單片機原理與應用第4章課件

1、第4章 MCS-51單片機的功能模塊目 錄4.1 MCS-51單片機的功能模塊4.2 MCS-51單片機的定時器/計數(shù)器4.3 MCS-51單片機的串行口4.1 MCS-51單片機的中斷系統(tǒng) 4.1.1 中斷的概念 當CPU正常處理某個事件時，由于內(nèi)部事件或外設請求，引起CPU暫時中止當前正在運行的程序，轉去執(zhí)行請求中斷的外設或內(nèi)部事件的中斷服務子程序，中斷服務程序執(zhí)行完畢，再返回原來被中止的地方，繼續(xù)原來的工作。這一過程稱為中斷。實現(xiàn)中斷功能的部件稱為中斷系統(tǒng)，請示CPU中斷的請求源稱為中斷源。主程序的中斷處理4.1.2 CPU響應及處理中斷機制 一般來說，根據(jù)中斷源的輕重緩急排序，CPU優(yōu)

2、先處理最緊急事件的中斷請求源。也就是說，需要對各個中斷源設定相應的優(yōu)先級，CPU總是最先響應級別最高的中斷。中斷源可以分為兩個中斷優(yōu)先級：高優(yōu)先級和低優(yōu)先級。用戶可以用關中斷指令或復位指令來屏蔽所有中斷請求，也可以用開中斷指令使CPU接收中斷申請。4.1.3 中斷源及中斷請求標志 中斷系統(tǒng)：由中斷標志寄存器、中斷源允許寄存器、中斷優(yōu)先級寄存器及中斷查詢電路組成。 1.中斷源 （1）外部中斷請求0：由 （P3.2管腳）輸入，低電平或下降沿觸發(fā)。 （2）外部中斷請求1：由 （P3.3管腳）輸入，低電平或下降沿觸發(fā)。 （3）內(nèi)部定時器/計數(shù)器0中斷請求：由T0溢出引起。 （4）內(nèi)部定時器/計數(shù)器1中

3、斷請求：由T1溢出引起。 （5）內(nèi)部中斷請求TI/RI：串行I/O中斷，串行口完成一幀字符發(fā)送/接收后引起。 2.中斷請求標志1）TCON寄存器中的中斷標志 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0TCON是定時/計數(shù)器T0、T1的控制寄存器，格式如下： 2）SCON寄存器中的中斷標志 SCON為串行口控制寄存器： SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRID7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D04.1.4 中斷控制及中斷優(yōu)先級1.中斷允許控制寄存器IE（字節(jié)地址A8H） D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0EA-ET2E

4、SET1EX1ET0EX0使用匯編語言程序控制中斷請求信號的允許或禁止的程序示例如下： CLR EA ; 禁止所有中斷請求 SETB EX0 ; 允許 中斷請求，注意此時EA=0，中斷還不能被響應 CLR EX1 ; 禁止 中斷請求 SETB EA ; 允許總中斷控制，此時 中斷請求可以被CPU響應 2.中斷優(yōu)先控制寄存器IP 二級中斷的嵌套過程 低級中斷程序1高級中斷程序2主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序返回返回 為了實現(xiàn)上述功能，MCS-51中斷系統(tǒng)設置了中斷優(yōu)先級寄存器IP統(tǒng)一管理各個中斷源的中斷優(yōu)先級。 如果CPU接收到幾個相同優(yōu)先級的中斷請求源時，響應哪一個中斷申請要取決于一個內(nèi)部的硬件查詢序列

5、，此時應按照下表所示的優(yōu)先權結構先后響應中斷請求。中 斷 源中斷優(yōu)先級外部中斷0（IE0）最高定時器T0中斷（TF0）外部中斷1（IE1）定時器T1中斷（TF1）串行口中斷（RI、TI）最低D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0-PSPT1PX1PT0PX0其各位格式為： 4.1.5 中斷響應及中斷處理過程 1中斷響應的條件中斷響應的條件123CPU無高級或同級的中斷服務。當前指令已執(zhí)行到最后一個機器周期，以確保當前指令的完整執(zhí)行。如果正在執(zhí)行的是RETI、IE或IP的指令，需要保證執(zhí)行完該指令及其后的另一條指令。 1完成當前指令后立即終止現(xiàn)行程序，置位相應的優(yōu)先級狀態(tài)觸發(fā)器，以阻斷同

