單片機(jī)原理及應(yīng)用（第二版） 課件 第2章 單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

第2章單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)2.1MCS-51系列單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2.2中央處理器(CPU)2.3存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)空間2.4并行I/O口及其結(jié)構(gòu)2.5時(shí)鐘電路與CPU時(shí)序2.6單片機(jī)的工作方式習(xí)題2

2.1MCS-51系列單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

2.1.1MCS-51單片機(jī)系列MCS-51系列單片機(jī)分為51子系列和52子系列。51子系列為基本型，主要有8031、8051、8751三種類(lèi)型；52子系列為增強(qiáng)型，主要有8032、8052、8752三種類(lèi)型。這兩大系列單片機(jī)的主要硬件配置如表2.1所示。

AT89系列單片機(jī)分為低檔型、標(biāo)準(zhǔn)型和高檔型三種。各種不同型號(hào)的單片機(jī)，其主要差別在于片內(nèi)的Flash程序存儲(chǔ)器的容量大小、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量大小、并行I/O端口線以及中斷源個(gè)數(shù)不同。其常用產(chǎn)品特性如表2.2所示。

其中，“AT”是前綴，“89CXXXX”是型號(hào)，型號(hào)之后的“XXXX”是后綴。各部分含義如下所示。

(1)前綴：“AT”表示該器件是Atmel公司的產(chǎn)品。

(2)型號(hào)：可能是“89C2051”、“89LV51”、“89S52”等。

(3)后綴：由“XXXX”四個(gè)參數(shù)組成，每個(gè)參數(shù)所表示的意義不同。

2.1.2MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能部件

1．MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)部由中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、輸入/輸出端口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)以及系統(tǒng)總線等構(gòu)成，通過(guò)系統(tǒng)總線把各個(gè)部分連接起來(lái)。AT89系列單片機(jī)和MCS-51系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)類(lèi)似，AT89S51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。圖2.1AT89S51內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

2．MCS-51系列單片機(jī)功能部件

1)中央處理器(CPU)

CPU是單片機(jī)的核心部件，是一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)的中央處理單元，主要負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，完成運(yùn)算功能并控制輸入/輸出等操作。

2)程序存儲(chǔ)器(ROM)

程序存儲(chǔ)器主要用于存放用戶程序、原始數(shù)據(jù)或表格等。

3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器主要用于存放運(yùn)算的中間結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)暫存及數(shù)據(jù)緩沖等。

4)定時(shí)/計(jì)數(shù)器

MCS-51系列單片機(jī)有兩個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，通過(guò)編程可作為定時(shí)器或計(jì)數(shù)器使用，并有四種不同的工作模式。

5)并行輸入/輸出(I/O)接口

單片機(jī)對(duì)外部電路進(jìn)行控制或交換信息是通過(guò)輸入/輸出(I/O)接口完成的，MCS-51系列單片機(jī)有四組8位的并行輸入/輸出(I/O)接口，分別為P0口、P1口、P2口和P3口，它們都是8位準(zhǔn)雙向口，每次可以并行輸入或輸出8位二進(jìn)制信息，也可以按位進(jìn)行輸入或輸出信息操作。

6)全雙工串行接口

MCS-51系列單片機(jī)有一個(gè)全雙工串行通信接口，用于與外部設(shè)備進(jìn)行串行信息傳送。該串行口可編程，有四種不同的工作模式，既可以作為異步通信收發(fā)器以與其他外部設(shè)備完成信息交換，也可以作為同步移位寄存器來(lái)擴(kuò)展I/O接口電路。

7)中斷系統(tǒng)

中斷是指CPU暫停正在執(zhí)行的程序轉(zhuǎn)而處理中斷服務(wù)程序，在執(zhí)行完中斷服務(wù)程序之后再回到原來(lái)正在執(zhí)行的程序繼續(xù)執(zhí)行。

8)時(shí)鐘電路

單片機(jī)各部件之間有條不紊地協(xié)調(diào)工作，其控制信號(hào)是在一種基本節(jié)拍的指揮下按一定的時(shí)間順序發(fā)出的，這些控制信號(hào)在時(shí)間上的相互關(guān)系就是CPU時(shí)序。而產(chǎn)生這種時(shí)序的電路就是振蕩器和時(shí)鐘電路。

9)內(nèi)部總線

總線是用于傳送信息的公共途徑。根據(jù)總線上傳送的信息的不同，MCS-51系列單片機(jī)的內(nèi)部總線可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。

