第2章單片機(jī)系統(tǒng)組成原理

第2章

單片機(jī)系統(tǒng)組成原理2.1MCS-51單片機(jī)組成原理2.2單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)2.3MCS-51存儲(chǔ)器配置2.4定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2.5中斷系統(tǒng)

2.1

MCS-51單片機(jī)組成原理

MCS-51單片機(jī)的組成：1.

8位CPU2.片內(nèi)ROM/EPROM、RAM3.片內(nèi)并行I/O接口4.片內(nèi)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器5.片內(nèi)中斷處理系統(tǒng)6.片內(nèi)全雙工串行I/O口不同型號(hào)MCS-51單片機(jī)CPU處理能力和指令系統(tǒng)完全兼容，只是存儲(chǔ)器和I/O接口的配置有所不同。MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)2.2

MCS-51單片機(jī)引腳1．I/O口線功能4個(gè)8位并行I/O接口引腳P0.0～P0.7、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7和P3.0～P3.7為多功能引腳，可自動(dòng)切換用作數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線和或I/O接口外部引腳2．控制線ALE：地址鎖存允許信號(hào)端PSEN：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)端EA/VPP：程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)端和編程電源輸入端復(fù)位：

RST/VPD：復(fù)位信號(hào)端和后備電源輸入端。輸入10ms以上高電平脈沖，單片機(jī)復(fù)位。VPD使用后備電源，可實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)。電源工作電源：VCC、VSS、

復(fù)位電路： 1）上電復(fù)位 2）外部信號(hào)復(fù)位單片機(jī)RSTK+5V200Ω1K30μF時(shí)鐘時(shí)鐘頻率:范圍要求在1.2MHz～12MHz之間。一般從外部振蕩器輸入時(shí)鐘信號(hào)。機(jī)器周期:完成一個(gè)基本操作所需要的時(shí)間。一個(gè)機(jī)器周期由12個(gè)時(shí)鐘周期組成。指令周期:一條指令的執(zhí)行時(shí)間。以機(jī)器周期為單位：單周期、雙周期和四周期指令。思考題：設(shè)應(yīng)用單片機(jī)晶振頻率為12MHz，問機(jī)器周期為多少？指令周期分別為多少？XTAL1

單片機(jī)

XTAL20000HFFFFH0000HFFFFHROM內(nèi)RAM外RAM00HFFH寄存器區(qū)位尋址區(qū)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)SFR20H30H80HE0HA2.3

MCS-51寄存器配置物理上4個(gè)存儲(chǔ)器地址空間：片內(nèi)/片外程序存儲(chǔ)器空間片內(nèi)/片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間邏輯上3個(gè)存儲(chǔ)器地址空間：64KB程序存儲(chǔ)器256B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器64KB片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器一、物理空間與地址二、程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器邏輯空間普林斯頓結(jié)構(gòu)：程序和數(shù)據(jù)共用一個(gè)存儲(chǔ)器邏輯空間，統(tǒng)一編址。哈佛結(jié)構(gòu)：程序與數(shù)據(jù)分為兩個(gè)獨(dú)立存儲(chǔ)器邏輯空間，分開編址。三、片內(nèi)RAM寄存器MCS-51的寄存器在片內(nèi)RAM都有映像地址。使用時(shí)，既可用寄存器名，也可用對(duì)應(yīng)單元地址。1.片內(nèi)RAM工作寄存器區(qū)：字節(jié)地址：00H～1FH位尋址區(qū)：字節(jié)地址：20H～2FH位地址為：00H～7FH數(shù)據(jù)緩沖區(qū)/堆棧區(qū)：字節(jié)地址：00H～7FH一般使用30H～7FH2.特殊功能寄存器SFR占用字節(jié)地址：80H～FFH位尋址寄存器：其字節(jié)地址可被8整除。專用寄存器：A、B、PSW、DPTR、SPI/O接口寄存器：

