第二章单片机接口技术ppt

1、1.教学内容教学内容:MCS-51单片机的内部结构及其特性单片机的内部结构及其特性(片内结构、引脚功能及片片内结构、引脚功能及片外总线结构、存储器组织及扩展、外总线结构、存储器组织及扩展、I/O结构、中断、时钟和复位结构、中断、时钟和复位电路。电路。2.教学重难点教学重难点MCS-51单片机的引脚功能、存储器组织及扩展、单片机的引脚功能、存储器组织及扩展、I/O结构、中结构、中断断3.课时课时 84.作业作业习题习题2 ,3 ,4,72.1 MCS-51单片机主要性能特点l MCS-51为为8位高档单片机系列位高档单片机系列,采用采用HMOS工艺工艺,提高芯片集提高芯片集成度成度,性能有很好性

2、能有很好 改善。改善。l 特点：特点： 1）扩大了）扩大了ROM和和RAM的容量的容量 2）具有布尔代数运算能力）具有布尔代数运算能力 3）具有）具有32个双向可被独立寻址的个双向可被独立寻址的I/O口口 4）具有）具有5-6个中断源，可分为两个中断优先级个中断源，可分为两个中断优先级 5）具有丰富的指令系统）具有丰富的指令系统 6）具有全双工传输信号）具有全双工传输信号UART的能力的能力 7）片内具有时钟振荡电路）片内具有时钟振荡电路 8）可采用一次性烧写的内含）可采用一次性烧写的内含ROM或可重复烧写的或可重复烧写的EPROM 2.2 MCS-51单片机内部结构表表1.12.2.1 MC

3、S-51单片机的内部结构0INT时钟电路CPUSFR和RAM并行端口ROM串行端口定时器/计数器中断系统系统总线时钟源P0 P1P2 P3TXDRXD1INTT0T18051内部结构图计数脉冲输入2.2.2 MCS-51单片机的内部结构介绍l 1.CPU(中央处理器中央处理器)完成单片机的运算和控制完成单片机的运算和控制能力能力 运算器运算器控制器控制器ALU、布尔处理器、布尔处理器、ACC、寄、寄存器存器B、暂存器、暂存器TMP1，TMP2、PSW寄存器、十进制调整电路寄存器、十进制调整电路定时控制逻辑、指令寄存器、译码器、定时控制逻辑、指令寄存器、译码器、信息传输控制部件信息传输控制部件2

4、.2.2 MCS-51单片机的内部结构介绍2.2.内部存储器内部存储器程序存储器程序存储器ROM数据存储器数据存储器 RAM 存放程序指令存放程序指令,常数和数据表格常数和数据表格(只读只读)存放数据存放数据,分为内部和外部数据存储器分为内部和外部数据存储器(随机随机)单片机内有单片机内有256个个RAM单元单元,作为寄存器被用户使用的作为寄存器被用户使用的只有前只有前128个单元个单元,后后128个被专用寄存器占用个被专用寄存器占用内部内部RAM指的是前指的是前128单元单元2.2.2 MCS-51单片机的内部结构介绍l 3.定时与中断系统定时与中断系统 MCS-51单片机内有两个单片机内有

5、两个16位的定时器位的定时器/计数器：计数器：实现定时和计数，并将其结果作为查询和中断的实现定时和计数，并将其结果作为查询和中断的控制凭据；控制凭据； MCS-51单片机内有单片机内有5个中断源个中断源 (2个中断优先级个中断优先级) 2个外部中断源个外部中断源 2个定时器个定时器/计数器中断源计数器中断源 1个串行口中断源个串行口中断源 2.2.2 MCS-51单片机的内部结构介绍l 4.并行并行I/O口口l 4个个8位的并行位的并行I/O口口 (P0 P1 P2 P3 )实现数据并行输入输出实现数据并行输入输出l 5.串行串行I/O口口l 一个全双工的串行口一个全双工的串行口 实现与外部的