2.1.3單片機(jī)外部引腳說(shuō)明

使用HMOS制造工藝的MCS-51系列單片機(jī)大部分采用40引腳雙列直插式封裝(DIP)。CHMOS制造工藝的單片機(jī)有兩種封裝形式：雙列直插式和方形PLCC封裝，MCS-51系列單片機(jī)引腳圖如圖2.2所示。

圖2.2MCS-51系列單片機(jī)引腳圖

1．主電源線

VCC(40引腳)：接+5V電源正端，正常操作和對(duì)EPROM編程及驗(yàn)證時(shí)均接+5V電源。

GND(20引腳)：接電源地端。

2．外接晶體線

XTAL1(19引腳)：接外部晶體振蕩器的一端。

3．I/O端口線

MCS-51系列單片機(jī)共有四組并行I/O端口P0～P3，每個(gè)端口都有8條端口線，共有32條I/O端口線，每個(gè)接口的功能和用途有一定的差別。

(1)?P0口(32～39引腳)：P0.0～P0.7統(tǒng)稱(chēng)為P0口，是一個(gè)8位漏極開(kāi)路型雙向I/O端口，其中P0.7為最高位。

(2)?P1口(1～8引腳)：P1.0～P1.7統(tǒng)稱(chēng)為P1口，是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向口，P1.7為最高位。

(3)?P2口(21～28引腳)：P2.0～P2.7統(tǒng)稱(chēng)為P2口，也是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向口，P2.7為最高位。

(4)?P3口(10～17引腳)：P3.0～P3.7統(tǒng)稱(chēng)為P3口，也是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向口，P3.7為最高位。

4.控制線

RST/VPD(9引腳)：?jiǎn)纹瑱C(jī)復(fù)位/備用電源引腳。該引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平就可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，使單片機(jī)恢復(fù)到初始狀態(tài)。

MCS-51系列單片機(jī)功能多但引腳少。許多引腳具有雙重功能。這種雙重功能的設(shè)置為單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。MCS-51系列單片機(jī)對(duì)外呈現(xiàn)三總線的形式，由P0口分時(shí)復(fù)用為8位數(shù)據(jù)總線，P0、P2構(gòu)成16位地址總線，由ALE、RST、、、

(P3.6)、(P3.7)等信號(hào)組成控制總線，MCS-51系列單片機(jī)總線結(jié)構(gòu)框圖如圖2.3所示。

圖2.3MCS-51系列單片機(jī)總線結(jié)構(gòu)框圖

2.2中央處理器(CPU)

2.2.1運(yùn)算器運(yùn)算器以算術(shù)邏輯單元(ALU)為核心，包括布爾處理器、累加器(ACC)、寄存器B、暫存器(TMP1、TMP2)、程序狀態(tài)字寄存器(PSW)等部件(見(jiàn)圖2.1)，用來(lái)完成數(shù)據(jù)的算術(shù)邏輯運(yùn)算、位變量處理和數(shù)據(jù)傳輸操作。

1．算術(shù)邏輯單元

ALU是由加法器和其他邏輯電路等組成的，是運(yùn)算器的核心部件，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)四則運(yùn)算和邏輯運(yùn)算、移位操作、位操作等。

2．累加器

ACC是一個(gè)8位寄存器，簡(jiǎn)稱(chēng)A，用來(lái)存放參與算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的一個(gè)操作數(shù)或運(yùn)算結(jié)果，是CPU執(zhí)行指令時(shí)使用最頻繁的寄存器。

3．寄存器B

寄存器B是一個(gè)8位寄存器，是為ALU進(jìn)行乘、除法運(yùn)算而設(shè)置的。

4．暫存器

TMP1、TMP2用于為ALU暫存兩個(gè)8位的二進(jìn)制操作數(shù)，對(duì)用戶不開(kāi)放。

5．程序狀態(tài)字寄存器

PSW是一個(gè)8位標(biāo)志寄存器，用來(lái)存放程序運(yùn)行中的各種狀態(tài)信息，以供程序查詢和判斷。PSW中各位的狀態(tài)通常是在操作過(guò)程中自動(dòng)形成的，也可以由用戶根據(jù)需要按位進(jìn)行操作。其各位的定義如下(PSW字節(jié)地址為D0H)：

其各位的定義如下(PSW字節(jié)地址為D0H)：

RS1、RS0狀態(tài)與工作寄存器組的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2.4所示。

6．布爾處理器(位處理器)

