第2章、單片機系統(tǒng)組成原理

1、第2章 單片機系統(tǒng)組成原理,,2.1 MCS-51單片機組成原理2.2 單片機復位電路設計2.3 MCS-51存儲器配置2.4 定時器/計數(shù)器2.5 中斷系統(tǒng),2.1 MCS-51單片機組成原理,MCS-51單片機的組成 ：1. 8位CPU2. 片內(nèi)ROM/EPROM、RAM3. 片內(nèi)并行 I/O接口4. 片內(nèi)16位定時器/計數(shù)器5. 片內(nèi)中斷處理系統(tǒng)6. 片內(nèi)全雙工串行I/O口,不同型號M

2、CS-51單片機CPU處理能力和指令系統(tǒng)完全 兼容，只是存儲器和I/O接口的配置有所不同。,MCS-51單片機結(jié)構(gòu),2.2 MCS-51單片機引腳,1．I/O口線功能4個8位并行 I/O 接口引腳P0.0～ P0.7 、P1.0～P1.7 、P2.0～P2.7 和 P3.0～P3.7 為多功能引腳，可自 動切換用 作數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線 和或I/O 接口外部引腳2．控制線ALE：

3、地址鎖存允許信號端PSEN： 外部程序存儲器讀選通信 號端EA/VPP：程序存儲器選擇信號端 和編程電源輸入端,復位：,RST/VPD：復位信號端和后備電源輸入端。 輸入10ms以上高電平脈沖，單片機復位。 VPD使用后備電源，可實現(xiàn)掉電保護。,電源 工作電源：VCC、VSS、,復位電路：1）上電復位 2）外部信號復位,時鐘,時鐘頻率: 范圍要求

4、在1.2MHz～12MHz之間。 一般從外部振蕩器輸入時鐘信號。,機器周期: 完成一個基本操作所需要的時間。 一個機器周期由12個時鐘周期組成。指令周期: 一條指令的執(zhí)行時間。 以機器周期為單位：單周期、雙周期和四周期指令。思考題：設應用單片機晶振頻率為12MHz，問機器周期為多少？指令周期分別為多少？,,2.3 MCS-51寄存器配置,,,,物理上4個存儲器地址空間：

5、 片內(nèi)/片外程序存儲器空間 片內(nèi)/片外數(shù)據(jù)存儲器空間邏輯上3個存儲器地址空間： 64KB 程序存儲器 256B 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 64KB 片外數(shù)據(jù)存儲器,一、物理空間與地址,二、程序和數(shù)據(jù)存儲器邏輯空間,普林斯頓結(jié)構(gòu)：程序和數(shù)據(jù)共用一個存儲器邏輯空間，統(tǒng)一 編址。哈佛結(jié)構(gòu)： 程序與數(shù)據(jù)分為兩個獨立

6、存儲器邏輯空間， 分開編址。,三、片內(nèi)RAM寄存器,MCS-51的寄存器在片內(nèi)RAM都有映像地址。使用時，既 可用寄存器名，也可用對應單元地址。,1. 片內(nèi)RAM工作寄存器區(qū)：字節(jié)地址：00H～1FH位尋址區(qū)：字節(jié)地址：20H～2FH位地址為：00H～7FH數(shù)據(jù)緩沖區(qū)/堆棧區(qū)：字節(jié)地址：00H～7FH一般使用30H～7FH,2. 特殊功能寄存器SFR占用字節(jié)

7、地址：80H～FFH位尋址寄存器：其字節(jié)地址可被8整除。專用寄存器：A、B、PSW、DPTR、SPI/O接口寄存器： P0、P1、P2、P3、SBUF、 TMOD、TCON、SCON …,實質(zhì)是計數(shù)器，脈沖每一次下降沿，計數(shù)寄存器數(shù)值將加1。 計數(shù)的脈沖如果來源于單片機內(nèi)部的晶振,由于其周期極為準確，這時稱為定時器。計數(shù)的脈沖如果來源于單片機外部的引腳，由于其周期一般不準確，這時稱為計數(shù)器。,8031 有2個可獨立控制的

8、16位定時器/計數(shù)器：T0、T1。,2.4 MCS-51定時器/計數(shù)器2.4.1 MCS-51 計數(shù)/定時器的原理,定時器控制、狀態(tài)寄存器1)TMOD定時器方式寄存器（89H）,1）功能選擇位C/T： =0，定時功能，計數(shù)內(nèi)部機器周期脈沖； =1，計數(shù)功能，計數(shù)引腳T0(T1)輸入的負脈沖。2）方式選擇位M1、M0：3）門控方式選擇位GATE 計數(shù)器啟動方式的選擇 確定定時器工作方式指令：

9、 MOV TMOD，#方式字 例：設T0用方式2非門控定時，T1用方式1門控計數(shù)。 MOV TMOD，#0D2H ; 1101 0010 B,,2.4.2 定時器工作方式,由方式選擇位M1、M0設定一、 方式0 13位定時/計數(shù)器。 THx 8位和TLx低5位組成13位加1 計數(shù)器，此種方式與MCS－48系列兼容，如果不是為了兼容的目的，一般不用方式0. 方式0的全部功能

