[工学]MCS-51单片机.ppt

第4章 MCS-51单片机硬件 资源的使用 MCS-51单片机的硬件资源包括： 一、 MCS-51单片机的并行口 二、 MCS-51单片机的中断系统 三、 MCS-51单片机的定时器/计数器 四、 MCS-51单片机的串行接口 一、MCS-51单片机的并行 口 1、概述： MCS-51有四个并行双向I/O口： P0口、P1口、P2口和P3口 当作I/O口时，可按字节或位操作 按位操作时，表示为：P0.0P0.7 P1.0P1.7; P2.0P2.7 ; P3.0P3.7 按字节操作：表示为P0、P1、P2、P3 例1： P1.0P1.3为输出口， P3.0P3.3 为输入口，使LED灯显示开关的状态。 采用位操作： ORG 0000H L1：MOV C， P3.0 MOV P1.0，C MOV C， P3.1 MOV P1.1，C MOV C， P3.2 MOV P1.2，C MOV C， P3.3 MOV P1.3，C SJMP L1 例1： P1.0P1.3为输出口， P3.0P3.3 为输入口，使LED灯显示开关的状态。 采用字节操作。 用读端口方式 L1：MOV A ， P3 MOV P1，A SJMP L1 L1：MOV P1 ， P3 SJMP L1 L1：MOV A ， P3 SWAP A MOV P1，A SJMP L1 用P1.4P1.7作输入口，采用位操作。 小结： 1、单片机的I/O端口， 即可用作输入口，也可 用作输出口； 2、所有口线均可单独 使用与控制； 3、每个端口均可当做 一个8位并行口单独使 用。 ORG 0000H L1：MOV C， P1.4 MOV P1.0，C MOV C， P1.5 MOV P1.1，C MOV C， P1.6 MOV P1.2，C MOV C， P1.7 MOV P1.3，C SJMP L1 研究与思考：采用字节操作的现象。 你会发现什么问题？ 运行过程中出现什么 现象？ 如何解决？ 解决此问题，只能通 过单片机并行口的内 部结构特点及工作原 理来解决。 L1：MOV A ， P1 SWAP A MOV P1，A SJMP L1 2、并行口的结构及特点 1、P0P3口作I/O口时为：准双向I/O口； 作输入口时须先向端口锁存器写“1”； 作输出口时，P0口为漏极开路结构，需外 加上拉电阻，而P1 P3口内部具有上拉电 阻。 2、P3口具有第二功能，使用第二功能时， 需 须先向端口锁存器写“1”； 3、P0、P2口又可作为为单片机的总线口。 （1）P0口的位结构 Q 1.P0口 P0口的输出驱动电路由上拉场效应管T1 和驱动场效应T2组成，控制电路包括一个与门， 一个非门和一个模拟开关MUX。 CPU发控制电平“0”封锁与门，使T1管截止 ，同时使MUX开关同下面的触点接通，使锁存 器的/Q与T2栅极接通。 当CPU向端口输出数据时，写脉冲加在锁存器 的 CL上、内部总线的数据经反相，再经T2管 反相，PO口的这一位引脚上出现正好和内部 总线同相的数据。由于输出驱动级是漏极开 路电路(因T1截止)，在作I/O口使用时应外接 上拉电阻。 P0作I/O口使用 当作输入口进行输入操作时，端口中两个三 态缓冲器用于读操作。缓冲器2用于读端口引 脚的数据。当执行端口读指令时，读引脚脉 冲打开三态缓冲器2，于是端口引脚数据经三 态缓冲器2送到内部总线。 为保证端口引脚信号输入正确，必须先向口 锁存器写“1”，使T2管截止。 缓冲器1用于读取锁存器Q端的数据。当执行 “读-修改-写”指令(即读端口信息，在片内 加以运算修改后，再输出到该端口的某些指 令。如：ANL P0，A指令)，即是读的锁存器Q 的数据。 “读-修改-写”CPU读口锁存 器而不读引脚，是为了避免错 读引脚的电平信号。 究竟是读引脚还是读锁存器， CPU内部会自行判断是发读引 脚脉冲还是读锁存器脉冲，用 户不必在意。 应注意，当作输入端口使用时 ，应先对该口写入“1”使场 效应管T2截止，再进行读入操 作，以防场效应管处于导通状 态，使引脚箝位到零，而引起 误读。 