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文档简介
1 23 56 单片机原理与接口技术 太原理工大学 电子工业出版社 第2章MCS 51单片机硬件结构和原理 制作张兴忠修审牛昱光 2 23 56 熟悉MCS 51单片机CPU内部组成结构 各功能部件的作用 掌握MCS 51单片机引脚功能 掌握存储器的组织结构 掌握P0 P3并行I O口结构 掌握时钟电路 CPU时序和复位电路 本章教学要求 3 23 56 本章目录 2 1MCS 51系列单片机分类2 2单片机硬件结构2 2 1单片机的引脚功能2 2 2单片机的内部结构2 3中央处理器 CPU 2 3 1运算器 2 3 2控制器2 3 3布尔 位 处理器2 4存储器2 4 1程序存储器2 4 2数据存储器 4 23 56 本章目录 2 7单片机的工作方式2 7 1复位方式2 7 2程序执行方式2 7 3低功耗运行方式习题与思考题 2 5并行输入 输出端口2 5 1P1口2 5 2P2口2 5 3P3口2 5 4P0口2 5 5并行口的应用2 6时钟电路和时序2 6 1时钟电路2 6 2时序 5 23 56 2 1MCS 51系列单片机的分类 自从Intel公司于20世纪80年代初推出MCS 51系列单片机以后 所有的51系列单片机都是以Intel公司最早的典型产品8051为核心 增加一定的功能部件后构成的 本章以8051为主阐述MCS 51系列单片机的系统结构 工作原理和应用中的一些技术问题 MCS 51系列可分为两大系列 51子系列和52子系列 51子系列主要有8031 8051和8751三种机型 52子系列主要有8032 8052和8752三种机型 6 23 56 表2 1MCS 51系列单片机的性能一览表 2 1MCS 51系列单片机的分类 7 23 56 2 2单片机硬件结构 芯片引脚按功能分成3类 即 2 2 1单片机的引脚功能 51单片机的引脚功能 数据总线地址总线控制总线 8 23 56 1 主电源引脚Vcc和Vss Vcc 5V 电源输入端Vss GND 共用接地端 2 2 1单片机的引脚功能 51单片机电源引脚 9 23 56 2 时钟振荡电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1和XTAL2分别用做晶体振荡电路的反相器输入端和输出端 在使用内部振荡电路时 这两个端子用来外接石英晶体 振荡频率为晶体振荡频率 振荡信号送至内部时钟电路产生时钟脉冲信号 2 2 1单片机的引脚功能 51单片机时钟引脚 10 23 56 3 控制信号引脚 RST为复位信号输入端VPD为内部RAM的备用电源输入端PSEN外部程序存储器的读选通信号ALE地址锁存允许信号 2 2 1单片机的引脚功能 复位 外部存储器 地址锁存引脚 11 23 56 复位信号输入端RST 当RST RESET 端保持两个机器周期 24个时钟周期 以上的高电平时 单片机完成复位操作 VPD为内部RAM的备用电源输入端 当主电源Vcc一旦发生断电或电压降到一定值时 可通过VPD为单片机内部RAM提供电源 以保护片内RAM中的信息不丢失 使Vcc上电后能继续正常运行 2 2 1单片机的引脚功能 复位引脚 12 23 56 外部程序存储器的读选通信号 当访问外部ROM时 产生负脉冲作为外部ROM的选通信号 2 2 1单片机的引脚功能 ALE与PSEN引脚 地址锁存允许信号ALE 在访问外部存储器时 ALE用来锁存P0送出的低8位地址信号 PROG是对8751内部EPROM编程时的编程脉冲输入端 读选通信号PSEN 13 23 56 外部程序存储器控制信号EA EA 0 访问外部程序存储器 EA 1 访问片内与片外程序存储器 VPP为8751EPROM的21V编程电源输入端 2 2 1单片机的引脚功能 内外程序存储器控制引脚 14 23 56 P0端口 P0端口 P0 0 P0 7 第一功能 是一个8位漏极开路型的双向I O口 