單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)第三周

1、單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)第三周第1頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二MCS51單片機(jī)的存儲(chǔ)器配置 MCS51的程序存儲(chǔ)器地址配置FFFFH1000H內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ROM ）4KB0FFFH0000HFFFFH0000H （ EA=0 ）外部程序存儲(chǔ)器（ROM）64KB外部程序存儲(chǔ)器（ROM）60KB EA=1程序存儲(chǔ)器配置第2頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二位尋址區(qū)（位地址00H7FH） 16B工作寄存器區(qū)3（R0R7）8B工作寄存器區(qū)2（R0R7）8B工作寄存器區(qū)1（R0R7）8B工作寄存器區(qū)0（R0R7）8B07H00H.OFH08H17H10H1FH

2、18H2FH20H7FH30H 數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 80BFFH80H 特殊功能寄存器區(qū) 128B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM)FFFFH0000H外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器（RAM)特殊功能寄存器 MCS-51系列單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址配置第3頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二 每一個(gè)I/O口都能用作輸入或輸出。 用作輸入時(shí)，均須先寫入“1”； 用作輸出時(shí)，P0口應(yīng)外接上拉電阻。 在并行擴(kuò)展外存儲(chǔ)器或I/O口情況下， P0口用于低8位地址總線和數(shù)據(jù)總線，分時(shí)傳送低 8位地址（地址總線）和8位數(shù)據(jù)信號(hào)； P2口用于高8位地址總線； P3口常用于第二功能， 用戶能使用的I/O口只有P1口和未用作第

3、二功能的部分P3口端線。第4頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二8051地址鎖存器程序存儲(chǔ)器（60K）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（64K）ALE0EPSENWRRDWR RDP2口P0口EAVCC8051同時(shí)擴(kuò)展外ROM和外RAM連接圖A0A7A8A15D0D774L537327646264第5頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二1.4 時(shí)鐘電路與復(fù)位電路1.4.1 單片機(jī)的時(shí)鐘電路與時(shí)序1. 時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生在MCS-51芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，其輸出端為引腳XTAL2 。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微

4、調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，這就是單片機(jī)的時(shí)鐘振蕩電路，如圖1.13所示。第6頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二時(shí)鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖經(jīng)過觸發(fā)器進(jìn)行二分頻之后，才成為單片機(jī)的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。請(qǐng)讀者特別注意時(shí)鐘脈沖與振蕩脈沖之間的二分頻關(guān)系，否則會(huì)造成概念上的錯(cuò)誤。一般地，電容C1和C2取30 pF左右，晶體的振蕩頻率范圍是1.212 MHz。如果晶體振蕩頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就快。MCS-51在通常應(yīng)用情況下，使用的振蕩頻率為6 MHz或12 MHz。第7頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二圖1.13 時(shí)鐘振蕩電路 第

5、8頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二2. 引入外部脈沖信號(hào)在由多片單片機(jī)組成的系統(tǒng)中，為了各單片機(jī)之間時(shí)鐘信號(hào)的同步，應(yīng)當(dāng)引入惟一的公用外部脈沖信號(hào)作為各單片機(jī)的振蕩脈沖。這時(shí)，外部的脈沖信號(hào)經(jīng)XTAL2引腳輸入，其連接如圖1.14所示。第9頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二圖1.14 外部時(shí)鐘源接法 第10頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二3. 時(shí)序1) 節(jié)拍與狀態(tài)把振蕩脈沖的周期定義為節(jié)拍(用P表示)。振蕩脈沖經(jīng)過二分頻后，就是單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)的周期，定義其為狀態(tài)(用S表示)。這樣，一個(gè)狀態(tài)就包含兩個(gè)節(jié)拍，其前半周期對(duì)應(yīng)的節(jié)

6、拍叫節(jié)拍1(P1)，后半周期對(duì)應(yīng)的節(jié)拍叫節(jié)拍2(P2)。第11頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二2) 機(jī)器周期MCS-51采用定時(shí)控制方式，因此它有固定的機(jī)器周期。規(guī)定一個(gè)機(jī)器周期的寬度為6個(gè)狀態(tài)，并依次表示為S1S6，可參見圖1.15(a)。由于一個(gè)狀態(tài)又包括兩個(gè)節(jié)拍，因此，一個(gè)機(jī)器周期總共有12個(gè)節(jié)拍，分別記作S1P1、S1P2、S6P2。由于一個(gè)機(jī)器周期共有12個(gè)振蕩脈沖周期, 因此機(jī)器周期就是振蕩脈沖的十二分頻。當(dāng)振蕩脈沖頻率為12 MHz時(shí)，一個(gè)機(jī)器周期為1 s；當(dāng)振蕩脈沖頻率為6 MHz時(shí)，一個(gè)機(jī)器周期為2 s。第12頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)