6、串行数实现与外部的串行数据传送据传送l 6.时钟电路时钟电路l 为单片机产生时钟脉冲序列为单片机产生时钟脉冲序列,协调和控制单片机协调和控制单片机的工作的工作. MCS-51单片机内部有时钟电路单片机内部有时钟电路(但是需外但是需外接石英晶体振荡器和微调电容接石英晶体振荡器和微调电容)l 最高时钟频率为最高时钟频率为12MHZ2.3 MCS-51单片机的引脚定义及功能1.单片机的引脚图2.3 MCS-51单片机的引脚定义及功能2. 引脚说明：引脚说明：(1) P0口口 (32脚脚 -39脚脚)有三种使用方法有三种使用方法 1) 作为与外部传送数据的作为与外部传送数据的8位数据总线位数据总线(D

7、0D7) 2) 作为扩展外部存储器时的低作为扩展外部存储器时的低8位地址总线位地址总线(A0-A7) 3) 作为一般作为一般I/O口口,需外接上拉电阻需外接上拉电阻l 2.3 MCS-51单片机的引脚定义及功能l (2) P1(2) P1口口 (1(1脚脚-8-8脚脚) )有两种使用方法有两种使用方法 P1P1口是用户专用口是用户专用 8 8 位准双向位准双向I/OI/O口口, , 具有具有通用输入通用输入/ /输出功能输出功能, , 每一位都能独立地设定为输每一位都能独立地设定为输入或输出。入或输出。80C5280C52的的P1.0P1.0和和P1.1P1.1有特殊功能有特殊功能l 1 1引

8、脚引脚 P1.0/T2 P1.0/T2 定时器定时器/ /计数器计数器T2T2计数端输入计数端输入l 2 2引脚引脚 P1.1/T2 T2P1.1/T2 T2的捕捉的捕捉/ /重新加载的触发输入重新加载的触发输入2.3 MCS-51单片机的引脚定义及功能l (3) P2(3) P2口口 (21(21脚脚-28-28脚脚) )有两种使用方法有两种使用方法l 1)作为一般作为一般I/O口口,不需外接上拉电阻不需外接上拉电阻l 2)2)作为扩展外部存储器时的高作为扩展外部存储器时的高8 8位地址总线位地址总线(A8-A15)(A8-A15)l (4) P3(4) P3口口 (10(10脚脚-17-1

9、7脚脚) )有两种使用方法有两种使用方法l 1)作为一般作为一般I/O口口,不需外接上拉电阻不需外接上拉电阻l 2)2)具有特殊功能具有特殊功能 见表见表1-11-12.3 MCS-51单片机的引脚定义及功能表表1.22.3 MCS-51单片机的引脚定义及功能l (5) Vcc （40脚） 接+5V电源 (6) Vss 接地 (7) XTAL1(19脚) XTAL2(18脚) 接外部石英晶振的引 脚,也可引入外部时钟 HMOS型 XTAL1接地 XTAL2接外部时钟输入 端 CHMOS型 XTAL1接时钟输入端 XTAL2悬空 机器周期=12/石英晶振频率l (8) RST/VPD (9脚)

10、复位信号引脚l 该引脚出现2个机器周期的高电平才可靠2.3 MCS-51单片机的引脚定义及功能l (9) ALE/PROG （30脚）脚） 地址锁存允许信号地址锁存允许信号 1）外接存储器时，）外接存储器时，ALE的输出用于锁存地址的低的输出用于锁存地址的低8位，一般接锁存器的位，一般接锁存器的EN端端 2）没有外接存储器时，）没有外接存储器时，ALE端可输出脉冲信号，频端可输出脉冲信号，频率为石英振荡频率的率为石英振荡频率的1/6，可为外部芯片提供输出，可为外部芯片提供输出的时钟，或用于定时的时钟，或用于定时 3）烧写）烧写EPROM时，作烧写时钟的输入端时，作烧写时钟的输入端（10） （2

11、9脚）脚） 外部程序存储器的读选通外部程序存储器的读选通信号信号 读外部读外部ROM时，低电平有效，每个机器周期动时，低电平有效，每个机器周期动作两次，与外部作两次，与外部ROM的的OE脚相连脚相连 读外部读外部RAM时，无输出时，无输出PSEN2.3 MCS-51单片机的引脚定义及功能l （11 ）EAVPPEA(31脚）脚） 访问程序存储器的控制信号访问程序存储器的控制信号接低电平时，对接低电平时，对ROM的读操作限定的读操作限定在外部程序存储器在外部程序存储器EA接高电平时，对接高电平时，对ROM的读操作从的读操作从内部开始内部开始8751单片机烧写内部EPROM时，该脚输入21V的烧写