P0、P1、P2、P3、SBUF、TMOD、TCON、SCON…

實(shí)質(zhì)是計(jì)數(shù)器，脈沖每一次下降沿，計(jì)數(shù)寄存器數(shù)值將加1。計(jì)數(shù)的脈沖如果來源于單片機(jī)內(nèi)部的晶振,由于其周期極為準(zhǔn)確，這時(shí)稱為定時(shí)器。計(jì)數(shù)的脈沖如果來源于單片機(jī)外部的引腳，由于其周期一般不準(zhǔn)確，這時(shí)稱為計(jì)數(shù)器。

8031有2個(gè)可獨(dú)立控制的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：T0、T1。+1計(jì)數(shù)器溢出中斷脈沖控制開關(guān)2.4

MCS-51定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

2.4.1MCS-51計(jì)數(shù)/定時(shí)器的原理定時(shí)器控制、狀態(tài)寄存器1)TMOD定時(shí)器方式寄存器（89H）1）功能選擇位C/T：=0，定時(shí)功能，計(jì)數(shù)內(nèi)部機(jī)器周期脈沖；=1，計(jì)數(shù)功能，計(jì)數(shù)引腳T0(T1)輸入的負(fù)脈沖。2）方式選擇位M1、M0：3）門控方式選擇位GATE

計(jì)數(shù)器啟動(dòng)方式的選擇確定定時(shí)器工作方式指令：

MOVTMOD，#方式字例：設(shè)T0用方式2非門控定時(shí)，T1用方式1門控計(jì)數(shù)。

MOVTMOD，#0D2H;11010010B

T1T02.4.2

定時(shí)器工作方式由方式選擇位M1、M0設(shè)定一、

方式013位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。THx8位和TLx低5位組成13位加1計(jì)數(shù)器，此種方式與MCS－48系列兼容，如果不是為了兼容的目的，一般不用方式0.方式0的全部功能，方式1都可以代替。二、

方式116位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。THx8位和TLx8位組成16位加1計(jì)數(shù)器最大計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)：1～65536(216)，最長定時(shí)時(shí)間(晶振12MHzT=1s)：1s～65536×T=65.54ms非門控方式：當(dāng)GATE＝0,

控制權(quán)由TRx決定

TRx＝1計(jì)數(shù)開始

TRx＝0計(jì)數(shù)停止門控方式：當(dāng)GATE＝1、TRx＝1

控制權(quán)由INTx決定

INTx＝1計(jì)數(shù)開始

INTx＝0計(jì)數(shù)停止啟動(dòng)計(jì)數(shù)方式：三、

方式2

用于需要重復(fù)定時(shí)和計(jì)數(shù)的場合。最大計(jì)數(shù)值：256(28)最大定時(shí)時(shí)間(晶振12MHz時(shí)T=1s)：256s自動(dòng)恢復(fù)初值8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。TLx為8位加1計(jì)數(shù)器，THx為8位初值暫存器。四、方式3

T0分成2個(gè)8位定時(shí)器：TL0定時(shí)/計(jì)數(shù)器和TH0定時(shí)器TL0占用T0控制位：C/T，TR0，GATE；TH0占用T1控制位：TR1。T1不能使用方式3工作2.4.3

計(jì)算時(shí)間常數(shù)X(計(jì)算初值)計(jì)數(shù)功能：X=2n-計(jì)數(shù)值n：8/13/16定時(shí)功能：X=2n-t/Tt：定時(shí)時(shí)間（s）T：機(jī)器周期 ＝12/晶振頻率如：晶振為12MHz時(shí)，T＝12/12MHz＝12÷（12×10-6）（秒）＝1×10-6＝1us一、

MCS-51定時(shí)器的應(yīng)用定時(shí)器初始化編程：使用定時(shí)器工作之前，先寫入控制寄存器，確定好定時(shí)器工作方式。初始化編程格式：MOVTMOD，#方式字；選擇方式MOVTHx，#XH ；裝入Tx時(shí)間常數(shù)MOVTLx，#XLSETBEA ；開Tx中斷SETBETxSETBTRx ；啟動(dòng)Tx定時(shí)器。