这时P0口可看成用户数据总线 第二功能 是在访问外部存储器时 分时提供低8位地址和8位双向数据总线 这时先用做地址总线再用做数据总线 4 P0 P1 P2 P3端口 2 2 1单片机的引脚功能 15 23 56 P1口 P1 0 P1 7 内部带上拉电阻的8位准双向I O口 P2口 P2 0 P2 7 第一功能 一个内部带上拉电阻的8位准双向I O口 第二功能 在访问外部存储器时 输出高8位地址 P3口 P3 0 P3 7 第一功能 内部带上拉电阻的8位准双向I O口 在系统中 这8个引脚都有各自的第二功能 2 2 1单片机的引脚功能 P1 P2和P3端口 16 23 56 2 2 2单片机的内部结构 一个8位CPU 4KB程序存储器 采用ROM或EPROM 8031无ROM 128B通用数据存储器 21个特殊功能寄存器 SFR 4个8位并行口 其中P0 P2 P3是复用口 P0和P2为地址 数据线 可寻址64KBROM和64KBRAM 一个可编程全双工串行口 具有5个中断源 两个优先级嵌套结构 两个16位定时 计数器 一个片内振荡器与时钟电路 51单片机内部主要器件 17 23 56 2 2 2单片机的内部结构 51单片机内部主要部件 18 23 56 2 3中央处理器 CPU 单片机的核心部分是CPU 由运算器 控制器和布尔 位 处理器组成 19 23 56 2 3 1运算器 运算器 算术逻辑单元 ALU 包括 累加器 ACC 程序状态字 PSW 暂存器B寄存器等部件 运算器的组成 20 23 56 1 累加器 累加器是一个8位寄存器 在指令系统中 累加器在直接寻址时的助记符为ACC 除此之外全部用助记符A表示 2 3 1运算器 累加器 21 23 56 算术 逻辑部件 算术 逻辑部件ALU是用于对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件 由加法器和其他逻辑电路 移位电路和判断电路等 组成 在控制信号的作用下 完成算术加 减 乘 除和逻辑与 或 异或等运算 以及循环移位操作 位操作等功能 2 3 1运算器 2 算术 逻辑部件 22 23 56 程序状态字寄存器 程序状态字寄存器PSW是一个8位寄存器 用来存放运算结果的一些特征 进位标志位 半进位标志位 用户自定义标志位 工作寄存器组选择位 溢出标志位 奇偶校验标志位 2 3 1运算器 3 程序状态字寄存器 23 23 56 RS1 RS0与片内工作寄存器组的对应关系 2 3 1运算器 片内四组工作寄存器的选择 24 23 56 4 B寄存器 在进行乘法 除法运算时 B寄存器作为ALU的输入之一 与ACC配合完成运算 并存放运算结果 在无乘除运算时 它可作为内部RAM的一个单元 2 3 1运算器 寄存器 25 23 56 2 3 2控制器 定时控制逻辑指令寄存器数据指针 DPTR 程序计数器 PC 堆栈指针 SP 地址寄存器地址缓冲器 控制器的组成 控制器是CPU的大脑中枢 它包括 26 23 56 1 程序计数器 程序计数器 ProgramCounter PC 用来存放下一条要执行的指令的地址 当按照PC所指的地址从存储器中取出一条指令后 PC会自动加l 即指向下一条指令 2 3 2控制器 程序计数器 27 23 56 2 堆栈指针 堆栈指针 StackPointer SP 是指在片内RAM的l28B 52子系列为256B 空间中开辟的堆栈区的栈顶地址 并随时跟踪栈顶地址变化 堆栈是按先进后出的原则存取数据的 开机复位后 单片机栈底地址为07H 2 3 2控制器 堆栈指针 28 23 56 3 指令寄存器和指令译码器 指令寄存器和指令译码器 InstructionRegister IR 的功能是对将要执行的指令进行存储和译码 当指令送入指令寄存器后 对该指令进行译码 即把指令转变成所需的电平信号 CPU根据译码输出的电平信号 使定时控制电路产生执行该指令所需的各种控制信号 以便计算机能正确地执行指令所要求的操作 2 3 2控制器 指令寄存与译码 29 23 56 4 