)指針DPTR是一個(gè)16位寄存器，存放訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM或I/O口的地址，它既可以作為一個(gè)16位寄存器DPTR使用，也可以分成兩個(gè)獨(dú)立的8位寄存器使用，即DPH（DPTR中的高8位）和DPL（DPTR中的低8位）。另一類與芯片內(nèi)部控制功能相關(guān)，如中斷控制寄存器IE，優(yōu)先級(jí)寄存器IP，定時(shí)器方式寄存器TMOD，控

17、制寄存器TCON、初值寄存器THx、TLx，串行口控制寄存器SCON及數(shù)據(jù)緩沖器SBUF，這些將在定時(shí)器（第6章）、中斷（第5章）、串行通信（第7章）等章節(jié)中加以介紹。與運(yùn)算器ALU相關(guān)的有累加器ACC、寄存器B、狀態(tài)寄存器PSW等。 4位地址空間位地址空間 MCS-51具有功能很強(qiáng)的布爾處理器，有著豐富的位操作指令，而且硬件上有自己的累加器和位地址空間。位地址空間包括兩塊區(qū)域：一塊位地址范圍為00H7FH，分布于內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM 20H2FH字節(jié)單元中，見表2-3；另一塊位地址范圍為80HFFH，分布在特殊功能寄存器區(qū)中，這些特殊功能寄存器的字節(jié)地址可以被8整除，目前已定義了12個(gè)（其中

18、T2CON為MCS-52特有），見表2-5。整個(gè)位地址空間地址為00HFFH表2-5 特殊功能寄存器位地址映像 2.1.4 I/O2.1.4 I/O口及相應(yīng)的特殊功能寄存器口及相應(yīng)的特殊功能寄存器 MCS-51單片機(jī)芯片內(nèi)部有4個(gè)8位并行口（P0、P1、P2、P3），連接外設(shè)輸入和輸出信號(hào)。 每個(gè)口都包含一個(gè)鎖存器（即特殊功能寄存器P0P3）、一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)（P3口為3個(gè)）控制輸入操作的三態(tài)緩沖器。 對(duì)于輸入信號(hào)是不鎖存的，外部設(shè)備欲向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)時(shí)，輸入的數(shù)據(jù)必須保持到取數(shù)指令執(zhí)行為止。 MCS-51單片機(jī)的4個(gè)口在電路結(jié)構(gòu)上基本相同，它們又各具特點(diǎn)，因此在功能和使用上各口之間有一定

19、的差距。以下把4個(gè)端口和其中的鎖存器（即特殊功能寄存器）都籠統(tǒng)地表示為P0P3。1 1P0P0口口 P0口可作為I/O口，也可作為地址/數(shù)據(jù)總線使用，其一位的邏輯結(jié)構(gòu)如圖所示。 P0口由一個(gè)輸出鎖存器，兩個(gè)“三態(tài)”緩沖器1、2，輸出驅(qū)動(dòng)電路及控制電路組成。其工作狀態(tài)受控制電路“與門”4、反相器“非門”3和“多路轉(zhuǎn)換開關(guān)”MUX控制。 （1）P0口作為I/O口使用 當(dāng)P0口作為I/O口時(shí)，硬件自動(dòng)使控制線C0，與門4輸出為“0”，使輸出級(jí)上拉場(chǎng)效應(yīng)管（VT1）處于截止?fàn)顟B(tài)，因此，輸出級(jí)（VT2）是漏極開路的開漏結(jié)構(gòu)。多路轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX指向鎖存器 端，把輸出級(jí)（VT2）與鎖存器的端接通。 P0P0

