單片機(jī)第2章課件

第2章MCS-51單片機(jī)硬件與系統(tǒng)擴(kuò)展2.1MCS-51外部引腳2.2P0、P1、P2、P3口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及使用2.3單片機(jī)內(nèi)部硬件資源2.4時(shí)鐘與復(fù)位電路2.5單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展2.6習(xí)題

對(duì)于硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，掌握單片機(jī)硬件資源是十分重要的，只有熟悉了單片機(jī)的硬件“家底”，才能合理安排、正確使用現(xiàn)有資源，并做到物盡其用。MCS-51單片機(jī)是美國Intel公司的產(chǎn)品，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)常常選用美國ATMEL公司的產(chǎn)品，如AT89C51/52（40腳）和AT89C2051（20腳）。ATMEL公司AT系列單片機(jī)相當(dāng)于Intel公司單片機(jī)的Flash版本，兩者硬件結(jié)構(gòu)相同，指令兼容，但Flash版本可以使程序的修改、調(diào)整更加方便，所以ATMEL公司的產(chǎn)品幾乎成了MSC-51系列單片機(jī)的主流。2.1MCS-51外部引腳AT89C51/52的外部有40個(gè)腳（與8051/8751相同，如圖2-1所示），這些管腳根據(jù)功能可以將它們分成三大組：2．與外部電路聯(lián)絡(luò)的腳（32個(gè)腳）P0：在擴(kuò)展時(shí)作為數(shù)據(jù)總線/地址低8位線，擴(kuò)展不用時(shí)可以作為用戶I/O線。P1：僅作用戶I/O口。P2：在擴(kuò)展時(shí)作為地址高8位線，擴(kuò)展不用時(shí)作為用戶I/O線。P3：首先保證第二功能（如表2-1所示），若第二功能不用，則可作為用戶I/O線。

3．控制腳（3個(gè)腳）（1）/VPP（31腳）：為片內(nèi)、片外ROM選擇控制腳，具體如圖2-2所示，早期的8031等內(nèi)部沒有ROM，故使用時(shí)接地，目前AT89C51/52內(nèi)部均有ROM（Flash），所以使用時(shí)直接接VCC。對(duì)于EPROM型單片機(jī)（如8751），在編程期間該腳用于提供編程電壓（VPP）。圖2-2MCS-51程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)（3）（29腳）：片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效。當(dāng)從外部程序存儲(chǔ)器讀取指令或常數(shù)期間，每個(gè)機(jī)器周期該信號(hào)兩次有效，以通過數(shù)據(jù)總線P0口讀回指令或常數(shù)。要注意的是該腳與外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀、寫無關(guān)。用于控制的腳其實(shí)還有P3口的、，它們用于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及I/O的讀、寫控制。盡管控制線數(shù)量不多，但在應(yīng)用系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)著十分重要的角色，在系統(tǒng)擴(kuò)展部分我們可以體會(huì)這一點(diǎn)。2.2P0、P1、P2、P3口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及使用2.2.1P0口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及使用特點(diǎn)由圖2-3可見，電路中包含一個(gè)數(shù)據(jù)輸出鎖存器、兩個(gè)三態(tài)數(shù)據(jù)輸入緩沖器、一個(gè)數(shù)據(jù)輸出的驅(qū)動(dòng)電路和一個(gè)輸出控制電路。當(dāng)對(duì)P0口進(jìn)行寫操作時(shí)，由鎖存器和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成數(shù)據(jù)輸出通路。由于通路中已有輸出鎖存器，因此數(shù)據(jù)輸出時(shí)可以與外設(shè)直接連接，而不需再加數(shù)據(jù)鎖存電路。圖2-3P0口一位結(jié)構(gòu)圖在P0口的內(nèi)部有一個(gè)多路轉(zhuǎn)接電路MUX，在控制信號(hào)的作用下，多路轉(zhuǎn)接電路可以分別接通鎖存器輸出或地址/數(shù)據(jù)線，使P0口作為外部擴(kuò)展時(shí)的數(shù)據(jù)總線/兼地址低8位線。