控制应用 第4章(1)1.ppt

1,第四章功能单元及操作,2,51单片机中集成不少强化控制功能的硬件单元，在控制操作中起重要作用。普通计算机，需相应外围器件与CPU配合，才能完成如中断、定时、通信、输入输出等基本功能。单片机把外围器件都集成到一起，可在CPU控制下协调工作。,3,4.1并行I/O接口,四个8位并行I/O，称P0、P1、P2和P3口。32根接口线。每一位（根）内部都有锁存器、驱动器和输入缓冲器。都可以位操作，给控制应用和编程,极大方便。各口结构上有异，性质和功能也差别，比较详见表4-1。,第2功能,串行口RXD、TXD外部中断INT0、INT1的输入计数器T0、T1输入片外数据存储器读、写命令WR、RD,4,4.1.1P1口,8位准双向口，可字节寻址也可以位寻址，字节地址90H，位地址9097H，低位在前。,1.位结构与输入/输出状态,输出锁存器，使输出状态延续；输入缓冲器BUF1读入引脚数据（电平），BUF2读入输出锁存器出口数据，缓冲器输入阻抗高，读操作时，对外界电平无影响；场效应晶体管T与内部上拉电阻组成输出驱动。,5,1.位结构与输入/输出状态,输出锁存器，使输出状态延续；输入缓冲器BUF1读入引脚数据（电平），BUF2读入输出锁存器出口数据，缓冲器输入阻抗高，读操作时，对外界电平无影响；场效应晶体管T与内部555上拉电阻组成输出驱动。,6,作输出，若CPU输出1，T截止，引脚被内部电阻上拉为高，但上拉电阻（实际上为一耗尽型场效应晶体管）较大，输出电流很小（约0.25A），要强驱动，须外接上拉电阻。若CPU输出0，T导通，输出引脚被下拉为低（地）电平，允许数毫安吸入电流，能直接驱动LED等。T导通对地阻抗小，外电路要串电阻限制电流。,1,0,1,0,1,0,7,1,X,1,1,0,作为输入：,作输入，CPU要先向该口输出1，使A点升为高，称设置该口线为输入状态单片机复位后，所有32条口线均被置输入状态。之后，若外部输入1，A点仍高，BUF1读入，B点和内部总线也高。若外部为低0，则将A点下拉为低（因上拉电阻较大），BUF1读入，B点和内部总线也为低（0）。,8,2.P1口特点,(1)输出锁存，输出时不需任何条件和预操作、预设置；(2)输入缓冲，输入时要求先将该口设置为输入状态，即CPU先向该口输出1；(3)没有高阻悬浮（关断）状态，不是输入态就是输出态。这种特性的I/O不属于“真正”双向口，称“准”双向口。若输入操作之前没将A点置高（CPU输出0之后，没再向该口输出1），则外部输入的信号1将被导通的场效应管T下拉为0，读入数值全0。若外信号很强（如芯片或晶体管的输出），外部高电平1将通过导通的T，产生大的短路电流，使T和外芯片烧毁。为防调程阶段和程序运行混乱（跑飞）时出此情况，输入口线串接限流电阻。,9,3.P1口的操作,(1)字节、位操作字节操作，有数据传送指令和逻辑运算指令：输入：MOVA,P1;(A)(P1)MOVdirect,P1;(direct)(P1)输出：MOVP1,A;(P1)(A)MOVP1,#data;(P1)#dataMOVP1,direct;(P1)(direct)逻辑运算：ANLP1，#11101111B;使P1.4口线输出0，ORLP1，#00000001B;使P1.0口线输出1，其余不变。,10,逻辑运算相当于位操作，C语言普遍用，但位操作指令可强化控制功能、加快执行速度：置位、清零：SETBP1.x;(P1.x)1，x=0,7CLRP1.x;(P1.x)0输入、输出：MOVC,P1.x;(CY)(P1.x)MOVP1.x,C;(P1.x)(CY),11,判断转移:JBP1.x,rel;P1.x1，跳转JNBP1.x,rel;P1.x0，跳转JBCP1.x,rel;P1.x1，跳转且将P1.x0逻辑运算：ANLC,P1.x;CY(P1.xCY)ORLC,/P1.x;CY(P1.xCY),12,(2)读引脚和读输出锁存器,从口的位结构来看，CPU读数据有两渠道：一是读引脚，另一是读输出锁存器。