51單片機基本概念

1、一、中央處理器（CPU）,隨機存儲器（RAM），只讀存儲器（ROM）,定時器計數(shù)器以及IO接口，串并通信等接口電路的功能集成與一塊電路芯片的微型計算機。Ø 單片機硬件系統(tǒng)仍然依照體系結構：包括 CPU(進行運算、控制)、RAM(數(shù)據(jù)存儲器)、ROM(程序存儲器）、輸入設備和輸出設備、內(nèi)部總線等。Ø 由于一塊尺寸有限的電路芯片實現(xiàn)多種功能，所以制作上要求單片機的高性能，結構簡單，工作可靠穩(wěn)定。Ø 單片機軟件系統(tǒng)包括監(jiān)控程序，中斷、控制、初始化等用戶程序。Ø 一般編程語言有匯編語言和C語言，都是通過編譯以后得到機器語言（二進制代碼）。Ø 典型單片機

2、有MCS-51、MSP430、EM78、PIC、Philip、Motorola、AVR等。Ø MCS-51為主流，52系列是增強版；Ø MSP430為低功耗產(chǎn)品，功能較強；Ø EM78為低功耗產(chǎn)品，價格較低；Ø PIC為低電壓、低功耗、大電流LCD驅動、低價格產(chǎn)品；Ø Motorola是世界上最大的單片機生產(chǎn)廠家之一，品種全、選擇余地大、新產(chǎn)品多。其特點是噪聲低，抗干擾能力強，比較適合于工控領域及惡劣的環(huán)境。Ø AVR為高速、低功耗產(chǎn)品，支持ISP、IAP，I/O口驅動能力較強。二、開發(fā)步驟：Ø 1.設計單片機系統(tǒng)的電路（最

3、小系統(tǒng)和外圍電路）Ø 2.利用軟件開發(fā)工具（例如：PIC系列的Maplab IDE，MCS-51系列的Keil c51）編輯程序，通過編譯得到.hex的機器語言。Ø 3.利用單片機仿真系統(tǒng)（例如：Protus）對單片機最小系統(tǒng)以及設計的外圍電路，進行模擬的硬軟件聯(lián)合調試。Ø 4.借助單片機開發(fā)工具軟件燒寫設備將仿真中調試好的.hex程序拷到單片機的程序存儲器里面。(在線下載)Ø 5.根據(jù)設計搭建單片機系統(tǒng)。MCS-51單片機的組成： CPU(進行運算、控制)、RAM(數(shù)據(jù)存儲器)、ROM(程序存儲器）、I/O口(串口、并口）、內(nèi)部總線 和中斷系統(tǒng)等。組成

4、框圖如下：1. 中央處理器（CPU）組成：運算器、控制器。8051的CPU包含以下功能部件： （1）8位CPU。 （2）布爾代數(shù)處理器，具有位尋址能力。 （3）128B內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)存儲器，21個專用寄存器。 （4）4KB內(nèi)部掩膜ROM程序存儲器。 （5）2個16位可編程定時器/計數(shù)器。 （6）32個（4×8位）雙向可獨立尋址的I/O口。 （7）1個全雙工UART（異步串行通信口）。 （8）5個中斷源、兩級中斷優(yōu)先級的中斷控制器。 （9）時鐘電路，外接晶振和電容可產(chǎn)生1.2MHz12 MHz的時鐘頻率。 （10）外部程序/數(shù)據(jù)存儲器尋址空間均為64KB。 （11）111條指令，大部分

5、為單字節(jié)指令。 （12）單一+5V電源供電，雙列直插40引腳DIP封裝。 （1）運算器組成：8位算術邏輯運算單元ALU（Arithmetic Logic Unit）、8位累加器A（Accumulator）、8位寄存器B、程序狀態(tài)字寄存器PSW（Program Status Word）、8位暫存寄存器TMP1和TMP2等。功能：完成算術運算和邏輯運算。（2）控制器組成：程序計數(shù)器PC（Program Counter）、指令寄存器IR（Instruction Register）、指令譯碼器ID（Instruction Decoder）、堆棧指針SP、數(shù)據(jù)指針DPTR、定時控制邏輯和振蕩器OSC等電

