单片机应用技术中级教程.ppt

教学内容：单片机的基本组成、80C51单片机的引脚功能、80C51的结构框图、80C51CPU的结构、PC、DPTR、PSW、SP功能，时钟电路（内部时钟、外部时钟）、时序概念（振荡周期、时钟周期或称状态周期、机器周期、指令周期）、80C51单片机的存贮器配置、工作寄存器、寄存器的分区结构、特殊功能寄存器、位地址空间、布尔处理器、复位状态和复位电路、低功耗工作方式。教学要求：掌握MCS-51单片机的组成及其结构特点，掌握MCS-51单片机储存器的配置形式及其地址空间；掌握程序储存器、外部数据储存器、内部数据储存器、特殊功能寄存器在使用时的要求，以及各个储存器空间的功能划分；理解时序概念；了解复位状态和复位电路、低功耗工作方式。,第二章单片机的基本结构与工作原理,第二章单片机的基本结构与工作原理2.1单片机的基本组成（P13图2-1）,各组成部分的特点：,1.中央处理器（CPU）：较一般CPU增设了位处理等“面向控制”的功能。2.存储器：有程序和数据存储器统一寻址的普林斯顿结构与分别寻址的哈佛结构（2种）。MCS-51采用哈佛结构。程序存储器为ROM，数据存储器RAM。且有片内、片外之分。3.并行I/O口：有4个8位的I/O口（P0-P3）。部分I/O口还是系统总线或控制信号线。4.串行口：有1个通用异步接收和发送器（UART）即串行通信口。5.定时器/计数器：有2个16位的可编程定时器/计数器。6.时钟电路：时钟是定时的基础，单片机内有一个反相放大器构成振荡电路，可用内部或外部两种方式产生单片机所需的时钟。7.中断源：有多个可编程的中断源，可设置优先级。下面我们将以80C51为主，对其功能和结构作详细介绍。,2.280C51单片机的引脚功能和结构框图,2.2.180C51的引脚功能（有40脚DIP和44脚QFP封装2种,P16）各引脚的功能如下：（1）电源和晶振：Vcc(+5V)，Vss(地)，XTAL1/2（接晶振）。（2）I/O口：4个，32根。其中P0：8位双向口，地址和数据分时复用，可驱动8个TTL负载。P1：8位准双向口，可驱动4个TTL负载。P2：8位准双向口，输出高8位地址，可驱动4个TTL负载。P3：8位准双向口，具有多功能（见下）,可驱动4个TTL负载。P3.0RXT(串行输入），P3.1TXD(串行输出）；P3.2外部中断0，/INT0，P3.3外部中断1，/INT1；P3.4T0/计数器0输入，P3.5T1/计数器1输入；P3.6/WR(片外存写选通），P3.7/RD(读选通)；（3）控制线：4根（RST，/EA，ALE，/PSEN）,输入：RST复位输入信号，高电平有效。在振荡器工作时，在RST上作用两个机器周期以上的高电平，将器件复位。/EA/VPP片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。在编程时，其上施加21V或12V的编程电压输入、输出：ALE/PROG地址锁存允许信号，输出。用做片外存储器访问时，低字节地址锁存。ALE以1/6的振荡频率稳定速率输出，可用做对外输出的时钟或用于定时。在EPROM编程期间，作输入。输入编程脉冲/PROG）。ALE可以驱动8个LSTTL负载。输出控制线：PSEN片外程序存储器选通信号，低电平有效。在从片外程序存储器取指期间，在每个机器周期中，当/PSEN有效时，程序存储器的内容被送上P0口（数据总线）。/PSEN可以驱动8个LSTTL负载。,2.2.280C51的内部结构框图和组成（见P18图2-3）主要包括算术逻辑部件ALU、累加器ACC(有时也简称为A)、只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、指令寄存器IR、程序地址寄存器、程序计数器PC、数据指针DPTR、定时器计数器、并行IO口P0P3、串行口、程序状态标志寄存器PSW以及定时控制逻辑电路等。这些部件通过内部总线连接起来，构成一个完整的微型计算机。,2.380C51CPU的结构和特点（P1928）,这里主要介绍控制器、运算器及时序电路，而工作寄存器放在以后与片内寄存器一起讲。