例：由P1.0輸出方波信號(hào)，周期為2ms，設(shè)fosc=12MHz。2ms解：每隔1ms改變一次P1.0的輸出狀態(tài)，即形成方波，用T0非門控方式1定時(shí)。計(jì)算時(shí)間常數(shù)：X=216-t/T=216–(/1000)/10-6=65536-1000=64536=FC18H

ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH；T0中斷硬件入口地址

AJMP PT0INT；跳到中斷服務(wù)程序

ORG 0030H

MAIN： MOV TMOD，#01H；中斷方式

MOV TL0，#18H；計(jì)數(shù)初值

MOV TH0，#0FCH SETB EA；開放總中斷

SETB ET0；開放T0中斷

SETB TR0；啟動(dòng)定時(shí)器

HERE： SJMP HERE；等待中斷，相當(dāng)于執(zhí)行其它任務(wù)

PT0INT： MOV TL0，#18H;中斷服務(wù)程序；置初值

MOV TH0，#0FCH CPL P1.0；取反，產(chǎn)生方波

RETI；中斷返回例

P1.7驅(qū)動(dòng)LED亮1秒滅1秒地閃爍，設(shè)時(shí)鐘頻率為12MHz。

長定時(shí)方法：增加一個(gè)軟件計(jì)數(shù)器（如R7)，記錄中斷次數(shù)，計(jì)滿n個(gè)中斷為1秒。

ORG 0000H AJMP MAIN ORG 001BH AJMP PT1INT ORG 0030HSTART：MOVR7,#00H

MOVTMOD，#10H MOVTL1，#0F0H MOVTH1，#0D8HSETB EA SETB ET1 SETB TR1HERE：SJMPHEREPT1INT:MOVTL1，#0F0H MOVTH1，#0D8H INCR7CJNER7,#10,PENDMOVR7,#00HCPLP1.7PEND:RETI例

定時(shí)器外部引腳T0(T1)用作外部中斷信號(hào)輸入端。外部負(fù)脈沖引起中斷請(qǐng)求，選計(jì)數(shù)方式，時(shí)間常數(shù)為FFH。

例：門控方式測(cè)量正脈沖寬度

解：INT1引腳輸入被檢測(cè)信號(hào)，記錄在正脈沖的時(shí)間內(nèi)包含機(jī)器脈沖個(gè)數(shù)。

設(shè)脈寬小于65.5ms

等待查詢INT0，正脈沖過后，讀出TH1TL1。START： MOVTMOD，#90H MOVTL1，#00H MOVTH1，#00HWAIT1： JB P3.3，WAIT1 SETBTR1WAIT2：JNB P3.3，WAIT2WAIT3：JB P3.3，WAIT3 CLR TR1 MOV R2，TL1 MOV R3，TH1 …TR1=1 T1啟動(dòng)TR1=0 T1停止INT1一、中斷系統(tǒng)——重要指標(biāo)日常生活中的中斷與計(jì)算機(jī)中斷的比較：

某人看書 執(zhí)行主程序 日常事務(wù)電話鈴響 中斷信號(hào)如INT=0 中斷請(qǐng)求暫停看書

暫停執(zhí)行主程序中斷響應(yīng)書中作記號(hào)當(dāng)前PC入棧 保護(hù)斷點(diǎn)電話談話 執(zhí)行中斷程序 中斷服務(wù)繼續(xù)看書 返回主程序 中斷返回日常事務(wù)程序中斷服務(wù)程序2.5中斷系統(tǒng)

2.5.1

中斷概念

所謂“中斷”，是指CPU執(zhí)行正常程序時(shí)，系統(tǒng)中出現(xiàn)特殊請(qǐng)求，CPU暫時(shí)中止當(dāng)前的程序，轉(zhuǎn)去處理更緊急的事件，處理完畢后，CPU返回原程序的過程。中斷與子程序的最主要區(qū)別：子程序是預(yù)先安排好的；中斷是隨機(jī)發(fā)生的。二、中斷的定義，與子程序的區(qū)別三、MCS-51中斷系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.5.2