12、电压2.4 存储器配置l MCS-51 单片机把程序存储器和数据存储器分开，具有各单片机把程序存储器和数据存储器分开，具有各自的寻址系统和控制信号。自的寻址系统和控制信号。1. 内部程序存储器内部程序存储器(ROM) 存放程序和表格常数存放程序和表格常数 8051为为4KB 8052为为8KB2. 内部数据存储器内部数据存储器(RAM) 存放运算过程中的数据存放运算过程中的数据 8051/8031为为128B 8052/8032为为256B3. 外部程序存储器外部程序存储器(ROM) 存放程序存放程序 最大可扩展为最大可扩展为64KB (包括内部包括内部ROM)4.外部数据存储器外部数据存储器

13、(RAM) 存放大量数据存放大量数据 最大可扩展为最大可扩展为64KB (不包括内部不包括内部RAM)2.4.1 内部数据存储器及专用寄存器l 1.内部数据存储器内部数据存储器l 片内片内RAM为为 256 字节字节, 地址范围为地址范围为00HFFH, 分为两大分为两大部分部分: 低低 128 字节（字节（00H7FH）为真正的）为真正的RAM区区; 高高 128 字节（字节（80HFFH）为特殊功能寄存器区）为特殊功能寄存器区SFR。间接寻址可直接寻址(SFR)00H80H7FHFFH80HFFH可直接(间接)寻址内部数据存储器空间分配内部数据存储器空间分配2.4.1 内部数据存储器及专用

14、寄存器在低在低 128 字节字节RAM中中, 00H1FH共共 32 单元是单元是 4 个通用工作寄存器区。每一区个通用工作寄存器区。每一区有有 8 个通用寄存器个通用寄存器R0R7。用户RAM区00H07H20H1FH2FH30H7FHR7R6R5R4R3R2R1R0寄存器0组寄存器0,1,2,3组位寻址区内部数据存储器的结构内部数据存储器的结构2.4.1 内部数据存储器及专用寄存器l (1)用户用户RAM区区 内部数据存储器的内部数据存储器的30H-7FH 可在编程时暂存数据可在编程时暂存数据,不作规定不作规定.(堆栈区也设在该区堆栈区也设在该区)例例: MOV 30H , A ;将累加器

15、将累加器A中的内容送入中的内容送入30H (2)位寻址区位寻址区 内部数据存储器的内部数据存储器的20H-2FH 16个单元个单元,128位位,每位都有相应位地址每位都有相应位地址,位地址为位地址为00H-7FH不作位寻址时不作位寻址时,可作为一般可作为一般RAM单元字节寻址单元字节寻址位地址和字节地址都为位地址和字节地址都为00H-7FH 注意区分位与字节地址注意区分位与字节地址 2.4.1 内部数据存储器及专用寄存器表表1.42.4.1 内部数据存储器及专用寄存器l (3) 寄存器组寄存器组 内部数据存储器的内部数据存储器的00H-1FH(32单元单元)l 4个通用工作寄存器组个通用工作寄

16、存器组 ,每组有8个寄存器R0R7l 存放操作数和中间结果l(由由PSW中的中的RS1和和RS2位来控制使用哪一组位来控制使用哪一组)RS1RS0当前寄存器组当前寄存器组R0-R7的地址的地址00000H-07H01108H-0FH10210H-17H11318H-1FH表表1.52.4.1 内部数据存储器及专用寄存器寄存器与寄存器与RAM 地址对照表地址对照表2.4.1 内部数据存储器及专用寄存器l 2.专用寄存器专用寄存器(特殊功能寄存器特殊功能寄存器)80H-FFH 用来设置片内电路的运行方式用来设置片内电路的运行方式,记录电路的运行状态记录电路的运行状态,并并 表明有关标志表明有关标志