布爾處理器是MCS-51單片機(jī)ALU具有的一種功能。單片機(jī)指令系統(tǒng)中的17條位處理指令、存儲(chǔ)器中的位地址空間以及借用程序狀態(tài)寄存器中的進(jìn)位標(biāo)志位Cy作為位操作累加器，構(gòu)成了單片機(jī)的布爾處理器。它可對(duì)直接尋址的位變量進(jìn)行位處理，如置位、清零、取反以及邏輯與、或等操作，并可以方便地設(shè)置標(biāo)志等。

2.2.2控制器

控制器是對(duì)來(lái)自存儲(chǔ)器中的指令進(jìn)行譯碼，通過(guò)定時(shí)控制電路，在規(guī)定的時(shí)刻發(fā)出各種操作所需的全部?jī)?nèi)部和外部的控制信號(hào)，使各部分協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定的功能的器件?？刂破髦饕沙绦蛴?jì)數(shù)器(PC)、指令寄存器(IR)、指令譯碼器(ID)和定時(shí)控制邏輯電路等組成。

1．程序計(jì)數(shù)器

PC是一個(gè)16位的、具有自動(dòng)加1功能的寄存器，用來(lái)存放下一條將要執(zhí)行指令的ROM地址值。

2．指令寄存器

IR是一個(gè)8位的寄存器，用于存放CPU根據(jù)PC地址從ROM中讀出的指令操作碼，等待譯碼。

3．指令譯碼器

ID用于對(duì)指令寄存器中的指令進(jìn)行譯碼，將指令轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行此指令所需要的電信號(hào)。

4．定時(shí)控制邏輯電路

定時(shí)部件用于產(chǎn)生脈沖序列和多種節(jié)拍脈沖；控制邏輯根據(jù)指令譯碼器產(chǎn)生的操作信號(hào)，按一定時(shí)間順序發(fā)出一系列節(jié)拍脈沖控制信號(hào)來(lái)完成指令所規(guī)定的全部操作。

2.2.3專(zhuān)用寄存器組

專(zhuān)用寄存器也稱(chēng)為特殊功能寄存器(SFR)，主要用來(lái)指示當(dāng)前要執(zhí)行指令的內(nèi)存地址，存放特定的操作數(shù)，指示指令的運(yùn)行狀態(tài)等。MCS-51系列單片機(jī)共有21個(gè)特殊功能寄存器，離散地分布在片內(nèi)RAM的高128B地址中。前面介紹的A、B、PSW等都是特殊功能寄存器，但程序計(jì)數(shù)器不是特殊功能寄存器，不可訪問(wèn)。

2.3存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)空間

2.3.1存儲(chǔ)器空間MCS-51單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖如圖2.4所示。

圖2.4MCS-51單片機(jī)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖

在物理結(jié)構(gòu)上，MCS-51系列單片機(jī)有四個(gè)存儲(chǔ)空間，分別為

(1)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。

(2)片外程序存儲(chǔ)器。

(3)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

(4)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(包括I/O地址空間)。

從用戶使用角度，即從邏輯上看，MCS-51系列單片機(jī)有三個(gè)存儲(chǔ)空間，分別為

(1)片內(nèi)、外統(tǒng)一編址的64KB程序存儲(chǔ)器(0000H～0FFFFH)。

(2)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(包含128B的SFR空間80H～0FFH)。

(3)?64KB的片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(包括I/O地址空間)。

2.3.2程序存儲(chǔ)器

程序存儲(chǔ)器一般用于存放程序、表格和常數(shù)。MCS-51單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器空間最大為64KB(0000H～0FFFFH)，其地址指針為16位的程序計(jì)數(shù)器PC，程序存儲(chǔ)器的地址是連續(xù)、統(tǒng)一的。

2．程序存儲(chǔ)器中的特殊單元

MCS-51單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器中有一些特殊的存儲(chǔ)單元，這些存儲(chǔ)單元具有固定的用途，在使用中應(yīng)加以注意。這些存儲(chǔ)單元分別為

?0000H：?jiǎn)纹瑱C(jī)上電或復(fù)位后PC的值，即程序必須從該地址開(kāi)始執(zhí)行。

?0003H：外部中斷0入口地址。

?000BH：定時(shí)/計(jì)數(shù)器0溢出中斷入口地址。

?0013H：外部中斷1入口地址。

?001BH：定時(shí)/計(jì)數(shù)器1溢出中斷入口地址。

?0023H：串行口中斷入口地址。

?002BH：定時(shí)/計(jì)數(shù)器2溢出或T2EX(P1.1)端負(fù)跳變時(shí)的入口地址(僅52子系列有)。

2.3.3內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存放運(yùn)算中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等。MCS-51單片機(jī)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在物理上可分為兩個(gè)不同的區(qū)，即為片內(nèi)RAM區(qū)和特殊功能寄存器區(qū)(SFR)。