中斷系統(tǒng)控制

一、中斷控制寄存器1.中斷標(biāo)志位：TF1、TF0、IE1、IE0、RI、TI登記各中斷源請(qǐng)求信號(hào)：=1，有中斷請(qǐng)求；=0，無中斷請(qǐng)求。CPU響應(yīng)中斷后,該中斷標(biāo)志自動(dòng)清零。TI，RI標(biāo)志必須軟件清零。2.外部中斷觸發(fā)方式選擇位：IT0、IT1=1：負(fù)邊沿觸發(fā)中斷請(qǐng)求；=0：低電平觸發(fā)中斷請(qǐng)求。二、

中斷允許寄存器

中斷允許控制位：EA、ES、ET1、EX1、ET0、EX0=1開中斷；=0關(guān)中斷。例：允許CPU響應(yīng)INT0的中斷請(qǐng)求

SETBEX0 SETBEA 三、

中斷優(yōu)先寄存器中斷優(yōu)先級(jí)控制位：PS、PT1、PX1、PT0、PX02級(jí)優(yōu)先級(jí)：=1為高優(yōu)先級(jí)，=0為低優(yōu)先級(jí)。同一優(yōu)先級(jí)別按內(nèi)部查詢順序排列優(yōu)先級(jí)：高INT0、T0、INT1、T1、SIO低。2.5.3

中斷響應(yīng)和中斷返回

一、中斷響應(yīng)周期時(shí)序

每個(gè)機(jī)器周期采樣中斷標(biāo)志位，若有中斷請(qǐng)求，將在下一個(gè)機(jī)器周期按優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行中斷查詢。

二、各中斷源中斷服務(wù)程序的入口地址

三、中斷響應(yīng)阻斷

1.當(dāng)CPU未執(zhí)行完一條指令。2．當(dāng)有同級(jí)或高級(jí)中斷服務(wù)。3．執(zhí)行RETI指令或訪問IE、IP的指令后，不能立即響應(yīng)中斷。

四、中斷返回中斷返回指令：RETI=RET指令+通知CPU中斷服務(wù)已結(jié)束。中斷響應(yīng)時(shí)間：正常中斷響應(yīng)時(shí)間至少為3～8個(gè)機(jī)器周期，如果有同級(jí)或高級(jí)中斷服務(wù)，將延長中斷響應(yīng)時(shí)間。2.5.4

中斷處理過程（基本理解的要求）一、中斷響應(yīng)條件1．有中斷請(qǐng)求信號(hào)2.系統(tǒng)處于開中斷狀態(tài)二、中斷響應(yīng)過程1．保護(hù)斷點(diǎn)：將斷點(diǎn)地址壓入堆棧保存，即當(dāng)前PC值入棧。2．尋找中斷源：中斷服務(wù)程序硬件入口?PC，轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)。3．中斷處理：執(zhí)行中斷源所要求的程序處理段。4．中斷返回：執(zhí)行RETI指令，棧頂內(nèi)容?PC，程序跳轉(zhuǎn)回?cái)帱c(diǎn)處。

2.5.5

多中斷源系統(tǒng)當(dāng)外部中斷源多于中斷輸入引腳時(shí)，可采取以下措施：1.用定時(shí)器計(jì)數(shù)輸入信號(hào)端T0、T1作外部中斷入口引腳2.用串行口接收端RXD作外部中斷入口引腳3.用一個(gè)中斷入口接受多個(gè)外部中斷源，并加入中斷查詢電路。

2.5.6

處理外部中斷舉例要求每次按動(dòng)按鍵，使外接發(fā)光二極管LED改變一次亮滅狀態(tài)。解：INT0輸入按鍵信號(hào)，P1.0輸出改變LED狀態(tài)。一、跳變觸發(fā)：每次跳變引起一次中斷請(qǐng)求

ORG 0000H

AJMPMAIN ORG 0003H ；中斷入口 AJMP PINT0 ORG 0100H ；主程序MAIN：SETB EA ；開總允許開關(guān)

SETB EX0 ；開INT0中斷

SETB IT0；負(fù)跳變觸發(fā)中斷Here：SJMP Here；相當(dāng)于執(zhí)行其