17、 51系列有系列有21个个 52系列有系列有26个个,只占了空间的一小部分只占了空间的一小部分但是其他空间还是不能进行读但是其他空间还是不能进行读,写操作写操作. 其中有其中有11个不仅可进行字节寻址个不仅可进行字节寻址,还能进行位寻址还能进行位寻址(字节字节地址末位为地址末位为0或或8)表表1.7寄存器符号 字节地址BF0H位地址F0F1F2F3F4F5F6F7B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0AE0HE7 E6 E5 E4 E3 E2 E1 E0 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0PSWD7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0CY AC F0 RS1 RS0

18、OV PD0H2.4.1 内部数据存储器及专用寄存器2.4.1 内部数据存储器及专用寄存器2.4.1 内部数据存储器及专用寄存器2.4.1 内部数据存储器及专用寄存器l (1)B寄存器寄存器,常用于乘除法运算常用于乘除法运算 乘法时乘法时: B是乘数是乘数,结果高结果高8位存在位存在B中中 除法时除法时: B放除数放除数,结果的余数放在结果的余数放在B中中 (2)累加器累加器ACC,可以按位寻址可以按位寻址, 可存放运算结果和操作数可存放运算结果和操作数 (3)程序状态字程序状态字PSW 存放程序运行的状态信息存放程序运行的状态信息,可按位寻址可按位寻址,其中其中PSW.1为保为保留位留位 位

19、位 7 6 5 4 3 2 1 0 PSW CY AC F0 RS1 RS0 OV P2.4.1 内部数据存储器及专用寄存器l (4)定时器定时器2寄存器寄存器l (5)IP寄存器寄存器l (6)IE寄存器寄存器l (7)SCON寄存器寄存器l (8)SBUF寄存器寄存器l (9)定时器定时器0和定时器和定时器1寄存器寄存器l (10)P0-P3端口寄存器端口寄存器l (11)堆栈指针寄存器堆栈指针寄存器l (12)数据指针数据指针(DPTR)寄存器寄存器2.4.1 内部数据存储器及专用寄存器l 3. 程序计数器(PC) PC中存储的是将要执行的指令地址中存储的是将要执行的指令地址,是一个是一

20、个16位计数器位计数器,可寻址范围是可寻址范围是0000H0FFFFH共共 64KB PC没有地址没有地址,是不能寻址的是不能寻址的, 程序中的每条指令存放在程序中的每条指令存放在ROM区的某一单元区的某一单元, 并都有自己的存放地址。并都有自己的存放地址。 CPU 要执要执行哪条指令时行哪条指令时, 就把该条指令所在的单元的地址送上地址就把该条指令所在的单元的地址送上地址总线。总线。 在顺序执行程序中在顺序执行程序中, 当当PC的内容被送到地址总线的内容被送到地址总线后后, 会自动加会自动加 1, 即即(PC) (PC)+1, 又指向又指向CPU 下一条要下一条要执行的指令地址在转移执行的指

21、令地址在转移,调用和返回的指令中调用和返回的指令中,PC的值会改的值会改变变 PC是一个特殊的寄存器是一个特殊的寄存器,不占内部不占内部RAM单元单元,在物理在物理上是独立的上是独立的. 2.4.1外部数据存储器外部数据存储器 外部数据存储器一般由静态外部数据存储器一般由静态RAM构成，其容量大小由用户根据需要构成，其容量大小由用户根据需要而定而定, 最大可扩展到最大可扩展到 64 KB RAM , 地址是地址是 0000H0FFFFH。外部。外部RAM和扩展的和扩展的I/O接口是统一编址的接口是统一编址的, 所有的外扩所有的外扩I/O 口都要占用口都要占用 64 KB中的地址单元。中的地址单

22、元。 1) CPU通过通过MOVX指令访问外部数据存储器指令访问外部数据存储器, 用间接寻址方式用间接寻址方式, R0、 R1和和 DPTR都可作间接寄存器都可作间接寄存器,当用当用RO或或R1作寄存器间接寻址时，作寄存器间接寻址时，由由P2端口提供高端口提供高8位地址，位地址，R0或或R1提供低提供低8位地址。位地址。 2) 单片机扩展外部数据存储器时单片机扩展外部数据存储器时,利用利用 P0口加锁存器作为口加锁存器作为l 低低8位地址线位地址线,P2口作为高口作为高8位地址线位地址线(0-64KB)(见图见图)2.4 .1外部数据存储器外部数据存储器例例1: MOVX A,DPTR ; 读