CPU执行端口数据传送指令：MOVA,P1MOVdirect,P1CPU自动发读引脚命令，使三态缓冲器BUF1导通，引脚电平通过BUF1进内部。执行这种指令之前，须先将输出锁存器置1，A点高，否则无法读入，易烧输出驱动管T。,13,1,X,1,1,0,有效,读引脚,14,CPU执行端口逻辑操作指令：（ANL、ORL、XRL）和位操作指令：（MOV、CPL、JBC等）。属“读修改写”指令CPU执行时，会自动发读输出锁存器命令，缓冲器BUF2导通，锁存器输出经BUF2进内部。,1,X,1,1,0,有效,15,读锁存器而不读端口电平可以避免错误操作。,CPU输出1,0.6V,读引脚是0，是错误信息,16,4.P1口的第二功能,20引脚非总线型的51系列（如AT89C2051、GMS97C2051等），P1.0和P1.1还分别作为片内集成的精密电压比较器的正相和反相输入端。由于内部接电压比较器输入端，故两口内部不能再接上拉电阻。如果作I/O口用，须外接上拉电阻。加强型（如80C52、AT89C5255、GMS97C52等）P1.0定时器/计数器2的外输入端T2；P1.1定时器/计数器2的外部控制端T2EX。这两位的结构与P3口的位结构相当。AT89S5X，ATS8252等，在线串行编程等功能用P1.35。,17,4.1.2P3口,多功能8位口，可字节寻址也可位寻址，字节地址B0H，位地址B0B7H，低位在前。1位结构与输入/输出状态与P1口位结构区别：(1)P3口内增加一个与非门。与非门二输入端：一为锁存器主输出端Q，另一导入第二功能的控制输出。与非门的输出接管T。,18,P3口的位结构示意图,1,1,0,1,0,19,(2)输出信号从输出锁存器Q端，而不是Q端输出，其后的与非门倒相。(3)读引脚输入通道有两个串联的输入缓冲器，第二功能输入取自第一缓冲器输出，读引脚取自第二缓冲器输出。第二功能使B点置1时，输出锁存器输出通过与非门直达引脚P3.x，此时与P1口类似，为一准双向I/O。若执行读/写外部数据存储器的指令MOVXA,DPTR,或MOVXDPTR,A等，第二输出功能的读/写控制信号RD和WR也送引出脚（P3.6和P3.7）。即第二功能控制使B点清0时，与非门输出恒为1，T导通，A点输出0。第二输出功能口还有串行数据输出口TXD（P3.1）。,20,以上分析知，无论第二输入、第二输出功能，还是作普通I/O口的输入功能，都必须向该口位输出1，才能正常工作，不至于损坏，编程要特别注意。鉴于上述原因，单片机复位后所有的端口位全部自动置1。,(2)P3口的功能与特点,多功能口，功能为：（1）普通I/O口，为准双向口。功能与P1口相同，可字节也可位操作，可逐位定义口线为输出或输入口线；读引脚、读输出锁存器也与P1口相同。（2）作为第二功能的输入或输出。,21,第二输入功能有：,P3.0RXD，串行数据输入口；P3.2INT0，外部中断0请求输入口；P3.3INT1，外部中断1请求输入口；P3.4T0，定时器/计数器0外部计数脉冲输入口；P3.5T1，定时器/计数器1外部计数脉冲输入口；,第二输出功能有：,P3.1TXD，串行数据输出口；P3.6WR，外部数据存储器写控输出，低电平有效；P3.7RD，外部数据存储器读控输出，低电平有效；同P1口一样，P3口输出也可驱动4个TTL负载。,22,4.1.3P2口,1位结构与工作过程与P1口位结构区别：（1）增加一个多路开关。多路开关有两个输入：一是锁存器Q，另一是地址寄存器（PC或DPTR）高8位的一位输出。