另外，P0口結(jié)構(gòu)的一大特點(diǎn)（不同于P1、P2、P3口）為輸出電路是漏極開路電路，當(dāng)P0口進(jìn)行一般的I/O輸出時(shí)必須外接上拉電阻才能有高電平輸出。當(dāng)P0口進(jìn)行一般的I/O輸入時(shí)，必須先向電路中的鎖存器寫入“1”，使場(chǎng)效應(yīng)管V2截止，以避免V2導(dǎo)通對(duì)引腳讀入的影響。2.2.3P2口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及使用特點(diǎn)如圖2-5所示，P2口電路比P1口電路多了一個(gè)多路轉(zhuǎn)接電路MUX，這又正好與P0口一樣。P2口可以作為通用I/O口使用，這時(shí)多路轉(zhuǎn)接電路開關(guān)倒向鎖存器Q端，同時(shí)又可作為高位地址線使用，此時(shí)多路轉(zhuǎn)接電路開關(guān)應(yīng)倒向“地址”位置。圖2-5P2口一位結(jié)構(gòu)圖2.2.4P3口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及使用特點(diǎn)P3口的特點(diǎn)在于，為適應(yīng)引腳信號(hào)第二功能的需要，增加了第二功能控制邏輯。由于第二功能信號(hào)有輸入和輸出兩類，因此分兩種情況說明，結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。對(duì)于第二功能為輸出的信號(hào)引腳，當(dāng)作為I/O使用時(shí)，第二功能信號(hào)引線應(yīng)保持高電平，與非門開通，以維持從鎖存器到輸出端數(shù)據(jù)輸出通路的暢通。圖2-6P3口一位結(jié)構(gòu)圖對(duì)于第二功能為輸入的信號(hào)引腳，在口線的輸入通路上增加了一個(gè)緩沖器，輸入的第二功能信號(hào)就從這個(gè)緩沖器的輸出端取得。而作為I/O使用的數(shù)據(jù)輸入，仍取自三態(tài)緩沖器的輸出端。不管是作為輸入口使用還是第二功能信號(hào)輸入，輸出電路中的鎖存器輸出和第二功能輸出信號(hào)線都應(yīng)保持高電平。P3口作為輸入使用時(shí)，也必須先寫“1”，讓輸出電路的場(chǎng)效應(yīng)管截止。

圖2-7驅(qū)動(dòng)LED電路

圖2-7驅(qū)動(dòng)LED電路（續(xù)）2．驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)例繼電器的驅(qū)動(dòng)，從電平角度來說也有高電平驅(qū)動(dòng)和低電平驅(qū)動(dòng)兩種，但實(shí)際使用的繼電器的工作電壓都是9V、12V甚至更高，所以除了考慮驅(qū)動(dòng)電流是否足夠（繼電器所需的驅(qū)動(dòng)電流可用繼電器的標(biāo)稱工作電壓除以標(biāo)稱電阻來估算，常見的大約在40mA～60mA，所以不管哪種結(jié)構(gòu)都需要三極管等電流放大電路）外，還要考慮低電平、高電平哪種驅(qū)動(dòng)更容易實(shí)現(xiàn)。

（a）（b）

（c）圖2-8驅(qū)動(dòng)繼電器電路3．光耦器件的接口電路單片機(jī)應(yīng)用在強(qiáng)電系統(tǒng)時(shí)，為提高抗干擾能力，隔離輸出級(jí)帶來的干擾和不安全性，常常使用光耦器件作為接口，常用光耦器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-9所示。圖2-9常用光耦內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.3單片機(jī)內(nèi)部硬件資源圖2-11是MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，從圖中可以看出，單片機(jī)內(nèi)部主要包括：圖2-11單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖（1）一個(gè)8位CPU（含運(yùn)算器、控制器）。（2）一個(gè)片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。（3）片內(nèi)存儲(chǔ)器（RAM和ROM，AT89C系列是Flash）。（4）特殊功能寄存器（SFR）。（5）4個(gè)8位并行I/O口（P0、P1、P2、P3）。（6）一個(gè)全雙工可編程串行口。（7）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷系統(tǒng)。2.3.1片內(nèi)程序存儲(chǔ)器在MCS-51單片機(jī)系列中，8031、8032內(nèi)部沒有程序存儲(chǔ)器，8051/8751/AT89C51內(nèi)部有4K的程序存儲(chǔ)器，8052/8752/AT89C52內(nèi)部有8K的程序存儲(chǔ)器。