微机原理与接口技术 第2章：51单片资源和性能.doc

微机原理与接口技术51单片应用第 2 章 51系列单片机系统结构 2.1 总体结构2.1.1 51系列单片机一般的总体结构MCS是Intel公司单片机的系列符号。Intel从1980年陆续推出了MCS-48、MCS-51、MCS-96系列单片机。MCS-51系列单既包括三个基本型8031、8051、8751，以及对应的低功耗型号80C31、8051、87C51，因而MCS-51特指Intel的这几种型号。20世纪80年代中期以后，Intel以专利转让的形式把8051内核给了许多半导体厂家，如AMTEL、PHILIPS、ANANOG DEVICES、DALLAS等。这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。这些单片机与8051的系统结构（只要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机。本教材从第四版开始采用目前应用最多的ATMEL公司的AT89C5X作为实例。从图2-1可以看出各种单片机的一般结构：CPU+总线+存储器+接口电路（外围功能电路）各种单片机具体型号间的差别仅在于存储器容量大小、接口电路种类数量！2.1.2 AT89C52的总体结构AT89C52的结构见教材图2-2。AT89C51和 AT89C52的对比。AT89C51AT89C52内部ROM4KB8KB内部RAM128B+21个字节的专用寄存器256B+26个字节的专用寄存器定时器2个3个中断5个6个CPU和指令相同串口功能相同并口数量相同2.1.3 51单片机的引脚1. 集成电路的封装几十种形式：DIP（Dual-In-Line Package） 双列直插式封装PQFP（Plastic Quad Flat Package） 塑料四方扁平封装PLCC（Plastic Leadless Chip Carrier Package 塑料无引线芯片载体封装51单片机常见40引脚DIP封装或QFP封装。注意区分：元件逻辑图（逻辑符号）和元件封装图！振荡器CPU总线控制器并行接口口串行接口内ROM内RAM定时计数器中断控制器MCS51单片机的硬件组成2. 51单片机组成3. 51单片机引脚浏览：40引脚的基本分工8根功能线，32根I/O线。l 8根功能线电源线2根：Vss（20脚）地线，Vcc（40脚）接5V；晶振输入2根：XTAL1（19脚）XTAL2（18脚）接晶振两端；控制复用4根：RST/Vpd（9脚）：复位端，高电平有效，HMOS单片机还可以接备用电源（旧教材P.51）。ALE/PROG（30脚）：地址锁存允许，以1/6主频固定振荡，用于地址锁存；对内含EPROM的单片机，写入程序时，此引脚输入编程允许脉冲。PSEN（29脚）：外部程序存储器选通信号。EA/VDD（31脚）：对内含ROM单片机，此引脚接高电平则从内部程序存储器开始访问，地址超出内部则访问外部ROM。对无内部ROM的单片机，EA接地，只访问外部ROM。对内含EPROM的单片机，编程时此引脚接21V编程电源。l 32根I/O线P0、P1、P2和P3共4个8位并行口，占用了32个引脚。每个8位口可以整体8位使用，在程序中就是用P0、P1、P2、P3来表示。也可以按位使用，用P0.0P0.7、P1.0P1.7、P2.0P2.7、P3.0P3.7分别表示每一根口线。几乎所有口线都有双重身份（双功能=复用），根据线路连接和指令决定使用哪种功能。2.2 存储器组织四个物理空间：三个逻辑空间：访问指令内部程序存储器（ROM）内外统一的程序存储器最大地址范围：00000FFFFH自动访问或MOVC外部程序存储器（ROM）内部数据存储器（RAM）内部数据存储器，地址00FFH专用寄存器（特殊功能寄存器）SFR以上两个区域有30多个单元可以按位访问，构成位地址空间MOV外部数据存储器（RAM）外部数据存储器，最大地址范围：00000FFFFHMOVX也有人说成5个逻辑空间： ROM空间 内RAM空间（、寄存器空间）（、位寻址空间） 外RAM空间ROM和RAM的编址两种方法：统一编址，从地址区别ROM或RAM空间，指令相同。（8086 CPU就是这种结构）单独编址，ROM或RAM两套地址是重叠的，必须设计不同的指令。