10、，方式1都可以代替。,二、 方式1,16位定時/計數(shù)器。 THx8位和TLx8位組成16位加1計數(shù)器最大計數(shù)脈沖個數(shù)：1～65536(216)，最長定時時間(晶振12MHz T=1?s)：1?s ～ 65536×T= 65.54ms,非門控方式：當GATE＝0, 控制權(quán)由 TRx 決定 TRx＝1 計數(shù)開始

11、 TRx ＝0 計數(shù)停止,,門控方式：當GATE＝1、TRx＝1 控制權(quán)由 INTx 決定 INTx＝1 計數(shù)開始 INTx ＝0 計數(shù)停止,啟動計數(shù)方式：,三、 方式2,用于需要重復定時和計數(shù)的場合。 最大計數(shù)值：256 (28) 最大定時

12、時間(晶振12MHz時 T=1?s)： 256?s 自動恢復初值8位定時/計數(shù)器。TLx為8位加1計數(shù)器，THx為8位初值暫存器。,四、方式3,T0分成2個8位定時器：TL0定時/計數(shù)器和TH0定時器 TL0占用T0控制位：C/T，TR0，GATE；TH0占用T1控制位：TR1。T1不能使用方式3工作,,,2.4.3 計算時間常數(shù)X(計算初值),計數(shù)功能：X= 2n -計數(shù)值 n：8/13/16 定時功能

13、：X= 2n - t/T t：定時時間（s） T：機器周期＝12/晶振頻率 如：晶振為12MHz時，T＝12/12 MHz＝12÷（12×10-6）（秒）＝1×10-6＝1us一、 MCS-51定時器的應用 定時器初始化編程：使用定時器工作之前，先寫入控 制寄存器，確定好定時器工作方式。 初始化編程格式：,MOV TMOD，# 方式字

14、 ；選擇方式MOV THx，#XH ；裝入Tx時間常數(shù)MOV TLx，#XLSETB EA ；開Tx中斷SETB ETxSETB TRx ；啟動Tx定時器。,例：由P1.0輸出方波信號，周期為2ms，設fosc=12MHz。,解：每隔1ms改變一次P1.0的輸出狀態(tài)，即形成方波，用T0非門控方式1定時。 計算時間常數(shù)：X = 216 - t/T = 216 –(/10

15、00)/10-6 = 65536-1000 = 64536 = FC18H,ORG0000HAJMPMAINORG000BH ；T0中斷硬件入口地址AJMPPT0INT ；跳到中斷服務程序ORG0030H MAIN：MOVTMOD，#01H ；中斷方式MOVTL0，#18H ；計數(shù)初值MOVTH0，#0FCH

16、SETBEA ；開放總中斷SETBET0 ；開放T0中斷SETBTR0 ；啟動定時器 HERE：SJMPHERE ；等待中斷，相當于執(zhí)行其它任務 PT0INT：MOVTL0，#18H ;中斷服務程序；置初值MOV

17、TH0，#0FCHCPLP1.0 ；取反，產(chǎn)生方波RETI ；中斷返回,例 P1.7驅(qū)動LED亮1秒滅1秒地閃爍，設時鐘頻率為12MHz。 長定時方法：增加一個軟件計數(shù)器（如R7)， 記錄中斷次數(shù)，計滿n個中斷為1秒。,ORG0000H AJMPMAIN ORG001BH

18、 AJMPPT1INT ORG0030HSTART：MOV R7,#00H MOV TMOD，#10H MOV TL1， #0F0H MOV TH1， #0D8H SETB EA SETB ET1 SETB TR1HERE： SJMP HEREPT1INT: MOV TL1，#0F0H

19、MOV TH1，#0D8H INC R7 CJNE R7,#10, PEND MOV R7, #00H CPL P1.7PEND: RETI,例 定時器外部引腳T0(T1)用作外部中斷信號輸入端。外部負脈沖引起中斷請求，選計數(shù)方式，時間常數(shù)為FFH。例：門控方式測量正脈沖寬度 解：INT1引腳輸入被檢測

20、信號，記錄在正脈沖的時間內(nèi)包含機器脈沖個數(shù)。 設脈寬小于65.5ms 等待查詢INT0，正脈沖過后，讀出TH1TL1。,,START：MOV TMOD，#90H MOV TL1，#00H MOV TH1，#00HWAIT1：JBP3.3，WAIT1 SETB TR1WAIT2 ：JNBP3.3，WAIT2 WAIT3 ： JBP3.3，WAIT

21、3CLRTR1MOVR2，TL1MOVR3，TH1…,一、中斷系統(tǒng)——重要指標,日常生活中的中斷與計算機中斷的比較： 某人看書 執(zhí)行主程序 日常事務電話鈴響 中斷信號如INT=0 中斷請求暫?？磿?暫停執(zhí)行主程序 中斷響應書中作記號 當前PC入棧 保護斷點電話談話 執(zhí)行中斷程序 中斷服務繼續(xù)看書 返回主程序 中斷返回,,2.