6、路。功能：CPU根據(jù)PC中的地址將欲執(zhí)行指令的指令碼從存儲器中取出，存放在IR中，ID對IR中的指令碼進行譯碼，定時控制邏輯在OSC配合下對ID譯碼后的信號進行分時，以產(chǎn)生執(zhí)行本條指令所需的全部信號。 MCS-51的存儲器可分為程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器,又有片內(nèi)和片外之分。（1）程序存儲器 一般將只讀存儲器（ROM）用做程序存儲器?？蓪ぶ房臻g為64KB，用于存放用戶程序、數(shù)據(jù)和表格等信息。（2）數(shù)據(jù)存儲器 一般將隨機存儲器（RAM）用做數(shù)據(jù)存儲器?？蓪ぶ房臻g為64KB。MCS-51數(shù)據(jù)存儲器可分為片內(nèi)和片外兩部分。片外RAM： 最大范圍：0000HFFFFH，64KB；用指令MOVX訪問。片內(nèi)R

7、AM： 最大范圍：00HFFH，256B；用指令MOV訪問。又分為兩部分：低128B（007FH）為真正的RAM區(qū)，高128B（80FFH）為特殊功能寄存器（SFR）區(qū)。如右圖所示。內(nèi)部RAM的20H2FH單元為位尋址區(qū)，既可作為一般單元用字節(jié)尋址，也可對它們的位進行尋址。位地址為00H7FH。 CPU能直接尋址這些位（稱MCS-51具有布爾處理功能）特殊功能寄存器（SFR） MCS-51有21個特殊功能寄存器（也稱為專用寄存器），包括算術運算寄存器、指針寄存器、I/O口鎖存器、定時器/計數(shù)器、串行口、中斷、狀態(tài)、控制寄存器等，它們被離散地分布在內(nèi)部RAM的80HFFH地址單元中（不包括PC）

8、 ，共占據(jù)了128個存儲單元，構成了SFR存儲塊。其字節(jié)地址可被8整除的SFR可位尋址。SFR反映了MCS-51單片機的運行狀態(tài)。（1）程序計數(shù)器PC（Program Counter） 程序計數(shù)器PC在物理上是獨立的，它不屬于SFR存儲器塊。 PC是一個16位的計數(shù)器，專門用于存放CPU將要執(zhí)行的指令 地址（即下一條指令的地址），尋址范圍為64KB，PC有自動 加1功能，不可尋址，用戶無法對它進行讀寫，但是可以通過 轉移、調用、返回等指令改變其內(nèi)容，以控制程序執(zhí)行的順序（2）累加器A （Accumulator） 累加器A是8位寄存器，又記做ACC，是一個最常用的專用寄存器。在算術/邏輯運算中用

9、于存放操作數(shù)或結果。（3）寄存器B 寄存器B 是8位寄存器，是專門為乘除法指令設計的，也作通用寄存器用。（4）工作寄存器 內(nèi)部RAM的工作寄存器區(qū)00H1FH共32個字節(jié)被均勻地分成四個組（區(qū)），每個組（區(qū)）有8個寄存器，分別用R0R7表示，稱為工作寄存器或通用寄存器，其中，R0、R1還經(jīng)常用于間接尋址的地址指針。在程序中通過程序狀態(tài)字寄存器（PSW）第3、4位設置工作寄存器區(qū)。（5）程序狀態(tài)字PSW （Program Status Word） 程序狀態(tài)字PSW是8位寄存器，用于存放程序運行的狀態(tài)信息，PSW中各位狀態(tài)通常是在指令執(zhí)行的過程中自動形成的，但也可以由用戶根據(jù)需要采用傳送指令加以改

10、變。其定義格式如下頁表所示。Cy：進借位標志； AC：輔助進借位標志； F0 ：用戶標志； RS1、RS0：工作寄存器組（區(qū)）選擇（如下表所示）； OV：溢出標志位，有溢出時置1； P：奇偶標志位。A中有奇數(shù)個1時置1。（6）數(shù)據(jù)指針DPTR（Data Pointer） 數(shù)據(jù)指針DPTR是16位的專用寄存器，即可作為16位寄存器使用，也可作為兩個獨立的8位寄存器DPH （高8位） 、DPL （低8位）使用。 DPTR主要用作16位間址寄存器，訪問程序存儲器和片外數(shù)據(jù)寄存器。（7）堆棧指針SP（Stack Pointer） 堆棧是一種數(shù)據(jù)結構，是內(nèi)部RAM的一段區(qū)域。堆棧存取數(shù)據(jù)的原則是“后進先