数据指针 由于8051系列单片机可以外接64KB的数据存储器和I O接口电路 故在单片机内设置了l6位的数据指针寄存器 DataPointer DPTR 它可以对64KB的外部数据存储器和I O进行寻址 DPTR可分为高8位数据指针寄存器 DPH 和低8位数据指针寄存器 DPL 地址分别为83H和82H 2 3 2控制器 数据指针 30 23 56 5 布尔 位 处理器 在8051单片机系统中 与字节处理器相对应 还特别设置布尔 位 处理器 Cy 进位标志位位寻址寄存器位寻址的并行I O口位操作指令系统 2 3 2控制器 位处理器 31 23 56 2 4存储器 8051在物理结构上有4个存储空间 片内程序存储器片外程序存储器 ROM 片内数据存储器片外数据存储器 RAM 从用户使用的角度上 MSC 51有3个存储空间 片内外统一编址的64KB程序存储器空间 用16位地址 256B片内数据存储器空间 用8位地址 64KB片外数据存储器地址空间 51单片机存储器布局 32 23 56 存储器结构 2 4存储器 33 23 56 2 4 1程序存储器 程序存储器用于存放编好的程序或表格常数 51子系列片内有4KBROM 52子系列片内有8KBROM 二者片外地址线均为16位 最多可扩展64KBROM 片内片外统一编址 若EA端保持低电平 则所有取指令操作均在片外程序存储器中进行 0000H地址在片外 若EA端保持高电平 0000H地址在片内 所有取指令操作均在片内程序存储器中进行 程序存储器的用途 34 23 56 程序存储器 在程序存储器的开始部分 定义了一段具有特殊功能的地址段 用作程序起始和各种中断的入口 2 4 1程序存储器 程序入口地址 35 23 56 2 4 2数据存储器 数据存储器用于存放中间运算结果 数据暂存和缓冲 标志位等 MCS 51系列单片机的片内数据存储器除RAM块外 还有特殊功能寄存器 SFR 块 片内数据存储器的容量很小 常需要扩展片外数据存储器 MCS 51系列单片机有一个数据指针寄存器 可用于寻址程序存储器或数据存储器单元 它有16位 寻址范围可达64KB 数据存储器分为片外数据存储器 片内数据存储器 特殊功能存储器 以下分别加以介绍 数据存储器的用途 36 23 56 2 4 2数据存储器 片内通用数据存储器有 工作寄存器区位寻址区数据缓冲区 片内数据存储器 3个区域 1 片内通用数据存储器 37 23 56 片内数据存储器 2 4 2数据存储器 工作寄存器区 位寻址区 数据缓冲器区 38 23 56 1 工作寄存器区 工作寄存器也称为通用寄存器 供用户编程时使用 用于临时存储8位数据信息 工作寄存器地址为00H 1FH的32个单元 并分成4个工作寄存器组 每个组有8个工作寄存器 名称为R0 R7 工作寄存器和RAM地址的对应关系如表所示 2 4 2数据存储器 工作寄存器区 每个工作寄存器组都可被选为CPU的当前工作寄存器 通过改变程序状态字寄存器 PSW 中的RS1 RS0两位来实现 39 23 56 2 位寻址区 内部RAM中地址为20H 2FH的16个单元 CPU不仅具有字节寻址功能 而且还具有位寻址功能 这16个单元共128 2 4 2数据存储器 位寻址区 位 每一位都赋予1个位地址 位地址范围是00H 7FH 40 23 56 3 数据缓冲区 30H 7FH是数据缓冲区 即用户RAM区 共80个单元 52子系列片内RAM有256个单元 工作寄存器区和位寻址区的单元数与地址都和51子系列的一致 而数据缓冲区有208个单元 地址范围是30H FFH 2 4 2数据存储器 数据缓冲区 41 23 56 4 堆栈与堆栈指针 堆栈是一种执行 后进先出 算法的数据结构 是在内存中的一个存储区域 数据一个一个顺序地存入 也就是 压入 push 这个区域之中 有一个地址指针 堆栈指针 总指向最后一个压入堆栈的数据所在的存储单元 存放这个地址指针的寄存器就叫做堆栈指示器 开始放入数据的单元叫做 栈底 数据一个一个地存入 这个过程叫做 压栈 读取这些数据时 