本科單片微型計算機(jī)原理及應(yīng)用第5章 輸入輸出、中斷、定時

____________________第5章輸入/輸出、中斷、岸時與串行通信

第5章輸入/輸出、中斷、定時

與串行通信

5.1I/O概述

5.2輸入/輸出傳送方式

5.3MCS-51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)

5.4定時/計數(shù)器

5.5串行通信接口

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第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

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5.1I/O概述

5.1.1I/O接口電路的作用

一個計算機(jī)系統(tǒng)的組成，除了CPU、存儲器外，還

必須有外部設(shè)備。計算機(jī)通過輸入/輸出設(shè)備和外界

進(jìn)行通信。計算機(jī)所用的數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場采集的各種信

息都要通過輸入設(shè)備送到計算機(jī)；而計算的結(jié)果和計

算機(jī)產(chǎn)生的各種控制信號又需通過輸出設(shè)備輸出到外

部設(shè)備。

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計算機(jī)的I/O操作，即CPU和外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳

送卻十分復(fù)雜。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)外部設(shè)備的工作速度與計算機(jī)相比要低得多。

(2)外部設(shè)備的種類繁多，有機(jī)械式、機(jī)電式及電

子式等等。

(3)外部設(shè)備的數(shù)據(jù)信號是多種多樣的，既有電壓信

號,也有電流信號；既有數(shù)字量,還有模擬量。

(4)外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送有近距離的，也有遠(yuǎn)距離的;

有的使用并行數(shù)據(jù)傳送,而有的則使用串行傳送數(shù)據(jù)。

-第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

具體說來，接口電路主要有以下幾項功能：

(1)速度協(xié)調(diào)。

(2)數(shù)據(jù)鎖存。

(3)三態(tài)緩沖。

(4)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

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5.1.2接口與端口

''接口〃一詞是從英文interface翻譯過來的，具有界面、

相互聯(lián)系等含義。接口這個術(shù)語在計算機(jī)領(lǐng)域中應(yīng)用

十分廣泛，

本章所講述的接口則特指計算機(jī)與外設(shè)之間在數(shù)

據(jù)傳送方面的聯(lián)系，其功能主要是通過電路實(shí)現(xiàn)的，因

此稱之為接口電路,簡稱接口。

第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

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5.1.3I/O的編址方式

在計算機(jī)中，凡需進(jìn)行讀寫操作的設(shè)備都存在著編

址問題。具體說來在計算機(jī)中有兩種需要編址的器件:

一種是存儲器,另一種就是接口電路。存儲器是對存儲

單元進(jìn)行編址，而接口電路則是對其中的端口進(jìn)行編址。

對端口編址是為I/O操作而進(jìn)行的，因此也稱為I/O編址。

常用的I/O編址有兩種方式：獨(dú)立編址方式和統(tǒng)一編址

方式。

1.獨(dú)立編址方式

2.統(tǒng)一編址方式

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第章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

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5.2輸入/輸出傳送方式

5.2.1無條件傳送方式

無條件傳送也稱為同步程序傳送，類似于CPU和存

儲器之間的數(shù)據(jù)傳送。只有那些一直為數(shù)據(jù)I/O傳送

作好準(zhǔn)備的外部設(shè)備，才能使用無條件傳送方式。這

種傳送方式不需要測試外部設(shè)備的狀態(tài)，可以根據(jù)需要

隨時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送操作。無條件傳送方式適用于以下

兩類外部設(shè)備的輸入輸出：

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(1)外設(shè)的工作速度非?？?足以和CPU同步工作。

(2)具有常駐的或變化緩慢的數(shù)據(jù)信號的外設(shè)。

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5.2.2查詢傳送方式

查詢傳送又稱為條件傳送，即數(shù)據(jù)的傳送是有條件

的。在輸入/輸出之前，先要檢測外設(shè)的狀態(tài)，以了解

外設(shè)是否已為數(shù)據(jù)輸入輸出作好了準(zhǔn)備，只有在確認(rèn)

外設(shè)已''準(zhǔn)備好〃的情況下，CPU才能執(zhí)行數(shù)據(jù)輸入/輸

出操作。通常把通過程序?qū)ν庠O(shè)狀態(tài)的檢測稱之為

''查詢〃，所以這種有條件的傳送方式又叫做程序查詢方

式。查詢的流程圖如圖5—1所示。

輸入/輸出、中斷、定時與串行通信

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5.2.3中斷傳送方式

由于查詢傳送方式為CPU主動要求傳送數(shù)據(jù)，而它

又不能控制外設(shè)的工作速度，因此只能用等待的方式來

解決配合的問題。中斷方式則是在外設(shè)為數(shù)據(jù)傳送作

好準(zhǔn)備之后，就向CPU發(fā)出中斷請求信號（相當(dāng)于通知

CPU）,CPU接收到中斷請求信號之后立即作出響應(yīng)，暫

停正在執(zhí)行的原程序（主程序），而轉(zhuǎn)去為外設(shè)的數(shù)據(jù)輸

入輸出服務(wù)，待服務(wù)完之后，程序返回,CPU再繼續(xù)執(zhí)行

被中斷的原程序。

第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

由于CPU的工作速度很快，傳送1次數(shù)據(jù)（包括轉(zhuǎn)入

中斷和退出中斷）所需的時間很短。對外設(shè)來講,似乎是

對CPU發(fā)出數(shù)據(jù)傳送請求的瞬間,CPU就實(shí)現(xiàn)了；對主

程序來講，雖然中斷了1個瞬間，但由于時間很短,也不會

有什么影響。

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5.3MCS-51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)

5.3.1中斷的概念

計算機(jī)暫時中止正在執(zhí)行的主程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷

服務(wù)程序，并在中斷服務(wù)程序執(zhí)行完了之后能自動回到

原主程序處繼續(xù)執(zhí)行，這個過程叫做''中斷〃。

中斷需要解決兩個主要問題：一是如何從主程序轉(zhuǎn)