11、出”。堆棧指針SP是一個8位寄存器，用于指示堆棧的棧頂，它決定了堆棧在內(nèi)部RAM中的物理位置。 MCS-51單片機的堆棧地址向大的方向變化（與微機堆棧地址向小的方向變化相反）。系統(tǒng)復位后，SP初值為07H，實際應用中通常根據(jù)需要在主程序開始處對堆棧指針SP進行初始化，一般設置SP為60H。 設立堆棧的目的是用于數(shù)據(jù)的暫存，中斷、子程序調用時斷點和現(xiàn)場的保護與恢復。（8）I/O口專用寄存器（P0, P1, P2, P3） 8051片內(nèi)有4個8位并行I/O接口P0, P1, P2和P3，在SFR中相應有4個I/O口寄存器P0, P1, P2和P3。（9）定時器/計數(shù)器（TL0, TH0, TL1和

12、TH1） MCS-51單片機中有兩個16位的定時器/計數(shù)器T0和T1，它們由4個8位寄存器（TL0, TH0, TL1和TH1）組成，2個16位定時器/計數(shù)器是完全獨立的?？梢詥为殞@4個寄存器進行尋址，但不能把T0和T1當做16位寄存器來使用。（10）串行數(shù)據(jù)緩沖器（SBUF） 串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF用于存放需要發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，它由兩個獨立的寄存器組成（發(fā)送緩沖器和接收緩沖器），要發(fā)送和接收的操作其實都是對串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF進行的。（11）其他控制寄存器 除上述外，還有IP, IE, TCON, SCON和PCON等幾個寄存器，主要用于中斷、定時和串行口的控制。4I/O接口 I/O接口

13、是MCS-51單片機對外部實現(xiàn)控制和信息交換的必經(jīng)之路，用于信息傳送過程中的速度匹配和增加它的負載能力。 8051內(nèi)部有4個8位并行接口P0, P1, P2, P3，有1個全雙工的可編程串行I/O接口。 5定時器/計數(shù)器 8051內(nèi)部有兩個16位可編程序的定時器/計數(shù)器，均為二進制加1計數(shù)器，分別命名為T0和T1。 T0和T1均有定時器和計數(shù)器兩種工作模式。在定時器模式下，T0和T1的計數(shù)脈沖可以由單片機時鐘脈沖經(jīng)12分頻后提供。在計數(shù)器模式下，T0和T1的計數(shù)脈沖可以從P3.4和P3.5引腳上輸入。對T0和T1的控制由定時器方式選擇寄存器TMOD和定時器控制寄存器TCON完成。 6中斷系統(tǒng)

14、中斷：指CPU暫停原程序執(zhí)行，轉而為外部設備服務（執(zhí)行中斷服務程序），并在服務完后返回到原程序執(zhí)行的過程。 中斷系統(tǒng)：指能夠處理上述中斷過程所需要的硬件電路。 中斷源：指能產(chǎn)生中斷請求信號的源泉。 8051可處理5個中斷源（2個外部，3個內(nèi)部）發(fā)出的中斷請求，并可對其進行優(yōu)先權處理。外部中斷的請求信號可以從P3.2, P3.3（即 和 ）引腳上輸入，有電平或邊沿兩種觸發(fā)方式；內(nèi)部中斷源有3個，2個定時器/計數(shù)器中斷源和1個串行口中斷源。 8051的中斷系統(tǒng)主要由中斷允許控制器IE和中斷優(yōu)先級控制器IP等電路組成。 MCS-51系列單片機中，各類單片機都是相互兼容的，只是引腳功能略有差異。805

15、1單片機有40個引腳，分為端口線、電源線和控制線三類。 2端口線 P0P3口：4×8=32條。（1）P0口（ P0.0P0.7 ） 8位雙向三態(tài)I/O口，可作為外部擴展時的數(shù)據(jù)總線/低8位地址總線的分時復用口。又可作為通用I/O口，每個引腳可驅動8個TTL負載。 對EPROM型芯片（如8751）進行編程和校驗時，P0口用于輸入/輸出數(shù)據(jù)。（2）P1口（P1.0P1.7） 8位準雙向I/O口，內(nèi)部具有上拉電阻，可作為通用I/O口。每個引腳可驅動4個TTL負載。 （3）P2口（P2.0P2.7） 8位準雙向I/O口，內(nèi)部具有上拉電阻，可作為外部擴展時的高8位地址總線。又可作為通用I/O口

