单片机输入输出测试.ppt

1、第二讲 （M1-2）单片机输入/输出测试 电子信息工程系 电子技术教研室,一、识别单片机、发光二极管,1、MCS-51单片机的三种封装形式 外观1封装：PDIP40（Plastic Dual Inline Packet 40） 塑料双列（直插封装） 体积大 插拔或焊接方便 容易加工 缺口侧圆形标记处为1脚 调试样机建议采用此封装。 外观2封装 ：PLCC44 （Plastic J-leaded Chip Carrier ） 塑料J 形引脚芯片载体 体积较小 插拔或焊接方便。 中心正上方圆形标记处为1脚,一、识别单片机、发光二极管,外观3封装 ：TQFP44 （Thin Plastic Gull

2、 Wing Quad Flat Packet ） 扁体塑料鸥翼状方形平面封装 体积最小 只能焊接 左下方缺口侧圆形标记处为1脚 批量生产设计推荐此封装,一、识别单片机、发光二极管,2、发光二极管 （Light Emitting Diode） 二极管：正向导通、反向截止。 种类 检波二极管 具有结电容低，工作频率高和反向电流小等特点 。调幅检波。 快恢复二极管 开关特性好、反向恢复时间短。 开关电源。 肖特基二极管 属于一种快恢复二极管。正向压降低，开关电源。 整流二极管 电流大，反向耐压高。工频整流。 开关二极管 开关速度比较快，正向导通反向截止建立时间比较短。 稳压二极管 利用PN结反向击穿

3、特性所表现出的稳压性能制成的器件 齐纳二极管 zenerdiodes 。是稳压二极管的代名词。 发光二极管 LED。体积小、功耗低、发光效率高、响应速度快。,一、识别单片机、发光二极管,2、发光二极管 （Light Emitting Diode） 外观 其他：数码管、点阵模块,一、识别单片机、发光二极管,2、发光二极管 （Light Emitting Diode） 驱动（电压1.5V2.5V，电流10mA） 电路设计 单个LED 单个数码管 多位数码管 点阵显示屏 灰度显示屏,51单片机基本结构,二、MCS-51单片机介绍,二、 MCS-51单片机介绍,1、 MCS-51 Intel 8031

4、 8051 8052 各厂商均推出51核单片机 Atmel（-），Philips（P89C52），Winbond（W78E52B） , , .tw AT89C51 、AT89C52 AT89S51、AT89S52（ISP在线更新）,二、 MCS-51单片机介绍,2、引脚介绍（PDIP）,二、 MCS-51单片机介绍,3、引脚介绍（TQFP）,4、引脚定义与说明 1）主电源引脚（2根） VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源 GND(Pin20)：接地线 2）外接晶振引脚（2根） XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端 XTAL2(Pin18)：片内振荡电路的输出端,3）控制引脚（4

5、根） RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位初始化。设计单片机应用系统时，这个引脚一定要连接相应复位电路。 ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号。在系统扩展时，ALE用于把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外，由于ALE是以晶振的1/6固定频率输出的正脉冲，因此它可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。,PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号。PSEN有效(低电平)时，可实现对外部ROM单元的读操作。 EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存

6、储器读指令。当电源发生故障，电压降低到下限值时，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以保护内部RAM中的信息不丢失。,4）可编程输入/输出引脚（32根） P0 P1 P2 P3（兼做特殊功能口）,5、AT89S52主要特性 与MCS-51 兼容 8K 字节可编程FLASH 存储器 寿命：10,000 写/擦次 全静态工作：0Hz-33MHz 三级程序存储器锁定 256*8 位内部RAM 32 可编程I/O 线 三个16 位定时器/计数器 8 个中断源 可编程串行通道 片内集成看门狗 双数据指针 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路,6、内部结构,三、 MCS-51单片机组成,、单片机的