当PO口作地址/数据线使用时，CPU 及内部控制信号为“1”，转换开 关MUX打向上面的触点， 使反相器 的输出端和T2管栅极接通，输出的 地址或数据信号通过与门驱动T1管 ，同时通过反相器驱动T2管完成信 息传送，数据输入时，通过缓冲器 进入内部总线。 （2）P1口的位结构： Q (b)P1口位结构 P1口作通用I/O口使用，因电路结构上输出驱动部 分接有上拉电阻。当作输入时，同PO一样，要先对 该口写“1”。 （3）P2口的位结构 (c) P2口位结构 P2口的位结构比P1多了一个转换控制部分，当P2口作通 用I/O口时，多路开关MUX倒向左； P2口使用特点 当扩展片外存贮器时，MUX开关打向右 ，P2口作高八位地址线输出高八位地 址信号。 其MUX的的倒向是受CPU内部控制的。 应当注意：当P2口的使用某几位作地 址线时，剩下的P2口线不能作I/O口线 使用。 （3）P3口的位结构 (d)P3口位结构 P3口为双功能I/O口，内部结构中增加了第二输 入/输出功能。使用第二功能时，应先向口锁存 器写“1”。 P3口的第二功能 P3.0-RXD P3.1-TXD P3.2-INT0 P3.3-INT1 P3.4-T0 P3.5-T1 P3.6-WR P3.7-RD 串行口 外部中断 计数器外部脉冲输入引脚 片外RAM、I/O读写信号 P3口的特点 当作为普通I/O口使用时，CPU自动使第二输 出功能端保持“1”，打开与非门3，用法同 P1口。 当作第二功能输出时，向口锁存器写“1”打 开与非门3，第二功能内容通过与非门3和T送 至引脚。 第二功能输入时，引脚的第二功能信号通过 三态缓冲器4进入第二输入功能端。两种功能 的引脚输入都应使T截止，此时第二输出功能 端和锁存器输出端Q均为高电平。 P3的各位如不设定为第二功能则自动处于第 一功能，在更多情况下，根据需要，把几条 口线设为第二功能，剩下的口线可作第一功 能(I/O)使用，此时，宜采用位操作形式 。 并行口小结： 归纳四个并行口使用的注意事项如下： 1、如果单片机内部有程序存贮器，不需要 扩展外部存贮器和I/O接口，单片机的4个口 均可作I/O口用。 2、4个口在作输入口使用时，均应先对其写 “1”，以避免误读。 3、P0口作I/O口使用时应外接上拉电阻，其 它口则可不必。 4、P2的某几根线作地址使用时，剩下的口 线不能作I/O口线使用。 5、P3口的某些口线作第二功能时，剩下的 口线可以单独作I/O口线使用。 解决方法： ORG 0000H L1:MOV P1, #0FFH MOV A, P1 SWAP A MOV P1， A SJMP L1 还有没有问题？ ORG 0000H L1:ORL P1, #0F0H MOV A, P1 SWAP A MOV P1， A SJMP L1 能否正确理解端口 的使用方法？ 实验问题 实验一：熟悉系统简单程序实验 实验二：循环程序调试 实验三：P1口输入输出程序调试 实验四：定时器中断程序调试 实验五：单片机与PC机串行通讯程序调试 实验六：8255输入输出程序调试 时间：13周18周，周五56、78节 地点：1#实验楼227 二、MCS-51的中断系统 1、中断系统简介 （1）组成： 5/7个（52系列）中断源，2级中断优先级； 4个专用功能寄存器用于中断控制：IE、IP、TCON、SCON。 （2）中断源： 外部中断： 外部中断0：/INT0 外部中断1：/INT1 定时器/计数器溢出中断： 定时器/计数器0溢出中断：TF0 定时器/计数器1溢出中断：TF1 串行口中断： 串行口接收与发送中断：RI、TI（RI+TI作为一个中断源 ） 触发方式： 边沿触发 电平触发 例2：外部中断应用 使用外部中断0，以P1口 的8个LED灯显示外部中 断次数。每中断一次， LED指示灯显示按照二 进制加1。 同时，采用P3.4P3.7控 制4个LED灯进行“跑马 灯” 循环显示，来模拟 CPU执行主程序。 加深理解中断的含义。 