程序存儲(chǔ)器有不同版本，有些是ROM，如8051/8052等；有些是EPROM，如8751/8752等；有些是Flash，如AT89C51/AT89C52等。程序存儲(chǔ)器主要用來存放程序，同時(shí)也常常用來存放數(shù)據(jù)表格（通過DB指令建立數(shù)碼管字型表等），在具體存放程序和建立數(shù)據(jù)表格時(shí)應(yīng)該注意，程序存儲(chǔ)器的部分空間的使用是有規(guī)定的，主要如下。在上述入口地址區(qū)域不能放置用戶的程序和建立數(shù)據(jù)表格，原因是：由于兩個(gè)中斷入口地址間僅有8個(gè)單元（如0003H到000BH），用來存放中斷發(fā)生后的用戶程序（一般稱中斷服務(wù)程序）顯然是不夠的，我們將中斷服務(wù)程序放在程序存儲(chǔ)器的其他“自由”空間，在這些入口地址放一條跳轉(zhuǎn)指令（如：LJMPXXXX，其中“XXXX”就是實(shí)際中斷服務(wù)程序的起始地址或標(biāo)號(hào)），由這條跳轉(zhuǎn)指令去“找到”實(shí)際的中斷服務(wù)程序。2.3.2片內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器圖2-12是單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖，對(duì)于8031/8051/8751/AT89C51，內(nèi)部有128B（00H～7FH）的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，80H地址以上的空間離散分布著SFR（特殊功能寄存器），沒有用戶可用的RAM；對(duì)于8032/8052/8752/AT89C52，內(nèi)部有256B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，00H～7FH的單元與8051等相同，但在80H地址以上的空間則既有SFR（采用寄存器或直接尋址），同時(shí)也有用戶可用的RAM（采用寄存器間接尋址）。

圖2-12內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)1．通用工作寄存器區(qū)地址00H～1FH的空間為通用工作寄存器區(qū)，32個(gè)單元又可以分成4個(gè)組，分別如下。（1）00H～07H：工作寄存器0組，符號(hào)為R0～R7。（2）08H～0FH：工作寄存器1組，符號(hào)為R0～R7。（3）10H～17H：工作寄存器2組，符號(hào)為R0～R7。（4）18H～1FH：工作寄存器3組，符號(hào)為R0～R7。上述4個(gè)組的寄存器符號(hào)都為R0～R7，也就是說，一個(gè)符號(hào)（如R0）可以對(duì)應(yīng)4個(gè)單元（如00H、08H、10H、18H），使用時(shí)是否會(huì)混淆呢？當(dāng)然不會(huì)，因?yàn)樵谑褂玫娜魏螘r(shí)候只能選中一個(gè)組，到底使用哪個(gè)組，由特殊功能寄存器PSW來指定（見SFR部分介紹）。2．位尋址區(qū)什么是位尋址區(qū)呢？可以這么來理解，這些區(qū)除了每個(gè)單元都有確定的單元地址外，單元內(nèi)的8位數(shù)的每個(gè)位置也有地址。要理解這點(diǎn)我們不妨打個(gè)比方：一個(gè)單元好像一間宿舍，單元的地址對(duì)應(yīng)宿舍的房間號(hào)，而位則對(duì)應(yīng)宿舍內(nèi)的床，位地址正好對(duì)應(yīng)床鋪號(hào)，位尋址區(qū)的地址如表2-2所示。單元地址MSB位地址LSB2FH7F7E7D7C7B7A79782EH77767574737271702DH6F6E6D6C6B6A69682CH67666564636261602BH5F5E5D5C5B5A59582AH575655545352515029H4F4E4D4C4B4A494828H474645444342414027H3F3E3D3C3B3A393826H373635343332313025H2F2E2D2C2B2A292824H272625242322212023H1F1E1D1C1B1A191822H171615141312111021H0F0E0D0C0B0A090820H0706050403020100位尋址區(qū)比普通用戶RAM相比具有的優(yōu)點(diǎn)是，它具有位尋址功能，常常用來做標(biāo)記，同時(shí)利用位操作功能可以使程序更加簡單，除了位尋址區(qū)有位地址之外，特殊功能寄存（SFR）中地址末位是0H或8H的12個(gè)單元也有位地址。在使用位地址時(shí)，容易與單元地址混淆，如地址“20H”，既可以理解成單元的地址，也可以理解成24H單元中的一個(gè)位地址（見表2-2倒數(shù)第5行），具體是指單元地址還是位地址，除了看文字表述外，在指令中看指令的類型和含義就可知道了。3．用戶RAM區(qū)30H～7FH之間是普通的用戶RAM。對(duì)于8032/8052/8752/AT89C52還包括80H～FFH空間，這里的單元沒有通用寄存器中的符號(hào)（即具有寄存器尋址功能），也沒有位尋址區(qū)中的位地址，每個(gè)單元只有一個(gè)特定的地址與之相對(duì)應(yīng)。需要強(qiáng)調(diào)的是，30H～7FH可以采用直接尋址和寄存器間接尋址，而80H～FFH只能通過寄存器間接尋址，不能采用直接尋址。4．特殊功能寄存器區(qū)特殊功能寄存器簡稱SFR（SpecialFunctionRegister），在單片機(jī)中扮演著十分重要的角色。它們離散地分布在地址為80H～FFH的空間中，特殊功能寄存器地址表如表2-3所示，這里先介紹幾個(gè)常用的特殊功能寄存器，其余的在相關(guān)章節(jié)應(yīng)用時(shí)介紹。