7、48分，星期二3) 指令周期指令周期是最大的時(shí)序定時(shí)單位，執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間稱為指令周期。它一般由若干個(gè)機(jī)器周期組成。不同的指令，所需要的機(jī)器周期數(shù)也不相同。通常，包含一個(gè)機(jī)器周期的指令稱為單周期指令，包含兩個(gè)機(jī)器周期的指令稱為雙周期指令，依次類推。指令的運(yùn)算速度與指令所包含的機(jī)器周期有關(guān)，機(jī)器周期數(shù)越少的指令，執(zhí)行速度越快。MCS-51單片機(jī)指令通?？梢苑譃閱沃芷谥噶睢㈦p周期指令和四周期指令。四周期指令只有乘法和除法指令兩條，其余均為單周期和雙周期指令。單片機(jī)執(zhí)行任何一條指令時(shí)都可以分為取指令階段和執(zhí)行指令階段。MCS-51的取指/執(zhí)行時(shí)序如圖1.15(a)所示。第13頁(yè)，共34頁(yè)，2

8、022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二由圖1.15(a)可見，ALE引腳上出現(xiàn)的信號(hào)是周期性的，在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)出現(xiàn)兩次高電平。第一次出現(xiàn)在S1P2和S2P1期間，第二次出現(xiàn)在S4P2和S5P1期間。ALE信號(hào)每出現(xiàn)一次高電平，CPU就進(jìn)行一次取指操作，但由于不同指令的字節(jié)數(shù)和機(jī)器周期數(shù)不同，因此取指令操作也隨指令的不同而有小的差異。按照指令字節(jié)數(shù)和機(jī)器周期數(shù)，8051的111條指令可分為6類，分別是：?jiǎn)巫止?jié)單周期指令、單字節(jié)雙周期指令、單字節(jié)四周期指令、雙字節(jié)單周期指令、雙字節(jié)雙周期指令、三字節(jié)雙周期指令，參見附錄2。第14頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二圖1.15

9、(b)、(c)分別給出了單字節(jié)單周期和雙字節(jié)單周期指令的時(shí)序。單周期指令的執(zhí)行始于S1P2，這時(shí)操作碼被鎖存到指令寄存器內(nèi)。若是雙字節(jié)指令，則在同一機(jī)器周期的S4讀第二字節(jié)；若是單字節(jié)指令，則在S4仍有讀操作，但被讀入的字節(jié)無(wú)效，且程序計(jì)數(shù)器PC并不加1。圖1.15(d)給出了單字節(jié)雙周期指令的時(shí)序，兩個(gè)機(jī)器周期內(nèi)進(jìn)行了4次讀操作碼操作。因?yàn)槭菃巫止?jié)指令，所以后三次讀操作都是無(wú)效的。第15頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二圖1.15 MCS-51單片機(jī)的取指/執(zhí)行時(shí)序單片機(jī)的機(jī)器周期；(b) 單字節(jié)單周期指令，如INC A；(c) 雙字節(jié)單周期指令，如ADD A，data

10、；(d) 單字節(jié)雙周期指令，如INC DPTR第16頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二1.4.2 單片機(jī)的復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位使CPU和系統(tǒng)中的其它功能部件都處在一個(gè)確定的初始狀態(tài)下，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作，例如復(fù)位后PC=0000H，使單片機(jī)從第一個(gè)單元取指令。從實(shí)訓(xùn)1已經(jīng)看出，無(wú)論是在單片機(jī)剛開始接上電源時(shí)，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復(fù)位，所以我們必須弄清楚MCS-51型單片機(jī)復(fù)位的條件、復(fù)位電路和復(fù)位后的狀態(tài)。單片機(jī)復(fù)位的條件是：必須使RST/VPD或RST引腳(9)加上持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期(即24個(gè)振蕩周期)的高電平。例如，若時(shí)鐘頻率為12 MHz，每個(gè)機(jī)器周期為1 s