7、组成 （1）中央处理器(CPU) CPU是单片机的核心，是计算机的控制和指挥中心，由运算器和控制器等部件组成。 运算器包括一个可进行8位算术运算和逻辑运算的单元(ALU)、8位的暂存器、8位的累加器(ACC)、寄存器B和程序状态寄存器(PSW)等。 控制器包括程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器(ID)、振荡器及定时电路等。 （2） 内部数据存储器(内部RAM) 8051芯片中共有256个RAM单元，后128个单元被专用寄存器占用；前128个单元供用户使用，用于存放可读/写的数据。通常所说的内部数据存储器就是指前128个单元。,（3） 内部程序存储器(内部ROM) 有4 KB掩膜

8、ROM，用于存放程序、原始数据或表格。 （4） 定时/计数器 共有两个16位的定时/计数器，可实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。 （5） 并行I/O口 共有4个8位的I/O口(P0、P1、P2、P3)，可实现数据的并行输入/输出。,（6）串行口 单片机有一个全双工的串行口，可实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。 （7） 中断控制系统 共有5个中断源，外中断两个、定时/计数中断两个、串行口中断一个。全部中断分为高级和低级两个优先级别。 （8）时钟电路 芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容

9、需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的晶振频率一般为6 MHz和12 MHz。,2、组成框图 CPU RAM ROM CLK PORT Ti UART,. 内部数据存储器低128单元 单片机的内部RAM共有256个单元，通常把这256个单元按其功能划分为两部分：低128单元(单元地址00H7FH)和高128单元(单元地址80HFFH)。下表为低128单元的配置情况。,四、 MCS-51内部数据存储器,RAM的低128单元的配置,低128单元是单片机的真正RAM存储器，按其用途划分为寄存器区、位寻址区和用户RAM区等3个区域。 1）.寄存器区（通用寄存器、工作寄存器） 8051共有

10、4组寄存器，每组8个寄存单元(各为8位)，以R0R7作为寄存单元编号。寄存器常用于存放操作数及中间结果等。4组通用寄存器占据内部RAM的00H1FH单元地址。 在任一时刻，CPU只能使用其中的一组寄存器，正在使用的那组寄存器称为当前寄存器组，由程序状态字寄存器PSW中RS1、RS0位的状态组合来决定。 通用寄存器为CPU提供了就近存储数据，有利于提高单片机的运算速度；还能提高程序编制的灵活性。,2）. 位寻址区 内部RAM的20H2FH单元。 位寻址区共有16个RAM单元，128位，位地址为00H7FH。MCS-51具有布尔处理机功能，这个位寻址区可以构成布尔处理机的存储空间。下表为片内RAM

11、位寻址区的位地址表。 3） .用户RAM区 80个单元供用户使用的一般RAM区，其单元地址为30H7FH。 常把堆栈开辟在此区中。,片内RAM位寻址区的位地址,. 内部数据存储器高128单元 供给专用寄存器使用，单元地址为80HFFH。 这些寄存器的功能已作专门规定，称为专用寄存器(Special Function Register)，也称为特殊功能寄存器SFR 。 AT89S52定义了32个地址为SFR。必须直接寻址。 理解并使用各SFR功能，是成功开发应用51单片机的关键。,1） .专用寄存器(SFR) 共有21个专用寄存器： (1) 程序计数器(Program Counter，PC)：P

12、C是一个16位的计数器，它的作用是控制程序的执行顺序。其寻址范围达64 KB。PC有自动加1功能，从而可实现程序的顺序执行。PC没有地址，不可寻址，无法读/写，可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。PC因地址不在SFR(专用寄存器)之内，所以一般不用作专用寄存器。 (2) 累加器(Accumulator，ACC)：累加器为8位寄存器，是最常用的专用寄存器，其功能较多，地位重要。,(3) B寄存器：B寄存器是一个8位寄存器，主要用于乘/除运算。进行乘法运算时，B存乘数；乘法操作后，乘积的高8位存于B中。进行除法运算时，B存除数；除法操作后，余数存于B中。B寄存器也可作为一般