（1）累加器ACC（E0H）：累加器ACC（Accumulator）為8位寄存器，助記符記作A，是最常用、最繁忙的專用寄存器，所有的運(yùn)算結(jié)果最終都放在ACC中，許多功能的實(shí)現(xiàn)必須由A來完成，如與外部RAM的數(shù)據(jù)傳送等。（2）寄存器B（F0H）：寄存器B是一個(gè)專門為乘法、除法運(yùn)算設(shè)置的，在乘法、除法運(yùn)算中由A和B來完成，所以寄存器B又稱為乘法除法寄存器。（3）程序狀態(tài)寄存器PSW（D0H）：PSW（ProgramStatusWord）用來存放程序運(yùn)行后的各種標(biāo)志或狀態(tài)，供程序查詢或判斷用。內(nèi)部8位的具體定義如下：D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCyACF0RS1RS0OVF1PCy（PSW.7）——進(jìn)位標(biāo)志位。Cy是PSW中最常用的標(biāo)志位。其功能有二：一是存放算術(shù)運(yùn)算的進(jìn)位標(biāo)志，在進(jìn)行加或減運(yùn)算時(shí)，如果操作結(jié)果的最高位有進(jìn)位或借位時(shí)，Cy由硬件置“1”，否則被清“0”；二是在位操作中，作累加位使用。AC（PSW.6）——輔助進(jìn)位標(biāo)志位。在進(jìn)行加減運(yùn)算中，當(dāng)?shù)?位向高4位進(jìn)位或借位時(shí)，AC由硬件置“1”，否則AC位被清“0”。在BCD碼調(diào)整中也要用到AC位狀態(tài)。F0（PSW.5）——用戶標(biāo)志位。這是一個(gè)供用戶定義的標(biāo)志位，需要利用軟件方法置位或復(fù)位，用以控制程序的轉(zhuǎn)向。RS1和RS0（PSW.4，PSW.3）——寄存器組選擇位。它們被用于選擇CPU當(dāng)前使用的通用寄存器組號(hào)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2-4所示。RS1RS0寄存器組片內(nèi)RAM地址00第0組00H～07H01第1組08H～0FH10第2組10H～17H11第3組18H～1FH表2-4寄存器組選擇表OV：做加法或減法時(shí)，由硬件置位或清零，以指示運(yùn)算結(jié)果是否溢出。OV=1反映運(yùn)算結(jié)果超出了累加器的數(shù)值范圍（無符號(hào)數(shù)的范圍為0～255，以補(bǔ)碼形式表示一個(gè)有符號(hào)數(shù)的范圍為-128～+127）。進(jìn)行無符號(hào)數(shù)的加法或減法時(shí)，OV的值與進(jìn)位位C的值相同；進(jìn)行有符號(hào)數(shù)的加法時(shí)，如最高位、次高位之一有進(jìn)位，或做減法時(shí)，如最高位、次高位之一有借位，OV被置位，即OV的值為最高位和次高位的異或（C7⊕C6）。P（PSW.0）——奇偶標(biāo)志位。表明累加器A中內(nèi)容的奇偶性，如果A中有奇數(shù)個(gè)“1”，則P置“1”，否則置“0”。凡是改變累加器A中內(nèi)容的指令均會(huì)影響P標(biāo)志位。此標(biāo)志位對(duì)串行通信中的數(shù)據(jù)傳輸有重要的意義，在串行通信中常采用奇偶校驗(yàn)的辦法來校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。?）數(shù)據(jù)指針DPTR（83H、82H）：數(shù)據(jù)指針是單片機(jī)中唯一一個(gè)用戶可操作的16位寄存器。編程時(shí)，DPTR既可以按16位寄存器使用，也可以將兩個(gè)8位寄存器分開使用，即：DPH（83H） 代表DPTR高位字節(jié)DPL（82H） 代表DPTR低位字節(jié)DPTR通常在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、外部I/O端口時(shí)作地址指針使用（把地址賦值給DPTR），也在程序存儲(chǔ)器進(jìn)行查表時(shí)作基址，DPTR的尋址范圍為64KB（216）。