11、，則只需2 s以上時(shí)間的高電平，在RST引腳出現(xiàn)高電平后的第二個(gè)機(jī)器周期執(zhí)行復(fù)位。單片機(jī)常見的復(fù)位電路如圖1.16(a)、(b)所示。第17頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二圖1.16(a)為上電復(fù)位電路，它是利用電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在接電瞬間，RST端的電位與VCC相同，隨著充電電流的減少，RST的電位逐漸下降。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。圖1.16(b)為按鍵復(fù)位電路。該電路除具有上電復(fù)位功能外，若要復(fù)位，只需按圖1.16(b)中的RESET鍵，此時(shí)電源VCC經(jīng)電阻R1、R2分壓，在RST端產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位高電平。第18頁(yè)，共34頁(yè)，2022

12、年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二圖1.16 單片機(jī)常見的復(fù)位電路(a) 上電復(fù)位電路；(b) 按鍵復(fù)位電路第19頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二單片機(jī)復(fù)位期間不產(chǎn)生ALE和信號(hào)，即ALE=1和=1。這表明單片機(jī)復(fù)位期間不會(huì)有任何取指操作。復(fù)位后，內(nèi)部各專用寄存器狀態(tài)如下：PC： 0000H TMOD：00HACC： 00H TCON： 00HB： 00H TH0： 00HPSW： 00H TL0： 00HSP： 07H TH1： 00HDPTR： 0000H TL1： 00HP0P3： FFH SCON： 00HIP： *00000B SBUF： 不定IE： 0*00

13、000B PCON： 0*0000B第20頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二其中，*表示無(wú)關(guān)位。請(qǐng)注意：(1) 復(fù)位后PC值為0000H，表明復(fù)位后程序從0000H開始執(zhí)行，這一點(diǎn)在實(shí)訓(xùn)1中已介紹。(2) SP值為07H，表明堆棧底部在07H。一般需重新設(shè)置SP值。(3) P0P3口值為FFH。P0P3口用作輸入口時(shí)，必須先寫入“1”。單片機(jī)在復(fù)位后，已使P0P3口每一端線為“1”，為這些端線用作輸入口做好了準(zhǔn)備。第21頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二1.5 單片機(jī)的工作過程單片機(jī)的工作過程實(shí)質(zhì)上是執(zhí)行用戶編制程序的過程。一般程序的機(jī)器碼都已固化到

14、存儲(chǔ)器中，例如實(shí)訓(xùn)1中的步驟(3)，因此開機(jī)復(fù)位后，就可以執(zhí)行指令。執(zhí)行指令又是取指令和執(zhí)行指令的周而復(fù)始的過程。例如指令MOV A，#56H表示把立即數(shù)56H這個(gè)值送入A累加器。該指令對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼是74H、56H，假設(shè)它們已存在0000H開始的單元中。下面我們來(lái)說明單片機(jī)的工作過程。接通電源開機(jī)后，PC =0000H，取指令過程如下：(1) PC中的0000H 送到片內(nèi)的地址寄存器。第22頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二(2) PC的內(nèi)容自動(dòng)加1變?yōu)?001H，指向下一個(gè)指令字節(jié)。(3) 地址寄存器中的內(nèi)容0000H通過地址總線送到存儲(chǔ)器，經(jīng)存儲(chǔ)器中的地址譯碼選中00

15、00H單元。(4) CPU通過控制總線發(fā)出讀命令。(5) 被選中單元的內(nèi)容74H送內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，該內(nèi)容通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送到單片機(jī)內(nèi)部的指令寄存器。至此，取指令過程結(jié)束，進(jìn)入執(zhí)行指令過程。第23頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二微型機(jī)的工作過程取指令分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行程序的過程第24頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二地址譯碼器0000H0001H0002H00ff01110100ff單元地址線數(shù)據(jù)線讀控制邏輯CPU 0101011001110100第25頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二執(zhí)行指令的過程如下：(1) 指令寄存器中的

16、內(nèi)容經(jīng)指令譯碼器譯碼后，表明這條指令是取數(shù)命令，即把一個(gè)立即數(shù)送A中。(2) PC的內(nèi)容為0001H，送地址寄存器，譯碼后選中0001H單元，同時(shí)PC的內(nèi)容自動(dòng)加1變?yōu)?002H。(3) CPU同樣通過控制總線發(fā)出讀命令。(4) 將0001H單元的內(nèi)容56H讀出并經(jīng)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送至A。至此，本指令執(zhí)行結(jié)束。PC=0002H，機(jī)器又進(jìn)入下一條指令的取指令過程。機(jī)器一直重復(fù)上述過程直到程序中的所有指令執(zhí)行完畢，這就是單片機(jī)的基本工作過程。第26頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二本 章 小 結(jié) 本章通過介紹MCS-51型單片機(jī)芯片的硬件結(jié)構(gòu)及工作特性，使我們知道MCS-51單片