2.3.1中央控制器它是识别指令，并根据指令控制计算机各组成部分进行工作的部件。包括：程序计数器PC、地址寄存器、指令寄存器及译码器、条件转移逻辑电路及定时控制逻辑电路。1。程序计数器PC和数据指针DPTR（16位）程序计数器PC的变化决定程序的流程，每步自动加1，它的宽度决定了程序存储器的寻址范围（16位-64K），PC的值即下一条指令的地址。中断或子程序调用，PC值将入栈，返回时出栈。PC的输出也就是程序的地址，与P0、P2口各位的关系见P20图2-4：PC0P0.0A0,PC7P0.7A7(低8位地址）PC8P2.0A8,PC15P2.7A15（高8位地址）数据指针DPTR既可以作为16位的数据寄存器，也可以拆成两个8位的寄存器（DPH，DPL）；在间接寻址时，作为片外数据存储器的地址寄存器，与P0、P2口各位的关系见P20图2-5：,续DPTR与P0、P2口各位的关系：,DPL0P0.0A0,DPL7P0.7A7(低8位地址）DPH0P2.0A8,DPH7P2.7A15（高8位地址）例：访问片外数据存储器：MOVXA，DPTR(读)MOVXDPTR，A(写)PC和DPTR也可作为访问程序存储器时的基址寄存器：MOVCA，A+PCMOVCA，A+DPTRJMPA+DPTR,PC和DPTR的异同点：两者都是与地址有关的16位寄存器，但PC只和程序存储器地址有关，DPTR和数据存储器地址有关（也可和程序存储器地址有关）；此时，它们的内容都经P0和P2口输出。PC的输出与ALE及/PSEN有关；DPTR的输出，则与ALE、/WR、/RD相联系。PC只能作为16位寄存器使用，DPTR还可作为两个8位寄存器（DPH，DPL）对待，PC不能；PC具有自动加1功能，而DPTR不能自动加1，需用INCDPTR增1（无INCPC）。,续上页2.3.1中央控制器,2。指令寄存器、指令译码器及控制逻辑指令寄存器用来存放指令操作码，经指令译码器进行译码后，送定时控制逻辑电路产生控制信号（见P21图2-6）。2.3.2运算器（见P22图2-7）运算器主要用于实现算术与逻辑运算及位操作，包括算术逻辑单元ALU、累加器ACC(A)、暂存器、B寄存器、程序状态字PSW等。1。算术逻辑单元ALU：它是计算机中必不可少的数据处理单元。实质是一个全加器，其运算输入主要来自两个暂存器和累加器ACC。2。累加器ACC：它是CPU中使用最频繁的一个寄存器，简称A寄存器。它既是ALU的输入单元之一，又是ALU运算结果的存放单元；且CPU的数据传送大部分都通过累加器。3。B寄存器：可作为一个普通的8位寄存器。同时它在乘、除运算中有特殊用途：乘法中，两个乘数分别放在A、B，乘积的低位放A、高位放B中；除法中，被除数放在A，除数放在B，商放在A、余数放在B中。,续上页2.3.2运算器,4。程序状态字PSW：它是一个逐位定义的、程序可以按位访问的8位寄存器，其中每位的定义如下：PSW.0P：奇偶标志位。若累加器A中为1的位数是奇数个，则P=1，否则，P=0。PSW.1-：保留位，未定义。PSW.2OV：溢出标志位。若运算结果超出A所能表示的带符号的数的范围（-128+127),则OV=1,否则置0。PSW.6AC：辅助进位标志位。当加减运算时，若低4位向高4位发生进位或借位时，AC=1，否则置0。PSW.7CY：进位标志位。表示运算结果中，若最高位有进位或借位，则CY=1，否则置0。PSW.5F0：用户定义位。可由用户根据需要自定义之。,5。堆栈指针SP：它是一个8位的特殊功能寄存器，SP的内容可指向8051/31片内00H-7FHRAM的任何单元。MCS-51单片机把堆栈设置在片内数据RAM区中，具体位置可由SP设定。开机或系统复位后，SP初始化为07H（即默认的栈底地址为07H），每执行一次入栈操作（PUSH），SP+1；而执行一次出栈操作（POP），SP-1。,例题：已知（A）=7AH，（R1）=30H，(30H)=A5H（PSW）=81H，问执行以下指令的结果。