1．片內(nèi)RAM

片內(nèi)RAM區(qū)從功能用途上又可分為三個(gè)不同的區(qū)域：工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)、通用RAM區(qū)，如表2.5所示。

1)工作寄存器區(qū)

片內(nèi)RAM的00H～1FH區(qū)域設(shè)置為工作寄存器區(qū)，該區(qū)域共有32個(gè)存儲(chǔ)單元，均勻地劃分為4組，每組由8個(gè)工作寄存器R0～R7構(gòu)成。工作寄存器組和RAM地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2.6所示。

2)位尋址區(qū)

片內(nèi)RAM的20H～2FH的16個(gè)字節(jié)為位尋址區(qū)。這16個(gè)地址單元共有128位，每一位都有一個(gè)位地址，即為00H～7FH，每一位可以視為一個(gè)軟件觸發(fā)器，由程序直接進(jìn)行位處理，通常用于存放各種程序的運(yùn)行標(biāo)志、位變量的狀態(tài)等。字節(jié)地址與位地址之間的關(guān)系如表2.7所示。

3)通用RAM區(qū)

片內(nèi)RAM的30H～7FH為通用RAM區(qū)，用做堆棧或數(shù)據(jù)緩沖，只能按字節(jié)存取。在單片機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，往往需要有一個(gè)連續(xù)的先進(jìn)后出的RAM緩沖區(qū)，用于保護(hù)臨時(shí)數(shù)據(jù)，這種以先進(jìn)后出原則存取數(shù)據(jù)的RAM緩沖區(qū)稱(chēng)為堆棧。

向堆棧中存放(壓入)數(shù)據(jù)稱(chēng)為入棧，從堆棧中取出(彈出)數(shù)據(jù)稱(chēng)為出棧，堆棧只有這兩種操作。不論數(shù)據(jù)是入棧還是出棧，都是對(duì)棧頂?shù)膯卧M(jìn)行操作，堆棧是向上生成的。

2．特殊功能寄存器(SFR)

所謂特殊功能寄存器，是區(qū)別于通用寄存器的寄存器。特殊功能寄存器的功能和用途有專(zhuān)門(mén)的規(guī)定，主要包括用于對(duì)片內(nèi)各功能模塊進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器。

MCS-51子系列單片機(jī)共有21個(gè)SFR，其名稱(chēng)和字節(jié)地址如表2.8所示。

52子系列中除了具有51子系列所有的21個(gè)SFR之外，還增加了5個(gè)，如表2.9所示。

AT89S51單片機(jī)除了具有51子系列的21個(gè)特殊功能寄存器以外，還增加了5個(gè)特殊功能寄存器，分別為AUXR、WDTRST、AUXR1、DP1L和DP1H。

(1)?AUXR輔助寄存器字節(jié)地址為8EH，其各位的定義如下：

(2)?AUXR1輔助寄存器用來(lái)選擇雙數(shù)據(jù)指針寄存器，其字節(jié)地址為A2H，各位定義如下：

(3)看門(mén)狗復(fù)位寄存器WDTRST的字節(jié)地址為A6H，該寄存器為只寫(xiě)寄存器。當(dāng)要打開(kāi)WDT時(shí)，用戶必須按順序給該寄存器寫(xiě)入1EH和0E1H。

(4)?DP1L和DP1H為16位數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR1的低字節(jié)和高字節(jié)。

2.3.4外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

MCS-51單片機(jī)可通過(guò)外部擴(kuò)展電路將RAM芯片和CPU相接，片外最大可以擴(kuò)展64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。對(duì)片外RAM進(jìn)行讀、寫(xiě)時(shí)，由P0、P2口提供地址信號(hào)，只能采用寄存器間接尋址方式。間接尋址寄存器可使用的寄存器有通用寄存器R0、R1以及數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR，當(dāng)R0或R1作為間接尋址寄存器時(shí)，P0將R0或R1的內(nèi)容(8位)作為地址輸出，因此最大尋址空間為256B，地址范圍為00H～0FFH，與片內(nèi)RAM地址重疊，但由于訪問(wèn)片內(nèi)和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用的尋址方式和指令不同，因此不會(huì)引起混亂。