（5）堆棧指針SP（81H）：堆棧操作是在內(nèi)存RAM區(qū)專門開辟出來的按照“先進(jìn)后出”原則進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的一種工作方式，主要用于子程序調(diào)用及返回、中斷處理斷點(diǎn)的保護(hù)及返回，它在完成子程序嵌套和多重中斷處理中是必不可少的。為保證逐級(jí)正確返回，進(jìn)入棧區(qū)的“斷點(diǎn)”數(shù)據(jù)應(yīng)遵循“先進(jìn)后出”的原則。SP用來指示堆棧所處的位置，在進(jìn)行操作之前，先用指令給SP賦值，以規(guī)定棧區(qū)在RAM區(qū)的起始地址（棧底層）。當(dāng)數(shù)據(jù)推入棧區(qū)后，SP的值也自動(dòng)隨之變化。MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位后，SP初始化為07H（在通用寄存器區(qū)0組R7），實(shí)際編程時(shí)，最好先將SP設(shè)置到RAM地址的高端，如對(duì)于8031/8051/8751/AT89C51等，設(shè)置在60H以上。對(duì)于8032/8052/8752/AT89C52則設(shè)置成A0H等。如SP不在RAM地址的高端，則很容易破壞用戶放在RAM中的臨時(shí)數(shù)據(jù)，程序調(diào)試時(shí)，這種錯(cuò)誤相對(duì)比較隱蔽，不太容易被發(fā)現(xiàn)。綜上所述，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以用表2-5表示。表2-5MCS-51片內(nèi)RAM結(jié)構(gòu)地址范圍功能或名稱80H～FFHSFR、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)30H～7FH數(shù)據(jù)緩沖區(qū)20H～2FH位尋址區(qū)18H～1FH工作寄存器3組，R0～R710H～17H工作寄存器2組，R0～R708H～0FH工作寄存器1組，R0～R700H～07H工作寄存器0組，R0～R7（6）程序計(jì)數(shù)器PC：PC（ProgramCounter）是一個(gè)16位專用寄存器，可尋址范圍是0000H～0FFFFH，共64KB。PC用于存放CPU下一條要執(zhí)行的指令地址，CPU要執(zhí)行哪條指令時(shí)，就把該條指令所在的單元的地址送上地址總線。在順序執(zhí)行程序中，當(dāng)PC的內(nèi)容被送到地址總線后會(huì)自動(dòng)加1，即(PC)←(PC)+1，又指向CPU下一條要執(zhí)行的指令地址。需要注意的是用戶無法通過指令改變PC中的數(shù)值，也即PC是不可操作的。2.4.1時(shí)鐘與時(shí)序1．時(shí)鐘單片機(jī)內(nèi)部每個(gè)部件要想?yún)f(xié)調(diào)一致地工作，必須在統(tǒng)一口令——時(shí)鐘信號(hào)的控制下工作。單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)有兩種產(chǎn)生方式，即內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。圖2-13（a）是內(nèi)部時(shí)鐘方式：單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端，這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶振一起構(gòu)成自激振蕩器。在該圖中，電容C1和C2取30pF左右，晶體的振蕩頻率范圍是1.2MHz～12MHz（AT89C51/52最高工作頻率達(dá)24MHz），晶體振蕩頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)運(yùn)行速度也就快。在通常應(yīng)用情況下，MCS-51單片機(jī)使用振蕩頻率為6MHz或12MHz，在通信系統(tǒng)中則常用11.0592MHz，這樣可使誤差最小。

圖2-13（b）是外部時(shí)鐘方式：時(shí)鐘信號(hào)來自外部的振蕩電路（大多數(shù)情況是來自另外單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)，以保持多片CPU工作同步），外接的TTL門電路和上拉電阻對(duì)波形進(jìn)行波整形。需要說明的是，對(duì)于CHMOS的單片機(jī)（如80C51），外部時(shí)鐘的引入方法有些不同，即信號(hào)引到XTAL1，而XTAL2則懸空（NC）。（a）內(nèi)部時(shí)鐘方式（b）外部時(shí)鐘方式圖2-13時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生方式2．時(shí)序每執(zhí)行一條指令，CPU的控制器就要發(fā)出一系列特定的控制信號(hào)，這些信號(hào)在時(shí)間上有嚴(yán)格的順序，我們稱之為時(shí)序。