16、，每個引腳可驅動4個TTL負載。 對EPROM型芯片（如8751）進行編程和校驗時，用來接收高8位地址。 （4）P3口（ P3.0P3.7 ） 8位準雙向I/O口，內(nèi)部具有上拉電阻。它是雙功能復用口，作為通用I/O口時，功能與P1口相同，常用第二功能。每個引腳可驅動4個TTL負載。作為第二功能使用時，各位的作用如下頁表所示。3控制線 （1）RST/VPD RST/VPD引腳是復位信號/備用電源線引腳。當8051通電時，在RST引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復位。 （2）ALE/ 地址鎖存允許/編程引腳。當訪問外部程序存儲器時，ALE的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)，以便P0口實現(xiàn)

17、地址/數(shù)據(jù)復用。當不訪問外部程序存儲器時，ALE端將輸出一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號。 ALE/ 是復用引腳，其第二功能是對EPROM型芯片（如8751）進行編程和校驗時，此引腳傳送52ms寬的負脈沖選通信號，程序計數(shù)器PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和P2口上，外部程序存儲器則把指令碼放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。 （3） /VPP 允許訪問片外程序存儲器/編程電源引腳。對于片內(nèi)無程序存儲器的MCS-51單片機（如8031）， 必須接地。片內(nèi)有程序存儲器的MCS-51單片機（如8051）， 必須接高電平。 /VPP是復用引腳，其第二功能是片內(nèi)EPROM編程/校驗時的電源線，在編程時，V

18、PP腳需加上21V的編程電壓。 （4）XTAL1和XTAL2 XTAL1腳為片內(nèi)振蕩電路的輸入端，XTAL2腳為片內(nèi)振蕩電路的輸出端。8051的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時鐘振蕩方式，但需在XTAL1和XTAL2腳外接石英晶體（頻率為1.212MHz）和振蕩電容，振蕩電容的值一般取1030pF，典型值為30pF；另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入 （5） 片外ROM選通線。在執(zhí)行訪問片外ROM的指令MOVC時，8051自動在 引腳產(chǎn)生一個負脈沖，用于對片外ROM的選通。其他情況下，該引腳均為高電平封鎖狀態(tài)。 1.3 MCS-51單片機的工作方式 MCS-

19、51系列單片機的工作方式可分為：復位方式、程序執(zhí)行方式、單片執(zhí)行方式、掉電保護方式、節(jié)電工作方式和EPROM編程/校驗方式。 1.3.1 復位方式 系統(tǒng)開始運行和重新啟動靠復位電路來實現(xiàn)，這種工作方式為復位方式。 單片機在開機時都需要復位，以便CPU及其他功能部件都處于一種確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。 MCS-51單片機在RST引腳產(chǎn)生兩個機器周期（即24個時鐘周期）以上的高電平即可實現(xiàn)復位。 復位電路有兩種：上電自動復位和上電/按鍵手動復位1.3.2 程序執(zhí)行方式 程序執(zhí)行方式是單片機基本工作方式，可分為連續(xù)執(zhí)行工作方式和單步執(zhí)行工作方式。1連續(xù)執(zhí)行工作方式 這是所有單片機都需要的

20、一種方式。單片機復位后，PC值為0000H，因此單片機復位后立即轉到0000H處執(zhí)行程序。單片機按照程序事先編排的任務，自動連續(xù)地執(zhí)行下去。2單步執(zhí)行工作方式 這是用戶調試程序的一種工作方式，在單片機開發(fā)系統(tǒng)上有一專用的單步按鍵（或軟件調試環(huán)境）。按一次，單片機就執(zhí)行一條指令（僅僅執(zhí)行一條），這樣就可以逐條檢查程序，發(fā)現(xiàn)問題進行修改。 單步執(zhí)行方式是利用單片機外部中斷功能實現(xiàn)的。1.3.3 節(jié)電方式 節(jié)電工作方式是一種低功耗的工作方式，可分為空閑（等待）方式和掉電（停機）方式。是針對CHMOS類芯片而設計的，HMOS型單片機不能工作在節(jié)電方式，但它有一種掉電保護功能。 1HMOS單片機的掉電保

21、護 當VCC突然掉電時，單片機通過中斷將必須保護的數(shù)據(jù)送入內(nèi)部RAM，備用電源VPD可以維持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。 2CHMOS單片機的節(jié)電方式 CHMOS型單片機是一種低功耗器件，正常工作時電流為1122mA，空閑狀態(tài)時為1.75mA，掉電方式為550mA。因此，CHMOS型單片機特別適用于低功耗應用場合，它的空閑方式和掉電方式都是由電源控制寄存器PCON中相應的位來控制。 （1）電源控制寄存器PCONIDL：空閑方式控制位，該位為1時，單片機進入空閑待機工 作方式，此時耗電甚微。PD： 掉電方式控制位，為1時，單片機進入掉電工作方式。 當IDL、PD同時為1，則進入掉電工作方式，同時為