1.XCHA,R1(A)=30H,(R1)=7AH,P=02.XCHDA,R1(A)=75H,(30H)=AAH,P=13.ADDCA,R1(A)=ABH,(CY)=0,P=14.SUBBA,#30H(A)=49H,(CY)=0,(OV)=05.RLCA(A)=F5H,(CY)=0,P=06.RRA(A)=3DH,(CY)=1,P=1,2.3.3时钟电路及CPU的工作时序,1。时钟电路：8051内部有一个高增益反相放大器，其输入端为XTAL1，输出端为XTAL2。在XTAL1和XTAL2两端跨接适当的石英晶振及2个10-30PF的小电容，就可构成稳定的自振荡器（见下图A或P24图2-8）。两个小电容对振荡频率有微调作用，同时其大小影响振荡器的稳定性与起振的快速性。电路板设计时，石英晶振及2个小电容应尽可能靠近CPU芯片。也可使用外部振荡脉冲信号，由XTAL2端输入，XTAL1端接地(见下图B)，这种外部振荡脉冲方式常用于多块CPU同时工作的系统，以便于同步，外部脉冲信号应是频率低于12MHz的方波。,2。时序定时单位：80C51的时序定时单位共有4种，从小到大为：节拍：即振荡脉冲周期，用P1、P2表示(其频率=fosc)。状态：一个状态S包含两个节拍。前半周为P1，后半周为P2。机器周期：规定一个机器周期的宽度为6个状态，依次表示为S1、S2、S6，因为每个状态有2个节拍，所以一个机器周期共12个节拍，分别记为S1P1，S1P2,S6P1,S6P2（即机器周期是振荡脉冲的12分频）。指令周期：执行一条指令所需要的时间称为指令周期。80C51的指令周期依指令不同，可包含1，2，3，4个机器周期（但大部分为单机器周期和双机器周期）。,3。80C51指令时序：8031/8051共有111条指令，按指令所占的字节长度可分为：单字节、双字节、三字节指令。执行这些指令所需的机器周期数是不同的，概括起来有(6种)：单字节单机器周期；单字节双机器周期；双字节单机器周期；双字节双机器周期；三字节(全)双机器周期；单字节(乘除)四机器周期；从书中P21图2-10可看到单周期和双周期指令的执行时序举例：例如：单机器周期指令时（见图2-10的b和a)：若是双字节指令（如ADDA，#0BH），在S1P2读入操作码到指令寄存器；在S4P2再读入第二个字节。若是单字节指令（如INCA），在S1P2读入操作码到指令寄存器；在S4P2也读入第二个字节，但内容被忽略，且PC不加1。,图2-10其它指令的时序留作自学。下面作几点补充说明：（1）图中的ALE是地址锁存允许信号，其频率为1/6振荡脉冲频率，在一个机器周期中，ALE信号两次有效，每有效一次将对应一次读指令操作。（见前面的时序图和P21图2-10a,b,c）（2）但在单字节双周期的MOVX类指令中，第1机器周期时,是从ROM读取指令，与上述情况相同；第二机器周期时，是进行外RAM访问，其S1P1无ALE信号，因此无读指令操作（图2-10d)。2.4存储器结构和地址空间前面已经提到，MCS-51单片机的存储器是哈佛结构，即程序存储器和数据存储器截然分开，各有自己的寻址方式、寻址空间和控制系统。80C51不仅在片内驻留有一定容量的程序存储器与数据存储器，而且还具有很强的外部存储器扩展能力，寻址范围分别可达到64KB。2.4.1程序存储器：程序存储器用于存放程序、表格和固定的常数。它分为片内和片外两部分，共64KB，实行连续、统一的编址。（1）可由/EA引脚的电平来确定是片内还是片外寻址：对于8031CPU，由于它没有片内程序存储器，所以应把/EA接地，迫使系统全部执行片外的程序存储器。,物理上4个存储器地址空间：片内/片外程序存储器空间片内/片外数据存储器空间逻辑上3个存储器地址空间：64KB程序存储器256B片内数据存储器,而对于有片内ROM/EPROM的8051/8751，正常运行时，应把/EA接高电平，此时，最低4KB（0000-0FFFH）为片内ROM/EPROM，大于4KB为片外EPROM（60KB，从1000H-FFFFH）。,（2）程序存储器开头的部分单元（0000H002DH）一般被保留用于特定的程序入口地址。它们是：复位或启动0000H，外部中断00003H定时器T0中断000BH，外部中断10013H定时器T1中断001BH，串行口中断0023H定时器T2中断002BH。