多路开关的输出，经反相器（非门）反相接管T。多路开关的切换，由内部控制信号控制。,字节地址A0H,23,P2口的位结构示意图,1,1,0,1,（2）输出锁存器输出端是Q，经反相器，A点与Q端同。,24,x,x,0,1,1,0,1,0,1,内部控制信号控制多路开关投向锁存器输出（C点），P2口状态与P1口同，为准双向口。而多路开关投向地址输出侧（B点）时，P2.x引脚输出地址高8位中的一位。A点电平将随地址输出的0、1变，这时P2口输出高8位地址。,25,2.P2口的功能与特点,（1）普通I/O口，功能与P1口同，为准双向口。（2）作寻址片外程序存储器和片外数据存储器的高8位地址码输出口。与P0口输出的低8位地址一起，构成16位地址总线。地址信号是8位一起自动输出的。,26,4.1.4P0口,多功能8位口，可字节寻址也可位寻址，字节地址80H，位地址8087H，低位在前。1位结构与工作过程位结构与P1口有明显区别：（1）增加一多路开关。多路开关两个输入：一个是输出锁存器反相输出端Q，另一是地址寄存器（PC或DPTR）低8位中的一位经非门反相。多路开关输出接管Td。多路开关切换由内部控制信号控制。,（2）输出上拉电路与P1口不同。上拉靠管Tu的导通，Tu受内部控制信号和地址/数据信号相“与”控制。FET管导通电阻很小,可驱动更多负载。作一般I/O口，无控制信号，Tu关断，作输出必须外接上拉电阻（110k）；作输入悬浮态，有很高的输入阻抗。,27,输出地址低8位信号,1,0,0,X,1,1,强上拉,1,0,1,1,0,0,X,强下拉,28,输出地址低8位信号输出1,29,输出地址低8位信号输出0,30,作为数据总线读外部程序存储器,31,P0作普通I/O口,X,悬空,0,0,X,强下拉,1,0,0,1,0,0,1,1,32,P0作普通I/O口读引脚,0,使能,33,P0作普通I/O口读端口锁存器,使能,0,34,P0作普通I/O口输出（相当于无上拉电阻的P1口）,35,2.P0口的功能与特点,（1）作普通I/O口用相当于未接内部上拉电阻的P1口，为准双向口。若接外部上拉电阻，则工作状态、功能和设定方式等与P1口相同。（2）作地址/数据复用总线此时P0口为真正三态双向口，但只能整体用，不能逐位定义。可驱动8个TTL负载。,36,4.280C51的中断系统Interruptsystemof80c51,单片机一般都集成自管理的中断系统，有很强的的中断控制能力。具有包括两个外部触发在内的5个（增强型8xx52有6个）中断源，和两级中断优先级，固定的中断矢量地址，两种可选的外中断触发方式。,37,80C51中断系统的结构,IE0,EX0,TF0,IE1,TF1,TI,ES,ET1,EX1,ET0,RI,IP,硬件查询,高级,低级,中断入口,中断源,INT0,INT1,中断入口,中断源,1,0,IE,PX0,PS,PT1,PX1,PT0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,EA,1,1,SCON,1,1,T0,T1,RX,TX,IT0,IT1,0,0,TCON,38,4.2.1中断的概念与其重要性,中断的概念,看电视,中断处理,中断请求,实际生活,中断返回,电话铃响,接听电话,看电视,主程序,计算机,事件发生,事件处理,主程序,39,4.2.1中断的概念与其重要性,对被控对象的状态或参数，无论是连续波动还是突然变化，都要及时（实时）输入给系统，才能及时有效控制。CPU（也包括单片机）对外部正发生的事件的感知，可通过以下两种方式：一是CPU定期循环执行读（即输入）指令，称为查询输入方式，对连续变化的物理量转换为数字量（A/D转换），通过CPU处理。