在此我們先來講述幾個(gè)與時(shí)鐘信號(hào)有關(guān)的周期的概念。（1）時(shí)鐘周期：所謂時(shí)鐘周期，就是時(shí)鐘頻率的倒數(shù)，即1/fosc，如選用6MHz晶振時(shí)，時(shí)鐘周期為1/6μs。（2）狀態(tài)周期：是振蕩頻率經(jīng)過片內(nèi)二分頻后的信號(hào)周期，也即等于2倍的時(shí)鐘周期，表示為2/fosc。（3）機(jī)器周期：是機(jī)器完成一個(gè)基本操作所需的時(shí)間，一個(gè)機(jī)器周期由6個(gè)狀態(tài)周期組成，從數(shù)量上等于12/fosc。機(jī)器周期是非常重要的概念，在以后與時(shí)間有關(guān)的計(jì)算中，我們可以看到都是以機(jī)器周期為基本單位的。（4）指令周期：是指機(jī)器完成一條指令所需的時(shí)間，由于指令功能的不同，完成所需要的時(shí)間也就不同，指令周期在1～4倍的機(jī)器周期內(nèi)，如選用12MHz晶振時(shí)，最快的指令只需要1μs時(shí)間（12/fosc）。圖2-14、圖2-15給出了單片機(jī)在部分操作時(shí)的時(shí)序。圖2-14MCS-51的取指/執(zhí)行時(shí)序圖2-15讀ROM時(shí)的時(shí)序2.4.2復(fù)位單片機(jī)復(fù)位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個(gè)確定的初始狀態(tài)，例如復(fù)位后PC=0000H，使單片機(jī)從0000H單元取指令開始運(yùn)行。單片機(jī)復(fù)位的條件是：必須使RST/VPD（9腳）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。復(fù)位包括上電復(fù)位（相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的冷啟動(dòng)）、手動(dòng)復(fù)位（相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的熱啟動(dòng)）和自動(dòng)復(fù)位。在無人值守的系統(tǒng)中往往需要死機(jī)后的自動(dòng)復(fù)位，即采用看門狗技術(shù)的自動(dòng)復(fù)位。在PIC等單片機(jī)中，芯片已經(jīng)內(nèi)置看門狗，MCS-51則需要外接看門狗專用芯片來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位。圖2-16、圖2-17分別給出了上述三種復(fù)位電路，對(duì)于看門狗復(fù)位電路，必須由軟件配合才能正常工作。在MCS-51單片機(jī)系列中，8031、8032內(nèi)部沒有程序存儲(chǔ)器，8051/8751/AT89C51內(nèi)部有4K的程序存儲(chǔ)器，8052/8752/AT89C52內(nèi)部有8K的程序存儲(chǔ)器。（a）上電復(fù)位（b）手動(dòng)復(fù)位圖2-16上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位圖2-17看門狗（自動(dòng)）復(fù)位2.3.1片內(nèi)程序存儲(chǔ)器復(fù)位后機(jī)器將從初始狀態(tài)開始工作，各主要寄存器狀態(tài)也被復(fù)位，具體如下。其中：*表示無關(guān)位。RAM中的數(shù)據(jù)，若是上電復(fù)位則是隨機(jī)的，若是手動(dòng)復(fù)位或看門狗復(fù)位，則保持不變。2.5單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展單片機(jī)本身已經(jīng)包含了RAM、ROM（部分8031/8032沒有）和I/O端口等，因此從某種意義上說，單個(gè)芯片加上振蕩、復(fù)位就可以構(gòu)成一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。然而在很多時(shí)候，僅有這些資源還不能滿足實(shí)際要求，比如，在一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，128B的RAM（除了寄存器實(shí)際能用的不到128B）是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求的，這樣，在單片機(jī)的外部需要另外構(gòu)建新的RAM系統(tǒng)，所做的這些工作稱為系統(tǒng)擴(kuò)展。系統(tǒng)擴(kuò)展一般包括RAM、ROM、I/O的擴(kuò)展，當(dāng)選用AT89C51/52等時(shí)，ROM的擴(kuò)展往往可以省卻。在一個(gè)實(shí)際的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，其硬件部分可以包括兩大部分：基本部分（又稱最小系統(tǒng)）和擴(kuò)展部分。