通常，程序在这些中断入口地址设置无条件转移指令（AJMP）。,2.4.2数据存储器数据存储器由RAM构成，也分为片内、片外RAM两部分。片内数据存储器地址只有8位，寻址范围为256个字节（256B）；片外数据存储器寻址范围为64KB（16位地址），其中头256B与片内地址重复，但可由指令自动区分（片内MOV、片外MOVX）。,1。片内数据存储器：共256B，它是最灵活的地址空间。又可分为两个功能不同的区：片内RAM区和特殊寄存器区SFR。片内RAM区：80C51为该地址空间的低128B；80C52为该地址空间的0256B。特殊寄存器区：(SFR)为该地址空间的高128B。对于80C52，它的高128B的RAM区与SFR区重叠，究竟是访问什么区是通过不同的寻址方式来加以区别，即访问高128BRAM采用间接寻址方式；访问SFR区，则采用直接寻址方式。（1）片内数据RAM区：根据不同的寻址方式又可分为几个区：工作寄存器区：00H1FH，共32B，分为4个通用工作寄存器组(03组)，每组包含8个8位的寄存器，编号为R0R7(见P32表21)。,在某一时刻，只能选用一个工作寄存器组，它通过软件对PSW的RS0、RS1赋值来实现。此特点可在中断及子程序调用时，用于实现工作寄存器现场保护，为此带来极大的方便。位寻址区：片内RAM区的20H2FH(共16B，包含168=128bit）是既可字节寻址又可位寻址的RAM区（由指令类型而定）。其位地址与字节地址的关系见P33表2-2(字节20H对应于位07H-00H)。字节寻址区：片内RAM区的30H7FH，共80个字节，可以采用直接字节寻址；而80C52的高128B数据RAM区，只能采用间接字节寻址的方法访问。堆栈及其指针SP:堆栈设在片内数据RAM区中（前面已述，略）。,（2）特殊功能（专用）寄存器SFR区：它是80C31/51单片机中各功能部件(如累加器、状态字、I/O口、定时器等)所对应的寄存器，用于存放各部件的控制命令、状态、数据等。80C31/51单片机的特殊功能寄存器除了PC和4个通用工作寄存器组外，其余的都在片内的高128B的RAM中，这128B对于80C31/51来说，仅占用了很少的21个（80C52占用26个），其余地址均访问无效（80C52可间址访问）。,各特殊功能寄存器的名称和地址见P34表2-3，对于字节地址能被8整除的（即字节地址低位为0或8的）特殊功能寄存器，还具有位地址和位寻址能力。对应的位地址及位定义见P36表2-5。如：标识符寄存器名称字节地址位地址ACC累加器0E0H0E7H0E0HPSW程序状态字0D0H0D7H0D0HDPTR数据指针83H、82H无SCON串行口控制98H9FH98H2。片外数据存储器：采用寄存器间接寻址，所用的寄存器为DPTR、R0或R1。用16位的DPTR时，寻址范围为64KB，用R0或R1时，最大寻址范围为低256B。,片内RAM可位寻址的位有：8031/8051/8751：12883(11个SFR)211位8032/8052/8752：12893(12个SFR)221位,2.5布尔（位）处理器MCS-51单片机中，设置了功能极强的位处理器，这是该单片机的一个突出的优点，它使“面向控制”的实际应用带来了很大的方便。主要有如下的设置：（1）累加器的进位位CY：CY既是数据源之一，又是运算结果存放处和位数据传送中心。根据CY的状态设置程序转移(JC，JNC)。（2）位寻址的片内RAM区:字节202FH，有128个可位寻址的位。（3）位寻址的寄存器：字节地址可被8整除的特殊功能寄存器。（4）位寻址的I/O口：P0P3口都可以位寻址。（5）位操作指令系统：可实现置位、清0、取反、位传送、位逻辑运算等。,利用以上位处理功能，不仅可进行位逻辑设计，而且免去了过多的数据往返传送、字节屏蔽和位测试分支操作，大大简化了编程，节省了存储空间，加快了处理速度。这些特性，尤其适用于那些需要数据采集、实时测控的应用系统。有关位处理的指令及其应用的详细情况，待以后详述。