但绝大多数查询，都是浪费CPU的无效操作。查询多，会耽误CPU主要工作。减少查询次数虽缓解CPU负担，但不能及时感知。突发的紧急情况，或定时、计数等，不能耽搁、遗漏、需CPU立即处理。,40,中断解决了快速主机与慢速I/O设备的数据传送，还具有如下优点：,分时操作。CPU可以分时为多个I/O设备服务，提高了计算机的利用率；实时响应。CPU能够及时处理应用系统的随机事件，系统的实时性大大增强；可靠性高。CPU具有处理设备故障及掉电等突发事件能力，从而使系统可靠性提高。,41,若能在不需要CPU处理的时段，CPU不查询；而对突发的、计划外发生的事件，又能及时通知CPU，CPU立即反应，放下（暂停）正在进行的工作，转入对应刚刚发生事件的处理子程序，就可以大大减轻CPU负担，且对突发事件也能及时处理，这是中断输入的优点。所谓中断，指CPU在执行程序过程中，允许发生的外部（或系统内部）事件通过硬件来打断程序的执行，使CPU转头去执行另一事先编好、专用于处理该事件的程序中断服务程序。待该服务程序执行完，CPU再回到原被打断（中断）的地方，继续执行原来的工作。上述过程称中断。而为实现中断功能所设置的各种硬件和软件，统称中断系统。,42,有中断方式，CPU可省大量查询时间，极大提高CPU效率，和处理突发事件的实时性。对嵌入式控制系统，可能发生多种紧急或计划外情况，故尤为重要。因此，几乎所有的CPU，都具有中断功能。单片机系统配置要尽量简单。微机：CPU外设专门的中断管理器（如8259A）。单片机片内集成功能强大的中断系统（51基本型就有5种中断）。能在复杂紧急的情况同时出现时，应付自如。,43,4.2.2中断源及中断优先级,中断例：正看书，来人敲门放下（中断原来的工作），并做记号后开门，与来人谈话。之后电话铃响，中断谈话再去接电话（中断嵌套）。完后再与来人接谈（中断返回），来人走后再接看书（再返回）。把能引起中断的外部或内部事件称为中断（请求）源，中断源就是引起中断的原因或触发中断请求的来源。80C51单片机5个中断源（80C52有6个），分别是：1.INT0外部中断0请求，低电平或脉冲下降沿有效，由P3.2引脚输入。2.INT1外部中断1请求，低电平或脉冲下降沿有效，由P3.3引脚输入。3.TO片内定时器/计数器0溢出中断请求，对外部计数由P3.4引脚输入。4.T1片内定时器/计数器1溢出中断请求，对外部计数由P3.5引脚输入。5.TX/RX串行中断请求。当串行口完成一帧数据的发送或接收之后，请求中断。6.T280C52片内定时器/计数器2溢出中断请求。,44,每个中断源在SFR中，都对应一中断请求标志位。当某个或某些中断源请求中断，对应标志位被置位（置1）。但CPU能否获某标志位中断信息，还取决该中断源当时由程序控制，处于允许（称开中断）还是禁止（称关中断或中断屏蔽）中断。几个中断源同时申请、或CPU正处理某一中断，又有新申请中断，CPU得区分哪个更重要优先处理、或是中断（撂起）正处理的中断服务，转去处理更紧急事件。即CPU须识辨哪个中断源更重要中断优先级。80C51有两级优先级，可中断嵌套。对任一中断源，都可由指令随时设成高级或恢复为低级。CPU处理低级中断过程中，能响应高级中断，更提高实时控制能力。,45,80C51中断系统的结构示意图,46,中断服务程序,47,48,4.2.3中断的控制和操作,4个特殊功能寄存器起重要作用：（1）定时器控制寄存器TCON（SFR中地址88H）；（2）串行口控制寄存器SCON（SFR中地址98H）；（3）中断允许寄存器IE；（4）中断优先级寄存器IP；TCON和SCON只有几个位，用于中断控制。通过对这些寄存器中各个控制位，由指令（和硬件自动）置位或清0，实现中断控制和操作。,49,1.