单片机及接口技术10(第一章).ppt

单片机及接口技术 姓名 于乃功 单位 电子信息与控制工程学院 个人联系方式 办公室 综合楼1036室 电话 010 67396308 电子邮件 yunaigong 课程主要内容 第一章 单片机及基本结构 第二章 单片机汇编语言及程序设计第三章 中断系统第四章 计数器 定时器第五章 串行通信第六章 单片机系统及接口扩展第七章 模拟通道 第一章单片机及基本结构 一 单片机概述 二 MCS 51系列单片机内部结构 三 存储器 四 I O口一位锁存器和缓冲器结构 五 定时器 计数器的结构 六 串行口的结构 七 单片机中断系统 八 单片机的工作方式 单片机即单片微型计算机 由单块集成电路芯片构成 内部集成了计算机的基本功能部件CPU CentralProcessingUnit 存储器和I O接口电路等 单片机在结构上与微型计算机十分相似 是一种集微型计算机主要功能部件于同一芯片上的微型计算机 并由此而得名 单片机特别适用于控制领域 故又称为微控制器 MCU 一 单片机概述 单片机内部集成CPU RAM 并行I O端口单片机内部集成了串行口 计数器和定时器某些类型的单片机中还有一定容量的ROM 如87系列和89系列 某些类型的单片机中还有A D和D A转换器 如98 96系列 一 单片机概述 时钟 RAM 计数 定时器 CPU 中断系统 可编程并行口 可编程串行口 单片机的内部结构 ROM 外部中断 外部时间计数 并行口 串行通信 4位单片机CPU一次只能处理4位二进制数 处理能力较弱 常用于计算器 各种形态的智能单元以及作为家用电器控制器 8位单片机CPU是8位的 片内资源丰富且功能强大 主要用于工业控制 智能仪表 家用电器和办公自动化系统中 单片机家族 16位单片机CPU是16位的 运算速度普遍高于8位机 有的寻址能力高达1MB 片内含有A D和D A转换电路 支持高级语言 主要用于过程控制 智能仪表 家用电器以及计算机外设的控制器中 32位单片机字长为32位 具有极高的运算速度 单片机家族 Intel8048 49系列8位 1976年 8048 8748 8049等 Intel8051 52系列8位 MCS 51系列 80年代初 8031 8051 8751 8052 8752等 Intel8096 98系列16位 MCS 96系列 83年以后 8096 8098 8798等 M68300系列32位 M68331 M68332 单片机家族 是低性能单片机阶段的代表产品 内部集成了8位CPU 并行I O口 8位定时器 计数器 RAM和ROM等 无串行口 中断处理比较简单 片内RAM 64个字节 和ROM 1K字节 容量较小 且寻址范围不大于4K MCS 48系列单片机 8031内含1个8位CPU 128个字节的RAM 4个8位并行I O口 1个全双工的串行口 2个16位的定时器 计数器 8051在8031基础上 增加了4K字节的ROM作为程序存储器 常用于程序一定 批量大的单片机产品中 8751在8031基础上 增加了4K字节的EPROM 用户可反复修改程序 8031外扩一片EPROM就相当于8751 价格低 MCS 51系列单片机 MCS 96系列单片机 内含1个可以直接面向256字节寄存器空间的16位CPU 16位乘16位和32位除以16位的指令 速度为6 25us 8路10位A D转换器 可供用户使用的8个中断源 5个8位并行I O口 一个8KB的ROM存储器 一个全双工串行口 一个专用串行口 两个16位定时器 计数器 一个16位监视定时器 4个16位软件定时器 高速输入和高速输出部件可用于测量和产生分辨率为2us的脉冲 一个脉冲宽度调制输出 可以用作8位D A输出 内含一个32位CPU模块 和大量其它专用模块 内部地址总线是32位 外部地址总线是24位 8个32位通用数据寄存器和7个32位通用地址寄存器 32位单片机是单片机的顶级产品 具有极高的数据处理能力和运算速度 M68300系列单片机 MCS 51系列性能 二 MCS 51系列单片机内部结构 CPU 并行口 特殊寄存器 内部RAM 1 8051 8031系列CPU管脚 VccRST VPDRXDEA VPPTXDALE PROGINT0PSENINT1T0T1WRRDXTAL2XTAL1VSS 14023933843753663573483393210311130122913281427152616251724182319222021 