20、口用做輸出口：口用做輸出口：當(dāng)CPU執(zhí)行輸出指令時(shí)，寫脈沖加在D鎖存器的CP上，這樣與內(nèi)部鎖存器相連的D端數(shù)據(jù)取反后就出現(xiàn)在端上，又經(jīng)輸出級(jí)（VT2）反相，在P0端口上出現(xiàn)的數(shù)據(jù)正好是內(nèi)部總線的數(shù)據(jù)P0.x=D（即Dx=“0”，P0.x=“0”；Dx=“1”，P0.x=“1”）。由于場(chǎng)效應(yīng)管（VT1）處于截止?fàn)顟B(tài)，故在P0.x輸出端口必須外接上拉電阻，P0.x才有高電平輸出。 必須注意，當(dāng)CPU執(zhí)行“讀修改寫”操作指令（如執(zhí)行“ANL P0, A”）時(shí)，CPU不直接讀引腳上的數(shù)據(jù)，而是CPU先讀P0口D鎖存器中的數(shù)據(jù)，當(dāng)“讀鎖存器”信號(hào)有效時(shí)，三態(tài)緩沖器1開通，Q端數(shù)據(jù)送入內(nèi)部總線和累加器A中

21、的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯與操作，結(jié)果再送回P0端口鎖存器，此時(shí)鎖存器中的內(nèi)容（Q端狀態(tài)）反映到P0.x引腳上。 P0P0口用做輸入口：口用做輸入口：當(dāng)執(zhí)行一條對(duì)P0口的輸入指令時(shí)，“讀引腳”脈沖把三態(tài)緩沖器2打開，這樣，引腳上的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)緩沖器2讀入到內(nèi)部總線。 必須注意，從如圖2-6所示中可以看出，在端口引腳讀入數(shù)據(jù)時(shí)，由于輸出驅(qū)動(dòng)器（VT2）并接在引腳上，如果輸出驅(qū)動(dòng)器（VT2）是導(dǎo)通的，則輸入的高電平將會(huì)被拉成低電平，從而產(chǎn)生誤讀，即不能輸入“1”。所以，在端口進(jìn)行輸入操作前，應(yīng)預(yù)先向端口鎖存器寫入“1”，也就是使=0，使輸出驅(qū)動(dòng)器（VT2）截止，即引腳處于懸浮狀態(tài)。 （2）P0口作為地址口作為地址

22、/數(shù)據(jù)總線使用數(shù)據(jù)總線使用 在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，P0口分時(shí)復(fù)用傳送低8位地址和數(shù)據(jù)信號(hào)，是一個(gè)真正的雙向數(shù)據(jù)總線口。 當(dāng)CPU對(duì)外部存儲(chǔ)器讀/寫時(shí)，由內(nèi)部硬件使控制線C=1，開關(guān)MUX指向非門3輸出端，P0口作為地址/數(shù)據(jù)總線分時(shí)使用，上下兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器（VT1、VT2）處于反相（即VT1導(dǎo)通，VT2截止；VT2導(dǎo)通，VT1截止），構(gòu)成“推拉式”的輸出電路，大大提高了負(fù)載能力；當(dāng)P0口輸入數(shù)據(jù)，這時(shí)“讀引腳”信號(hào)有效，打開輸入緩沖器2，使數(shù)據(jù)進(jìn)入內(nèi)部總線。 總之，P0口作為地址/數(shù)據(jù)總線口使用時(shí)，是一個(gè)真正的雙向口，用戶不必做任何工作；作為通用I/O口使用時(shí)，是一個(gè)準(zhǔn)雙向口，作為輸出口，需外加

23、上拉電阻。準(zhǔn)雙向口的特點(diǎn)是：當(dāng)某引腳由原來(lái)的輸出變?yōu)檩斎霑r(shí)，用戶應(yīng)先向鎖存器寫“1”，以免錯(cuò)誤讀出引腳上的內(nèi)容。當(dāng)復(fù)位時(shí)，口鎖存器均自動(dòng)置“1”，即輸出驅(qū)動(dòng)器（VT2）已截止，P0口作為輸入使用。2 2P1P1口口 P1口是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)雙向口，只能作為通用I/O口使用，其一位邏輯結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。內(nèi)部沒有多路開關(guān)MUX；內(nèi)部有上拉電阻，與場(chǎng)效應(yīng)管共同組成輸出驅(qū)動(dòng)。因此，當(dāng)P1口作為輸出時(shí)，無(wú)需外接上拉電阻；當(dāng)P1口作為輸入時(shí)，同樣也需先向其鎖存器寫“1”，使輸出驅(qū)動(dòng)截止。 圖2-7 P1口一位邏 輯結(jié)構(gòu)框圖 必須注意必須注意，在8032/8052中，P1.0和P1.1是多功能的。除做一般的雙