中断源请求标志,CPU每执行完一条指令，依次查中断（源）请求标志，看是否有请求。CPU响应中断后由硬件自动或由软件清0标志。标志位都位于TCON和SCON中。（1）TCON中的中断标志位TCON是定时器/计数器T0和T1的控制寄存器，两位（D6和D4）控制T0和T1开闭，剩余6位作中断标志和中断触发方式控制。形式如下：,TF1定时器/计数器T1的溢出中断（请求）标志位（1请求中断）。TF0定时器/计数器T0的溢出中断（请求）标志位（1请求中断）。IE1外中断1的中断（请求）标志位（1请求中断）。IT1外中断1的中断触发方式控制位（0/1低电平/下降沿触发）。IE0外中断0的中断（请求）标志位（1请求中断）。IT0外中断0的中断触发方式控制位（0/1低电平/下降沿触发）。,50,（2）SCON中的中断标志位SCON为串行口控制寄存器，其中最低两位（D1和D0）作为串行口中断标志。形式如下：RI接收中断（请求）标志位（每接收完一个字节置1，请求中断）。TI发送中断（请求）标志位（每发送完一个字节置1，请求中断）。TF1、TF0、IE1和IE0有对应的中断请求时，由硬件置位（置1），CPU响应该中断后，由硬件自动复位（清0）。R1、TI须由软件指令置1和清0：ITx（x0、1）为0，定义（低）电平触发方式，为1则下降沿触发。,51,2.中断允许控制,当有中断源请求时，对应标志位被置1。但CPU硬件能否查到，取决于该中断源由程序控制为允许（开中断）还是禁止（关中断）。80C51对中断请求源的开放或屏蔽由中断允许寄存器IE控制（位电平输出使能控制门电路开关），IE格式如下：,EA中断允许总控制位。*ET2定时器/计数器2中断允许控制位，增强型8xx52才有。ES串行口中断允许控制位。ET1定时器/计数器1中断允许控制位。EX1外部中断1中断允许控制位。ET0定时器/计数器0中断允许控制位。EX0外部中断0中断允许控制位。程序控制开与关中断常用位置1和位清0指令，如：SETBEA；CLREX0等。,52,初始化程序中通常要开数个中断，用字节操作指令对IE各个位一次赋值完，如接下的程序段允许外中断1（INT1）、TO和串口中断，则：MOVIE,#96H复位后，所有中断均禁止（允许位全为0）。程序的初始化部分根据需要，将某些位赋1。程序执行的过程中，可频繁适时地开、闭中断，是编写控制程序重要事情。,53,3.中断优先级,两级，有两个不能寻址的，由硬件置位的优先级状态触发器,一个指示CPU是否正进行低优先级中断服务，另一指示CPU是否正进行高优先级中断服务。前者为1，屏蔽所有低级中断（请求源），只允许高级；两者皆1，屏蔽所有中断请求。只有执行了RETI指令后，当前优先级的状态触发器才清0。对各中断请求源，优先级别高低可设置，中断优先级寄存器IP格式如下：,*PT2定时器/计数器T2中断优先级控制位（8xx52才有）。PS串行口中断优先级控制位。PT1定时器/计数器T1中断优先级控制位。PX1外部中断1中断优先级控制位。PT0定时器/计数器T0中断优先级控制位。PX0外部中断0中断优先级控制位。,54,用指令将某控制位置1，对应的中断源就升为高级，清0则降为低级。全部升为高级中断没意义。同时有几个同级中断请求时，响应哪一个取决于内部硬件的查询次序，排列如下：中断源同级内的中断优先级外部中断0（INT0）最高定时器/计数器T0溢出中断外部中断1（INT1）定时器/计数器T1溢出中断串行口中断定时器/计数器T2溢出中断最低,55,4.外部中断的触发方式,TCON位大部分作为中断请求标志位，其中两位IT1和IT0（D2和D0位），是外部中断触发方式选择控制位。据需要，80C51外中断触发方式两种可选：低电平触发方式和脉冲下降沿触发方式。复位后ITx（x0、1）初值0，默认电平触发方式。