22、0， 則工作在正常運行狀態(tài)。GF0, GF1：通用標志位，描述中斷是來自正常運行還是來自 空閑方式，用戶可通過指令設定它們的狀態(tài)。SMOD： 為串行口波特率倍率控制位，用于串行通信。 （2）空閑工作方式 將IDL位置為1（用指令MOV PCON, #01H），則進入空閑工作方式，其內(nèi)部控制電路如右圖所示。此時，CPU進入空閑待機狀態(tài)，中斷系統(tǒng)、串行口、定時器/計數(shù)器，仍有時鐘信號，仍繼續(xù)工作。 退出空閑狀態(tài)有兩種方法：一是中斷退出，二是硬件復位退出。 （3）掉電工作方式 將PD置為1（用指令MOV PCON, #02H），可使單片機進入掉電工作方式。此時振蕩器停振，只有片內(nèi)的RAM和SFR中的

23、數(shù)據(jù)保持不變，而包括中斷系統(tǒng)在內(nèi)的全部電路都將處于停止工作狀態(tài)。退出掉電工作方式，只能采用硬件復位的方法。 欲使8051從掉電方式退出后繼續(xù)執(zhí)行掉電前的程序，則必須在掉電前預先把SFR中的內(nèi)容保存到片內(nèi)RAM中，并在掉電方式退出后恢復SFR掉電前的內(nèi)容。1.4 單片機的時序時序：CPU在執(zhí)行指令時所需控制信號的時間順序稱為時序。 時序是用定時單位來描述的，MCS-51的時序單位有四個，分別是時鐘周期（節(jié)拍）、狀態(tài)、機器周期和指令周期。 1.4.1 MCS-51的時序單位 1. 時鐘周期：又稱為振蕩周期、節(jié)拍（用P表示），定義為單片機提供時鐘信號的振蕩源（OSC）的周期。它是時序中的最小單位。2

24、. 狀態(tài)（用S表示）：單片機振蕩脈沖經(jīng)過二分頻后即得到整個單片機工作系統(tǒng)的狀態(tài)。一個狀態(tài)有兩個節(jié)拍，前半周期對應的節(jié)拍定義為P1，后半周期對應的節(jié)拍定義為P2。3.機器周期：通常將完成一個基本操作所需的時間稱為機器周期。 MCS-51中規(guī)定一個機器周期包含12個時鐘周期，即有6個狀態(tài)，分別表示為S1S6。 若晶振為6MHz，則機器周期為2s，若晶振為12MHz，則機器周期為1s。4. 指令周期：執(zhí)行一條指令所需要的時間稱為指令周期。它是時序中的最大單位。一個指令周期通常含有14個機器周期。指令所包含的機器周期數(shù)決定了指令的運算速度，機器周期數(shù)越少的指令，其執(zhí)行速度越快。 以機器周期為單位，指令

25、可分為單周期、雙周期和四周期指令。1.4.2 MCS-51指令的取指/執(zhí)行時序 指令的集合稱為程序，執(zhí)行程序的過程就是執(zhí)行指令的過程。單片機執(zhí)行任何一條指令時都可以分為取指階段和執(zhí)行階段。在取指階段，CPU從程序存儲器中取出指令操作碼，送指令寄存器，再經(jīng)指令譯碼器譯碼，產(chǎn)生一系列控制信號，完成本指令規(guī)定的操作。 單周期和雙周期指令的取指時序圖如下頁圖所示。 ALE信號是用于鎖存低8位地址的選通信號，每出現(xiàn)一次該信號，單片機即進行一次讀指令操作。當指令為多字節(jié)或多周期指令時，只有第一個ALE信號進行讀指令操作，其余的ALE信號為無效操作（或讀操作數(shù)操作）。1.4.3 訪問片外ROM/RAM指令的

26、時序外部程序存儲器讀時序 從外部程序存儲器讀取指令，必須有兩個信號進行控制：ALE信號和 信號（外部ROM讀選通脈沖）。 2外部數(shù)據(jù)存儲器讀時序 第一個機器周期是取指周期，是從ROM中讀取指令數(shù)據(jù)，第二個機器周期才開始讀取外部數(shù)據(jù)存儲器RAM中的內(nèi)容。有三個信號進行控制：ALE信號、 信號（外部ROM讀選通脈沖）和 信號（外部RAM讀選通脈沖）。 3 單片機系統(tǒng)的工程設計 設計要求： 一、可靠性和穩(wěn)定性是衡量單片機系統(tǒng)工程設計指標。 提高系統(tǒng)可靠性的幾種基本方法包括： 包括正常設備和備份設備。 2.采用集散式控制系統(tǒng) 多個單片機系統(tǒng)作為前置處理機，分別完成系統(tǒng)的某部分控制功能，系統(tǒng)用一個單片機