17、機(jī)是由一個(gè)8位CPU，一個(gè)片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路，4 KB ROM(8051有4 KB掩膜ROM，8751有4 KB EPROM，8031片內(nèi)無(wú)ROM，89C51有4 KB FPEROM)，128B片內(nèi)RAM，21個(gè)特殊功能寄存器，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，4個(gè)8位并行I/O口，一個(gè)串行輸入/輸出口和5個(gè)中斷源等電路組成的。芯片共有40個(gè)引腳，除了電源、地、兩個(gè)時(shí)鐘輸入/輸出腳以及32個(gè)I/O引腳外，還有4個(gè)控制引腳：ALE(低8位地址鎖存允許)、(片外ROM讀選通)、RST(復(fù)位)、(內(nèi)外ROM選擇)。第27頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二MCS-51單片機(jī)片內(nèi)有256B

18、的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它分為低128B的片內(nèi)RAM區(qū)和高128B的特殊功能寄存器區(qū)。低128B的片內(nèi)RAM又可分為工作寄存器區(qū)(00H1FH)、位尋址區(qū)(20H2FH)和數(shù)據(jù)緩沖器(30H7FH)。累加器A、程序狀態(tài)寄存器PSW、堆棧指針SP、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址指針DPTR、程序存儲(chǔ)器地址指針PC，均有著特殊的用途和功能。MCS-51單片機(jī)有4個(gè)8位的并行I/O口，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)和特性上基本相同。當(dāng)需要片外擴(kuò)展RAM和ROM時(shí)，P0口分時(shí)傳送低8位地址和8位數(shù)據(jù)，P2口傳送高8位地址，P3口常用于第二功能，通常情況下只有P1口用作一般的輸入/輸出引腳。第28頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星

19、期二習(xí) 題 11.1 單項(xiàng)選擇題。(1) MCS-51單片機(jī)的CPU主要由 組成。A運(yùn)算器、控制器 B加法器、寄存器 C運(yùn)算器、加法器 D運(yùn)算器、譯碼器(2) 單片機(jī)中的程序計(jì)數(shù)器PC用來(lái) 。A存放指令 B存放正在執(zhí)行的指令地址 C存放下一條指令地址 D存放上一條指令地址(3) 單片機(jī)AT89C51的引腳 。A必須接地 B必須接+5 V C可懸空 D以上三種視需要而定第29頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二(4) 訪問外部存儲(chǔ)器或其它接口芯片時(shí)，作數(shù)據(jù)線和低8位地址線的是 。AP0口 BP1口 CP2口 DP0口和P2口(5) PSW中的RS1和RS0用來(lái) 。A選擇工作寄

20、存器區(qū)號(hào) B指示復(fù)位 C選擇定時(shí)器 D選擇工作方式(6) 單片機(jī)上電復(fù)位后，PC的內(nèi)容和SP的內(nèi)容為 。A0000H，00H B0000H，07H C0003H，07H D0800H，08H1.2 填空題(1) 若MCS-51單片機(jī)的晶振頻率為fOSC=12 MHz，則一個(gè)機(jī)器周期等于 s。第30頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二(2) MCS-51單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳是 引腳。(3) MCS-51單片機(jī)的數(shù)據(jù)指針DPTR是一個(gè)16位的專用地址指針寄存器，主要用來(lái) 。(4) MCS-51單片機(jī)中輸入/輸出端口中，常用于第二功能的是 。(5) MCS-51單片機(jī)內(nèi)存的堆棧是一個(gè)特殊的存儲(chǔ)區(qū)，用來(lái) ，它是按后進(jìn)先出的原則存取數(shù)據(jù)的。(6) 單片機(jī)應(yīng)用程序一般存放在 中。1.3 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由哪幾部分組成？1.4 什么是單片機(jī)？它由哪幾部分組成？什么是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)？二者是什么關(guān)系？第31頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)48分，星期二1.5 MCS-51單片機(jī)的控制線有幾根？每一根控制線的作用是什么？1.6 P3口的第二功能是什么？1.7 MCS-51單片機(jī)片內(nèi)RAM的組成是如何劃分的，各有什么功能