23、外部读外部RAM中的数据中的数据例例2：MOV P2， #20H ；立即数；立即数20H MOV R0， #30H ；立即数立即数30HP2R0MOVX R0, A ; A 外部数据外部数据RAM中中2030H单单元元2.4.2 程序存储器程序存储器l l 对于对于8051来说来说, 程序存储器（程序存储器（ROM）的内部地址为）的内部地址为 0000H0FFFH, 共共 4 KB; 外部地址为外部地址为 1000HFFFFH, 共共 60 KB。 当程序计数器由内部当程序计数器由内部 0FFFH执行到外部执行到外部 1000H 时时, 会自会自动跳转。动跳转。l 对于对于 8751 来说来说

24、, 内部有内部有 4 KB的的EPROM, 将它作为内部程将它作为内部程序存储器序存储器l 8031 内部无程序存储器内部无程序存储器, 必须外接程序存储器必须外接程序存储器l EA=1时时,单片机读内部单片机读内部ROM,若超出范围若超出范围,CPU自动读外部自动读外部ROMEA=0时时,CPU完全读取外部完全读取外部ROM当读取外部当读取外部ROM时时,PSEN变为低电平变为低电平当读取内部当读取内部ROM时时,PSEN保持为高电平保持为高电平2.5 单片机的复位电路与时钟电路单片机的复位电路与时钟电路l 2.5.1 单片机的复位电路单片机的复位电路 单片机工作时单片机工作时,上电前要复位

25、上电前要复位,发生故障后要复位发生故障后要复位 复位必须要准确可靠复位必须要准确可靠1. 复位条件复位条件 时钟电路开始工作后时钟电路开始工作后,必须在单片机的必须在单片机的RESET端端(9脚脚)至少维持两个机器周期以上的高电平至少维持两个机器周期以上的高电平(PC=0000H, 程序从程序从0000H开始执行开始执行) 若若RESET端持续为高电平端持续为高电平,单片机处于循环复位状态单片机处于循环复位状态例例:若时钟周期为若时钟周期为12MHZ,机器周期为机器周期为12/12MHZ=1s单片机的单片机的RESET端需维持端需维持2s以上的时间的高电平就能以上的时间的高电平就能进入复位状态

26、进入复位状态2.5 单片机的复位电路与时钟电路单片机的复位电路与时钟电路l 2. 复位后的状态复位后的状态l 复位使单片机进入初始化状态复位使单片机进入初始化状态,片内低片内低128B的内容不变的内容不变,SFR的值被初始化的值被初始化.见表见表1.3l 注意注意:1)复位期间复位期间,ALE PSEN和和为高电平为高电平 (不取址不取址)2)SP2)SP的值在初始化中的值在初始化中, ,要重新设定要重新设定, ,一般置为用户一般置为用户RAMRAM区区的地址的地址3) P0-P3的值为的值为0FFH,将这些端口作为输入端口做准备将这些端口作为输入端口做准备4)其余各寄存器在使用时要先赋值其余

27、各寄存器在使用时要先赋值2.5 单片机的复位电路与时钟电路单片机的复位电路与时钟电路l 3.复位电路复位电路 有两种有两种: 上电复位电路和手动复位电路上电复位电路和手动复位电路上电复位电路上电复位电路:通过接通电源的一瞬间所产生的一个脉冲来通过接通电源的一瞬间所产生的一个脉冲来提提 供复位所需的高电平供复位所需的高电平手动复位电路：按手动复位电路：按RESET键时，电路接通，复位端产生一键时，电路接通，复位端产生一个高电平个高电平寄存器寄存器复位后内容ACC00000000B00000000SP00000111PSW00000000IP 00000IE0 00000TMOD00000000T