指令赋TCON两位IT1和IT0（D2和D0位）1后，变成下降沿触发。,56,5.中断请求的撤除,退出中断前，须撤消刚服务完的中断源请求标志。否则退出，CPU查标志位仍1，会立即再进该中断，多执行，混乱。撤除（清0）方式3种：（1）中断响应后，硬件自动对标志位复位4个：TCON中的TF0、TF1、IE0和IE1，对应于定时器/计数器0和1溢出中断、外中断0和1的下降沿触发中断。但CPU关中断情况下，有中断源请求，标志位同样置1，并锁存，一旦CPU开中断，则立即响应。不打算响应已过时的请求，开中断前，用指令先清0请求标志。,57,（2）须指令清除的中断请求标志,有RI、TI（8xx52还有TF2和EXF2）；串行接收/发送的中断请求（和8xx52的定时器/计数器T2溢出中断请求），中断服务程序中清0；查询方式工作的串行接收/发送，用指令JBCRI,rel和JBCTI,rel查询转移和一并清0标志。,4.2.4中断的响应过程和中断矢量地址,1.中断响应的自主操作过程中断响应的自主操作指中断响应过程中，CPU不依赖指令控制的内部操作行为。了解它有助于中断应用程序的设计。,58,（1）CPU的中断查询,每个机器周期S5P2时段，采样对应中断源。下一机期S6，CPU按序查标志位，下一机期S1，响应最高级。但以下三情况例外：CPU正处理同级或高级中断，不能寻址的优先级状态（生效）触发器已置位；CPU正执行多周期指令未到最后一机器周期，即中断操作在当前指令执行完之后才进行；已执行完RETI或访问IE或IP与中断相关特殊功能寄存器指令时，若接下来的一条指令未执行完，还不能响应中断。,59,（2）中断响应过程中CPU的自主操作,CPU会自动完成以下操作：置位1相应优先级状态触发器，指示响应中断的优先级别，封锁低级和同级中断。对应中断源申请标志清0（但TI、RI不能）；断点（即不中断时应执行的下一条指令的首地址）16位地址压堆栈保护（SP先加1，向SP指示的栈顶装入断点地址的低8位；SP再加1，装入地址高8位）；该中断源中断入口地址送PC，使程序转到中断入口地址处执行中断服务程序。,60,（3）中断返回时CPU的自主操作,CPU执行中断返回指令RETI时，产生以下自主操作：相对应优先级状态触发器清0，该中断返回后能再响应同级中断；堆栈弹出两个字节（应是断点地址）送PC（先弹高位地址，栈顶指针SP减1，后弹低位地址，SP再减1），使程序能返回断点处继续执行原任务。,61,2.中断矢量地址,中断目的执行对应事件的处理程序，称中断服务程序。中断服务程序绝不指令调用，只在中断发生且CPU响应后，才由中断系统调用。中断系统怎样找到中断服务程序首地址？中断服务程序起始（入口）地址须固定。响应某中断后，硬件会自动产生长调用LCALL指令，对应每一中断源，都安排一固定转移绝对地址中断矢量地址。硬件自动将与该中断源对应的装PC，使程序转向以该地址为入口的中断服务程序。,62,51系列单片机各中断源对应的中断矢量地址见表4-1。,表4-1中断源与其对应的矢量地址中断源中断矢量地址外部中断0（INT0）0003H定时器/计数器T0中断000BH外部中断1（INT1）0013H定时器/计数器T0中断001BH串行口中断0023H*定时器/计数器T0中断002BH“*”者加强型才有,同级优先级,63,3.中断响应时间,从发申请到执行服务程序第一条指令至少需3机器周期。若申请恰好在CPU执行双周期指令RETI（或访问IE/IP）的第一机器周期，则需执行完接下的指令方能响应。若接下指令是最长的4周期乘/除指令，一共延时5周期，加上述3周期为8周期。因此，51CPU响应中断的时间38个机器周期之间。一般不考虑，但用片内定时器/计数器精确定时，要微调Tx溢出的初始装填值。,64,4.2.5外部中断的