13、数据寄存器使用。 (4) 程序状态字(Program Status Word，PSW)：是一个8位寄存器，存放程序运行中的各种状态信息。其中有些位的状态是根据程序执行结果，由硬件自动设置的，而有些位的状态则由软件方法设定。PSW的位状态可以用专门指令进行测试，也可以用指令读出。PSW各位的定义如下：,除PSW.1位保留未用外，其余各位的定义及使用如下： CY(PSW.7)进位标志位。功能有二个：一是存放算术运算的进位标志，在进行加或减运算时，如果操作结果的最高位有进位或借位，则CY由硬件置“1”，否则被清“0”；二是在位操作中作累加位使用。位传送、位与位或等位操作，操作位之一固定是进位标志位。

14、 AC(PSW.6)辅助进位标志位。在进行加或减运算中，若低4位向高4位进位或借位，则AC由硬件置“1”，否则被清“0”。在BCD码调整中也要用到AC位状态。 F0(PSW.5)用户标志位。这是一个供用户定义的标志位，需要利用软件方法置位或复位，用来控制程序的转向。,RS1和RS0(PSW.4，PSW.3)寄存器组选择位。它们被用于选择CPU当前使用的通用寄存器组。通用寄存器共有4组，其对应关系：单片机上电或复位后，RS1 RS0=00。,OV(PSW.2)溢出标志位。在带符号数加减运算中，OV=1表示加减运算超出了累加器A所能表示的符号数有效范围(-128+127)，即产生了溢出，因此运算结

15、果是错误的；OV=0表示运算正确，即无溢出产生。 在乘法运算中，OV=1表示乘积超过255，即乘积分别在B与A中；OV=0表示乘积只在A中。 在除法运算中，OV=1表示除数为0，除法不能进行；OV=0表示除数不为0，除法可正常进行。,P(PSW.0)奇偶标志位。P标志位表明累加器A中内容的奇偶性，如果A中有奇数个“1”，则P置“1”，否则置“0”。凡是改变累加器A中内容的指令均会影响P标志位。 此标志位对串行通信中的数据传输有重要的意义，因为在串行通信中常采用奇偶校验的办法来校验数据传输的可靠性。,(5) 数据指针(DPTR)。DPTR为16位寄存器。编程时，DPTR既可以按16位寄存器使用，

16、也可以按两个8位寄存器分开使用，即： DPH DPTR高位字节 DPL DPTR低位字节 DPTR通常在访问外部数据存储器时用作地址指针。由于外部数据存储器的寻址范围为64 KB，故把DPTR设计为16位。,(6) 堆栈指针(Stack Pointer，SP)。堆栈是一个特殊的存储区，用来暂存数据和地址，它是按“先进后出”的原则存取数据的。堆栈共有两种操作：进栈和出栈。 MCS-51单片机的堆栈设在内部RAM中，因此SP是一个8位寄存器。系统复位后，SP的内容为07H，因而复位后堆栈实际上是从08H单元开始的。但08H1FH单元分别属于工作寄存器13区，如程序要用到这些区，最好把SP值改为1F

17、H或更大的值。一般在内部RAM的30H7FH单元中开辟堆栈。SP的内容一经确定，堆栈的位置也就跟着确定下来。,2 ）.专用寄存器中的字节寻址和位地址 MCS-51系列单片机有21个可寻址的专用寄存器，其中有11个专用寄存器是可以位寻址的。下面把各寄存器的字节地址及位地址一并列于下表中。,专用寄存器地址表,对专用寄存器的字节寻址问题作如下几点说明： (1) 21个可字节寻址的专用寄存器是不连续地分散在内部RAM高128单元之中的，尽管还余有许多空闲地址，但用户并不能使用。 (2) 程序计数器PC不占据RAM单元，它在物理上是独立的，因此是不可寻址的寄存器。 (3) 对专用寄存器只能使用直接寻址方