24、向I/O口使用外，P1.0還可用來(lái)作為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部輸入端，并以標(biāo)識(shí)符VT2表示；P1.1則可作為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部控制輸入，以T2EX表示。8031、8752、8051無(wú)此功能。 圖2-8 P2口一位邏輯結(jié)構(gòu)框圖 3. P2口口 P2口可作為的I/O口和高8位地址線A8A15輸出口，其一位的邏輯結(jié)構(gòu)如圖2-8所示 。P2口電路比P1口電路多了一個(gè)多路開關(guān)MUX，這與P0口一樣。當(dāng)P2口作為通用的I/O口使用時(shí)，硬件置開關(guān)MUX倒向鎖存器的Q端，功能和使用方法同P1口，是一個(gè)準(zhǔn)雙向口。復(fù)位時(shí)，口鎖存器均自動(dòng)置“1”，即輸出驅(qū)動(dòng)器已截止，P2口可作為輸入使用。 當(dāng)開關(guān)MUX倒向地址端

25、時(shí)，P2口輸出高8位地址線A8A15，用于尋址外接的存儲(chǔ)器和I/O口，這時(shí)P2口不能再作為并行的I/O口使用。 由圖2-8還可以看出，在輸出驅(qū)動(dòng)器部分，P2口也有別于P0口，它接有內(nèi)部上拉電阻。實(shí)際中，上拉電阻是由做阻性元件使用的場(chǎng)效應(yīng)管組成的，可分為固定部分和附加部分。其附加部分是為加速輸出“0”“1”的跳變過(guò)程而設(shè)置的。4 4P3P3口口 P3口是一個(gè)雙功能口，分為第一功能和第二功能，其一位邏輯結(jié)構(gòu)框圖如圖2-9所示。 圖2-9 P3口一位邏輯結(jié)構(gòu)框圖 （1 1）當(dāng)）當(dāng)P3P3口作為第一功能使用時(shí)口作為第一功能使用時(shí)，由內(nèi)部硬件自動(dòng)將第二功能輸出線W置“1”，這時(shí)P3口作為通用I/O口，與

26、P1口類似，是一個(gè)準(zhǔn)雙向口。復(fù)位時(shí)，口鎖存器均自動(dòng)置“1”，即輸出驅(qū)動(dòng)器截止，P3口作為輸入口使用。（2 2）P3P3口作為第二功能使用時(shí)口作為第二功能使用時(shí)，各位的定義見表2-6，有3個(gè)輸出信號(hào)、5個(gè)輸入信號(hào)，此時(shí)由內(nèi)部硬件使鎖存器輸出為“1”，使“與非”門3對(duì)“第二輸出功能端”W是暢通的。 當(dāng)P3口作為第二功能的輸出腳，W可輸出TXD、RD、WR 三個(gè)信號(hào)。例如，P3.7作為功能，則W線為控制信號(hào)，其狀態(tài)通過(guò)“與非”門3到輸出驅(qū)動(dòng)器引腳端P3.7。 當(dāng)P3口作為第二功能的輸入腳時(shí)，可作為RXD、INT0、INT1、T0、T1信號(hào)的輸入引腳，此時(shí)W線為“1”，由于鎖存器Q輸出也為“1”，故輸

27、出驅(qū)動(dòng)器截止，同時(shí)“讀引腳”信號(hào)無(wú)效，故三態(tài)緩沖器2不導(dǎo)通，所輸入的信號(hào)經(jīng)緩沖器4送入內(nèi)部第二功能的輸入端，而非內(nèi)部數(shù)據(jù)總線。表表2-6 P32-6 P3口的第二功能口的第二功能 總之，單片機(jī)的I/O口使用很靈活，不僅可以字節(jié)操作，還可按位操作。在一般情況下，P1口作為通用的I/O口使用；P0口作為低8位地址和數(shù)據(jù)口使用；P2口作為高8位地址口使用；P3口作為I/O口或第二功能使用，若不用做第二功能，則也可做一般I/O口使用。 在組成應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，必須考慮I/O口的負(fù)載能力。 2.1.5 2.1.5 信號(hào)引腳信號(hào)引腳 圖2-10 MCS-51單片機(jī)引腳1 1信號(hào)引腳介紹信號(hào)引腳介紹2 2ALEA