MCS-51單片機(jī)對(duì)片外RAM和擴(kuò)展的I/O端口進(jìn)行統(tǒng)一編址，即外部擴(kuò)展的任何I/O接口和外圍設(shè)備地址均占用片外RAM的地址，因此使用時(shí)要合理安排地址范圍。CPU對(duì)片外RAM和I/O端口操作使用相同的訪問(wèn)指令和控制線。有關(guān)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O端口的擴(kuò)展請(qǐng)參閱本書(shū)第5章。

2.4并行I/O口及其結(jié)構(gòu)2.4.1P0口的結(jié)構(gòu)與功能1．P0口的結(jié)構(gòu)P0口是一個(gè)三態(tài)雙向口，在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，作為低8位地址線和數(shù)據(jù)總線的分時(shí)復(fù)用口；在其他狀態(tài)下可作為通用I/O接口。P0口一位的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.5所示，它由一個(gè)輸出鎖存器、兩個(gè)三態(tài)輸入緩沖器、一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)電路和一個(gè)輸出控制電路組成。輸出驅(qū)動(dòng)電路由一對(duì)FET(場(chǎng)效應(yīng)管)VT1和VT2組成，其工作狀態(tài)受輸出控制電路的控制；輸出控制電路由一個(gè)與門(mén)電路、一個(gè)反相器和一個(gè)多路開(kāi)關(guān)MUX組成。

圖2.5P0口一位的結(jié)構(gòu)框圖

2．P0口的功能

1)?P0口作為一般I/O口使用時(shí)

圖2.5中的多路開(kāi)關(guān)MUX的位置由CPU發(fā)出的控制信號(hào)決定。當(dāng)MCS-51片外無(wú)擴(kuò)展存儲(chǔ)器系統(tǒng)時(shí)，P0口作為通用I/O口使用，此時(shí)CPU內(nèi)部發(fā)出控制電平“0”封鎖與門(mén)，使輸出上拉場(chǎng)效應(yīng)管VT1截止，同時(shí)多路開(kāi)關(guān)把輸出鎖存器端與輸出場(chǎng)效應(yīng)管VT2的柵極接通。此時(shí)P0即作為一般的I/O口使用。

2)?P0口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用時(shí)

當(dāng)MCS-51片外擴(kuò)展有RAM、I/O接口、ROM時(shí)，P0端口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用，此時(shí)可分為兩種情況。一種是以P0口引腳輸出地址/數(shù)據(jù)信息，這時(shí)CPU內(nèi)部發(fā)出高電平的控制信號(hào)，打開(kāi)與門(mén)，同時(shí)使多路開(kāi)關(guān)MUX把CPU內(nèi)部地址/數(shù)據(jù)總線反相后與輸出驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管VT2的柵極接通。

2.4.2P1口的結(jié)構(gòu)與功能

P1口是一個(gè)準(zhǔn)雙向口，用作通用I/O口，P1口一位的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.6所示。Pl口通常作為通用I/O口使用，所以在電路結(jié)構(gòu)上與P0口有一些不同。首先它不再需要多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)MUX和控制電路部分；其次是輸出驅(qū)動(dòng)電路部分只有一個(gè)FET，同時(shí)內(nèi)部有上拉電阻，此電阻直接與電源相連。當(dāng)Pl口作為輸出口使用時(shí)，能向外部提供拉電流負(fù)載，無(wú)需再外接上拉電阻。

圖2.6P1口一位的結(jié)構(gòu)框圖

2.4.3P2口的結(jié)構(gòu)與功能

P2口也是一個(gè)準(zhǔn)雙向I/O口，P2口一位的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.7所示。P2口的電路結(jié)構(gòu)與P1口類(lèi)似，驅(qū)動(dòng)部分與P1口相同，但P2口具有通用I/O接口或高8位地址總線輸出兩種功能，因此其輸出驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)相比P1口多了一個(gè)輸出轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)MUX和反相器。

圖2.7P2口一位的結(jié)構(gòu)框圖

2.4.4P3口的結(jié)構(gòu)與功能

P3口也是一個(gè)準(zhǔn)雙向I/O口，P3口一位的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.8所示。由圖可知，P3口每一位的輸出驅(qū)動(dòng)由與非門(mén)、場(chǎng)效應(yīng)管組成，比P0、P1、P2多了一個(gè)緩沖器。除了作為通用的I/O端口外，P3口的每一位均具有第二功能。