6、級和低級中斷。2將斷點地址壓入堆棧，同時清除中斷請求標志（TI和RI除外）。3把對應的中斷源入口地址送入程序計數(shù)器PC，轉至相應的中斷服務程序。2.中斷響應過程3.中斷處理和返回 中斷處理即為執(zhí)行中斷服務程序。中斷服務程序從中斷入口地址開始，首先要保存有關的寄存器內(nèi)容，即保護現(xiàn)場；完成中斷源請求的服務后，還要恢復這些寄存器內(nèi)容（恢復現(xiàn)場），并在中斷服務程序的末尾，安排一條返回指令，把斷點地址送回程序計數(shù)器PC，使程序返回原斷點處，結束中斷過程。4.中斷響應時間 中斷響應時間是指從查詢中斷請求標志位到轉至中斷服務程序入口地址所需的時間。 1對于定時器的溢出中斷及邊沿觸發(fā)的外部中斷，CPU在響應中

7、斷后即有硬件自動清除相關的中斷請求標志。2對于串行口中斷，CPU在響應中斷后，必須在中斷服務程序中用軟件清除中斷標志，硬件沒有相關措施。3對于電平觸發(fā)的外部中斷，僅靠清除中斷標志是不能徹底撤除中斷請求的。必須在中斷響應后把外部輸入端信號從低電平強制為高電平，才能徹底解決中斷請求的撤除問題。 5.中斷請求的撤除 4.1.6 中斷的應用及編程 中斷初始化程序?qū)嶋H上就是對幾個特殊功能寄存器的相關控制位進行賦值，具體步驟如下：（1）開啟相應中斷源的中斷允許。（2）設定所有中斷源的中斷優(yōu)先級。（3）規(guī)定外部中斷的觸發(fā)方式（電平觸發(fā)還是邊沿觸發(fā)）。 【例1】假設系統(tǒng)的堆棧為61H7FH，允許外部0中斷、定

8、時器T0中斷，并設定 為高優(yōu)先級，采用邊沿觸發(fā)，其他中斷為低優(yōu)先級，則在主程序中的中斷初始化程序如下： MOV SP, #60H SETB PX0 SETB IT0 SETB ET0 SETB EX0 SETB EA 【例2】若要求外部中斷引腳 采用邊沿觸發(fā)方式，處于高優(yōu)先級，初始化程序可以采用位操作指令，也可以用字節(jié)型指令進行編制。 位操作指令： SETB EA SETB EX1 SETB PX1 SETB IT1 字節(jié)型指令： MOV IE, #84H ORL IP, #04H ORL TCON, #04H 【例3】 有5個外部中斷源EX1、EX2、EX3、EX4和EX5，如下圖所示。高電

9、平時表示請求中斷，要求執(zhí)行相應中斷服務程序，試編制程序。EX2EX3EX4EX5EX111 INT0 INT180C51P1.0P1.1P1.2P1.3 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP PINT0 ORG 0013H LJMP PINT1 ORG 0100H MAIN: MOV SP, #60H ORL TCON, #05H SETB PX0 MOV IE, #0FFH ORG 1000H PINT0: PUSH Acc LCALL WORK1 POP Acc RETI ORG 2000H PINT1: CLR EA PUSH Acc PUSH DPH P

10、USH DPL SETB EA JB P1.0, LWK20 JB P1.1, LWK21 JB P1.2, LWK22 LCALL WORK23 LRET: CLR EA POP DPL POP DPH POP Acc SETB EA RETI LWK20: LCALL WORK20 SJMP LRET LWK21: LCALL WORK21 SJMP LRET LWK22: LCALL WORK22 SJMP LRET 【例4】出租車計價器計程方法是車輪每運轉一圈產(chǎn)生一個負脈沖，從外中斷（P3.2）引腳輸入，行程=輪胎周長運轉圈數(shù)，設輪胎周長為2 m，試實時計算出租車行駛里程（單位：m），