基本部分是任何一個(gè)系統(tǒng)所必需的，電路結(jié)構(gòu)上沒多少變化；擴(kuò)展部分是根據(jù)具體要實(shí)現(xiàn)的功能來設(shè)計(jì)的，目前這方面的資料很多，只要掌握其基本原理和方法，結(jié)合現(xiàn)有資料，經(jīng)過分析、取舍、修改，硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也就變得簡單了。2.5.1基本部分的組成圖2-18最小系統(tǒng)（1）電源電路：因?yàn)閱纹瑱C(jī)是比較復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，要求電源電壓穩(wěn)定、紋波系數(shù)小，在有電機(jī)控制的系統(tǒng)中一定要消除電機(jī)工作時(shí)對(duì)電源的干擾，以免系統(tǒng)不穩(wěn)，如電機(jī)單獨(dú)供電。目前大多數(shù)單片機(jī)工作電壓都是5V，所以電源部分設(shè)計(jì)常用7805穩(wěn)壓，并配以充足的濾波電容。（2）復(fù)位電路：如前所述，根據(jù)不同場(chǎng)合及要求進(jìn)行選擇。（3）晶振電路：如前所述，可以用內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式，一般獨(dú)立系統(tǒng)都采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。（4）帶ROM的CPU：MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)常選用ATMEL公司的產(chǎn)品，如AT89C51/52/2051等?；静糠值目驁D如圖2-18所示。圖2-18最小系統(tǒng)2.5.2系統(tǒng)的擴(kuò)展當(dāng)單片機(jī)自身的硬件資源不夠用時(shí)，必須采用擴(kuò)展的辦法來滿足實(shí)際要求，系統(tǒng)擴(kuò)展的任務(wù)實(shí)際是用三組總線（數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線）將外部的芯片或電路與CPU連起來構(gòu)成一個(gè)整體，在程序的控制下完成CPU與外部芯片或電路之間的數(shù)據(jù)傳送、信息的獲取和行為控制等。系統(tǒng)擴(kuò)展主要依靠CPU的P0、P1、P2、P3及其他控制線，具體方法如下。（1）數(shù)據(jù)總線的連接方法：CPURAMROMI/OP0.0～P0.7<——————>對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)線（2）地址總線的連接：分為低8位和高8位（高8位很多時(shí)候沒有全部用掉）。鎖存器CPURAMROM低8位P0.0～P0.7——>對(duì)應(yīng)的地址低8位線高8位P2.0～2.7——————>對(duì)應(yīng)的地址高8位線（3）控制線的連接方法：CPURAMROM——————>——————>——————————————>ALE——————>鎖存器的控制腳注：I/O的地址線和控制線在后面的I/O擴(kuò)展例子中說明。上面的規(guī)則可以用圖2-19來表示：圖2-19系統(tǒng)擴(kuò)展示意圖圖2-20RAM6116管腳圖2．RAM擴(kuò)展在很多場(chǎng)合，芯片內(nèi)部的RAM往往是不夠用的，所以擴(kuò)展RAM是我們常常要做的工作，下面介紹兩個(gè)例子?！纠?-1】6116的擴(kuò)展：在RAM、ROM的型號(hào)中隱含了重要的信息，后面二位或三位除以8就可得到它們的容量（單位是KB），如RAM6116，16/8KB=2KB=2×210B=211B，同時(shí)可以知道共有11（從211B而知）根地址線，可以記作A0、A1、…、A10。圖2-20是6116的管腳圖，I/On是數(shù)據(jù)總線。根據(jù)上述擴(kuò)展思想，可以畫出RAM6116與CPU的連接圖，如圖2-21所示。圖2-20RAM6116管腳圖圖2-21RAM6116擴(kuò)展圖芯片擴(kuò)展完后，我們用地址表來分析RAM6116存儲(chǔ)器的地址，地址表的第1行是CPU提供的所有地址線：高8位地址（P2口提供）和低8位地址（P0口提供）；第2行是RAM6116對(duì)應(yīng)的地址線連接情況，其中沒連的用“x”表示；第3行是地址線變量取最小值（全部取“0”）的地址，也就是初始地址；第4行是地址線變量取最大值（全部取“1”）的地址，即末地址。由于“x”代表無關(guān)項(xiàng)，在取值時(shí)可以取“0”，也可以取“1”，所以理論上RAM6116的地址是非常多的，但盡管如此，在取值時(shí)，水平方向的“x”可以取不同值，而垂直方向必須取一致的值。為便于計(jì)算，常常將“x”全部取“0”或者全部取“1”。在表2-6中，我們將“x”全部取“1”，形成的地址范圍是：7800H～7FFFH。