P1 0P1 1P1 2P1 3P1 4P1 5P1 6P1 7 P0 0P0 1P0 2P0 3P0 4P0 5P0 6P0 7 P2 7P2 6P2 5P2 4P2 3P2 2P2 1P2 0 P3 0P3 1P3 2P3 3P3 4P3 5P3 6P3 7 8位双向三态I O口 有较大的负载能力 8051不带片外存储器时 为通用I O口 传送输入 输出数据 带片外存储器并访问时 先传送低8位地址后传送数据 8位准双向I O口 用于传送输入 输出数据 8位准双向I O口 8051不带片外存储器时 为通用I O口 传送输入 输出数据 带片外存储器并访问时 传送高8位地址 8位准双向I O口 可作普通I O口和专用口 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断0 P3 3 INT1 外部中断1 P3 4 T0 定时器0外部输入 P3 5 T1 定时器1外部输入 两个16位可编程定时 计数器 分别由两个8位寄存器拼装而成 最大计数值为216 1 即65535 P3 6 WR 外部数据存储器写控制 P3 7 RD 外部数据存储器读控制 P3口的第二功能 XTAL1 振荡器输入端 单片机内部反向放大器的输入端 XTAL2 振荡器输出端 单片机内部反向放大器的输出端 ALE PROG 外部存储器地址锁存允许 编程线8051CPU在P0口输出片外存储器低8位地址的同时在该线上输出一个高电平脉冲 其下降沿用于控制地址锁存 不访问片外存储器时 CPU自动在该线上输出可用作外部时钟源的脉冲序列 频率为振荡器频率的1 6 8051管脚的说明 EA VPP 允许访问片外程序存储器 编程电源线EA接高电位 访问内部程序存储器EA接低电位 访问外部程序存储器PSEN 片外ROM选通线 8051管脚的说明 RST VPD 复位 备用电源线 复位时高电位有效 2 51系列单片机时序 单片机时序 CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序 CPU发出的两类时序信号 片内功能部件控制时序信号 片外存储器或I O端口控制时序信号 时钟周期 由单片机内振荡电路OSC产生 常定义为时钟脉冲频率的倒数 是时序中最小的时间单位 2 51系列单片机时序 机器周期 实现特定功能所需的时间 通常有若干时钟周期T构成 指令周期 执行一条指令所需的时间 是时序中的最大时间单位 51系列单片机的机器周期时间是固定不变的 均有12个时钟周期T组成 分为6个状态 S1 S6 2 51系列单片机时序 1个状态含有2个振荡周期 时钟周期 称为P1和P2两拍 1个指令周期 1 4个机器周期1个机器周期 6个状态1个状态 2个振荡周期 时钟周期 51系列单片机指令 单周期指令 单字节单周期 双字节单周期 双周期指令 单字节 双字节 三字节双周期 四周期指令 单字节四周期 乘法和除法指令 S1S2S3S4S5S6XTAL2ALE机器周期 2 51系列单片机时序 周期性信号ALE在每个机器周期内出现两次高电平 出现时刻为S1P2和S4P2 持续时间为一个状态S ALE每出现一次高电平 CPU就进行一次取指操作 有时无效 振荡与时钟电路XTAL1XTAL2石英晶体 1 2M 12MHz C1C2 5pF 60pF 3 振荡与时钟电路 复位电路 石英晶振起振后 应能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波 以便使MCS 51片内的OSC电路按与石英晶振相同频率自激振荡 复位是单片机的初始化操作 复位的主要功能 把PC初始化为0000H 使CPU从0000H单元开始执行程序 当程序运行出错或操作错误系统处于死锁状态时 为摆脱困境 也需要按复位键重新启动 除PC之外 复位操作还对其它一些寄存器有影响 但复位不影响内部RAM状态 复位操作 复位后的内部寄存器状态 上电复位电路 开关复位电路 复位电路 特殊功能寄存器是指有特殊用途的寄存器集合 8051有21个SFR 每个SFR占有一个RAM单元 他们离散地分布在80H FFH地址范围内 8051的专用寄存器通常包括 程序计数器PC 累加器A 程序状态字PSW 堆栈指示器SP 数据指针DPTR和通用寄存器B等 4 特殊功能寄存器 SFR PC是一个二进制16位的程序地址寄存器 专门用来存放下一条需要执行指令的内存地址 