按照堆栈指示器中的地址读取数据 堆栈指示器中的地址数自动减1 这个过程叫做 弹出pop 如此就实现了后进先出的原则 2 4 2数据存储器 堆栈指针 42 23 56 2 特殊功能寄存器 概念特殊功能寄存器 SpecialFunctionRegister SFR 也称为专用寄存器 用于控制 管理单片机内部算术逻辑部件 并行I O口 串行I O口 定时器 计数器 中断系统等功能模块的工作 使用系统初始化时针对使用的功能部件编程设定 2 4 2数据存储器 特殊功能寄存器 43 23 56 表2 6特殊功能寄存器地址对照表 2 4 2数据存储器 特殊功能寄存器 44 23 56 PSW与ACC 1 程序状态字寄存器 PSW PSW是8位寄存器 存放程序运行状态的标志 字节地址为D0H 可以进行位寻址 2 累加器 ACC ACC是8位寄存器 用于算术或逻辑操作的输入和运算结果的输出 在指令系统中累加器的助记符为A 作为直接地址时助记符为ACC 2 4 2数据存储器 PSW与ACC 45 23 56 3 数据指针寄存器 DPTR 16位的专用地址指针寄存器 可对外部存储器和I O口进行寻址 也可拆成高字节DPH和低字节DPL两个独立的8位寄存器 在CPU内分别占据83H和82H两个地址 当对64KB外部数据存储器寻址时 DPTR可作为间接寻址寄存器使用 从外部数据存储器取数MOVXA DPTR送数到外部数据存储器MOVX DPTR A 2 4 2数据存储器 DPTR 46 23 56 4 B寄存器 X YX Y在乘 除法运算中用B寄存器暂存数据 乘法指令的两个操作数分别取自A和B 结果再存于B和A中 即A存低字节 B存高字节 除法指令中被除数取自A 除数取自B 结果商存于A中 余数存放在B中 在其他指令中 B寄存器可作为RAM中的一个单元使用 B寄存器的地址为B0H 2 4 2数据存储器 B寄存器 47 23 56 5 堆栈指针 SP 堆栈是个特殊的存储区 主要功能是暂时存放数据和地址 通常用来保护断点和现场 它的特点是按照先进后出的原则存取数据 这里的进与出是指进栈与出栈操作 2 4 2数据存储器 堆栈指针 SP 与P0 P3锁存器 6 端口P0 P3 特殊功能寄存器P0 P3分别是I O端口P0 P3的锁存器 48 23 56 7 定时器 计数器TL0 TH0 TL1 TH1 MSC 51单片机中有两个16位的定时器 计数器T0和T1 它们由4个8位寄存器 TH0 TL0 TH1和TL1 组成 两个16位定时器 计数器是完全独立的 可以单独对这4个寄存器寻址 2 4 2数据存储器 定时器 计数器 49 23 56 8 串行数据缓冲器 SBUF 功能 存放需要发送和接收的数据 组成 由两个独立的寄存器构成 一个是发送缓冲器 一个是接收缓冲器 但寄存器名称统一为SUBF 使用 发送指令MOVSUBF A 使用发送缓冲器 接收指令MOVA SUBF 使用接收缓冲器 2 4 2数据存储器 串行数据缓冲器 50 23 56 9 控制寄存器 控制寄存器有5种 中断优先级控制寄存器 IP 中断允许控制寄存器 IE 定时器 计数器控制寄存器 TCON 串行口控制寄存器 SCON 电源控制寄存器 PCON 它们将在后续章节中详细介绍 2 4 2数据存储器 控制寄存器 51 23 56 可位寻址的位地址分布 MCS 51可直接位寻址的空间有216位 其中内部RAM的20H 2FH这16个单元具有128个位地址空间 位地址为00H 7FH 另一部分位地址在特殊功能寄存器中 这些特殊功能寄存器是一些能被8整除的字节单元 地址在80H FFH区间 只用了11个字节 它们都可进行位寻址 共计88位 如表2 8所示 2 4 2数据存储器 可位寻址的位地址分布 52 23 56 可位寻址的位地址分布 2 4 2数据存储器 可位寻址的位地址分布 53 23 56 位操作与字节操作 尽管位地址和字节地址有重叠 读 写位寻址空间时也采用MOV指令形式 但所有的位操作指令都是以位地址为一个操作数 以进位位 Cy 为另一个操作数 