18、式，书写时既可使用寄存器符号，也可使用寄存器单元地址。,RAM总结： 51单片机内部有256字节RAM。 地址范围00 H7F H，80 H FF H。 对于80 H FF H ，必须采用间接寻址方式。以区别于SFR区。 00H1FH为四组工作寄存器区。一般不用做通用RAM。而是间接寻址的操作区。 20H2FH，共16个字节，128位，支持位寻址，位寻址地址范围为：00H7FH。 SFR寄存器也支持位寻址。位寻址地址范围为：80HFFH。 可位寻址是51系列单片机布尔处理的特色。,MCS-51的程序存储器用于存放编好的程序和表格常数。 8051片内：4 KB的ROM； 8751片内：4 KB的

19、EPROM； 8031片内：无ROM ； 89C51片内：4 KB的FPEROM。 MCS-51片外最多能扩展64 KB程序存储器。 EA =1，0000H0FFFH地址，片内ROM； 1000HFFFFH地址，片外ROM 。 EA =0， 0000H0FFFH地址，片外ROM 。,五、 MCS-51内部程序存储器,MCS-51的程序存储器中有特殊功能单元。 0000H0002H：系统复位后，(PC)=0000H，单片机从0000H单元开始取指令执行程序。如果程序不从0000H单元开始，则应在这三个单元中存放一条无条件转移指令，以便直接转去执行指定的程序。 0003H002AH：共40个单元。

20、这40个单元被均匀地分为5段，作为5个中断源的中断地址区。其中： 0003H000AH 外部中断0中断地址区 000BH0012H 定时/计数器0中断地址区,0013H001AH 外部中断1中断地址区 001BH0022H 定时/计数器1中断地址区 0023H002AH 串行中断地址区 程序存储器结构图如下图：,AT89S52 ROM： 8K字节。 0000H单元一般为跳转指令。LJMP XXXXH。 0003H002DH单元默认为中断响应服务入口地址。 指令系统、机器语言、汇编语言 高级语言与C语言 实际存储内容举例,C:0 x0000 0205C3 LJMP C:05C3 C:0 x000

21、3 02071A LJMP ISRINT0(C:071A) C:0 x0006 00 NOP C:0 x0007 00 NOP C:0 x0008 00 NOP C:0 x0009 00 NOP C:0 x000A 00 NOP C:0 x000B 0206A3 LJMP ISRT0(C:06A3) C:0 x000E 00 NOP C:0 x000F 00 NOP C:0 x0010 00 NOP C:0 x0011 00 NOP C:0 x0012 00 NOP C:0 x0013 02064F LJMP ISRINT1(C:064F) C:0 x0016 00 NOP C:0 x0017

22、 00 NOP C:0 x0018 00 NOP C:0 x0019 00 NOP C:0 x001A 00 NOP C:0 x001B 02077D LJMP ISRT1(C:077D),MCS-51单片机支持033MHz工作频率。 频率是由用户自选的，可以在XTAL1 直接连接外部时钟， 或采用晶振及起振电容。 晶振：12MHz，24MHz，11.0592MHz，22.1184MHz，33MHz 晶振类型：石英晶振、有源晶振。贴片或插件。 电容选择：3010 pF，独石电容、瓷片电容。贴片或插件。,六、 MCS-51时钟,单片机的时钟电路与时序 AT89S52单片机的时钟信号通常由两种方式

23、产生：一是内部振荡方式，二是外部时钟方式。 (1).内部振荡方式时钟 在芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2 。 在芯片的XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器。,时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。 一般地，电容C1和C2取30 pF左右，晶体的振荡频率范围是1.212 MHz。如果晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机的运行速度也就快。MCS-51在通常应用情况下，使用的振荡频率为6 MHz或12 MHz。,图1.13 时钟振荡电路,( 2 ) . 引入外部