到中斷服務(wù)程序；二是如何從中斷服務(wù)程序返回主程

序。

輸入\/軸用ill斷、室時與串行通信

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大體說來,采用中斷系統(tǒng)改善了計算機(jī)的性能，主要

表現(xiàn)在以下幾個方面：

⑴有效地解決了快速CPU與慢速外設(shè)之間的矛盾,

可使CPU與外設(shè)并行工作，大大提高了工作效率。

(2)可以及時處理控制系統(tǒng)中許多隨機(jī)產(chǎn)生的參數(shù)

與信息，即計算機(jī)具有實(shí)時處理的能力，從而提高了控制

系統(tǒng)的性能。

(3)使系統(tǒng)具備了處理故障的能力，提高了系統(tǒng)自身

的可靠性。

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5.3.2中斷源

所謂中斷源就是引起中斷的事件，亦即是什么部件

要求中斷。

對于各種計算機(jī)來說，其中斷源的允許數(shù)目是不一

樣的，例如Z80允許128個中斷源（不包括非屏蔽中斷），而

8086/8088則允許256個中斷源。MCS-51單片機(jī)相對來

說較為簡單，只提供了5個中斷源：2個外部中斷請求

INTO和W1.2個片內(nèi)定時器/計數(shù)器T0和T1的溢出中

斷請求TFO和TF1及串行口中斷請求TI或RI（合為一個中

斷源）。

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MCS-51單片機(jī)5個中斷源的中斷請求信號分別鎖

存在特殊功能寄存器TCON和SCON中：

(l)TCON為定時7計數(shù)器控制寄存器，字節(jié)地址為

88H,其中鎖存的中斷源請求標(biāo)志如表5—1所示。

表5—1TCON鎖存的中斷源

位D7D6D5D4D3D2D1DO

TCONTF1TF0IE1IT1IE0ITO

位地址8FH8DH8BH8AH89H88H

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(2)SC0N串行口控制寄存器，字節(jié)地址為98H。

SCON的低2位鎖存串行口的接收中斷和發(fā)送中斷標(biāo)

志，其格式如表5—2所示。

表5—2SCON鎖存的中斷源

位D7D6D5D4D3D2D1DO

SCON1TI,RI

位地址99H98H

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TI：串行口發(fā)送中斷標(biāo)志。在串行口以方式0發(fā)送

時，每當(dāng)發(fā)送完8位數(shù)據(jù)后，由硬件置位TI;若以方式1、2、

3發(fā)送時，在發(fā)送停止位的開始時置位TI。TI=1表示串行

口發(fā)送器正在向CPU申請中斷。值得注意的是當(dāng)CPU

響應(yīng)該中斷后，轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序時并不復(fù)位TI,TI必須

由用戶在中斷服務(wù)程序中用軟件清0（可用CLRTI或其它

指令）。

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RI：串行口接收中斷標(biāo)志。若用行口接收器允許

接收并以方式。工作，則每當(dāng)接收到第8位數(shù)據(jù)時置位RI;

若以方式1、2、3工作，且SM2=0時，則每當(dāng)接收器接收

到停止位的中間時置位RI;當(dāng)串行口以方式2或方式3工

作，且SM2=1時，僅當(dāng)接收到的第9位數(shù)據(jù)RB8為1后洞時

還要接收到停止位的中間時置位RI。RI為1表示串行口

接收器正向CPU申請中斷，同樣RI必須由用戶在中斷服

務(wù)程序中清0。8031復(fù)位后,SCON也被清0。

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5.3.3中斷的優(yōu)先級

如果正在執(zhí)行主程序時只有1個中斷源請求中斷，而

這時CPU又是對中斷開放的，那么這個中斷立即得到響

應(yīng)。然而由于中斷是隨機(jī)產(chǎn)生的，中斷源一般又不止1個,

因此往往會出現(xiàn)這樣的情況：幾個中斷源同時請求中

斷;或者當(dāng)某一個中斷正在響應(yīng)中（即正在執(zhí)行該中斷源

的中斷服務(wù)程序），又有其它的中斷源請求中斷,這時中

斷系統(tǒng)應(yīng)如何處理呢？

在一般情況下，首先把各個中斷源分成若干個優(yōu)

先級，然后再按如下原則進(jìn)行處理：

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(1)不同級的中斷源同時申請中斷時--先高后低；

(2)同級的中斷源同時申請中斷時--事先規(guī)定；

(3)處理低級中斷又收到高級中斷請求時--停低轉(zhuǎn)

高；

(4)處理高級中斷又收到低級中斷請求時--高不理低。

MCS-51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)對優(yōu)先級的控制比較

簡單，只規(guī)定了兩個中斷優(yōu)先級，對于每一個中斷源均可

編程為高優(yōu)先級中斷或低優(yōu)先級中斷。在同1個優(yōu)先級

中，對5個中斷源的魁猴寨排如下：

最低優(yōu)先級

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外部中斷0(正0)

定時器/計數(shù)器TO溢出中斷(TFO)

外部中斷1(正1)

定時器/計數(shù)器T1溢出中斷(TF1)

串行口中斷(RI+TI)

MCS-51單片機(jī)中有1個中斷優(yōu)先級寄存器IP,字節(jié)