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H ;中断入口 LJMP INTN0 ORG 0030H MAIN: MOV 30H, #00H ;计中断次 数，开始清零 SETB EX0 ;允许INT0中断 SETB IT0 ;边沿触发方式 SETB EA ;开中断 MOV P1，#0FFH ;P1口指示 灯初始状态 ;-模拟主程序- LOOP1: MOV A, #0EFH LOOP: MOV P3，A LCALL DELAY ;延时0.25S RL A JB ACC.0, LOOP SJMP LOOP1 ;-中断服务程序 - INTN0: PUSH ACC ;保护现场 INC 30H ;中断次数加1 MOV A, 30H CPL A MOV P1，A ;点亮指示灯 POP ACC ;恢复现场 RETI ;中断返回 ;- DELAY:MOV R5，#04H ;延时子程序 DL1：MOV R6，#0 DL2: MOV R7，#0 DJNZ R7，$ DJNZ R6, DL2 DJNZ R5, DL1 RET 2、中断系统结构与中断控 制 3中断控制专用寄存器 (1)中断控制寄存器IE：中断的允许和禁止 IE寄存器的各位对应相应的中断源，如果允许该中 断源中断则该位置1，禁止中断则该位0。 EA ET2 ES ET1 EX1 ET0 EX0 中断 总总允 许许 定时时器 T2 串行口 定时时器 T1 外部 中断1 定时时 器T0 外部 中断0 EA：中断总允许： EA=1，CPU开中断; EA=0， CPU关中断。 ET0：定时器T0中断允许位：ET0=1，允许T0中断；ET0=0，禁止中断。 EX0：外部中断0中断允许位：EX0=1，允许INT0中断；EX0= 0，禁止。 ES: 串行口中断允许位： ES=1，允许串行口中断；ES=0，禁止。 （2）定时器控制寄存器（TCON ） IT0和IT1为外中断INT0 和INT1中断触发方式选择 ，IT0、IT1=1，为边沿触发； IT、IT1=0为电平触 发。 IE0、IE1为中断请求位。 TF1TR1TF0 TR0 IE1IT1 IE0IT0 T1 溢出 中断 T1 启动动 停止 T0 溢出 中断 T0 启动动 停止 INT1 中断 请请求 INT1 触发发 方式 INT0 中断 请请求 INT0 触发发 方式 （3）中断优先级控制寄存器（ IP） PX0=1，INT0为高级中断，PX0=0，则为低级中断 内部优先级查询次序： INT0-T0-INT1-T1-串口-T2 高 低 -PT2PSPT1PX1PT0PX0 T2串口T1INT1T0INT0 -TIRI (4)串行口控制寄存器 （SCON） 3、中断响应 （1）中断服务程序入口地址： 外部中断0 0003H 定时器/计数器0溢出 000BH 外部中断1 0013H 定时器/计数器1溢出 001BH 串行口 0023H 定时器/计数器2溢出 002BH （2）中断响应过程 分中断请求、中断响应、中断处理、 中断返回四个阶段。 中断请求、中断响应过程由硬件完成。 中断处理：中断服务程序。 中断返回是通过执行一条RETI中断返回指令 ，使堆栈中被压入的断点地址送PC，从而返 回主程序的断点继续执行主程序。 另外RETI还有清除优先级状态触发器的作用 ，因此不能以RET指令代替“RETI”指令。 中断嵌套 MCS51单片机中断嵌套原则： 1.高优先级可中断低优先级的中断服务程序； 2.同等优先级的中断不能中断对方的中断服务程序 ； 3.多个中断同时到来，CPU响应高优先级中断请求。 中断优先级触发器： MCS51内部设置2个不可寻址的中断优先级触发器， 用来指示高、低级中断，同时阻止本级中断请求。 中断查询过程： CPU在每个M周期的S5P2状态采样中断标志，若有中 断，则在下一个M周期，进行中断优先级查询，若 满足条件，则下在一个M周期将则转入响应的中断 服务程序。 中断封锁条件： 若某个中断源处于被打开的状态，并满足中断响应 的条件，然而下面三种情况单片机不响应此中断： 当前正在执行的指令没执行完； 当前正在执行同级或高级中断； 当前正在执行访问IE、IP或RETI指令。 CPU响应中断后，硬件执行以下操作： 置优先级激活触发器封锁同级或低级中断； 保护断点：将PC内容压栈； 清除中断请求标志：IE0，IE1，TF0，TF1之一； 将中断服务程序入口地址PC。 