（51单片就是这种结构）单片机外ROM外RAM内ROM内RAM(包括专用寄存器)用MOVC访问用MOV访问用MOVX访问注意理解：8086系统ROM和RAM统一编址（MOV指令）冯诺依曼结构51单片ROM和RAM单独编址（MOVC和MOVX指令）哈佛结构2.2.1 程序存储器作用：存放固化程序（包括指令中的立即数）以及程序用到的表格常数（固定数据表，供程序查表用）。容量：不分内外最大64K（地址统一编排），最大地址范围0FFFFH（16位地址）。访问方法：程序运行时，硬件自动根据程序计数器PC（16位）的值访问ROM的相应单元（读取指令）。如果程序中有查固化数据表的操作，才会用到访问ROM的指令MOVC。ROM中有六（七）个特殊地址：（P.28图2-6）l 0000H程序起始地址。系统复位时，程序计数器PC自动变为0000H，所以ROM的0000H单元是系统的启动地址，此处必须是程序的第一句指令，通常是一句跳转指令。l 0003H外部中断0（INT0）的中断服务程序入口。系统响应引脚INT0引起的中断时，PC自动指向0003H单元。l ROM的000BH单元是定时器0中断的入口。系统响应引脚INT0引起的中断时，PC自动指向000BH单元。l ROM的0013H单元是外部中断1的入口。系统响应引脚INT0引起的中断时，PC自动指向0013H单元。l ROM的001BH单元是定时器1中断的入口。系统响应引脚INT0引起的中断时，PC自动指向001BH单元。l ROM的0023H单元是串行通讯中断的入口。系统响应引脚INT0引起的中断时，PC自动指向0023H单元。l ROM的002BH单元是定时器2中断的入口。系统响应引脚INT0引起的中断时，PC自动指向002BH单元。（52系列才有！）具体用法：直观上理解，应该在6个（7个）地址处开始存放相应的程序。但是，这样的用法要求6个地址之间要留有足够的空间，显然这对于有效利用51单片机有限的程序是不科学的。现在采用的方案是：6个（7个）地址之间只留有几个字节的空间，主程序和各个中断服务程序集中写在这6个（7个）地址以后的统一空间中，而在这6个（7个）地址分别放上一条LJMP指令，跳转到具体程序所在的位置。现在请看复印材料：程序框架。ORG 0000H ；LJMP START ；在0000地址存放“LJMP START”指令的机器码ORG 0003H LJMP 外部中断0的服务程序起始标号ORG 000BH LJMP 定时器T0的服务程序起始标号ORG 0013H LJMP 外部中断1的服务程序起始标号ORG 001BH LJMP 定时器T1的服务程序起始标号ORG 0023H LJMP 串行口中断的服务程序起始标号ORG 002BH LJMP 定时器2中断的服务程序起始标号ORG 0100H ；这个地址只要大于002FH就可以！START: 主程序、子程序、中断服务程序、数据表罗列在此。可以发现，MCS51的中断入口比8086要简单的多，没有中断矢量表，而是每种中断源对应固定的中服入口地址。2.2.2 内部数据存储器（内RAM）51子系列内部数据存储器物理上分为两块：00H0FFH是256字节的内RAM块，其中00H-1FH是32个字节通用寄存器区（用R0-R7）表示，20H-2FH是16个可以位寻址的单元；全部256字节的内RAM可以作为堆栈使用，由栈顶指针SP的数值决定堆栈深度。一般常用的设置是把栈底设在30H地址以上，这样可以把通用工作寄存器排除在堆栈以外，同时把20H2FH这16个可以位寻址的单元排除在堆栈以外。1. MCS-51 的通用寄存器MCS-51中集成有256字节的RAM，地址031（00H1FH）的32个字节可以作为通用工作寄存器使用，分为0、1、2、3四个区，每区8个单元，分别用R0R7表示，相当与普通CPU中的AX、BX、CX、DX。在指令中直接使用地址00H-0FFH，则是对内RAM的直接寻址，包括对0-1FH这32个单元。如果用R0R7访问就是按通用寄存器使用0-1FH这段空间。（P.29表2-1）在程序状态字PSW中专有两位是用于选择工作区的。（P.30表2-2）2. MCS-51 的寄存器MCS-51单片机内部80H0FFH地址是重叠的地址区。第一部分就是上面说的内RAM，第二部分则是片内集成的CPU以及各个接口电路的寄存器占用的区域。所以这个空间称为专用寄存器。这个区域有128个单元，但是寄存器没有那么多，所以只有部分单元（21个或26个）有定义。有定义的单元可以正常访问。如果访问了没有定义的单元，可能得到一个不确定的随机数。