例如 读位地址90H 用指令 MOVC 90H或MOVC P1 0写位地址90H 用指令 MOV90H C或MOVP1 0 C 2 4 2数据存储器 位操作与字节操作 54 23 56 2 5并行输入 输出 I O 端口 接口的主要功能包括 缓冲与锁存数据 地址译码 信息格式转换 传递状态 外设状态 和发布命令等 I O接口有 并行接口 串行接口 定时 计数器 A D D A等 根据外设的不同情况和要求选择不同的接口 本节介绍MCS 51单片机的并行输入 输出接口 55 23 56 并行输入 输出接口 MCS 51单片机有P0 P1 P2 P3四个8位双向并行I O口 每个端口可以按字节输入或输出 也可以按位进行输入或输出 4个并行口共有32根端口线 用做位控制十分方便 并行I O口具有如下特点 2 5并行输入 输出 I O 端口 56 23 56 并行I O口特点 1 4个并行I O口都是双向的 P0口为漏极开路驱动 P1 P2 P3口均具有内部上拉电阻驱动 它们有时称为准双向口 2 32根端口线都可用做输入或输出 还可进行位操作 3 当并行I O口作为输入时 该口的锁存器必须先写入 1 这是一个重要条件 否则 该口不能读入正确数据 2 5并行输入 输出 I O 端口 57 23 56 2 5 1P1口 MCS 51单片机的Pl口只有一种功能 即通用输入 输出接口 P1口每位的内部结构如图2 5所示 图2 5P1口每位的内部结构示意图 58 23 56 1 输出方式 当CPU执行写P1口的指令 如MOVPl data 时 P1口工作于输出方式 此时数据data经内部总线送入锁存器锁存 如果某位的数据为1 则该位锁存器输出端Q 1 而使T截止 从而在引脚P1 x上出现高电平 即输出数据 1 反之 如果数据为0 则Q 0 而使T导通 P1 x上出现低电平 即输出数据 0 2 5 1P1口 P1口工作原理 59 23 56 2 输入方式 当CPU执行读P1口的指令 如MOVA P1 时 P1口工作于输入方式 2 5 1P1口 P1口工作原理 60 23 56 2 5 2P2口 P2口有两种用途 通用I O口或高8位地址总线 P2口内部结构 图2 6P2口每位的内部结构示意图 通用I O与地址线的选择可根据指令由控制信号完成 61 23 56 MOVXA Ri或MOVX Ri A此时 Ri寄存器提供的是8位地址 由P0口送出 不需要P2口 P2口引脚原有的数据在访问片外RAM期间不受影响 故P2口仍可用做通用I O口 当片外RAM容量较大需要由P2口和P0口送出16位地址时 P2口不再用做通用I O口 P2口用作地址线 通用I O口 2 5 2P2口 P2口用作地址线 当P2口作为准双向通用I O口使用时 其功能与P1口相同 工作方式 负载能力也相同 P2口用作通用I O口 62 23 56 2 5 3P3口 P3口是双功能口 默认为第一功能 通用I O 通过编程可设定为第二功能 通用I O口状态 图2 7P3口每位的内部结构示意图 1 通用I O口状态P3口用做准双向通用I O口时 其功能与P1口相同 63 23 56 2 第二功能状态 2 5 3P3口 第二功能状态 P3口作为第二功能操作时 其锁存器Q端必须为高电平 可用输出指令向端口写1 以使Q 1 单片机复位时 锁存器输出端为高电平 否则无法输入或输出第二功能信号 P3口第二功能中的输入信号经三态门2输入 可直接进入内部总线 P3口第二功能定义如表2 8所示 64 23 56 2 5 3P3口 第二功能状态 表2 8P3口第二功能 65 23 56 P3口使用 P3口的每一位都可独立地定义为第一功能I O或第二功能使用 P3的第二功能涉及到串行口 外部中断 定时器 与特殊功能寄存器有关 它们的结构 功能等在后面章节中再作进一步介绍 2 5 3P3口 P3口使用 P3口的地址为B0H 对应P3 0 P3 7的位地址为B0H B7H 66 23 56 2 5 4P0口 地址 数据分时复用总线通用I O口 P0口的功能 图2 