28、LE、EAEA、RSTRST引腳的第二功能引腳的第二功能 除前面所講的P0、P2、P3具有第二功能外，還有一些引腳具有第二功能。 （1）EPROM存儲(chǔ)器固化所需的信號(hào) 向EPROM程序存儲(chǔ)器寫入數(shù)據(jù)而提供的專門編程脈沖和編程電壓。 編程脈沖：30腳（ALE/ PROG）。 編程電壓：31腳（EA /VPP）。 （2）備用電源引入 備用電源：9腳（RST/VPD）。 當(dāng)單片機(jī)的工作電壓降至下限時(shí)，備用電源從該腳向片內(nèi)RAM供電，保護(hù)片內(nèi)RAM中的信息不丟失。 上述引腳的第二功能和第一功能是在單片機(jī)的不同工作方式下的信號(hào)，因此在使用時(shí)不會(huì)發(fā)生矛盾。2.2 2.2 時(shí)鐘電路與時(shí)鐘電路與CPUCPU時(shí)

29、序時(shí)序2.2.1 2.2.1 時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路 時(shí)鐘是計(jì)算機(jī)的心臟，控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏。MCS-51單片機(jī)內(nèi)有一個(gè)由高增益反相放大器組成的振蕩器。反相放大器的輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2。MCS-51單片機(jī)的振蕩方式有兩種，即內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。 內(nèi)部時(shí)鐘方式如圖2-11（a）所示，利用芯片內(nèi)部反相器和電阻組成的振蕩電路，在XTAL1和XTAL2引腳上跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，形成單片機(jī)的時(shí)鐘電路。電容C1、C2的主要作用是幫助振蕩器起振，其值的大小對(duì)振蕩器頻率有微調(diào)作用，典型值為C1=C2=30pF。 外部時(shí)鐘方式如圖2-11（b）所示，外

30、部時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)反相器輸入到XTAL2引腳，對(duì)外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)沒有特殊的要求。當(dāng)整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)已有時(shí)鐘源或多片單片機(jī)同時(shí)工作時(shí)，可采用外部時(shí)鐘方式取得時(shí)鐘的同步。 圖2-11 MCS-51的時(shí)鐘方式 2.2.2 CPU2.2.2 CPU時(shí)序時(shí)序1狀態(tài)與相位、機(jī)器周期 單片機(jī)的基本操作周期為機(jī)器周期機(jī)器周期，如圖2-12所示。1個(gè)機(jī)器周期可分為6個(gè)狀態(tài)，用S1、S2、S3、S4、S5、S6表示；兩個(gè)振蕩脈沖構(gòu)成1個(gè)狀態(tài)，前一個(gè)脈沖叫P1（相位1），后一個(gè)脈沖叫P2（相位2），即所謂兩相P1和P2組成1個(gè)狀態(tài)。所以，一個(gè)機(jī)器周期共由12個(gè)時(shí)鐘脈沖組成。例如，當(dāng)晶體振蕩頻率為6MHz時(shí)，則一個(gè)機(jī)器周期為

31、2s。圖2-12 單字節(jié)、單周期指令 2 2指令周期指令周期 CPU執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間稱指令周期。指令周期以機(jī)器周期為單位。MCS-51單片機(jī)指令分單機(jī)器周期指令（簡(jiǎn)稱單周期指令）、雙周期指令及四周期指令。 圖2-13 雙字節(jié)、單周期指令 絕大多數(shù)的MCS-51指令是在1個(gè)機(jī)器周期內(nèi)執(zhí)行的。只有MUL（乘）和DIV（除）指令需用4個(gè)機(jī)器周期來(lái)完成。 通常在每一個(gè)機(jī)器周期中，從程序存儲(chǔ)器中取兩個(gè)字節(jié)碼，僅在執(zhí)行MOVX指令時(shí)例外。MOVX是一條單字節(jié)、雙周期指令，用于存取片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)。在執(zhí)行MOVX指令時(shí)，仍在第一個(gè)機(jī)器周期的S1期間讀入其操作碼，而在S4期間也執(zhí)行讀操作，但讀入的下一