22、5 中斷系統(tǒng) 2.5.1 中斷概念,所謂“中斷”，是指CPU執(zhí)行正常程序時，系統(tǒng)中出現(xiàn)特殊請求，CPU暫時中止當前的程序，轉(zhuǎn)去處理更緊急的事件，處理完畢后，CPU返回原程序的過程。 中斷與子程序的最主要區(qū)別： 子程序是預先安排好的； 中斷是隨機發(fā)生的。,二、中斷的定義，與子程序的區(qū)別,三、MCS-51中斷系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu),2.5.2中斷系統(tǒng)控制一、中斷控制

23、寄存器,1.中斷標志位： TF1、TF0、IE1、IE0、RI 、TI 登記各中斷源請求信號：=1，有中斷請求；= 0，無中斷請求。CPU響應中斷后,該中斷標志自動清零。TI，RI標志必須軟件清零。 2.外部中斷觸發(fā)方式選擇位：IT0、IT1 =1：負邊沿觸發(fā)中斷請求；= 0：低電平觸發(fā)中斷請求。,二、 中斷允許寄存器,中斷允許控制位：EA、ES、ET1、EX1、ET0、EX0 =1開中斷；= 0關中

24、斷。 例：允許CPU響應INT0的中斷請求 SETB EX0 SETB EA,三、 中斷優(yōu)先寄存器,中斷優(yōu)先級控制位：PS、PT1、PX1、PT0、PX0 2級優(yōu)先級：=1為高優(yōu)先級，= 0為低優(yōu)先級。 同一優(yōu)先級別按內(nèi)部查詢順序排列優(yōu)先級： 高 INT0、T0、INT1、T1、SIO 低。,2.5.3 中斷響應和中斷返回,一、中斷響應周期時序 每個機器周期采樣

25、中斷標志位，若有中斷請求，將在下一 個機器周期按優(yōu)先級順序進行中斷查詢。 二、各中斷源中斷服務程序的入口地址,三、中斷響應阻斷 1 . 當CPU未執(zhí)行完一條指令。 2．當有同級或高級中斷服務。 3．執(zhí)行RETI指令或訪問IE、IP 的指令后，不能立即響應中斷。,四、中斷返回 中斷返回指令： RETI= RET指令

26、+ 通知CPU中斷服務已 結(jié)束。 中斷響應時間： 正常中斷響應時間至少為3～8個機器周期，如果有同級 或高級中斷服務，將延長中斷響應時間。,2.5.4 中斷處理過程（基本理解的要求）,一、中斷響應條件1．有中斷請求信號2. 系統(tǒng)處于開中斷狀態(tài)二、中斷響應過程1．保護斷點：將斷點地址壓入堆棧保存，即當前PC值入 棧。2．尋找中斷源：中斷服務程序硬件入口

27、74;PC，轉(zhuǎn)入中斷 服務。3．中斷處理：執(zhí)行中斷源所要求的程序處理段。4．中斷返回：執(zhí)行RETI指令，棧頂內(nèi)容®PC，程序跳轉(zhuǎn) 回斷點處。,2.5.5 多中斷源系統(tǒng),當外部中斷源多于中斷輸入引腳時，可采取以下措施：1.用定時器計數(shù)輸入信號端T0、T1作外部中斷入口引腳2.用串行口接收端RXD作外部中斷入口引腳3.用一個中斷入口接受多個外部中斷源，并加入中斷查

28、詢電路。,2.5.6 處理外部中斷舉例,要求每次按動按鍵，使外接發(fā)光二極管LED改變一次亮滅狀態(tài)。 解：INT0輸入按鍵信號，P1.0輸出改變LED狀態(tài)。一、跳變觸發(fā)：每次跳變引起一次中斷請求,ORG0000H AJMP MAINORG0003H；中斷入口AJMPPINT0ORG0100H；主程序 MAIN：SETBEA；開總允許開關

29、 SETBEX0；開INT0中斷 SETBIT0 ；負跳變觸發(fā)中斷 Here：SJMPHere ；相當于執(zhí)行其 它任務

30、 ORG0200H；中斷服務程序 PINT0：CPL P1.0；改變LED RETI；返回主程序,,1．軟件等待按鍵釋放。2．硬件清除中斷信號。,二、電平觸發(fā)：避免一次按鍵引起多次中斷響應。,ORG 0000H； AJMP MAIN ORG 0003H

31、；中斷入口 AJMP PINT0 ORG 0100H ；主程序 MAIN：SETB EA ；開總允許開關 SETB EX0 ；開INT0中斷 CLR IT0 ；低電平觸發(fā)中斷 Here：SJMP Here ；相當于執(zhí)行