地址為B8H。對于每1個中斷源，均可通過對IP的設(shè)置來

確定其優(yōu)先等級，置1為高優(yōu)先級，清0為低優(yōu)先級。

IP寄存器的格式如表5—3所示。

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表5—3中斷優(yōu)先級寄存器IP的格式

位D7D6D5D4D3D2D1DO

IPPSPT1PX1PTOPX0

位地址?BCHBBHBAHB9HB8H

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其中：

PXO：外部中斷0優(yōu)先級控制位。

PTO：定時器0中斷優(yōu)先級控制位。

PX1：外部中斷1優(yōu)先級控制位。

PT1：定時器1中斷優(yōu)先級控制位。

PS：串行口中斷優(yōu)先級控制位。

上面優(yōu)先級控制位規(guī)定1為高優(yōu)先級,0為低優(yōu)先級。

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5.3.4中斷響應(yīng)的條件、過程與時間

1.中斷響應(yīng)的條件

單片機(jī)響應(yīng)中斷的條件為中斷源有請求（中斷允許

寄存器IE相應(yīng)位置1）,且CPU開中斷（即EA=1）。這樣，在

每個機(jī)器周期內(nèi)，單片機(jī)對所有中斷源都進(jìn)行順序檢測,

并可在任1個周期的S6期間,找到所有有效的中斷請求,

還對其優(yōu)先級進(jìn)行排隊。但是，必須滿足下列條件：

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(1)無同級或高級中斷正在服務(wù)；

(2)現(xiàn)行指令執(zhí)行到最后1個機(jī)器周期且已結(jié)束；

(3)若現(xiàn)行指令為RETI或需訪問特殊功能寄存器IE或

IP的指令時，執(zhí)行完該指令且緊隨其后的另1條指令也已

執(zhí)行完。

單片機(jī)便在緊接著的下1個機(jī)器周期的S1期間響應(yīng)

中斷。否則，將丟棄中斷查詢的結(jié)果。

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2.中斷響應(yīng)過程

單片機(jī)一旦響應(yīng)中斷，首先對相應(yīng)的優(yōu)先級有效觸

發(fā)器置位。然后執(zhí)行1條由硬件產(chǎn)生的子程序調(diào)用指令，

把斷點(diǎn)地址壓入堆棧，再把與各中斷源對應(yīng)的中斷服務(wù)

程序的入口地址送入程序計數(shù)器PC,同時清除中斷請求

標(biāo)志（串行口中斷和外部電平觸發(fā)中斷除外），從而程序

便轉(zhuǎn)移到中斷服務(wù)程序。以上過程均由中斷系統(tǒng)自動

完成。

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各中斷源所對應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口地址如下：

中斷源入口地址

外部中斷O(/NTO)0003H

定時器TO中斷000BH

外部中斷1(/NT1)0013H

定時器T1中斷001BH

串行口中斷0023H

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CPU從上面相應(yīng)的地址開始執(zhí)行中斷服務(wù)程序直

到遇到1條RETI指令為止。RETI指令表示中斷服務(wù)程

序的結(jié)束。CPU執(zhí)行該指令，一方面清除中斷響應(yīng)時所

置位的優(yōu)先級有效觸發(fā)器;另一方面從堆棧棧頂彈出斷

點(diǎn)地址送入程序計數(shù)器PC,從而返回主程序。若用戶在

中斷服務(wù)程序的開始安排了保護(hù)現(xiàn)場指令（一般均為相

應(yīng)寄存器內(nèi)容入?；蚋鼡Q工作寄存器區(qū)），則在RETI指

令前應(yīng)有恢復(fù)現(xiàn)場指令（相應(yīng)寄存器內(nèi)容出?；驌Q回原

工作寄存器區(qū)）。

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3.中斷響應(yīng)時間

所謂中斷響應(yīng)時間是指從查詢中斷請求標(biāo)志位到轉(zhuǎn)

入中斷服務(wù)程序入口地址所需的機(jī)器周期數(shù)（對單一中

斷源而言）。

響應(yīng)中斷最短需要3個機(jī)器周期。若CPU查詢中斷

請求標(biāo)志的周期正好是執(zhí)行1條指令的最后1個機(jī)器周

期，則不需等待就可以響應(yīng)。而響應(yīng)中斷執(zhí)行1條長調(diào)用

指令需要2個機(jī)器周期，加上查詢的1個機(jī)器周期,一共需

要3個機(jī)器周期才開始執(zhí)行中斷服務(wù)程序。

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5.3.5MCS-51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)

MCS-51系列單片機(jī)的中斷系統(tǒng)屬于8位單片機(jī)中

功能較強(qiáng)的1種中斷系統(tǒng)，它可以提供5個中斷源,每個中

斷源有兩個中斷優(yōu)先級別可供選擇，可實(shí)現(xiàn)兩級中斷服

務(wù)程序嵌套。此外,所有中斷均可由軟件設(shè)定為允許中

斷或禁止中斷，也就是說用戶可以用關(guān)中斷指令（或復(fù)

位）來屏蔽所有的中斷請求，也可以用開中斷指令使CPU

接受中斷請求。MCS-51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖5-2所示。

弟5星輸入/輸出、中斷、定時與串行通信

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查詢硬件

圖5—2MCS-51的中斷系統(tǒng)

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5.3.6外部中斷及中斷請求的撤除

1?外部中斷

MCS-51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)有2個外部中斷源，引腳

信號為樂廳。和麗（即P3.2和P3.3）。其中斷請求觸發(fā)

信號有電平觸發(fā)和邊沿觸發(fā)兩種，當(dāng)TCON寄存器中的

ITO位和IT1位為“0”時采用電平觸發(fā);為時采用邊沿

觸發(fā)。

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2.中斷請求的撤除

CPU響應(yīng)中斷請求后，在中斷返回（執(zhí)行RETI指令）前，

必須撤除請求，否則會錯誤地再一次引起中斷過程。

如前所述，對于定時器TO與T1的中斷請求及邊沿觸

發(fā)方式的外部中斷。和1來說,CPU在響應(yīng)中斷后用硬件

清除了相應(yīng)的中斷請求標(biāo)志TFO、TFKIE0與IE1,即

自動撤除了中斷請求。

第章輸入/輸出、中斷、宗時與串行通信

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圖5—3外部中斷請求（電平方式）的撤除

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5.3.7中斷程序舉例

在中斷服務(wù)程序編程時，首先要對中斷系統(tǒng)進(jìn)行初

始化，也就是對幾個特殊功能寄存器的有關(guān)控制位進(jìn)