8P0口每位的内部结构示意图 P0口有两种功能 P0口内部无上拉电阻 作为I O口时 必须外接上拉电阻 67 23 56 地址 数据总线状态 2 5 4P0口 P0口作为地址 数据总线的工作原理 输出 P0口作为输入端口的工作原理 输入 P0口作为通用I O口时的工作原理 图2 8P0口每位的内部结构示意图 68 23 56 当CPU向端口输出数据时 写脉冲加在锁存器的时钟端CL上 由于输出驱动级是漏极开路电路 因VT0截止 在作为I O口使用时应外接10K的上拉电阻 当CPU从端口读数据时 端口中两个三态门用于读操作 P0口读 写数据 2 5 4P0口 图2 8P0口每位的内部结构示意图 69 23 56 P0口读 修改 写 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 ANLP0 A指令 即是读锁存器Q的数据 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 读者不必在意 2 5 4P0口 P0口的读 修改 写操作 70 23 56 当作输入端口使用时 应先对该口写入 1 以使场效应管VT1截止 再进行读入操作 以防场效应管处于导通状态而使引脚箝位到零 引起误读 读引脚时注意 2 5 4P0口 P0口用作输入端时应注意 71 23 56 4个并行口使用注意事项 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个口均可作为I O口使用 2 4个口在作为输入口使用时 均应先对其写 1 以避免误读 3 P0口作为I O口使用时应外接10K的上拉电阻 其它口则可不必 4 P2口某几根口线作地址使用时 剩下的口线不能作为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为I O口线使用 2 5 4P0口 P0 P1 P2 P3并行端口使用注意事项 72 23 56 2 5 5并行口的应用 并行接口是单片机用得最多的部分 可直接连接外部设备 需要注意电平的匹配 现以最简单的外部设备 开关和发光二极管为例说明并行口的应用设计 73 23 56 I O端口应用设计 例2 1设计一电路 监视某开关 K 用发光二极管 LED 显示开关状态 如果K闭合 则LED亮 如果K断开 则LED熄灭 分析 通过程序监视P1 1端口的状态 若 P1 1 1 P1 0 0若 P1 1 0 P1 0 1 2 5 5并行口的应用 74 23 56 汇编语言程序代码如下 CLRP1 0 使LED灭AGA SETBP1 1 先对P1 1口写入 1 以便能正确读入P1 1口数据JBP1 1 LIG 判断P1 1口状态 0或1 1 为K断开 转LIGSETBP1 0 K闭合时 置位P1 0 LED亮SJMPAGA 循环执行 方便反复调整开关 状态 观察执行结果LIG CLRP1 0 K断开时 P1 0清0 LED灭SJMPAGA 循环执行 2 5 5并行口的应用 I O端口应用设计 75 23 56 例2 2在图2 10所示电路中 P1 4 P1 7接4个LED管 P1 0 P1 3接4个开关 编程序将开关的状态反映到LED上 2 5 5并行口的应用 I O端口应用设计 76 23 56 ORG0000HMOVP1 0FFH 高四位的LED全灭 低四位输入线送 1 ABC MOVA P1 读P1口引脚开关状态 并送入ASWAPA 低四位开关状态换到高四位ANLA 0F0H 保留高四位MOVP1 A 从P1口输出 驱动四位LEDORLP1 0FH 保持高四位不变 低四位送 1 准备再读开关SJMPABC 循环执行 方便反复调整开关状态 观察执行结果上述程序中每次读取开关状态之前 输入位都先置 1 保证了开关状态的正确读入 2 5 5并行口的应用 I O端口应用设计 汇编语言程序代码如下 77 23 56 sfrP1 0 x90 main P1 0 xff P1低4位置 1 高4位灯全灭 while 1 