28、CON00000000P0/P1/P2/P3111111112.5.2 单片机的时钟电路l 单片机的各项工作都是在时钟信号的控制下协调进行的单片机的各项工作都是在时钟信号的控制下协调进行的l 时钟电路为单片机提供一个时钟信号时钟电路为单片机提供一个时钟信号,有内部时钟方式有内部时钟方式和外部时钟方式和外部时钟方式l 1)工作于内部时钟方式时工作于内部时钟方式时,XTAL1和和XTAL2之间跨接晶振之间跨接晶振和两个微调电容和两个微调电容,与内部振荡电路构成稳定的自激振荡与内部振荡电路构成稳定的自激振荡器器,XTAL2引脚上输出一个引脚上输出一个3V左右的正弦波左右的正弦波l 2)工作于外部时钟

29、方式时工作于外部时钟方式时,注意引脚的接法注意引脚的接法振荡信号进入内部时钟电路后振荡信号进入内部时钟电路后,要对其进行二分频要对其进行二分频,并向并向CPU提供两个时钟信号提供两个时钟信号P1和和P22.5.3 单片机的CPU时序l 所谓时序就是所谓时序就是CPU总线信号在时间上的顺序关系。总线信号在时间上的顺序关系。l CPU控制器实际上是复杂的同步时序电路，控制器实际上是复杂的同步时序电路，所有的工作都是在时钟信号的控制下进行的。每所有的工作都是在时钟信号的控制下进行的。每执行一条指令，执行一条指令，CPU控制器都要发出一系列特定控制器都要发出一系列特定的控制信号，这些控制信号在时间上的

30、相互关系的控制信号，这些控制信号在时间上的相互关系就是就是CPU的时序。的时序。l 一个单片机系统要想正常工作，除了要做到一个单片机系统要想正常工作，除了要做到电平匹配、功率匹配外，还要做到时序匹配电平匹配、功率匹配外，还要做到时序匹配.2.5.3 单片机的CPU时序l 1. 振荡周期振荡周期: 也称节拍也称节拍P, 是指为单片机提供时钟脉冲信号是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。的振荡源的周期。l l 2.时钟周期时钟周期:也称状态周期也称状态周期S,每个状态周期为振荡周期的每个状态周期为振荡周期的 2 倍倍, 是振荡周期经二分频后得到的。前半个周期为是振荡周期经二分频后得到的。前半

31、个周期为P1,用于用于完成算术和逻辑运算完成算术和逻辑运算;后半个周期为后半个周期为P2,完成传送指令完成传送指令l l 3. 机器周期机器周期: 一个机器周期包含一个机器周期包含 6 个状态周期个状态周期S1S6, 也也就是就是 12 个振荡周期。个振荡周期。 在一个机器周期内在一个机器周期内, CPU可以完成可以完成一个独立的操作。一个独立的操作。l l 4. 指令周期指令周期: 它是指它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。完成一条操作所需的全部时间。 每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。MCS - 51 系统中系统中, 有单周期指

32、令、双周期指令和四周期指有单周期指令、双周期指令和四周期指令令,如下图如下图2.6 并行I/O口l MCS-51 共有共有32条并行双向条并行双向I/O口线，分成口线，分成4个个I/O端口：端口：P0 P1 P2 P3每个端口都由数据输入缓冲器、数据输出驱动和锁存器组成每个端口都由数据输入缓冲器、数据输出驱动和锁存器组成1. P0口口2.6 并行I/O口l P0口的特点口的特点:1) 可进行位寻址可进行位寻址,地址为地址为80H2) 既可作为地址既可作为地址/数据总线使用数据总线使用,又能作通用又能作通用I/O口口 作为地址作为地址/数据总线时，不需外接上拉电阻，地址和数据数据总线时，不需外接上拉电阻，地址和数据 信号可准确从引脚输出，是真正的双向口信号可准确从引脚输出，是真正的双向口3) 为双向为双向I/O口口,输出漏极开路输出漏极开路,需接上拉电阻（与门需接上拉电阻（与门 被封锁，被封锁，VT2漏极开路，漏极开路，P0.x输出始终为高电平，需加电阻对输出始终为高电平，需加电阻对Vcc分压）分压） 可驱动可驱动8个个TTL 电路电路4）作输入口时，应区分读引脚和读存