能自动加1 8051程序计数器PC由16个触发器构成 其编码范围为0000H FFFFH 共64K 可见 8051的寻址范围是64KB 程序计数器PC ACC是一个二进制8位寄存器 专门用于存放操作数或运算结果 例如 在下面3 5的加法程序中MOVA 03H A 3ADDA 05H A A 05H 累加器A Accumulator 是专门为乘法和除法设置的 是一个二进制8位寄存器 有8个触发器组成 在乘法或除法进行前 用于存放乘数或除数 在乘法或除法完成后 用于存放乘积的高8位或除法的余数 例如 在下面的5 3乘法程序中MOVA 05H A 5MOVB 03H B 3MULAB BA A B 通用寄存器B 程序状态寄存器 ProgramStatusWord PSW是一个8位标志寄存器 用来存放指令执行后的有关状态 PSW的格式 P 奇偶标志位AC 半进位位OV 溢出标志位Cy 进位位F0 用户标志位 用户根据程序执行的需要通过传送指令确定 RS1 RS0 寄存器选择位 用于决定8051的8个8位工作寄存器R0 R7在RAM中的实际物理地址 程序状态寄存器 ProgramStatusWord RS1 RS0对工作寄存器的选择 SP是一个8位寄存器 能自动加1或减1 用于存放堆栈的栈顶地址 8051的堆栈是一个能按 先进后出 规律存取数据的RAM区域 堆栈有栈顶和栈底之分 栈底地址固定不变 其决定堆栈在RAM中的物理位置 栈顶地址始终在SP中 即由SP指示 是可变的 例如 MOVSP data SP data 设定堆栈 MOVA X A X 把X压入堆栈 PUSHACC SP SP 1 SP ACC 堆栈指针SP StackPointor DPTR是一个16位的寄存器 有两个8位寄存器DPH和DPL拼成 用于存放片内ROM 片外RAM或片外ROM的地址 例如 将片外RAM2000H单元中的数X取入累加器可采用如下程序 MOVDPTR 2000H DPTR 2000HMOVXA DPTR A X 数据指针DPTR DataPointer IP 中断优先级寄存器IE 中断允许寄存器TMOD 计数器方式寄存器TCON 计数器控制寄存器SCON 串行口控制寄存器SBUF 串行口数据缓冲器PCON 电源控制寄存器 特殊功能寄存器地址映像表 80H FFH 存储器分类 片内存储器 集成在芯片内部 是MCS 51的一个组成部分 片外存储器 是外接的专用存储器芯片 MCS 51只提供地址和控制命令 需要通过外部三总线才能工作 存储器三个地址空间 ROM地址空间 片内 片外 0000H FFFFH 片内RAM地址空间 00H FFH 片外RAM地址空间 0000H FFFFH 三 存储器 程序存储器 内部 EA 1 外部 EA 0 PSEN 0 地址 0000H FFFFH 64K单元 数据存储器 内部RAM 00H 7FH 128单元 外部RAM 0000H FFFFH 64K单元 控制信号 RD或 WR有效 0 使用计数器 DPTR使用指令 MOVX类 程序存储器和数据存储器使用独立的两个地址空间 由 PSEN和 RD WR 区分 存储器分类 内部RAM的容量 128单元 51系列 256单元 52系列 内部RAM的工作寄存器 地址00H 1FH第一组 R0 R700H 07H第二组 R0 R708H 0FH第三组 R0 R710H 17H第四组 R0 R718H 1FHR0 R7地址由PSW中的RS1 RS0位确定 内部RAM 位寻址存储器 位寻址区 20H 2FH缓冲存储器 便笺区 30H 7FH以上各单元都可以作为普通存储器使用 内部RAM P0口地址 数据Vcc读锁存器控制T0内部总线P0 X引脚开关写锁存器T1读引脚 四 I O口一位锁存器和缓冲器结构 P1口读锁存器Vcc内部提内部总线升电阻P1 X引脚写锁存器T1读引脚 P2口 P3口 写端口 输出数据读引脚 直接读取引脚状态 一般需要使锁存器输出为1 对锁存器无影响 读锁存器 读 修改 写入操作 操作过程 读取锁存器内容 经数据处理后 再写入锁存器 并行口的读写操作 T1T0 内部时钟 五 定时器 计数器结构 特点两个定时器 计数器 T0和T1TH0 TL0和TH1 TL1分别为计数器寄存器 存放计数初值 以增一方式计数 定时工作时对内部时钟计数 计数工作时对外来脉冲 T0 T1 计数 有四种工作模式 模式0 1 2 3计数器溢出时可申请中