中断响应时间： 在正常的情况下，从中断请求信号有效开始 ，到中断得到响应，通常需要38个机器周 期。 中断请求标志的撤除： CPU响应中断后，应撤除该中断请求标志， 否则会再次引起CPU中断。 T0、T1、INT0、INT1的中断请求标志，CPU 响应中断后由硬件自动清除； 串行口中断请求标志TI、RI，只能由软件清 除。 对电平触发的外部中断，CPU在响应中断时 也不会自动清除中断标志，因此，在CPU响 应中断后应立即撤除INT1或INT0的低电平信 号。 修改： 1、若使用外部 中断1，应如何 修改？ ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H ;中断入口 LJMP INTN0 ORG 0030H MAIN: MOV 30H, #00H ;计次数 SETB EX0 ;允许INT0中断 SETB IT0 ;边沿触发方式 SETB EA ;开中断 MOV P1，#0FFH ;P1口指示 灯初始状态 ;-模拟主程序- LOOP1: MOV A, #0EFH LOOP: MOV P3，A LCALL DELAY ;延时0.25S RL A JB ACC.0, LOOP SJMP LOOP1 ;-中断服务程序 - INTN0: PUSH ACC ;保护现场 INC 30H ;中断次数加1 MOV A, 30H CPL A MOV P1，A ;点亮指示灯 POP ACC ;恢复现场 RETI ;中断返回 ;- DELAY:MOV R5，#04H ;延时子程序 DL1：MOV R6，#0 DL2: MOV R7，#0 DJNZ R7，$ DJNZ R6, DL2 DJNZ R5, DL1 RET 提高与拓展： 2、若每中断一次点 亮1个灯，中断8次 ，8个LED灯全亮， 应如何修改程序？ 三、MCS-51的定时器/计数器 1、定时器/计数器概述： MCS-51有2个16位定时器/计数器T0、T1； 定时器：对fosc的12分频计数，即对机器周 期器计数； 计数器：对P3.4/P3.5输入的外部脉冲计数； 在计数初值基础上加1计数，计数溢出后置 TF0/TF1为1，产生中断； 定时/计数初值： 如16位定时器：定时时间 t(216-初值) 机器周期 16位计数器：计数值= 216-初值 专用功能寄存器：TMOD，TCON 例3.1：定时器应用举例 P1口接有8个发光二极管， 编程使8个指示灯轮流点亮 ，每个灯亮0.25s，单片机晶 振为12MHz。 分析：fosc=12MHz, 1M=1s 16位定时器最大定时时间： t=(216-初值) 机器周期 =(65536-0) 1s=65.5ms 0.25s=5 50ms 定时50ms初值： 50 103=65536-初值； 初值=15536=3CB0H D3L3.ASM ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH ;定时器0中断入口 AJMP INTT0 ORG 0030H ;主程序 MAIN:MOV 31H，#0FEH MOV P1，31H ;置第一个LED亮 MOV TMOD，#01H ;T0工作于定时方式1 MOV TH0，#3CH MOV TL0，#0B0H ;定时50ms初值 SETB TR0 ;启动T0工作 SETB ET0 ;允许T0中断 SETB EA ;开中断 MOV 30H, #00H ;软件计时单元清零 WAIT:SJMP WAIT ;等待中断 INTT0:MOV TH0，#3CH ;中断服务程序 MOV TL0，#0B0H ;重装计数初值 INC 30H ;软件计时单元加1 MOV A, 30H CJNE A, #05H, L1 ;0.25S到？ MOV 30H, #00H ;计时单元清0 MOV A, 31H RL A ; 左移一位 MOV 31H, A MOV P1，A ;下一个发光二极管亮 L1:RETI ;中断返回 例3.2 计数器应用 P1口接有8个发光 二极管，使用T1作 为计数器，计外部 脉冲的个数，每计 3个脉冲产生中断 ，利用LED指示灯 显示中断的次数。 