P1 P1 4 读入P1引脚状态 左移四位 将低四位的开关状态移至高四位后从P1口输出 以驱动LED P1 P1 0 x0f P1高4位不变 低4位置 1 准备下再读开关状态 2 5 5并行口的应用 C语言程序代码如下 I O端口应用设计 78 23 56 2 5 5并行口的应用 I O端口应用设计 例2 3 用P1 0输出1kHz和500Hz的音频信号驱动扬声器 作为报警信号 要求1kHz信号响100ms 500Hz信号响200ms 交替进行 P1 7接一开关进行控制 当开关合上 高电平 时发出报警信号 当开关断开 低电平 时报警信号停止 设单片机晶振频率为12MHz 编程实现上述功能 79 23 56 500Hz信号周期为2ms 信号电平为每1ms改变1次 1kHz的信号周期为1ms 信号电平每500 s改变1次 编写一个延时500 s的子程序 延时1ms只需调用2次 用R2控制音响时间长短 A作为音响频率交换控制的标志 A 0FFH时产生500Hz信号 A 00H时产生1kHz信号 2 5 5并行口的应用 I O端口应用设计 分析 80 23 56 汇编语言程序代码如下 ORG0000HCLRA A作为1kHz 500Hz转换控制标志BEG JNBP1 7 检测P1 7的开关状态 等待开关闭合MOVR2 200 R2置音响控制时间初值DV CPLP1 0 改变P1 0状态CJNEA 0FFH N1 A 0FFH 延时500 sACALLD500 A 0FFH 延时1msN1 ACALLD500DJNZR2 DVCPLASJMPBEGD500 MOVR7 250 延时500 s子程序DJNZR7 l执行该指令用2 sRETEND 2 5 5并行口的应用 汇编程序实现 81 23 56 2 6时钟电路及时序 单片机工作是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的 这个脉冲是单片机控制器中的时序电路发出的 MCS 51系列单片机内部有一个高增益反相放大器 用于构成振荡器 但要形成时钟脉冲 外部还需附加电路 MCS 51的时钟产生方法有以下两种 2 6 1时钟电路 82 23 56 内部时钟方式 利用芯片内部的振荡器 然后在引脚XTALl和XTAL2两端跨接晶体振荡器 简称晶振 就构成了稳定的自激振荡器 发出的脉冲直接送入内部时钟电路 外接晶振时 Cl和C2的值通常选择为30pF左右 Cl C2对频率有微调作用 晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1 2 12MHz之间选择 2 6 1时钟电路 1 内部时钟方式 83 23 56 外部时钟方式 此方式是利用外部振荡脉冲接入XTALl或XTAL2 HMOS和CHMOS单片机外时钟信号接入方式不同 如表所示 单片机 HMOS型 外部时钟电路如图所示 2 6 1时钟电路 2 外部时钟方式 84 23 56 2 6 2时序 CPU执行指令的一系列动作都是在时序电路控制下进行的 由于指令的字节数不同 取这些指令所需要的时间就不同 既使是字节数相同的指令 由于执行操作有较大差别 不同的指令执行时间也不一定相同 即所需要的节拍数不同 为了便于对CPU时序进行分析 人们按指令的执行过程规定了几种周期 即时钟周期 状态周期 机器周期和指令周期 也称为时序定时单位 85 23 56 时钟周期 时钟周期也称为振荡周期 定义为时钟脉冲频率 fosc 的倒数 它是计算机中最基本的 最小的时间单位 在一个时钟周期内 CPU仅完成一个最基本的动作 为方便描述 振荡周期用P表示 2 6 2时序 1 时钟周期 86 23 56 状态周期 时钟周期经2分频后成为内部的时钟信号 用作单片机内部各功能部件按序协调工作的控制信号 称为状态周期 用S表示 这样 一个状态周期就有两个时钟周期 前半状态周期相应的时钟周期定义为P1 后半状态周期相应的时钟周期定义为P2 2 6 2时序 2 状态周期 87 23 56 机器周期 