32、個(gè)操作碼不予處理（因?yàn)镸OVX是單字節(jié)指令）。由第一機(jī)器周期S5開始，送出片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址，隨后讀或?qū)憯?shù)據(jù)，直到第二個(gè)機(jī)器周期的S3結(jié)束，此期間不產(chǎn)生ALE有效信號(hào)。而在第二個(gè)機(jī)器周期S4期間，由于片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器已被尋址和選通，所以也不產(chǎn)生取指操作。故在執(zhí)行MOVX指令期間，少執(zhí)行兩次取指操作，如圖2-14所示。圖2-14 執(zhí)行MOVX指令2.3 MCS-512.3 MCS-51單片機(jī)的復(fù)位單片機(jī)的復(fù)位 單片機(jī)的復(fù)位是使CPU和系統(tǒng)的其他功能部件處在一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作，同時(shí)PC=0000H，從第一個(gè)單元取指令執(zhí)行。 當(dāng)在RST/VPD引腳上給出持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期（即24

33、個(gè)振蕩周期）以上的高電平，使系統(tǒng)完成復(fù)位。例如，若單片機(jī)的晶體振蕩器的頻率fosc=12MHz，T機(jī)器=1s，則需2s以上的高電平才能完成復(fù)位。 RST/VPD由高電平變?yōu)榈碗娖胶螅瑔纹瑱C(jī)從0000H地址開始執(zhí)行程序。單片機(jī)復(fù)位期間不產(chǎn)生ALE和信號(hào)，不會(huì)有任何取指令操作。單片機(jī)復(fù)位不影響內(nèi)部RAM的狀態(tài)，包括工作寄存器R0R7。特殊功能寄存器復(fù)位后狀態(tài)見表2-7，可知P0P3口輸出高電平，SP指針重新賦值為07H，程序計(jì)數(shù)器PC及其他被清零。表表2-7 MCS-512-7 MCS-51復(fù)位后內(nèi)部特殊寄存器狀態(tài)復(fù)位后內(nèi)部特殊寄存器狀態(tài)常見的復(fù)位電路連接有以下幾種：常見的復(fù)位電路連接有以下幾種：

34、（1）上電自動(dòng)復(fù)位電路如圖圖2-152-15所示所示。在通電瞬間，由于電容兩端電壓不能突變，故在RST端的電位與VCC相同；隨后C通過(guò)R充電，充電電流逐漸減少，RST端的電位也逐漸下降，只要保證RST為高電平的時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期，便能正常復(fù)位。（2）按鍵自動(dòng)/手動(dòng)復(fù)位電路如圖圖2-162-16所示所示。該電路除了具有上電復(fù)位功能外，若要手動(dòng)復(fù)位只需按下按鈕S即可。當(dāng)晶體振蕩頻率fosc=12MHz時(shí)，圖2-16中取C=10F，R2=8k即可復(fù)位，R1取300。圖2-15 上電自動(dòng)復(fù)位電路 圖2-16 按鍵自動(dòng)/手動(dòng)復(fù)位電路 2.4 CHMOS2.4 CHMOS型單片機(jī)的節(jié)電方式型單片機(jī)的節(jié)電

35、方式 MCS-51系列的CHMOS型單片機(jī)運(yùn)行時(shí)耗電省，而且還能提供兩種節(jié)電工作方式，即空閑方式（或稱待機(jī)方式）和掉電方式（或稱停機(jī)方式）以進(jìn)一步降低功耗，這往往應(yīng)用于功耗要求很低的場(chǎng)合。 CHMOS型單片機(jī)的工作電源和后備電源加在同一個(gè)引腳VCC，正常工作時(shí)電流為1120mA，空閑狀態(tài)時(shí)為1.75mA，掉電狀態(tài)時(shí)為550A?？臻e方式和掉電方式所涉及的硬件電路如圖2-17所示。在空閑方式中，振蕩器保持工作，時(shí)鐘脈沖繼續(xù)供給中斷、串行口、定時(shí)器等功能部件，使它們繼續(xù)工作，但CPU的時(shí)鐘信號(hào)被切斷，因而CPU停止工作。在掉電方式中，振蕩器被凍結(jié)，時(shí)鐘信號(hào)停止，單片機(jī)內(nèi)部所有的功能部件停止工作。圖2