行賦值。具體來說，就是要完成下列工作：

(1)開中斷和允許中斷源中斷；

(2)確定各中斷源的優(yōu)先級；

(3)若是外部中斷，則應(yīng)規(guī)定是電平觸發(fā)還是邊沿

觸發(fā)。

-第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

例1：若規(guī)定外部中斷。為電平觸發(fā)方式，高優(yōu)先級，

試寫出有關(guān)的初始化程序。

解：一般可采用位操作指令來實(shí)現(xiàn)：

SETBEA；開中斷

SETBEXO;允許外中斷0中斷

SETBPXO；外中斷0定為高優(yōu)先級

CLRITO;電平觸發(fā)

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例2：若規(guī)定外部中斷1為邊沿觸發(fā)方式，低優(yōu)先級，

在中斷服務(wù)程序中將寄存器B的內(nèi)容左環(huán)移一位,B的初

值設(shè)為01H。試編寫主程序與中斷服務(wù)程序。

解：程序如下

ORG0000H；主程序

LJMPMAIN；主程序轉(zhuǎn)至MAIN處

ORG0013H；中斷服務(wù)程序

LJMPINT；中斷服務(wù)程序轉(zhuǎn)至INT處

—---------人/輸出、中斷、岸時與串行通信

MAIN:SETBEA；開中斷

SETBEXI；允許外中斷1中斷

CLRPXI；設(shè)為低優(yōu)先級

SETBIT1；邊沿觸發(fā)

MOVB,#01H；設(shè)8的初值

HALT:SJMPHALT；暫停等待中斷

INT:MOVA,B;A-B

RLA;左環(huán)移一位

MOVB,A；回送

RETI；中斷返回

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有以下幾點(diǎn)需要說明：

(1)由于從0003H到0023H之間分布了5個中斷源的入口

地址，因此在一般情況下，主程序與中斷服務(wù)程序均用長轉(zhuǎn)移

指令移至其它區(qū)域。

(2)本例題未考慮保護(hù)現(xiàn)場與恢復(fù)現(xiàn)場的問題，是否需要,

應(yīng)視具體情況而定。

(3)本例是單重中斷,若為多級中斷，則情況要復(fù)雜得多。

(4)主程序處于暫停等待中斷只是為了舉例方便起見，在

實(shí)際的單片機(jī)控制系統(tǒng)中一般是不會這樣用的。

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輸入/輸出、中斷、岸時與串行通信

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5.4定時/計數(shù)器

在實(shí)際的控制系統(tǒng)中常要求有外部實(shí)時時鐘，以實(shí)

現(xiàn)定時或延時控制;還要求有外部計數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)對外界

事件進(jìn)行計數(shù)。比如,在單片機(jī)控制的電力拖動系統(tǒng)中,

控制的對象為電動機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，就需要定時地

對轉(zhuǎn)速進(jìn)行采樣。若采用光電脈沖發(fā)生器作為檢測元

件，則先應(yīng)對每個采樣周期中光電脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈

沖進(jìn)行計數(shù)，然后再通過實(shí)時計算求得對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

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對于定時/計數(shù)器來說,不管是獨(dú)立的定時器芯片還

是單片機(jī)內(nèi)的定時器，大都有以下特點(diǎn)：

(1)定時/計數(shù)器有多種工作方式，可以是計數(shù)方式也

可以是定時方式。

(2)定時/計數(shù)器的計數(shù)值是可變的，當(dāng)然對計數(shù)的最

大值有一定限制，這取決于計數(shù)器的位數(shù)。計數(shù)的最大

值也就限制了定時的最大值。

(3)可以按照規(guī)定的定時或計數(shù)值，在定時時間到或

者計數(shù)終止吐發(fā)出中斷申請，以便實(shí)現(xiàn)定時控制。

第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

-

5.4.1定時/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)及工作原理

MCS-51單片機(jī)的定時/計數(shù)器（以下簡稱T/C）的結(jié)

構(gòu)如圖5—4所示。

由圖5—4可見T/C的核心是1個加1計數(shù)器，它的輸入

脈沖有兩個來源:一個是外部脈沖源，另一個是系統(tǒng)機(jī)器

周期（時鐘振蕩器經(jīng)12分頻以后的脈沖信號）。

--------------------第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

當(dāng)T/C處于定時方式時，加1計數(shù)器在每個機(jī)器周期

加1,因此,也可以把它看作在累計機(jī)器周期。由于一個

機(jī)器周期包含12個振蕩周期，所以它的計數(shù)速率是振蕩

頻率的1/12。

圖5—4中有2個模擬的位開關(guān)，前者決定了T/C的工

作狀態(tài):當(dāng)開關(guān)處于上方時為定時狀態(tài)，處于下方時為計

數(shù)狀態(tài)。工作狀態(tài)的選擇由特殊功能寄存器TMOD的

C/T位來決定。

第章輸入/輸出、中斷、宗時與串行通信

-5

中斷

圖5—4定時/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)框圖

第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

-

16位的加1計數(shù)器由兩個8位的特殊功能寄存器THx

或TLx組成（X=0、1）。它們可被程控為不同的組合狀態(tài)。

（13位、16位、兩個分開的8位等），從而形成T/C不同的4

種工作方式，這只要用指令改變TMOD（工作方式控制寄

存器）的相應(yīng)位即可。單片機(jī)中微處理器up、特殊功

能寄存器TCON和TMOD與定時/計數(shù)器TO、T1之間的

關(guān)系如圖5—5所示，它反映了T/C在單片機(jī)中的位置和

總體結(jié)構(gòu)。

第5章輸入7輸出、中斷、定時與串行通信

T1TO

微

內(nèi)部

處

理總線^3

器D

K

M

.uPTCON]|TMOD

圖5—5定時/計數(shù)器與TMOD、TCON的結(jié)構(gòu)框圖

第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

-

5.4.2定時/計數(shù)器的方式和控制寄存器

MCS-51單片機(jī)有2個特殊功能寄存器TMOD和

TCON:TMOD用于設(shè)置T/C的工作方式;TCON用于控制

定時器TO、T1的啟動與停止，并包含了定時器的狀態(tài)。

1.定時器工作方式寄存器TMOD

定時器工作方式寄存器TMOD用于選擇定時器的

工作方式,它的高4位控制定時器T1,低4位控制定時器TO。

TMOD中各位的定義如下：

_______>T1.___________________>TO.

GATEC/TMlMOGATEC/TMlMO

第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

-

其中：

。廳：T/C功能選擇位，當(dāng)。廳=1時為計數(shù)方式;