11、數(shù)據(jù)存于32H、31H和30H中。 ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP INT0 ORG 0030H START: MOV SP, #60H SETB IT0 MOV IP, #01H MOV IE, #81H MOV 30H, #0 MOV 31H, #0 MOV 32H, #0 LJMP MAIN ORG 0200H INT0: PUSH Acc PUSH PSW MOV A, 30H ADD A, #2 MOV 30H, A CLR A ADDC A, 31H MOV 31H, A CLR A ADDC A, 32H MOV 32H, A PUSH P

12、SW PUSH Acc RETI4.2 MCS-51單片機的定時器/計數(shù)器 4.2.1 定時器/計數(shù)器的結構及工作原理8051單片機定時器/計數(shù)器內(nèi)部邏輯結構1方式寄存器TMOD控制定時/計數(shù)器T1 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0控制定時/計數(shù)器T0GATEM1M0GATEC/TM1M02控制寄存器TCON D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT04.2.2 定時器/計數(shù)器的工作方式1方式0 定時器/計數(shù)器T0方式0的邏輯電路結構2.方式1 與方式0的結構與操作差別僅在于計數(shù)器的位數(shù)，此時由TH0作為高8位，TL0作為低8位

13、，構成的是一個16位的定時/計數(shù)器。 定時器/計數(shù)器T0方式1的邏輯電路結構3.方式2 方式2是自動重裝計數(shù)初值的8位定時/計數(shù)器。 定時器/計數(shù)器T0方式2的邏輯電路結構4.方式3 注意：當T0工作在方式3時，T1仍可以設置為方式0、方式1和方式2，但只能用于那些不需要中斷控制的場合。一般情況下，如果T1用作串行通信的波特率發(fā)生器時，T0才工作在方式3。 定時器/計數(shù)器T0方式3的邏輯電路結構確定定時/計數(shù)器的工作狀態(tài)，寫入方式控制寄存器TMOD。設置寄存器TCON的值，令TR1或TR0為1，啟動定時/計數(shù)器開始工作。 根據(jù)實際需要設置定時器初值或計數(shù)器初值，寫入初值寄存器TH0、TL0或T

14、H1、TL1。 根據(jù)需要設定寄存器IE，開放定時/計數(shù)器中斷。12344.2.3 定時器/計數(shù)器的應用MCS-51系列定時/計數(shù)器的初始化編程步驟如下： 【例5】設系統(tǒng)時鐘頻率為12 MHz，請利用定時/計數(shù)器T0編程實現(xiàn)從P1.0輸出周期為20 ms的方波。 解：從P1.0輸出周期為20 ms的方波，只需P1.0每隔10 ms取反一次。當系統(tǒng)時鐘頻率為12 MHz，T0工作于方式1時，Tmax =65 536s，滿足10 ms的定時要求。系統(tǒng)時鐘頻率為12 MHz，T12/fosc=10000，初值X=65 536-10 000=D8F0H，則TH0=D8H，TL0=F0H。 （1）采用中斷

15、方式，程序如下： ORG 0000H ;復位地址 LJMP MAIN ;轉主程序 ORG 000BH ;中斷入口地址 CPL P1.0 ;輸出方波 MOV TH0, #0D8H ;設置初值 MOV TL0, #0F0H ; RETI ;中斷返回 ORG 0200H ; MAIN: MOV TMOD, #01H ;T0工作于方式1 MOV TH0, #0D8H ;重新裝入計數(shù)初值 MOV TL0, #0F0H ; SETB EA ;CPU開中斷 SETB ET0 ;允許T0終端 SETB TR0 ;啟動T0 SJMP $ ;（2）采用查詢方式，程序如下： ORG 0000H AJMP MAIN