24、时钟方式 在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入惟一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。 8051：外部时钟由XTAL2输入，直接送入内部时钟电路，XTAL1接地； 80C51：外部时钟由XTAL1输入，XTAL2悬空。 外部时钟信号为高电平持续时间要大于20ns，且频率低于12MHz的方波。,图1.14 外部时钟源接法,(3) . 时序 节拍与状态 节拍（ P ） ：振荡脉冲的周期 。 状态（S ）：单片机的时钟信号的周期，由振荡脉冲经过二分频后得到。 一个状态包含两个节拍，其前半周期对应的节拍叫节拍1(P1)，后半周期对应的节拍叫节拍2(P2)。,机器周

25、期 一个机器周期的宽度为6个状态，表示为S1S6，可参见图。由于一个状态又包括两个节拍，一个机器周期总共有12个节拍，分别记作S1P1、S1P2、S6P2。 一个机器周期=12个振荡脉冲周期，机器周期就是振荡脉冲的十二分频。 当振荡脉冲频率为12 MHz时，一个机器周期为1 s；当振荡脉冲频率为6 MHz时，一个机器周期为2 s。,指令周期 执行一条指令所需要的时间称为指令周期。它一般由若干个机器周期组成。 包含一个机器周期的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的指令称为双周期指令，依次类推。 指令的运算速度与指令所包含的机器周期有关，机器周期数越少的指令，执行速度越快。MCS-51单片机指令

26、通常可以分为单周期指令、双周期指令和四周期指令。四周期指令只有乘法和除法指令两条，其余均为单周期和双周期指令。 单片机执行任何一条指令时都可以分为取指令阶段和执行指令阶段。MCS-51的取指/执行时序如图所示。,由图可见，ALE引脚上出现的信号是周期性的，在每个机器周期内出现两次高电平。第一次出现在S1P2和S2P1期间，第二次出现在S4P2和S5P1期间。ALE信号每出现一次高电平，CPU就进行一次取指操作，但由于不同指令的字节数和机器周期数不同，因此取指令操作也随指令的不同而有小的差异。 按照指令字节数和机器周期数，8051的111条指令可分为6类，分别是：单字节单周期指令、单字节双周期指

27、令、单字节四周期指令、双字节单周期指令、双字节双周期指令、三字节双周期指令，参见附录2。,图(b)、(c)分别给出了单字节单周期和双字节单周期指令的时序。单周期指令的执行始于S1P2，这时操作码被锁存到指令寄存器内。若是双字节指令，则在同一机器周期的S4读第二字节；若是单字节指令，则在S4仍有读操作，但被读入的字节无效，且程序计数器PC并不加1。 图(d)给出了单字节双周期指令的时序，两个机器周期内进行了4次读操作码操作。因为是单字节指令，所以后三次读操作都是无效的。,图 MCS-51单片机的取指/执行时序 单片机的机器周期；(b) 单字节单周期指令，如INC A；(c) 双字节单周期指令，如

28、ADD A，data；(d) 单字节双周期指令，如INC DPTR,七、 MCS-51单片机的复位电路 1. 单片机复位的条件：必须使RST/VPD或RST引脚(9)加上持续两个机器周期(即24个振荡周期)的高电平。例如，若时钟频率为12 MHz，每个机器周期为1 s，则只需2 s以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。,2. 单片机的复位电路如图(a)、(b)所示。 图(a)为上电复位电路，它是利用电容充电来实现的。在接电瞬间，RST端的电位与VCC相同，随着充电电流的减少，RST的电位逐渐下降。只要保证RST为高电平的时间大于两个机器周期，便能正常复位。 图(b

29、)为按键复位电路。该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按图(b)中的RESET键，此时电源VCC经电阻R1、R2分压，在RST端产生一个复位高电平。,图 单片机常见的复位电路 (a) 上电复位电路；(b) 按键复位电路,3.单片机复位期间不产生ALE和信号，即ALE=1和 = =1。这表明单片机复位期间不会有任何取指操作。复位后，内部各专用寄存器状态如下： PC： 0000H TMOD：00H ACC： 00H TCON： 00H B： 00H TH0： 00H PSW： 00H TL0： 00H SP： 07H TH1： 00H DPTR： 0000H TL1： 00H P0P3： F