當(dāng)。廳=0時為定時方式。

MIMO：T/C工作方式定義位,其具體定義方式如表

5—4所小。

第5章輸入/輸出、中斷、定時與串行通信

表5—4定時/計數(shù)器工作方式

MlMO工作方式方式說明

00013位定時/計數(shù)器

01116位定時/計數(shù)器

102可自動重裝入的8位定時/計數(shù)器

113TO分為2個8位定時器，T1無此方式

第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

-

GATE：門控制位，用于控制定時器的啟動是否受

外部中斷源信號的影響。GATEH）時，與外部中斷無關(guān),

由TCON寄存器中的TRx位控制啟動。GATE=1時，由控

制位TRx和引腳標(biāo)共同控制啟動，只有在沒有外部中

斷請求信號的情況下（即外部中斷引腳iNTi=1時），才

允許定時器啟動。

第章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

-5

2.定時器控制寄存器TCON

TCON控制寄存器各位的定義如下：

D7D6D5D4D3D2DIDO

TCONTFITRITFOTROIE1IT1IE0ITO88H

事『第5章輸入/輸出、中斷、岸時與串行通信

其中：

TFO(TFl)：為TO(T1)定時器溢出中斷標(biāo)志位。當(dāng)

TO(T1)計數(shù)溢出時，由硬件置位，并在允許中斷的情況下，

發(fā)出中斷請求信號。當(dāng)CPU響應(yīng)中斷轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程

序時,由硬件自動將該位清0。

TRO(TRl)：為TO(T1)運(yùn)行控制位。當(dāng)TRO(TR1)=1

時啟動TO(T1);TR0(TR1)=0時關(guān)閉TO(T1)。該位由軟件

進(jìn)行設(shè)置。

TCON的低4位與外部中斷有關(guān)，可參閱中斷一節(jié)的

有關(guān)內(nèi)容。

TCON寄存器在復(fù)位時也被清0。

第5章輸入/輸出、中斷、岸時與串行通信

5.4.3定時/計數(shù)器的工作方式

MCS-51單片機(jī)的T/C有4種工作方式,分別由TMOD

寄存器中的Ml、MO兩位的二進(jìn)制編碼所決定。

1.方式0

當(dāng)M1M0HM）時,T/C設(shè)定為工作方式0,構(gòu)成13位的

T/Co其邏輯結(jié)構(gòu)如圖5—6所示。在此工作方式下,T/C

構(gòu)成一個13位的計數(shù)器，由THx的8位和TLx的低5位組

成,TLx的高3位未用，滿計數(shù)值為213oT/C啟動后立即

力口1計數(shù)，當(dāng)TLx的低5位計數(shù)溢出時向THx進(jìn)位,THx計數(shù)

溢出則對相應(yīng)的溢出標(biāo)志位TFx置位，以此作為定時器溢

出中斷標(biāo)志。當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序時，由內(nèi)部硬件

自動清除該標(biāo)志。

窘5章輸入/輸出、中斷、岸時與串行通信

—

中斷

圖5—6T/C方式0的邏輯結(jié)構(gòu)圖

第章輸入/輸出、中斷、定時與串行通信

-5

2.方式1

當(dāng)M1MO=O1時,T/C設(shè)定為工作方式1,構(gòu)成16位定時

/計數(shù)器淇中THx作為高8位,TLx作為低8位，滿計數(shù)值為

216，其余同方式0類似。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖5—7所示。

____________________第5章輸入/輸出、中斷、岸時與串行通信

3.方式2

當(dāng)M1MO=1O時,T/C工作在方式2,構(gòu)成1個自動重裝

載的T/C,滿計數(shù)值為28。在方式0和方式1中，當(dāng)計數(shù)滿

后,若要進(jìn)行下一次定時/計數(shù)，需用軟件向THx和TLx重

新予置計數(shù)初值。在方式2中THx和TLx被當(dāng)作兩個8位

計數(shù)器，計數(shù)過程中,THx寄存8位初值并保持不變，由

TLx進(jìn)行8位計數(shù)。計數(shù)溢出時，除產(chǎn)生溢出中斷請求外，

還自動將THx中的初值重新裝到TLx中去，即重裝載。

除此之外，方式2也同方式0類似。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖

5—8所小。

第章輸入/輸出、中斷、宗時與串行通信

-5

中斷

圖5—7T/C方式1的邏輯結(jié)構(gòu)圖

第章輸入/輸出、中斷、宗時與串行通信

-5

圖5—8T/C方式2的邏輯結(jié)構(gòu)圖

第章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

-5

4.方式3

方式3只適用于定時器TO。當(dāng)定時器T1處于方式3

時相當(dāng)于TR1=O,停止計數(shù)。

當(dāng)TO工作在方式3時,TH0和TL0被拆成2個獨(dú)立的8

位計數(shù)器。這時,TL0既可作為定時器使用，也可作為計

數(shù)器使用，它占用了定時器TO所使用的控制位（C/T、

GATE、TRO、TFO）,其功能和操作與方式0或方式1完全

相同;而TH0只能作定時器用，并且占據(jù)了定時器T1的兩

個控制信號TR1和TF1。在這種情況下，定時器T1雖仍

可用于方式0、1、2,但不能使用中斷方式。

第5章輸入/輸出、中斷、岸時與串行通信

圖5—9T/C方式3的邏輯結(jié)構(gòu)圖

第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

-

5.4.4定時/計數(shù)器應(yīng)用舉例

由于MCS-51單片機(jī)的定時/計數(shù)器是可編程的，因

此在使用之前需要進(jìn)行初始化。在編程時主要注意兩

點(diǎn)：第一要能正確寫入控制字；第二能進(jìn)行計數(shù)初值

的計算。一般情況下,包括以下幾個步驟：

(1)確定工作方式，即對TMOD寄存器進(jìn)行賦值。

(2)計算計數(shù)初值，并寫入寄存器THO、TLO或TH1、

TL1中。

(3)根據(jù)需要，置位ETx允許T/C中斷。

(4)置位EA使CPU開中斷(需要時)o

(5)置位TRx啟動計數(shù)。

第章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

-5

計數(shù)初值的計算方法如下:

由于定時/計數(shù)器是以加1的方式計數(shù),因此同常用的

減1計數(shù)器的算法不同。

在定時方式下：假定時間常數(shù)為Tc，定時時間為T,

而，?；則時間常數(shù)為

T=J1r,

一T

(5-1)

、T

p

其中Tp為機(jī)器周期，即12/晶振頻率。應(yīng)裝入定時/

計數(shù)器的初值為

X=2n-Tc（n為計數(shù)器的位數(shù)）（5—2）

____________________第5章輸入/輸出、中斷、岸時與串行通信

在計數(shù)方式下：

假定計數(shù)值為N,則應(yīng)裝入的計數(shù)初值為

X=2n-N（n同上）

例1：若晶振頻率為6MHz，試計算MCS-51單片機(jī)

定時/計數(shù)器的最小定時時間和最大定時時間。

解：先確定機(jī)器周期：

.1212

T--------------------—

P晶振頻率6MHz

①計算最小定時時間：

對于定時器的幾種工作方式來說，最小定時時間都

是一樣的，即Tmi產(chǎn)T/Tp=lX2口s=2us

____________________第5章輸入/輸出、中斷、岸時與串行通信

②計算最大定時時間：

當(dāng)T/C工作在方式1下的定時時間最長，則最大定時

時間為

TIlldA=TC-T=p216X2us=131072us=131ms

例2:若單片機(jī)的晶振頻率為6MHz，要求定時/計數(shù)

器TO產(chǎn)生100ms的定時，試確定計數(shù)初值以及TMOD寄

存器的內(nèi)容。

解：當(dāng)晶振頻率為6MHz時，產(chǎn)生100ms的定時接近

最大值(131ms),故只能采用方式1(16位定時器)。

機(jī)器周期為：

第5章輸入/輸出、中斷、定時與串行通信

1212「

-------------2Ms

晶振頻率—6MHz~

時間常數(shù)為：

「=100x10)=5x1()4

cTp2x10%

計數(shù)初值為：

X=2〃-7；=216—5x104

=65536—5000=15536

=3CB0H

-第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

設(shè)置TMOD方式字：

對于TO來說：M1MO=O1>C/T、GATE=0o

由于T1不用，可任意設(shè)置，現(xiàn)取為全3因此，TMOD

寄存器的內(nèi)容為：

TMOD=OOOOOOQ1B=O1H

第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

-

例3：利用定時/計數(shù)器TO通過P1.0引腳輸出周期為

2ms的方波，設(shè)晶振頻率為12MHz。試確定計數(shù)初值、

TMOD內(nèi)容及編制相應(yīng)程序。

解：若要產(chǎn)生周期為2ms的方波，只要每1ms將信號

的幅值由0變到1或由1變到0即可，可采用取反指令CPL

來實(shí)現(xiàn)。為了提高CPU的效率，可采用定時中斷的方式，

每1ms產(chǎn)生一次中斷，在中斷服務(wù)程序中將輸出信號取

反即可。

定時器TO的中斷入口地址為000BH。

①計算計數(shù)初值：

對于定時1ms來說用定時器方式0（13位定時器）就可

實(shí)現(xiàn)。

輸入\/軸用ill斷、室時與串行通信

—------------------------------

機(jī)器周期為:

12^—=2us

晶振頻率6MHz

時間常數(shù)為:

riiK=1000

計數(shù)初值為:

X=2〃-7；=213-1000=8192-1000=7192

=11100000110005

則其高8位為EOH,低5位為18H,故TH0=E0H,TL0=18H。

-第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

②確定TMOD方式字：

對于定時器TO來說,M1MO=OOH、C/T=0、GATE=0o

定時器T1不用,取為全0。于是

TMOD=OOOOOOOOB=OOH

③程序設(shè)計：

ORG000BH；T0中斷服務(wù)程序入口

LJMPINT;轉(zhuǎn)至INT處

ORG2000H；主程序

MOVTMOD,#OOH；置10為定時方式0

MOVTHO,#OEOH;設(shè)置計數(shù)初值

—----------第5皇慚打斷、室時與串行通信

MOVTL0,#18H

SETBEA;CPU開中斷

SETBETO;允許TO中斷

SETBTRO；啟動TO

HALT:SJMP$；暫停，等待中斷

INT:CPLP1.0；輸出方波

MOVTHO,#OEOH；重新裝入計數(shù)初值

MOVTL0,#18H

RETI；中斷返回

如第5章輸入/輸出、中斷、岸時與串行通信

需要說明的是：以上程序在定時器初始化之后，即

進(jìn)入虛擬的主程序,暫停等待定時器溢出中斷。這種主

程序處于暫停狀態(tài)等待中斷的方法一般只用于例題程

序，而在實(shí)際系統(tǒng)中則很少采用,因?yàn)檫@涉及到CPU的

效率。

還有一點(diǎn)要注意：當(dāng)采用方式0、1、3時,只要不

關(guān)閉定時/計數(shù)器，那么每當(dāng)計數(shù)器回0溢出時，都需要

重新裝入計數(shù)初值,以保證計數(shù)值不變。

____________________第5章輸入/輸出、中斷、岸時與串行通信

例4：用查詢方式產(chǎn)生例3中所要求的方波。

解：程序和例3很相似，不同之處為不需要中斷和中

斷服務(wù)程序。查詢的對象是定時器TO的溢出標(biāo)志TFO,

在計數(shù)過程中,TF0為0;當(dāng)定時時間到，計數(shù)器溢出使TFO

置1。由于未采用中斷,TFO置1后不會自動復(fù)位為0,故需

用指令使TFO復(fù)位為0。

計數(shù)初值的計算以及TMOD的選取同例3。

MOVTMOD,#00H;置定時器TO為方式0

MOVTHO,#OEOH;設(shè)置計數(shù)初值

MOVTL0,#18H

&&L，I、，：-

弟5皇慚人命出、中斷、岸時與串行通信

-

MOVIE,#OOH；禁止中斷

SETBTRO；啟動TO定時

LOOP:JBCTFO,LOOP1;查詢計數(shù)溢出

SJMPLOOP；TF0=0,則反復(fù)查詢

LOOP1:CPLP1.0；輸出方波

MOVTHO,#OEOH；重新裝入計數(shù)初值

MOVTL0,#18H

SJMPLOOP；重復(fù)循環(huán)

—第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

例5：軟件擴(kuò)展定時

設(shè)片內(nèi)RAM的70H單元的初值為01H,要求每1秒鐘

將其內(nèi)容左環(huán)移一位，采用定時器T1,晶振頻率為6MHz。

解：當(dāng)晶振頻率為6MHz時,一個定時器的最大定

時值為131ms，現(xiàn)要求定時1s,已超過該最大定時值，故只

能采用定時器定時和軟件計數(shù)相結(jié)合的方法來擴(kuò)展定

時時間。在本例中,要獲得1s定時,可將定時器的定時值

設(shè)為100ms,另設(shè)一個軟件計數(shù)器（常用Rn寄存器），初值

為10。

____________________第5章輸入/輸出、中斷、岸時與串行通信

每100ms定時時間一至山產(chǎn)生定時溢出中斷,在中斷

服務(wù)程序中首先使軟件計數(shù)器減1,若不為0,則立即退出

中斷;若已減為0,說明1s定時時間已至（J,可進(jìn)入中斷處理。

當(dāng)中斷處理完后，再重新設(shè)置軟件計數(shù)器。其它要求與

前例類似。

①計算計數(shù)初值：采用定時方式1,計數(shù)初值為：

x=3CB0H（參閱例2）。

②確定TMOD方式字：對于定時器T1來

說,MlM0=01、c/亍=°、GATE=0,而定時器TO不用，

取為全0。于是

TMOD=00010000B=10H

③程序設(shè)計：

人/輸出、中斷、岸時與串行通信

ORG001BH;T1中斷入口

LJMPINT;轉(zhuǎn)至INT處

ORG2000H；主程序

MOVTMOD,#10H；T1工作于方式1

MOVTH1#3CH；設(shè)置計數(shù)初值

MOVTL1,#BOH

SETBEA;CPU開中斷

SETBET1;允許T1中斷

SETBTRI；啟動T1定時

MOV70H,#01H；將初值送入70H單元中

MOVRO,#OAH；設(shè)置軟件計數(shù)器

—-----------第5章輸入/輸出、中斷、岸時與串行通信

HALT:SJMP$；暫停，等待中斷

INT:DJNZR0,NEXT;中斷服務(wù)程序

MOVA,70H;時間已到，將70H單元內(nèi)容送A

RLA;左環(huán)移一位

MOV70H,A;回送

MOVRO,#0AH;重新設(shè)置軟件計數(shù)器

NEXT:MOVTH1,#3CH;重新設(shè)置計數(shù)初值

MOVTL1,#BOH

RETI；中斷返回

____________________第5章輸入/輸出、中斷、岸時與串行通信

例6：設(shè)晶振頻率為6MHz、定時/計數(shù)器TO工作于

方式3,TL0和TH0作為兩個獨(dú)立的8位定時器，要求TL0使

P1.0產(chǎn)生400口s的方波,TH0使P1.1產(chǎn)生800Hs的方波。

解：當(dāng)采用方式3時，對于TH0來說，需要借用定時器

T1的控制信號。

①計算計數(shù)初值：

8

Xo=2-2OOX10-6/2x10-6=156=9CH

X^ZMOOX10-6/2x10-6=56=38H

②確定TMOD方式字：對定時器TO來

說,M1MO=H、c/f=O>GATE=0,定時器T1不用,取為全

Oo于是

TMOD=00000011B=O3H

____________________第5章輸入/輸出、中斷、岸時與串行通信

③程序設(shè)計：

ORGMAIN；主程序

MAIN:MOVTMOD,#03H;T0工作于方式3

MOVTLO,#9CH；置計數(shù)初值

MOVTH0,#38H

SETBEA;CPU開中斷

SETBETO;允許TO中斷（用于TLO）

SETBET1;允許T1中斷（用于TH0）

SETBTRO；啟動TL0

SETBTRI；啟動TH0

—----------命出、中斷、岸時與串行通信

HALT:SJMPHALT；暫停，等待中斷

ORG000BH;TL0中斷服務(wù)程序

CPLP1.0；PLO取反

MOVTLO,#9CH；重新裝入計數(shù)初值

RETI；中斷返回

ORG001BH;TH0中斷服務(wù)程序

CPLPl.l；P1.1取反

MOVTH0,#38H；重新裝入計數(shù)初值

RETI；中斷返回

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第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