16、ORG 0300HMAIN: MOV TMOD, #01H MOV TH0, #0D8H MOV TL0, #0F0H SETB TR0LOOP: JBC TF0, NEXT ;查詢計數(shù)溢出 SJMP LOOPNEXT: CPL P1.0 SJMP LOOP SJMP $ 【例6】利用定時/計數(shù)器T0測量某正脈沖信號寬度，脈沖從P3.2輸入。已知此脈沖寬度小于10 ms，系統(tǒng)時鐘頻率為12 MHz。要求測量此脈沖寬度，并把結果順序存放在以片內(nèi)30H單元為首地址的數(shù)據(jù)存儲單元中。參考程序如下： ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0300H MAIN: MOV TMOD, #09H

17、MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H LP: JB P3.2, LP LOOP: JNB P3.2, LOOP SETB TR0 HERE: JB P3.2, HERE CLR TR0 MOV 30H, TL0 MOV 31H, TH0 SJMP $4.3 MCS-51單片機的串行口 4.3.1 串行通信的基礎知識 1.串行通信的分類 按照串行數(shù)據(jù)的同步方式，串行通信可以分為異步通信和同步通信。 1）異步通信 異步串行通信每個數(shù)據(jù)以相同的幀格式傳送，如圖所示。每一幀信息由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶位和停止位組成，從起始位開始到停止位結束的全部內(nèi)容稱為“一幀”，發(fā)送一位數(shù)據(jù)所需的時間

18、稱為“位時間”。字符幀的異步通信格式2）同步通信 同步通信中，每一數(shù)據(jù)塊開始時發(fā)送一個或兩個同步字符，以使發(fā)送端與接收端雙方獲得同步。數(shù)據(jù)塊的各個字符間不存在起始位和停止位，所以通信速度比異步通信快。同步通信時，如果發(fā)送的數(shù)據(jù)塊之間有時間間隔，則發(fā)送同步字符填充。 2.串行通信的傳送方式 串行通信的傳送方式可分為單工、半雙工和全雙工3種： 3.串行通信的數(shù)據(jù)傳輸速率 波特率是衡量一個通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送快慢的常用指標。在串行通信中，波特率指每秒傳送二進制的位數(shù)，它是每一位的傳送時間的倒數(shù)，也就是說波特率是每秒傳送的字符個數(shù)和每字符所含二進制位數(shù)的乘積。波特率的單位是“波特”（baud）或位/秒（b

19、/s），它既反映了串行通信的速率，也反映了對傳輸通道的要求，波特率越高，要求傳輸通道的頻帶就越寬。 在異步串行通信中，格式位的發(fā)送和接收都必須有時鐘信號對傳送的數(shù)據(jù)進行定時控制。發(fā)送時鐘和接收時鐘就是用來控制通信設備發(fā)送、接收字符數(shù)據(jù)速度的，該時鐘信號一般都是由外部時鐘電路產(chǎn)生的。 在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送設備在發(fā)送時鐘的下降沿將移位寄存器的數(shù)據(jù)串行移位輸出；接收數(shù)據(jù)時，接收設備在接收時鐘的上升沿對接收數(shù)據(jù)采樣，進行數(shù)據(jù)位檢測。時鐘頻率越高，則波特率越高，通信速度就越快。 4.串行通信接口電路 能夠完成異步通信的串行接口硬件電路稱為UART，即通用異步接收/發(fā)送器。 本質(zhì)上，串行接口電路是以并行數(shù)據(jù)

20、形式與CPU接口，以串行數(shù)據(jù)形式與外部邏輯接口。MCS-51系列單片機串行通信的基本功能可以描述為：發(fā)送數(shù)據(jù)時，從CPU接收并行數(shù)據(jù)，轉換成一定格式的串行數(shù)據(jù)，按規(guī)定的波特率逐位輸出；接收數(shù)據(jù)時，將外設送來的一定格式的串行數(shù)據(jù)轉換成并行數(shù)據(jù)傳送給CPU。 UART發(fā)送操作圖UART接收操作4.3.2 MCS-51單片機的串行口結構和控制 MCS-51系列的串行口內(nèi)部包含發(fā)送緩沖器和接收緩沖器，可同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送緩沖器只能寫入不能讀出，接收緩沖器則只能讀出不能寫入。兩個緩沖器占用同一個地址（99H），并且用同一個符號SBUF表示。 與串行口設置有關的特殊功能寄存器除了定時/計數(shù)器相關設置