30、FH SCON： 00H IP： *00000B SBUF： 不定 IE： 0*00000B PCON： 0*0000B,其中，*表示无关位。请注意： (1) 复位后PC值为0000H，表明复位后程序从0000H开始执行，这一点在实训1中已介绍。 (2) SP值为07H，表明堆栈底部在07H。一般需重新设置SP值。 (3) P0P3口值为FFH。P0P3口用作输入口时，必须先写入“1”。单片机在复位后，已使P0P3口每一端线为“1”，为这些端线用作输入口做好了准备。,八、 并行I/O口电路结构 51单片机共有4个8位的并行I/O口，分别记作P0、P1、P2、P3。每个口都包含一个锁存器、一个输

31、出驱动器和两个输入缓冲器。它们属于专用寄存器，具有字节寻址和位寻址功能。 在访问片外扩展存储器时，低8位地址和数据由P0口分时传送，高8位地址由P2口传送。 在无片外扩展存储器的系统中，这4个口的每一位均可作为双向的I/O端口使用。,1. P0口 P0口的口线逻辑电路如图。,P0口的口线逻辑电路,P0口由一个数据输出锁存器、两个三态数据输入缓冲器、一个转换开关MUX、一个数据输出的驱动电路（V1和V2）和一个与门及一个非门组成。 (1) P0口用作通用I/O口 MUX与锁存器的Q端接通，与门输出为0，V1截止，输出驱动级就工作在需外接上拉电阻的漏极开路方式。 P0口用作输出口 CPU在执行输出

32、指令时，内部数据总线的数据在“写锁存器”信号的作用下，由D端进入锁存器，取反后出现在Q端，再经过V2反向，则P0.X引脚上的数据就是内部总线的数据。由于V2为漏极开路输出，故此时必须外接上拉电阻。, P0口用作输入口 数据可以读自端口的锁存器，也可以读自端口的引脚，这要看输入操作执行的是“读锁存器”指令还是“读引脚”指令。 方式1：读引脚。CPU在执行“MOV”类输入指令时(如：MOV A , P0)，内部产生的操作信号是“读引脚”。P0.X引脚上的数据经过缓冲器2读入到内部总线。注意，在读引脚时，必须先向电路中的锁存器写入1，使V2截止，P0.X引脚处于悬浮状态，可作为高阻抗输入。 方式2：

33、读锁存器。CPU在执行“读-改-写”类输入指令时(如：ANL P0, A )，内部产生的操作信号是“读锁存器”，锁存器中的数据经过缓冲器1送到内部总线，然后与A的内容进行逻辑“与”，结果送回P0的端口锁存器并出现在引脚。除了MOV类指令外，其他的读口操作指令都属于这种情况。,P0口用作地址/数据总线 MUX将地址/数据线与V2接通，同时与门输出有效。 若地址/数据线为1，则V1导通，V2截止，P0口输出为1；反之V1截止，V2导通，P0口输出为0。 当数据从P0口输入时，读引脚使三态缓冲器2打开，端口上的数据经缓冲器2送到内部总线。 （3）P0口小结 P0口既可作地址/数据总线使用，也可作通用

34、I/O口使用。当P0口作地址/数据总线使用时，就不能再作通用I/O口使用了。, P0口作输出口使用时，输出级属漏极开路，必须外接上拉电阻，才有高电平输出。 P0口作输入口读引脚时，应先向锁存器写1，使V2截止，不影响输入电平。,2. P1口 P1口的口线逻辑电路如图。,P1口的口线逻辑电路,P1口是唯一的单功能口，仅能作为通用I/O口使用。因在 其输出端接有上拉电阻，可以直接输出而无需外接上拉电阻。 同P0口一样，当作输入口时，必须先向锁存器写“1”，使场 效应管V截止。,3. P2口 P2口的口线逻辑电路如图。,P2口的口线逻辑电路,图中的控制信号决定转换开关MUX的位置：当C=0时， MUX拨向下方，P0口为通用I/O口；当控制信号C=1时，