D3L4.ASM ORG 0000H AJMP MAIN ORG 001BH ;T1中断入口 AJMP INTT1 ORG 0030H ;主程序 MAIN:MOV TMOD，#60H ;T1工作于计数方式2 MOV TH1，#253 ;T1计数初值（256-3） MOV TL1，#253 SETB TR1 ;启动T1工作 SETB ET1 ;允许T1中断 SETB EA ;开中断 MOV 30H, #00H ;中断次数计数单元清零 WAIT:SJMP WAIT ;等待中断 ;- ;中断服务程序 INT1: INC 30H ;次数单元加1 MOV A, 30H CPL A MOV P1，A ;下一个发光二极管亮 RETI ;中断返回 2、定时器/计数器控制寄存器 1、定时器方式控制寄存器TMOD(89H) GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0 定时器T0 定时器T1 TF1TR1TF0 TR0 IE1IT1 IE0IT0 T1 溢出 中断 T1 启动动 停止 T0 溢出 中断 T0 启动动 停止 INT1 中断请请 求 INT1 触发发 方式 INT0 中断 请请求 INT0 触发发 方式 2、定时器控制寄存器TCON（88H) 定时器方式控制寄存器TCON各位定义： GATE：门控信号 GATE=0，TRx=1时即可启动定时器工作 ； GATE=1， 除TRx=1 外,还需INTx=1才启动定时器工作 。 C/T：定时器/计数器选择位 C/T=1，为计数器方式； C/T=0，为定时器方式。 M1 M0 工作模式选择位 M1M0=00 工作方式0（13位定时/计数器）。 M1M0=01 工作方式1（16位定时/计数器）。 M1M0=10 工作方式2（8位自动重装初值方式）。 M1M0=11 工作方式3（T0为2个8位定时器/计数器） 。 3、定时器/计数器结构 （1）方式0（13位）、方式1（16位）定时/计数 器 方式0 方式1 （2）方式2：8位自动重装初值的定时/计数器 （3）方式3：T0分为2个8位定时/计数器。 方式2 方式3 4、定时器/计数器工作方式： 方式0：13位定时/计数器；-TH0 TL0（低5位） 定时时间：t=(213-初值) 机器周期 方式1：16位定时/计数器；-TH0 TL0 定时时间：t=(216-初值) 机器周期 方式2：8位自动重装初值的定时/计数器； TH0 定时时间：t=(28-初值) 机器周期 方式3：T0分为2个8位定时/计数器。 -T1方式2下，可作为串口波特率发生器 修改： 1、若采用T1定时 20ms，使P1口8个灯 每隔0.5秒循环点亮 ，应如何修改？ 修改与提高： 2、加入INT0，若外 部中断0中断后，循 环灯停止循环，再次 中断后，继续循环， 应如何修改程序？ 提示：定时器T1、 INT0均采用中断方 式，在INT0的中断 程序中，关闭或启动 定时器。 发挥与拓展： 3、若使P1口8个 灯每隔0.5秒循环 点亮，循环到最 高位后，再逆向 循环，依次重复 ，应如何修改程 序？ 四、 MCS-51的串行接口 MCS-51单片机内部的串行接口是全双 工的，即它能同时发送和接收数据。 这个口既可以用于网络通信，也可以 实现串行异步通信，还可以作为同步 移位寄存器使用。 在串行口中可供用户使用的是它的寄 存器。 1、串行口的寄存器结构 发送数据寄存器 SBUF 接收数据寄存器 SBUF地址相同，但 上物理是2个不同的 寄存器。 串行发送时，从片内 总线向发送SBUF写入 数据；串行接收时， 从接收SBUF向片内总 线读出数据。 因为发送和接收不能 同时进行，所以给这 两个寄存器赋以同一 地址（99H）。 2、串行口控制寄存器 （1）串行控制寄存器SCON SM0SM1 SM2RENTB8RB8TIRI 方式选择选择多机 控制 位 串行接收 允许许/ 禁 止 欲发发 的第 九位 收到的 第九位 发发送中 断有/ 无 接收 中断 有/无 SM0.SM1:串行口工作方式控制位。 0 0-方式0, 0 1-方式1 1 0-方式2, 1 1-方式3 REN：串行接收允许位。 0-禁止接收, 1-允许接收 TB8: 在方式2,3中,TB8是发送机要发送的第9位数据。 