圖2.8P3口一位的結(jié)構(gòu)框圖

2.4.5I/O口的應(yīng)用特性

1．使用原則

MCS-51單片機(jī)中的四個(gè)I/O接口在實(shí)際使用中一般遵循以下用法：P0口一般作為系統(tǒng)擴(kuò)展地址低8位/數(shù)據(jù)口分時(shí)復(fù)用；P1口一般作為I/O口使用；P2口作為系統(tǒng)擴(kuò)展地址高8位和I/O接口擴(kuò)展用的地址譯碼器的輸入；P3口作為中斷輸入、串行口、定時(shí)/計(jì)數(shù)以及讀/寫(xiě)控制信號(hào)使用。

2．端口負(fù)載能力和接口要求

P0口的輸出級(jí)與P1～P3口的輸出級(jí)在結(jié)構(gòu)上不相同，因此它們的帶負(fù)載能力和接口要求也各不相同。

(1)?P0口的每一位可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL輸入，當(dāng)作通用I/O口使用時(shí)，輸出級(jí)是漏極開(kāi)路電路，故需外接上拉電阻才能有高電平輸出；當(dāng)作地址/數(shù)據(jù)總線用時(shí)，不需要外接上拉電阻，此時(shí)不能作通用的I/O口使用。

(2)?P1～P3口的輸出級(jí)都接有內(nèi)部上拉電阻，它們的每一位可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。

(3)?P0～P3口都是準(zhǔn)雙向口，作輸入時(shí)，必須先向相應(yīng)的端口鎖存器寫(xiě)入1。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，P0～P3口鎖存器全為1。

2.5時(shí)鐘電路與CPU時(shí)序

單片機(jī)內(nèi)各種操作都是按著節(jié)拍有序地進(jìn)行的，控制各部件協(xié)調(diào)工作的控制信號(hào)也是在一種基本節(jié)拍的指揮下按一定的順序發(fā)出的。產(chǎn)生這種基本節(jié)拍的電路就是振蕩器和時(shí)鐘電路?？刂菩盘?hào)在時(shí)間上的相互關(guān)系稱(chēng)為CPU時(shí)序。

2.5.1時(shí)鐘電路

AT89S51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，引腳XTAL1、XTAL2分別為該反相放大器的輸入和輸出端。該反相放大器外接定時(shí)反饋元件組成振蕩器或通過(guò)外接時(shí)鐘源的方法，產(chǎn)生時(shí)鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各部件。時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)控制器的控制節(jié)拍越快，運(yùn)算速度就越快。根據(jù)硬件電路的不同，單片機(jī)的時(shí)鐘電路可分為內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘兩種方式。

1．內(nèi)部時(shí)鐘方式

AT89S51單片機(jī)內(nèi)部振蕩電路如圖2.9所示，但要形成時(shí)鐘還必須外接晶體或陶瓷諧振器(簡(jiǎn)稱(chēng)晶振)，外接電路如圖2.10所示。

圖2.9AT89S51單片機(jī)內(nèi)部振蕩電路

圖2.10內(nèi)部時(shí)鐘方式的外接電路

2．外部時(shí)鐘方式

MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部工作時(shí)鐘也可以由外部振蕩器產(chǎn)生，對(duì)于HMOS型和CHMOS型MCS-51單片機(jī)，它們的時(shí)鐘電路接法稍有不同，其電路連接方式如圖2.11所示。圖2.11外部時(shí)鐘連接方式

2.5.2CPU時(shí)序

單片機(jī)中一條指令的執(zhí)行可以分解為若干個(gè)基本的微操作，這些微操作是在單片機(jī)提供的時(shí)鐘脈沖信號(hào)作用下，嚴(yán)格按時(shí)間的先后次序執(zhí)行的，這些次序就是CPU的時(shí)序。

1．振蕩周期

振蕩周期是由單片機(jī)片內(nèi)或片外振蕩器所產(chǎn)生的，為單片機(jī)提供時(shí)鐘源信號(hào)的周期，其值為1/fosc。

2．時(shí)鐘周期

時(shí)鐘周期又稱(chēng)為狀態(tài)周期S，由內(nèi)部時(shí)鐘電路產(chǎn)生，兩個(gè)振蕩周期為一個(gè)時(shí)鐘周期。

3．機(jī)器周期

機(jī)器周期是完成一個(gè)規(guī)定操作所需的時(shí)間，是單片機(jī)執(zhí)行一種基本操作的時(shí)間單位。

4．指令周期

執(zhí)行一條指令所占用的時(shí)間稱(chēng)為指令周期，一個(gè)指令周期通常由1～4個(gè)機(jī)器周期組成，依據(jù)指令的不同而不同。指令的執(zhí)行速度和它所占用的機(jī)器周期數(shù)直接相關(guān)，占用的機(jī)器周期數(shù)少則執(zhí)行速度快。