在21个专用寄存器中有11个可以位寻址。（26个寄存器中，有12个可以位寻址。）程序计数器PC讨论时也放在这里，实际上它是独立的，所以没有地址。专用寄存器既有名称也有地址，可以按名称访问，也可按地址访问。（P.31表2-3）寄存器是CPU中的数据缓冲空间，在机器指令层次编程中时刻用到，应该重点理解。（回想：计算机的三个存储空间：寄存器、内存、外存）通用微机的CPU内部专门设置了若干个寄存器，比如8086CPU中有14个寄存器，分别用于存放段地址、偏移地址、临时数据、状态标志等。每个接口电路各自也有若干寄存器，用于数据、控制、状态信息的存储。复习接口电路：基本作用：数据缓冲、速度匹配、类型转换、任务隔离。功能概括：作为衔接电路，信号形式一端适应CPU，另一端适应外设。内部结构：与CPU具体连接的是接口电路内部的寄存器。单片机是CPU和常用接口电路的集成，所以CPU的寄存器以及接口电路的寄存器都在片内，而且数量总和要比8086多一些（51单片内部一共21个位为寄存器，52系列有26个）。振荡器CPU总线控制器并行接口口串行接口ROMRAM定时计数器中断控制器CPU内部有工作寄存器中断接口电路有控制寄存器定时器中有模式寄存器串口电路有工作寄存器并口电路有数据锁存器各电路的寄存器集中制作在RAM空间单片机整个电路是统一设计的，因此CPU和常用接口电路的寄存器集中制作在一个区域（专用寄存器区），与内部RAM并列在一起，统称专用寄存器，理解记忆的时候可以按其所属的电路来区分。 类别名 称地 址位寻址作 用复位初值CPU寄存器PC无程序计数器0000HA或ACCE0H可累加器00HBF0H可通用寄存器00HPSWD0H可程序状态字（标志寄存器），00HSP81H堆栈指针07HDPL82H地址寄存器低8位00HDPH83H地址寄存器高8位00H并行接口P080H可P0口寄存器FFHP190H可P1口寄存器FFHP2A0H可P2口寄存器FFHP3B0H可P3口寄存器FFH中断接口IEA8H可中断允许寄存器00HIPB8H可中断优先级寄存器00H两个定时计数器TCON88H可定时计数器的控制寄存器00HTMOD89H定时计数器的模式控制寄存器00HTL08AH定时计数器0的计数单元低8位00HTH08CH定时计数器0的计数单元高8位00HTL18BH定时计数器1的计数单元低8位00HTH18DH定时计数器1的计数单元高8位00H串行接口SCON98H可串口控制寄存器00HSBUF99H串口数据发送/接收缓冲器不定电源PCON97H电源控制寄存器00H52系列T2多了5个寄存器程序计数器PC：16位专用寄存器，用于存放下一条要执行的指令的地址，自动变化，可用指令更改；累加器A：8位寄存器，作用类似8088的AX，但是用法比AX限定的多一些：算术运算的结果基本都用A。（在有些指令中，要求A必须写为ACC）寄存器B：8位寄存器，乘除指令用到B与A配合，平时可以用作普通存储单元。程序状态字PSW：8位专用寄存器，存放程序状态信息，其中7位有定义： PSW.7 PSW.0 CY AC F0 RS1 RS0 OV PCY（Carry）表示无符号数加减的进位/借位标志，可用命令置位和清零；AC（Assistant Carry）辅助进/借位标志，可用命令置位和清零（DA A指令自动判别此为，用户不使用此位）；F0为用户预留标志，可用命令置位和清零，可作为决定程序走向的判断标志；RS1、RS0通用寄存器区选择，可用命令置位和清零（P.82表4-1），；OV（Overflow）表示有符号数加减的溢出标志，可用命令置位和清零；P（Parity）累加器中为1的位数的奇偶标志，奇数P1,可用命令置位和清零；堆栈指针SP：8位专用寄存器，表示堆栈栈顶在内RAM中的地址，系统复位时初值为07，可以在0-128以内任意设置初值。51单片的堆栈的使用是从低地址开始，PUSH 指令使SP增大，POP指令使SP减小。数据指针DPTR：16位专用寄存器，可以拆成DPH，DPL两个8位寄存器使用。DPTR主要用于存放16位的地址，访问外RAM时作为间接寻址寄存器，访问ROM时作为基址寄存器使用。整体只有5种使用形式： MOV DPTR, 16位地址 ；给DPTR赋值MOVX DPTR, A ；A的内容送外部RAMMOVX A, DPTR ；从外部RAM读数据到AMOVC A, A+DPTR ；从ROM读数据到AJMP A+DPTR ；基址+变址跳转如果拆成DPH和DPL单个使用，可以与其它8位专用寄存器一样赋值和处理！