表2-66116地址表P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0xxxxA10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A00xxxx000000000000xxxx11111111111在小上面例子中，是芯片的片選端，對(duì)多數(shù)芯片是低電平選中（看符號(hào)上有沒有一橫，有就說明是低電平選中）。在系統(tǒng)擴(kuò)展過程中，片選端的處理是相對(duì)較難的，我們可以按照下面的方法處理：（1）同種芯片（RAM與I/O屬于同種）只有單個(gè)時(shí)，片選端直接接地或者接P2口多余的地址線。（2）同種芯片（RAM與I/O屬于同種）有多個(gè)時(shí)，片選端分別接到P2口多余的地址線，這種方法稱為“線選法”，也可以用剩余P2口的線進(jìn)行譯碼后分別接到芯片片選端，即“采用譯碼法”。（3）不同種（RAM與ROM屬于不同種）芯片的片選信號(hào)可以共用?！纠?-2】兩片6264的擴(kuò)展：根據(jù)以上所述，RAM6264的容量為64/8KB=8KB=213B，地址線為A12、A13、…、A0，其管腳如圖2-22所示。按照擴(kuò)展基本思想，兩片6264與CPU的連接圖如圖2-23所示。6264（1）、（2）片選端CS2都直接接VCC（+5V），6264（1）的接空余地址線P2.7，6264（2）的接空余地址線P2.6，采用的是線選法。從圖中可以分別列出它們的地址表格，如表2-7、表2-8所示。圖2-22RAM6264管腳圖圖2-23兩片RAM6264擴(kuò)展圖表2-76264（1）地址表表2-86264（2）地址表注意：在線選法計(jì)算地址的時(shí)候，盡管對(duì)于6264（1）來說，P2.6是與其無關(guān)的，但必須恒取“1”，見表2-7，因?yàn)樵谶x中芯片6264（1）時(shí)，6264（2）不能被選中，否則造成地址重疊，讀、寫時(shí)數(shù)據(jù)出錯(cuò)。同樣地，在表2-8中，P2.7必須恒取“1”。所以：芯片6264（1）的地址范圍為：7800H～7FFFH（x取“1”）。芯片6264（2）的地址范圍為：B800H～BFFFH（x取“1”）。線選法的優(yōu)點(diǎn)是不用增加額外器件，電路簡單，但芯片之間地址可能不連續(xù)（如例2-2，地址不連續(xù)會(huì)大大增加程序的難度），存儲(chǔ)空間也得不到充分利用。3．ROM擴(kuò)展由于目前的CPUAT89C51/52內(nèi)部已經(jīng)有了4KB/8KB的程序存儲(chǔ)器，所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)，ROM的擴(kuò)展很少碰到了，下面舉一個(gè)例子，主要為了說明片選端的“譯碼法”用法和地址計(jì)算，如圖2-24所示。圖2-24兩片ROM2764譯碼法擴(kuò)展圖芯片2764（1）的片選來自，片選為“0”時(shí)必須滿足“P2.7P2.6P2.5”=“000”（參考有關(guān)74LS138的功能表），所以地址表如表2-9所示。表2-92764（1）地址表所以：芯片2764（1）的地址為：0000H～1FFFH。芯片2764（2）的片選來自，片選為“0”時(shí)必須滿足“P2.7P2.6P2.5”=“001”（參考有關(guān)74LS138的功能表），所以地址表如表2-10所示。表2-102764（2）地址表所以芯片2764（2）的地址為：2000H～3FFFH。譯碼法硬件線路稍復(fù)雜，但可以充分利用地址空間，使地址能夠連續(xù)，采用全譯碼（指沒有空余的地址線，如例2-2）還可避免地址重疊現(xiàn)象，當(dāng)然部分譯碼因?yàn)檫€有其他線未參加譯碼，也會(huì)產(chǎn)生地址重疊現(xiàn)象。4．I/O端口擴(kuò)展單片機(jī)本身有P0、P1、P2、P3四個(gè)I/O端口，但在上面RAM、ROM的擴(kuò)展中發(fā)現(xiàn)，P0口已經(jīng)全部作為數(shù)據(jù)線/地址低8位，P2口做地址的高位使用了，P3口也用掉了部分線（、），所以在有RAM等擴(kuò)展的系統(tǒng)中，真正的I/O線已經(jīng)所剩無幾了，因此I/O擴(kuò)展也幾乎成了必做的工作。在實(shí)際I/O擴(kuò)展中，根據(jù)系統(tǒng)要求，可以將I/O擴(kuò)展分為簡單數(shù)字電路芯片（TTL、CMOS鎖存器、緩沖器電路）的I/O擴(kuò)展和相對(duì)復(fù)雜的可編程芯片（8255、8155）的擴(kuò)展，另外一種是比較特殊的利用單片機(jī)串行口的擴(kuò)展方法，將在第6章介紹。除了用串行口擴(kuò)展I/O外，其余兩種I/O擴(kuò)展都將占用外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址，因?yàn)樗鼈兣c外部RAM使用相同的地址線和相同的讀、寫控制線。（1）用簡單數(shù)字電路芯片的I/O擴(kuò)展可以