完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期 MCS 51有固定的机器周期 规定一个机器周期有6个状态 分别表示为S1 S6 而一个状态包含两个时钟周期 那么一个机器周期就有12个时钟周期 可以表示为S1P1 S1P2 S6P1 S6P2 一个机器周期共包含12个振荡脉冲 即机器周期就是振荡脉冲的12分频 显然 如果使用6MHz的时钟频率 一个机器周期就是2 s 而如果使用12MHz的时钟频率 一个机器周期就是1 s 2 6 2时序 3 机器周期 88 23 56 指令周期 指令周期是执行一条指令所需要的时间 一般由若干个机器周期组成 指令不同 所需要的机器周期数也不同 2 6 2时序 4 指令周期 单周期指令双周期指令4周期指令 89 23 56 5 MCS 51指令的取指 执行时序 ALE信号是用于锁存地址的选通信号 由时钟频率6分频得到的 多数指令在整个指令执行过程中ALE信号是周期信号 通常 在每个机器周期内ALE信号出现两次 时刻为S1P2和S4P2 信号的有效宽度为一个S状态 每出现一次ALE信号 CPU进行一次读指令操作 但并不是每条指令在ALE信号生效时都能有效地读取指令 如果是单周期指令 则在S4P2期间仍有操作 但读出的字节被丢弃 且读后的PC值不加1 如果是双周期指令 则在S4P2期间读二字节 在S6P2时结束指令 2 6 2时序 90 23 56 2 6 2时序 51单片机时序图 91 23 56 2 7单片机的工作方式 复位是单片机的初始化操作 单片机系统在上电启动运行时 都需要先复位 其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态 并从这个状态开始工作 2 7 1复位方式 复位的作用 92 23 56 复位电路 2 7 1复位方式 1 上电复位上电复位利用电容器的充电实现 在时钟电路工作后 在RST端连续给出2个机器周期的高电平就可完成复位操作 1 复位电路 单片机的外部复位电路有上电自动复位和按键手动复位两种 93 23 56 上电加按键复位 当复位按键按下后 复位端通过51 的小电阻与 5V电源接通 迅速放电 使RST引脚为高电平 当复位按键弹起后 5V电源通过2K电阻对22 F电容重新充电 RST引脚端出现复位正脉冲 其持续时间取决于RC电路的时间常数 2 7 1复位方式 2 上电加按键复位 94 23 56 复位状态 复位后MCS 51片内各特殊功能寄存器的状态如表所示 表中 x 为不定数 2 7 1复位方式 2 复位状态 95 23 56 2 7 2程序执行方式 MCS 51单片机的基本工作方式是程序执行方式 它分为连续执行工作方式和单步执行工作方式 单片机在复位后 其PC值为0000H 一般在0000H地址放一条无条件转移指令 LJMP 以便跳转到用户程序的入口地址处连续执行用户程序 1 连续执行工作方式 连续执行方式 96 23 56 单步执行方式 单步执行工作方式是用户调试程序的一种工作方式 一次执行一条指令 单步执行工作方式是利用单片机的外部中断功能实现的 在单片机开发系统上有单步执行键 该键相当于单片机的外部中断源 当它被按下时产生一个负脉冲 即中断请求信号INT0或INT1 MCS 51单片机在外部中断信号的作用下 自动执行预先安排在中断服务程序中的单步执行指令 执行完后中断返回 2 7 2程序执行方式 2 单步执行工作方式 97 23 56 2 7 3低功耗运行方式 MCS 51单片机除具有一般的程序执行方式外 还具有两种低功耗运行方式 待机 或称为空闲 方式掉电 或称为停机 方式备用电源直接由VCC端输入 第1种方式可使功耗减小 电流一般为1 7 5mA 第2种方式可使功耗减到最小 电流一般为5 50 A 待机与掉电 98 23 56 电源控制寄存器PCON 待机方式和掉电方式由专用寄存器PCON 电源控制寄存器
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