,2.680C51单片机的工作方式80C51单片机共有四种工作方式，即：复位、程序执行、低功耗以及编程和校验。,2.6.1复位方式1。复位操作：它是单片机的初始化操作，包含开机和出错复位。其主要功能是：把PC初始化为0000H，使单片机从0000H开始执行程序。此外，复位操作还对其它一些特殊功能寄存器的取值有影响，详见P37表2-6：它使P0P3置FFH，SP置07H，ACC、B、PSW、SCON、TL0、TH0、TL1、TH1置00H，TCON置0000000B，TMOD置000000B，PCON置00000B，SBUF不定。2。复位信号及其产生（1）复位信号：高电平有效，由RST脚引入，有效时间应不小于2个机器周期（如：6MHz晶振，4微秒）。（2）复位方式：有三种复位方式：上电自动复位、按键电平复位、外部脉冲复位。相应的复位电路见P38图2-14a、b、c。2.6.2程序执行方式：它是单片机的基本工作方式，从0000H开始执行程序，但一般放一跳转AJMP指令，转到适当的地址去执行。,2.6.3低功耗工作方式：80C51这类带C标的单片机具有两种低功耗工作方式，即待机方式和掉电保护方式。它们与不带C标的单片机的差别主要是芯片制造工艺不同，带C的是采用CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺，具有低功耗、抗干扰强的特点；而它们的管脚及指令系统都相同。待机方式或掉电保护方式由PCON的IDL位或PD位来控制.,待机方式和掉电方式时所涉及的硬件如图2-15所示。,电源控制寄存器(PCON),SMOD波特率倍增位，在串行通信时使用。GF1通用标志位1。GF0通用标志位0。PD掉电方式位，PD=1,则进入掉电方式。IDL待机方式位，IDL=1，则进入待机方式。要想使单片机进入待机或掉电方式，只要执行一条能使IDL或PD位为1的指令即可。,1待机方式待机方式的进入：如果使用指令使PCON寄存器IDL位置1，则80C51即进入待机方式。这时振荡器仍然运行，并向中断逻辑、串行口和定时器/计数器电路提供时钟，但向CPU提供时钟的电路被阻断，因此CPU不能工作，而中断功能继续存在，但与CPU有关的如SP、PC、PSW、ACC以及全部通用寄存器都被“冻结”在原状态。,待机方式的退出：采用中断方法退出待机方式。在待机方式下，若引入一个外中断请求信号，在单片机响应中断的同时，PCON.0位（即IDL位）被硬件自动清“0”，单片机就退出待机方式而进入正常工作方式。在中断服务程序中只需安排一条RETI指令，就可以使单片机恢复正常工作后，返回断点继续执行程序。,2掉电方式掉电方式的进入：PCON寄存器的PD位控制单片机进入掉电方式。当80C5l单片机，在检测到电源故障时，除进行信息保护外，还应把PCON.1位置“1”,使之进入掉电方式。此时单片机一切工作都停止，只有内部RAM单元的内容被保存。,掉电方式的退出：80C51单片机备用电源由Vcc端引入。当Vcc恢复正常后，只要硬件复位信号维持10ms，即能使单片机退出掉电方式。,2.6.4编程/校验方式：87C51/52和89C51/52还具有编程方式，我们以当前最新的、具有电擦写功能的8位单片机89C51为例来说明。89C51片内有4KB的E2PROM，有低电压(5V)编程和高电压编程(12V)两种，低电压编程为用户在线编程提供了方便，而高电压编程与一般的FLASH或EPROM编程兼容。1。闪速存储器编程方式：该编程方式下有关管脚的逻辑电平见P41表2-8。编程前，必须使整个FLASH存储器为全擦空(全FFH)。表中有关的电平的配合可由专门的写入器（卡）及其软件实现。2。闪速存储器编程：(若需在线编程，应了解此部分内容)(1)编程方法：在对89C51E2PROM编程之前，89C51的地址、数据、控制信号必须按P41表2-8和图2-16所示设置好。,图中：时钟46MHz；编程数据P0口地址（4KB）0000H0FFFHP1口+P2.0P2.3/EAH/12V(Vpp)；ALE负脉冲（或高电平VIH）P2.6、P2.7、P3.6、P3.7由编程确定其高低（见P41表28）/PS