-

5.5串行通信接口

5.5.1串行通信的基本知識

L并行通信與串行通信

在實(shí)際應(yīng)用中，不但計算機(jī)與外部設(shè)備之間常常要

進(jìn)行信息交換，而且計算機(jī)之間也需要交換信息，所有這

些信息的交換均稱為“通信、

通信的基本方式分為并行通信和串行通信兩種。

第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

-

并行通信是構(gòu)成1組數(shù)據(jù)的各位同時進(jìn)行傳送，例

如8位數(shù)據(jù)或16位數(shù)據(jù)并行傳送。

其特點(diǎn)是傳輸速度快，但當(dāng)距離較遠(yuǎn)、位數(shù)又多時

導(dǎo)致了通信線路復(fù)雜且成本高。

串行通信是數(shù)據(jù)一位接一位地順序傳送。其特點(diǎn)是

通信線路簡單，只要一對傳輸線就可以實(shí)現(xiàn)通信（如電話

線），從而大大地降低了成本，特別適用于遠(yuǎn)距離通信。

缺點(diǎn)是傳送速度慢。

圖5—10為以上兩種通信方式的示意圖。由圖5—10

可知,假設(shè)并行傳送N位數(shù)據(jù)所需時間為T,那么串行傳

送的時間至少為NT,實(shí)際上總是大于NT的。

一二反※第5章輸入/輸出、中斷、定時與串行通信

O

1

O

計

O

算

計1

機(jī)

算O—>

(

機(jī)

O或

1_>外

^2_設(shè)

)

控制(選通)

.狀態(tài)

-_>nF^_-

(a)0)

圖5—10通信的兩種基本方式

⑶并行通信；（b）串行通信

____________________第5章輸入/輸出、中斷、岸時與串行通信

串行通信可分為異步傳送和同步傳送兩種基本方式。

1)異步傳送方式

異步傳送的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)在線路上的傳送不連續(xù)。

在傳送時，數(shù)據(jù)是以一個字符為單位進(jìn)行傳送的。它用

一個起始位表示字符的開始，用停止位表示字符的結(jié)束。

異步傳送的字符格式如圖5—11(a)所示。

第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

-

一個字符由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止

位4個部分組成。起始位為0信號占1位；其后接著的就

是數(shù)據(jù)位，它可以是5位、6位、7位或8位，傳送時低位

在先、高位在后；再后面的1位為奇偶校驗(yàn)位，可要也可

以不要；最后是停止位，它用信號1來表示字符的結(jié)束,

可以是1位、1位半或2位。

輸入/輸出、中斷、岸時與串行通信

-

低位高位下降邊指出下

/.\一個字符的開始

tt

低位高位

I

一位時間取決于波特率

(b)

圖5—11串行異步傳送的字符格式

(a)字符格式；(b)有空閑位的字符格式

第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

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例如，采用串行異步通信方式傳送ASCII碼字符

'5，，規(guī)定為7位數(shù)據(jù)位，1位偶校驗(yàn)位，1位停止位，

無空閑位。

由于'5,的ASCII碼為35H,其對應(yīng)7位數(shù)據(jù)位為

0110101,如按低位在前、高位在后順序排列應(yīng)為

lOlOHOo前面加1位起始位，后面配上偶校驗(yàn)位1位

0,最后面加1位停止位1,因此傳送的字符格式為

0101011001,其對應(yīng)的波形如圖5—12所示。

____________________第5章輸入/輸出、中斷、岸時與串行通信

1幀

0101011001

圖5—12傳送ASCII碼字符5的波形圖

____________________第5章輸入/輸出、中斷、岸時與串行通信

在串行異步傳送中,CPU與外設(shè)之間事先必須約定：

①字符格式。

雙方要事先約定字符的編碼形式、奇偶校驗(yàn)形式及起始

位和停止位的規(guī)定。例如用ASCII碼通信，有效數(shù)據(jù)為7位,

力口1個奇偶校驗(yàn)位、1個起始位和1個停止位共10位。當(dāng)然停

止位也可大于1位。

②波特率(Baudrate)。

波特率就是數(shù)據(jù)的傳送速率，即每秒鐘傳送的二進(jìn)制位

數(shù)，單位為位/秒。它與字符的傳送速率(字符/秒)之間存在如

下關(guān)系：

波特率二位/字符X字符/秒二位/秒

要求發(fā)送端與接收端的波特率必須一致。

—-------------______第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

例如，假設(shè)字符傳送的速率為120字符/秒，而每1個字

符為10位,那么傳送的波特率為

10位/字符X120字符/秒=1200位/秒=1200波特

每1位二進(jìn)制位的傳送時間Td就是波特率的倒數(shù)，

例如上例中

Td=l/1200=0.833ms

____________________第5章輸入/輸出、中斷、岸時與串行通信

2）同步傳送

在異步傳送中，每1個字符都要用起始位和停止位作

為字符開始和結(jié)束的標(biāo)志,占用了一定的時間。為了提

高傳送速度,有時就去掉這些標(biāo)志，而采用同步傳送，即1

次傳送1組數(shù)據(jù)。在這1組數(shù)據(jù)的開始處要用同步字符

SYN來力口以指示，如圖5—13所示。

第5章輸入/輸出、中斷、宗時與串行通信

圖5—13同步傳送

第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

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2.數(shù)據(jù)傳送方向

串行通信的數(shù)據(jù)傳送方向有3種形式。

(1)單工方式。

如圖5—14(a)所示,A端為發(fā)送站,B端為接收站，數(shù)據(jù)

僅能從A站發(fā)至B站。

(2)半雙工方式。

如圖5—14(b)所示，數(shù)據(jù)既可從A站發(fā)送到B站,也可以

由B站發(fā)送到A站。不過在同一時間只能作1個方向的傳

送。

(3)全雙工方式。

如圖5—14(c)所示,每個站(A、B)既可同時發(fā)送，也可

同時接收。

弟星輸入/輸出、中斷、定時與串行通信

-5

?

圖5—14串行通信的三種方式

（a）單工方式；（b）半雙工方式；（c）全雙工方式

-第5章輸入/輸出、中斷、室時與串行通信

3.信號的調(diào)制和解調(diào)

計算機(jī)通信是1種數(shù)字信號的通信，如圖5—15所示。

它要求傳送線的頻帶很寬，