四種時(shí)序單位中，振蕩周期和機(jī)器周期是單片機(jī)內(nèi)計(jì)算其他時(shí)間值的基本時(shí)序單位。下面以單片機(jī)外接晶振頻率為12MHz為例，說(shuō)明各種時(shí)序單位之間的關(guān)系。

5．CPU取指令、執(zhí)行指令時(shí)序

每一條指令的執(zhí)行都包括取指令和執(zhí)行指令兩個(gè)階段。在取指令階段，CPU從程序存儲(chǔ)器中取出指令操作碼和操作數(shù)，在指令執(zhí)行階段執(zhí)行這條指令。MCS-51單片機(jī)指令系統(tǒng)中，指令字節(jié)長(zhǎng)度為1～3個(gè)字節(jié)，按指令字節(jié)數(shù)和執(zhí)行所需時(shí)間不同，可將指令分為單字節(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)雙周期指令和三字節(jié)雙周期指令。這些指令在執(zhí)行過(guò)程中的時(shí)序是不相同的。單周期和雙周期CPU取指/執(zhí)行時(shí)序如圖2.12所示。

圖2.12CPU取指/執(zhí)行時(shí)序

2.6單片機(jī)的工作方式

2.6.1復(fù)位方式復(fù)位是單片機(jī)的硬件初始化操作。復(fù)位的作用是使中央處理器CPU以及其他功能部件都恢復(fù)到一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。除此之外，當(dāng)單片機(jī)程序運(yùn)行出錯(cuò)或系統(tǒng)處于死循環(huán)狀態(tài)等情況時(shí)，需要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位以重新啟動(dòng)機(jī)器。復(fù)位后，程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容為0000H，使單片機(jī)從0000H開(kāi)始執(zhí)行程序，其他特殊功能寄存器的復(fù)位狀態(tài)如表2.10所示。

除了看門(mén)狗WDT定時(shí)器可使單片機(jī)復(fù)位，MCS-51單片機(jī)的復(fù)位還可以靠外部電路實(shí)現(xiàn)，信號(hào)由RST引腳輸入，高電平有效。當(dāng)RST引腳上持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)即完成復(fù)位。若使用頻率為6MHz的晶振，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過(guò)4?μs才能完成復(fù)位操作。常用復(fù)位電路有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位(外部復(fù)位)兩種，如圖2.13所示。

圖2.13常用復(fù)位電路

2.6.2程序執(zhí)行方式

程序執(zhí)行方式是單片機(jī)的基本工作方式，即執(zhí)行用戶編寫(xiě)好的、存放在程序存儲(chǔ)器中的程序。由于單片機(jī)復(fù)位后PC的值為0000H，因此程序執(zhí)行總是從地址0000H開(kāi)始。但一般程序并不是真正從0000H開(kāi)始，為此往往在0000H開(kāi)始的單元中存放一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，以便跳轉(zhuǎn)到實(shí)際程序的入口去執(zhí)行。

2.6.3單步執(zhí)行方式

單步執(zhí)行方式是通過(guò)外來(lái)脈沖控制程序的執(zhí)行，每產(chǎn)生一個(gè)脈沖即執(zhí)行一條指令。而外來(lái)脈沖通常是通過(guò)按鍵產(chǎn)生的，因此實(shí)際上單步執(zhí)行就是按一次鍵執(zhí)行一條指令。單步執(zhí)行需要外部電路產(chǎn)生控制脈沖信號(hào)，通?？山柚鷨纹瑱C(jī)的外部中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。假定利用外部中斷1來(lái)實(shí)現(xiàn)程序的單步執(zhí)行，則應(yīng)事先做好以下兩項(xiàng)準(zhǔn)備工作。

2.6.4低功耗方式

為了適應(yīng)電源功耗要求低的應(yīng)用場(chǎng)合，CHMOS型的MCS-51單片機(jī)設(shè)置了低功耗工作方式。另外，在掉電保護(hù)情況下，由備用電源為單片機(jī)進(jìn)行低功耗供電，因此掉電保護(hù)方式實(shí)際上也是一種低功耗方式。故低功耗方式有兩種：空閑方式和掉電保護(hù)方式。

空閑方式和掉電保護(hù)方式是由電源控制寄存器PCON的有關(guān)位來(lái)控制的。電源控制寄存器是一個(gè)8位寄存器，不可位尋址，其格式如下：

?SMOD：串行口波特率系數(shù)控制位。在方式1、2和3時(shí)，串行通信的波特率與SMOD有關(guān)。當(dāng)SMOD=1時(shí)，通信波特率乘2；當(dāng)SMOD=0時(shí)，波特率不變。