端口锁存器P0P3：51单片的32条I/O口线分为四个8位口，在芯片内部对应每个8位口都有一个8位的寄存器，名称就叫P0、P1、P2、P3，其功能是锁存各口的数据。可以在程序中象访问普通寄存器一样随时读写口的状态，也可以对P0P3直接寻址当作普通寄存器使用。串行数据缓冲器SBUF：51单片提供一收一发两条串行通讯线，片内有两个8位的数据缓冲寄存器，一个用于接收缓冲，一个用于发送缓冲。但是这两个缓冲器使用同一地址和名字，所以前面就按一个寄存器介绍。3. 位寻址空间MCS-51单片机一个突出特点是具有强大的位寻址能力，就是说有些内RAM单元不仅可以按单元地址进行整体访问（字节寻址），还有专门指令可以单独对单元中某一位寻址（操作），这对控制程序是十分必要的。内RAM块中20H2FH单元是可以位寻址的单元，对这16个单元的每1位也进行了编址00H-7FH（P.32表2-4），称为位地址。可以看出，位地址和内RAM地址是重合的，在普通指令中使用00-7FH地址表示对单元的寻址，在位操作指令中使用00-7FH就表示对位寻址。专用寄存器中有11(12)个单元可以位寻址，其实这些可位寻址的单元就是相应接口电路的控制或状态寄存器。这些可寻址位本身都有名称，同时也有位地址80H-F7H（P.33表2-5），使用时两种表示均可。2.3 时钟、时钟电路、CPU定时1. 时钟电路计算机的电路需要脉冲信号来统一动作。能产生一定频率的矩形波的电路就是振荡器。（多谐振荡器：环形、RC、石英）振荡器两部分：自激振荡电路定时元件51系列单片：片内自带自激振荡电路，定时元件由用户外接（1.2MHz12MHz）。外接定时元件的方法：内部时钟方式。利用芯片内部的振荡电路，外部提供定时元件。这是最常用的方式。外接振荡器的方法：外部时钟方式。此时内部振荡电路无效，定时和振荡都在外部。2. 计算机节拍脉冲的的时间单位l 振荡周期（时钟周期）：振荡器的周期1/振荡频率，这是基本节拍l 状态周期（S周期）：主振周期的2倍，每S分为两拍P1,P2。l 机器周期（Tcy）：状态周期的6倍，S1S6。l 指令周期：执行一条指令占用的机器周期数，为1、2、4个机器周期。如果我们选择了12MHz的晶振： 振荡周期1/12 us 状态周期1/6 us 机器周期1 us 指令周期1 us、2 us、4 usMCS51的指令系统中，指令长度为13个字节，指令的执行时间分别有单周期指令、双周期指令、四周期指令，组合结果为：单字节单周期、单字节双周期、双字节单周期、双字节双周期、三字节双周期。特殊的是乘除指令，单字节四周期。3. CPU的时序一条机器指令的取指和执行在电路动作上可分解为若干基本的微操作。微操作按时钟脉冲有节奏地进行，时间上有严格的先后顺序，这就是时序。在数字电路课程中，将数字电路分为两大类：组合逻辑电路和时序逻辑电路。组合逻辑电路的特点是：任何时刻的输出稳态值仅与各输入信号的状态组合有关，而与电路先前状态无关。组合电路的基础是门电路，典型组合电路有编码器、译码器、比较器、全加器、多路选择器、只读存储器、可编程逻辑阵列。时序逻辑电路的特点是：输出不仅与输入有关。还与输入之前的电路状态有关。时序电路的基础是触发器（时序电路一定包含触发器），典型时序电路有计数器、寄存器、顺序脉冲发生器、随机存储器、电耦合器件CCD等。100MHz标准脉冲启停待测脉冲清零RNA0CLK0 T0CLR0D Q CLRRNA1CLK1 T1CLR1表达时序电路的信号变化次序，经常用到时序的概念和时序图的表达方法。举一个例子说明时序的概念以及时序图的作用：有两个计数器T0和T1，连接如图。T0用于对100MHz基准脉冲计数，T1用于对待测脉冲计数（RNA为1的期间计数器才工作）。利用两个计数器脉冲比值计算出待测脉冲的频率。为了提高测量精度，需要保证计数开始和停止都出现在待测脉冲的上升沿，也就是测量若干完整脉冲。为此使用了D触发器作为计数启停控制端。操作过程和动作顺序用文字描述如下：启停为0（不启动）清零脉冲（三个电路清零）启停为1（准备启动，计数并未开始）待测脉冲上升沿使D端高电平传给Q（真正开始计数）启动为低（准备停止，并未停止）待测脉冲上升沿使Q为低（计数真正停止）。以上文字说明不好建立直观的信号顺序概念。用时序图表示如下：标准脉冲被测脉冲启停信号测量开始清零信号 教材的图2-10给出了51典型指令的读取指令和执行指令的时序。2.4 复位和复位电路复位的意义：程