36、-17 空閑方式和掉電方式所涉及的硬件電路 CHMOS型單片機(jī)的節(jié)電工作方式是由特殊功能寄存器PCON控制，PCON的格式如下： IDL：空閑方式控制位。置“1”后單片機(jī)進(jìn)入空閑方式。PD：掉電方式控制位。置“1”后單片機(jī)進(jìn)入掉電方式。GF0：通用標(biāo)志位。GF1：通用標(biāo)志位。SMOD：串行口波特率倍率控制位。PCON.4PCON.6：保留位，對(duì)于HMOS型單片機(jī)僅SMOD位有效。若IDL和PD同時(shí)置“1”時(shí)，則先激活掉電方式。2.4.1 2.4.1 空閑方式空閑方式 CPU執(zhí)行一條將PCON.0置“1”的指令，就使它進(jìn)入空閑狀態(tài)。這種方式供給CPU的內(nèi)部時(shí)鐘使信號(hào)被切斷，但時(shí)鐘信號(hào)仍提供給中斷

37、、串行口和定時(shí)器，使它們繼續(xù)工作。CPU當(dāng)前的狀態(tài)（堆棧指針SP、程序計(jì)數(shù)器PC、程序狀態(tài)字PSW、累加器ACC）、內(nèi)部RAM和其他特殊寄存器內(nèi)容維持不變，引腳保持進(jìn)入空閑方式時(shí)的狀態(tài)，ALE和保持邏輯高電平。CPU有兩種方法可退出空閑方式： （1）被允許的中斷源請(qǐng)求中斷時(shí)，IDL（PCON.0）將被硬件清“0”，于是終止空閑方式，CPU響應(yīng)中斷，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。中斷處理完以后，從使單片機(jī)進(jìn)入空閑方式指令的下一條指令開始繼續(xù)執(zhí)行程序。 （2）硬件復(fù)位。由于在空閑方式下時(shí)鐘振蕩器一直在運(yùn)行，故RST引腳上的高電平信號(hào)只需保持兩個(gè)機(jī)器周期就能使IDL置“0”，使單片機(jī)退出空閑狀態(tài)，從它停止運(yùn)行的

38、地方恢復(fù)程序的執(zhí)行，即從空閑方式的啟動(dòng)指令之后繼續(xù)執(zhí)行。注意，空閑方式的下一條指令不應(yīng)是對(duì)口的操作指令和對(duì)外部RAM的寫指令，以防硬件復(fù)位過(guò)程中對(duì)外部RAM的誤操作。 PCON中的GF0和GF1可以用做一般的軟件標(biāo)志位，如可用來(lái)指示某中斷是發(fā)生在正常操作周期還是在空閑方式，用于確定服務(wù)性質(zhì)。 2.4.2 2.4.2 掉電方式掉電方式 當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到電源電壓下降到一定值，就認(rèn)為出現(xiàn)了電源故障，此時(shí)可通過(guò)INT0或INT1產(chǎn)生中斷。在中斷服務(wù)程序中應(yīng)包含以下兩個(gè)基本任務(wù)： （1）把有關(guān)的數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)部RAM，并執(zhí)行一條將PCON.1置“1”的指令，使它進(jìn)入掉電方式，該指令是CPU執(zhí)行的最后一條指令，