?GF1：通用標(biāo)志1。

?GF0：通用標(biāo)志0。

?PD：掉電方式控制位，PD=1時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入掉電方式。

?IDL：空閑方式控制位，IDL=1時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入空閑方式。

顯然，要想使單片機(jī)進(jìn)入空閑或掉電工作方式，只要執(zhí)行一條能使IDL或PD位為1的指令就可以了。

1．空閑方式

通過(guò)編程將電源控制寄存器PCON的IDL位置1，單片機(jī)即進(jìn)入空閑方式。進(jìn)入空閑方式后，振蕩器仍然運(yùn)行，時(shí)鐘信號(hào)輸出到中斷系統(tǒng)、串行口以及定時(shí)/計(jì)數(shù)器模塊，但不向CPU提供時(shí)鐘，CPU停止工作。

2．掉電保護(hù)方式

進(jìn)入掉電保護(hù)方式只需使用指令將PCON的PD位置為1即可。進(jìn)入掉電保護(hù)方式，單片機(jī)的一切工作全部停止，只有片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器中的內(nèi)容被保存，片內(nèi)其他功能部件都停止工作。

2.6.5掉電保護(hù)方式

單片機(jī)在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，如發(fā)生掉電故障，將會(huì)丟失RAM和寄存器中程序的數(shù)據(jù)，其后果有時(shí)是很?chē)?yán)重的。為此，MCS-51單片機(jī)設(shè)置有掉電保護(hù)措施，進(jìn)行掉電保護(hù)處理。其具體做法是先將有用的信息轉(zhuǎn)存，再啟用備用電源維持供電。

2．接通備用電源

信息轉(zhuǎn)存后還應(yīng)維持內(nèi)部RAM的供電，才能保護(hù)轉(zhuǎn)存的信息不被破壞。為此，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置備用電源，并能在掉電后立即接通備用電源。備用電源由單片機(jī)的RST/VPD引腳接入。為了在掉電時(shí)能及時(shí)接通備用電源，系統(tǒng)中還需具有備用電源與Vcc的切換電路，如圖2.14所示。圖2.14備用電源與Vcc的切換電路

2.6.6Flash編程和校驗(yàn)方式

AT89S51單片機(jī)內(nèi)部有4KB的Flash存儲(chǔ)器，允許用戶多次編輯和擦除，用戶可以很方便地進(jìn)行程序和數(shù)據(jù)的修改。AT89S51工作在Flash編程和校驗(yàn)方式下時(shí)，主要包括以下幾個(gè)過(guò)程：讀片內(nèi)簽名字節(jié)、Flash存儲(chǔ)器編程、程序校驗(yàn)、程序加密和芯片擦除。

1．讀片內(nèi)簽名字節(jié)

簽名字節(jié)是生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)寫(xiě)入到存儲(chǔ)器中的信息。

1)?Flash存儲(chǔ)器的并行編程

并行編程即通過(guò)傳統(tǒng)的EPROM編程器使用高電壓(+12V)和協(xié)調(diào)的控制信號(hào)進(jìn)行編程。AT89S51單片機(jī)的代碼是逐一字節(jié)進(jìn)行編程的。編程前，須按照?qǐng)D2.15所示的Flash編程硬件邏輯電路圖連接好地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，編程方法如下：

(1)在地址線上加上要編程單元的地址信號(hào)。

(2)在數(shù)據(jù)線上加上要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)字節(jié)。

(3)激活相應(yīng)的控制信號(hào)。

(4)將EA/VPP端加上?+12V編程電壓。

(5)每對(duì)Flash存儲(chǔ)器寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)或每寫(xiě)入一個(gè)程序加密位，加上一個(gè)編程脈沖。圖2.15Flash編程硬件邏輯電路圖

2)?Flash存儲(chǔ)器的串行編程

串行編程將RST接至Vcc，通過(guò)串行ISP接口進(jìn)行編程，串行接口包含SCK(串行時(shí)鐘)線P1.7、MOSI(輸入)線P1.5和MISO(輸出)線P1.6。將RST拉高后，在其他操作前必須發(fā)出編程使能指令，編程前需將芯片擦除。外部時(shí)鐘信號(hào)需接至XTAL1端或XTAL1和XTAL2接至晶體振蕩器，最高的串行時(shí)鐘(S