21、之外，還包括兩個控制寄存器：串口控制寄存器SCON和電源控制寄存器PCON。 1.串口控制寄存器SCON SCON中和串行口有關的位的功能描述如下：（1）SM0、SM1：串行口工作方式選擇位。其定義見下表。SM0 SM1工作方式功能說明0 0方式08位同步移位寄存器，波特率固定（為fosc/12）0 1方式110位UART，波特率可變（取決于T1的溢出率） 1 0方式211位UART，波特率固定（為fosc/64或fosc/32） 1 1方式311位UART，波特率可變（取決于T1的溢出率）（2）SM2：多機通信控制位。（3）REN：接收允許控制位。REN=1時允許串行口接收；REN=0時禁止

22、串行口接收。（4）TB8：發(fā)送的第9數(shù)據(jù)位。在方式2或方式3時，其值由用戶軟件設置。雙機通信時，TB8常作為奇偶校驗位使用；多機通信時，TB8常表示主機發(fā)送的是地址幀還是數(shù)據(jù)幀。一般約定，TB8=0為數(shù)據(jù)幀，TB8=1為地址幀。（5）RB8：接收的第9數(shù)據(jù)位。在方式2或方式3時，發(fā)送機發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)TB8被接收機接收后，存放于接收機的SCON寄存器的RB8中。 2.電源控制寄存器PCON PCON是控制CPU運行功率的寄存器。 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0SMOD-GF1GF0PDIDL （1）SMOD：串行口波特率的倍增位。當SMOD=1時，串行口波特率加倍；系統(tǒng)復位時，

23、SMOD=0。 （2）GF1、GF0：通用標志位。這兩個位可作為系統(tǒng)“上電復位”或“熱復位”的檢測標志。 （3）PD：掉電方式位。PD=1時，CPU立即進入掉電的省電模式運行。 （4）IDL：待機方式位。IDL=1時，CPU立即進入閑置的省電模式運行。 4.3.3 MCS-51單片機串行口的工作方式 1.方式0 1）方式0發(fā)送 當用戶應用程序向SBUF寫入數(shù)據(jù)時，在同步時鐘TXD的控制下，串行口將8位數(shù)據(jù)以fosc/12的固定波特率從RXD引腳輸出。8位數(shù)據(jù)發(fā)送完成后自動將中斷標志TI置位，呈中斷申請狀態(tài)，再次發(fā)送數(shù)據(jù)之前，必須用軟件將TI清0。 方式0發(fā)送數(shù)據(jù)時的時序2）方式0接收 若滿足R

24、EN=1和RI=0的條件，則自動觸發(fā)串行口的同步接收數(shù)據(jù)動作。此時串行口開始從RXD引腳串行輸入數(shù)據(jù)，波特率為fosc/12。當接收完8位數(shù)據(jù)后，中斷標志RI被置位，請求中斷。當再次接收時，必須由軟件將RI清0。 方式0接收數(shù)據(jù)時的時序2.方式1 1）方式1發(fā)送 當數(shù)據(jù)寫入發(fā)送SBUF后，硬件自動添加起始位和停止位，與8個數(shù)據(jù)位構成一幀，由TXD引腳逐位地按照設定波特率發(fā)送出去。發(fā)送完畢，發(fā)送中斷標志TI置1。其時序如下圖所示。 方式1發(fā)送數(shù)據(jù)時的時序2）方式1接收 要使在方式1的接收數(shù)據(jù)有效，必須滿足兩個條件：RI=0；SM2=0或接收到的停止位為1，繼而將并行數(shù)據(jù)送入接受SBUF，再置RI