39、執(zhí)行完該指令以后，便進(jìn)入掉電方式。 （2）在電源電壓下降到允許限度之前，把備用電源加到RST/VPD引腳上。在掉電方式，由于時(shí)鐘被凍結(jié)，一切功能都停止，只有內(nèi)部RAM和寄存器內(nèi)容維持不變，I/O引腳狀態(tài)和相關(guān)的特殊功能寄存器的內(nèi)容保持不變，ALE和 PSEN為邏輯低電平，外圍器件、設(shè)備處于禁止?fàn)顟B(tài)。應(yīng)注意斷開外圍電路電源，以便使整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的功耗降到最小。 退出掉電方式的唯一方法是硬件復(fù)位。復(fù)位以后特殊功能寄存器的內(nèi)容被初始化，但RAM單元的內(nèi)容仍保持不變。 須注意，在進(jìn)入掉電方式以前，VCC不能先降下來(lái)；在掉電方式終止前，VCC應(yīng)先恢復(fù)到正常操作水平。2.5 AT892.5 AT89系列單片

40、機(jī)的結(jié)構(gòu)系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu) AT89系列單片機(jī)是Atmel公司的推出的可重復(fù)擦寫出1000次以上、低功耗、8位Flash單片機(jī)系統(tǒng)，它和8051系列單片機(jī)是兼容的，其采用Flash存儲(chǔ)器作為ROM，在系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中可以十分容易地進(jìn)行程序的修改，大大地縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，得到了國(guó)內(nèi)用戶的廣泛使用。AT89系列單片機(jī)的主要特性見表2-8。 表2-8 AT89系列單片機(jī)的主要特性 AT89C51、AT89C52與8051、8052系列基本相同；AT89C2051只有20個(gè)引腳，指令系統(tǒng)與8051兼容，其結(jié)構(gòu)如圖2-18所示，引腳圖如圖2-19所示。圖2-18 AT89C2051單片機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖 P

41、1口是一個(gè)8位雙向I/O口，可驅(qū)動(dòng)20mA灌電流的負(fù)載，直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器。引腳P1.2P1.7內(nèi)部均有上拉電阻，但P1.0P1.1要求外接上拉電阻，它們還可分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入（AIN0）和反相輸入（AIN1）。P3口的P3.0P3.5、P3.7是帶有內(nèi)部上拉電阻的7個(gè)雙向I/O端子，也可驅(qū)動(dòng)20mA灌電流的負(fù)載。P3.0P3.5的引腳功能與51系列完全一致，具有第二功能，但P3.6用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號(hào)，不可當(dāng)做通用I/O口訪問。AT89C2051沒有片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，因此在應(yīng)用程序中不能包括MOVX類指令；受程序存儲(chǔ)空間的限制，條件、無(wú)條件轉(zhuǎn)移地址必須在000H

42、7FFH之間。圖2-19 AT89C2051引腳圖2.5.2 AT892.5.2 AT89系列系列FlashFlash的編程和校驗(yàn)的編程和校驗(yàn) AT89單片機(jī)與MCS-51完全兼容，其內(nèi)部含有132KB的Flash存儲(chǔ)器。下面以AT89C2051為例，說(shuō)明Flash的編程和校驗(yàn)。 AT89C2051內(nèi)部含有2KB的Flash。出廠時(shí)，片內(nèi)代碼陣列的內(nèi)容均為0FF，處于擦除態(tài)，用戶以字節(jié)為單位可直接編程。其內(nèi)部含有用于編程和校驗(yàn)的程序地址計(jì)數(shù)器。RST引腳上的脈沖上升沿將計(jì)數(shù)器清零，在XTAL1端每輸入一個(gè)正脈沖，計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1，指向下一個(gè)單元。存儲(chǔ)器編程結(jié)束，要想重新編程任何一個(gè)非空（非FFH）的字節(jié)，必須擦除全部程序存儲(chǔ)器單元。片擦除用負(fù)脈沖的寬度為10ms。 AT89C2051內(nèi)部還含有兩個(gè)鎖定位，其狀態(tài)可為非編程態(tài)（U）、編程態(tài)（P），從而具有不同的保護(hù)特性，見表2-9。Flash的工作模式見表2-10。 表2-9 鎖定位保護(hù)模式表2-10 Flash的工作模式AT89C2051AT89C2051編程和校驗(yàn)的步驟如下：編程和校驗(yàn)的步驟如下： 在VC