TI、RI：发送、接收中断标志。只能软件清零。 SM2:多机通信控制位，仅用于方式2和方 式3。 当选择方式2或方式3时,发送机设置SM2=1, 以发送第九位TB8为1作为地址帧寻找从机,以 TB8为0作为数据帧进行通信。 若接收到的第九位数据RB8=0，不置位RI，即 不引起接收中断，亦既不接收数据帧,继续监 听； 如接收到的RB8=1，置位RI，引起接收中断, 中断程序中判断所接收的地址帧和本机的地 址。 方式0中，SM2=0。 （2）电源控制寄存器PCON PCON的格式如下图所示,串行通信只用其中 的最高位SMOD。 SMODXXXXXXX SMOD : 波特率倍率位。 在计算方式 1、 2、 3 的波特率时， SMOD 0波特率不加倍; SMOD 1 波特率加倍 3、串行口的工作方式 （1）串行口工作方式0 方式0：同步移位寄存器方式。 方式0的数据格式为8位,低位在前,高位在后。 RXD为串行数据的发送/接收端, TXD为同步脉冲输 出端，输出fosc/12的同步时钟脉冲。 波特率固定为B=fosc/12 向SBUF写入数据就启动串行发送，发送完毕，硬件 置TI=1； 设置REN=1，就启动一次串行接收，接收完毕，硬 件置RI=1。 RXD TXD D0D1D2D3D4D5D6D7 （2）串行口的工作方式1 方式1：8位异步通信接口。 波特率=（2SMOD/32）T1的溢出率 =2SMOD/32fosc/(12(256-TH1) 每帧数据由1个起始位，8个数据位和1个停 止位构成，共10位。其中起始位和停止位在 发送时是自动插入的。 向SBUF写入数据就启动串行发送，发送完毕 ，硬件置TI=1； 设置REN=1，就启动一次串行接收，当检测 到起始位时，开始接收，接收完毕，硬件置 RI=1。 串口方式1时序图 写入 SBUF 采样 （a） 发送时序图 TXD 数据输出 TI D0D1D2D3D4D5D6D7 停止位 起始位 RXD 输入数据 （b） 接收时序图 D0D1D2 D3D4D5D6D7 停止位 起始位 RI 检测 负跳变 （2）串行口的工作方式2、3 方式2、3：9位异步通信接口。 方式2波特率固定为：fosc2SMOD/64 。 方式3波特率同方式1。 每帧数据由有1个起始位，9个数据位 和1个停止位组成。发送时第9位数据 位,由SCON寄存器的TB8位提供，接收 到的第9位数据存放在SCON寄存器的 RB8位。 串口方式2、3时序图 写入 SBUF TXD输出 TI RXD输入 RI D0D1D2D3D4D5D6TB8停止位 起始位 D7 D0D1D2D3D4D5D6RB8停止位 起始位 D7 检测 负跳变 4、波特率的设定 波特率：串行口每秒钟发送或接收数 据位数。 假设发送一位数据所需时间位T，则波 特率为1/T。 方式0的波特率是固定的，等于单片机 晶振频率的1/12，即每个机器周期接 收或发送一位数据。 方式2的波特率= fosc2SMOD/64 方式1和方式3的波特率除了与SMOD位有关外 ，还与定时器T1的溢出率有关。 定时器T1作为波特率发生器，常选用方式2 （8位重装载初值方式），并且禁止T1中断 。此时TH1从初值计数到产生溢出，它每秒 钟溢出的次数称为溢出率。 方式1或3的波特率： B=T1的溢出率2SMOD/32 =2SMOD/32fosc/(12(256-TH1) 串并转换单元图片 例D4L1：方式0数据发送的设计 硬件连线图： (1)查询方式：D4L1A ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0030H MAIN: MOV SCON,#00H ;串口方式0 MOV SBUF,#0fH ;发送数据 L1: JNB TI,L1 ;等待串口方式完毕 CLR TI ;清发送中断标志 SJMP $ END (2)采用中断方式：D4L1B ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0023H ;串口中断向量入口 LJMP UARTINT ORG 0030H MAIN: MOV SP,#60H MOV SCON,#00H ;串口方式0