25、=1，表示一幀數(shù)據(jù)接收完畢。發(fā)生的時序見下圖。 方式1接收數(shù)據(jù)時的時序3）波特率計算 方式1下串行口的波特率是可變的，與作為波特率發(fā)生器的定時器/計數(shù)器T1的溢出率有關，其公式為其中，SMOD是PCON寄存器最高位的值。 當定時器/計數(shù)器T1工作于方式2時，假設計數(shù)初值為X，則定時器/計數(shù)器T1的溢出周期為：溢出率是溢出周期的倒數(shù)，則波特率計算公式變?yōu)椋?定時器/計數(shù)器T1選擇使用方式2作為波特率發(fā)生器，主要是因為該方式為8位自動加載方式，具有自動重裝計數(shù)初值的功能，可以避免程序反復裝入初值而引起的定時誤差，使波特率較為穩(wěn)定。實際應用時，通常是通過波特率的值計算得到定時器/計數(shù)器T1的計數(shù)初值

26、，公式為：3.方式2 1）方式2發(fā)送 在發(fā)送數(shù)據(jù)前，應首先在寄存器SCON的TB8位中把D8數(shù)據(jù)位的內(nèi)容設置好，可以用 “SETB TB8”置TB8位為1，或用“CLR TB8”置TB8為0。串行口再發(fā)送數(shù)據(jù)D0D7寫入發(fā)送SBUF，而D8位的內(nèi)容則由硬件電路從TB8中直接送到發(fā)送移位寄存器的第9位，并以此啟動串行發(fā)送。串行口按一定波特率發(fā)完1個起始位、8個數(shù)據(jù)位，將D8和停止位也按次序從RxD引腳發(fā)出。發(fā)送完畢，發(fā)送中斷標志TI置1。 方式2發(fā)送數(shù)據(jù)時的時序2）方式2接收 接收過程與方式1的接收過程基本相同，不同的只是在第9位數(shù)據(jù)位D8上。串行口把接收到的前8位數(shù)據(jù)送入接收SBUF，而由硬件

27、自動將第9位數(shù)據(jù)傳送到接收機的RB8。 方式2接收數(shù)據(jù)時的時序3）波特率計算 方式2的波特率是固定的，與寄存器PCON的SMOD位有關，其公式為： 波特率 = 4.方式3 方式3下的串行口也是9位異步通信接口，11位數(shù)據(jù)為一幀，通信過程與方式2的完全相同，不同之處在于方式2的波特率是固定的兩種，而方式3的波特率的設定則與方式1相同，即由定時/計數(shù)器T1的溢出率決定。 4.3.4 串行口的應用及編程 串行口應用時首先必須進行初始化編程，主要任務包括設置串行口的工作方式，設定SCON寄存器；設置波特率；選擇查詢方式或中斷方式。 關于波特率，對于方式0，無需相關設置；對于方式2，僅需對PCON寄存器

28、中的SMOD位進行編程；對于方式1和方式3，不僅要對PCON中的SMOD位編程，還要開啟定時/計數(shù)器T1，對T1編程。 常用的波特率以及與定時/計數(shù)器T1各參數(shù)之間的關系： 波 特 率(b/s)fosc/MHzSMOD定時/計數(shù)器T1方 式重 裝 值方式0最大1 M12-方式2最大375 k121-方式1和362.5 k12102FFH19.2 k11.0592102FDH9.6 k11.0592002FDH4.8 k11.0592002FAH2.4 k11.0592002F4H1.2 k11.0592002E8H137.611.05920021DH110600272H11012001FEEB

29、H 【例7】試編寫一個程序?qū)崿F(xiàn)以下功能：對串行口初始化為方式1輸入/輸出， fosc為11.059 2 MHz，波特率為9 600 b/s，首先在串行口上輸出字符串MCS-51 Microcomputer，接著讀串行口上輸入的字符，并將該字符從串行口輸出。 解：參考程序如下： MAIN: MOV TMOD, #20H MOV TH1, #0FDH MOV TL1, #0FDH SETB TR1 MOV SCON, #52H MOV R4, #0 MOV DPTR, #TSAB MLP1: MOV A, R4 MOVC A, A+DPTR JZ MLP6 MLP3: JBC TI, MLP2 SJMP MLP3MLP2: MOV SBUF, A INC R4 SJMP MLP1MLP6: JBC RI, MLP5 SJMP MLP6MLP8: JBC TI, MLP7 SJMP MLP8MLP7: MOV