27、系統(tǒng)對各個前置處理機進行監(jiān)視和控制。 3.進行軟硬件濾波 單片機系統(tǒng)的輸入信號中，一般都含有各種干擾，它們主要來自被測信號本身、傳感器或外界干擾，一般使用軟硬件濾波方法，幾種常用的數(shù)字濾波方法包括： (1)中值濾波是對某一參數(shù)連續(xù)采樣n次（n一般是奇數(shù)），然后把n次采樣值有序排列，再取中間值作為本次采樣值。3.進行軟硬件濾波 (2)算術平均值濾波是輸入的n個采樣數(shù)據(jù)的平均值作為輸入信號。 (3)防脈沖干擾平均值濾波時連續(xù)采集n次后找出其中的最值，其余的累加求和，按n-2個采樣值求平均，即得有效采樣值。4.提高元器件的可靠性 選用質量好的元器件與接插件，進行嚴格的測試，設計時選擇要對元器件負載等

28、技術參數(shù)留有余量。5.提高印制電路板的質量 設計是布線及接地要合理 6.對供電電源采用抗干擾措施 用帶屏蔽層的電源變壓器，增加電源低通濾波器 7.加強輸入輸出通道的抗干擾性 采用光電隔離電路進行數(shù)字量輸入輸出 采用雙絞線有效抗共模干擾二、系統(tǒng)自診斷功能 當系統(tǒng)正常運行的時候，定時對各工作模塊進行監(jiān)控，并對外界的情況作出快速應變處理。應能自己及時切換到后備裝置投入運行或及時發(fā)出信號，以便手動操作。三、操作維修方便 盡量降低對操作人員的專業(yè)知識要求，于，控制開關盡量少，操作順序簡便，數(shù)據(jù)輸入與輸出顯示采用十進制表示，能有效地定位故障，以便進行維修和系統(tǒng)的推廣。 四、性能/價格比 設計的時候盡量考慮

29、花錢少，能用軟件實現(xiàn)的應該采用軟件實現(xiàn)。一、總體設計 1.掌握工作原理 2.機器和元器件的選擇 3.軟硬件功能的劃分 硬-提高工作速度，減少工作量，花錢多 軟-花錢少，增加軟件復雜性，降低系統(tǒng)工作速度 二、硬件設計任務 1.掌握工作原理 三、軟件設計 1.系統(tǒng)定義 2.軟件結構 3.程序設計1. 中斷 中斷是指計算機在執(zhí)行某一程序的過程中, 由于計算機系統(tǒng)內(nèi)、 外的某種原因, 而必須中止原程序的執(zhí)行, 轉去執(zhí)行相應的處理程序, 待處理結束之后, 再回來繼續(xù)執(zhí)行被中止的原程序的過程。 采用了中斷技術后的計算機, 可以解決CPU與外設之間速度匹配的問題, 使計算機可以及時處理系統(tǒng)中許多隨機的參數(shù)和

30、信息, 同時, 它也提高了計算機處理故障與應變的能力。 2. 中斷源 中斷源是指在計算機系統(tǒng)中向CPU發(fā)出中斷請求的來源, 中斷可以人為設定, 也可以是為響應突發(fā)性隨機事件而設置。通常有I/O設備、實時控制系統(tǒng)中的隨機參數(shù)和信息故障源等。 中斷優(yōu)先級越高, 則響應優(yōu)先權就越高。當CPU正在執(zhí)行中斷服務程序時, 又有中斷優(yōu)先級更高的中斷申請產(chǎn)生, 這時CPU就會暫停當前的中斷服務轉而處理高級中斷申請, 待高級中斷處理程序完畢再返回原中斷程序斷點處繼續(xù)執(zhí)行, 這一過程稱為中斷嵌套。 (1) 在每條指令結束后, 系統(tǒng)都自動檢測中斷請求信號, 如果有中斷請求，且CPU處于開中斷狀態(tài)下, 則響應中斷。

31、(2) 保護現(xiàn)場, 在保護現(xiàn)場前, 一般要關中斷, 以防止現(xiàn)場被破壞。保護現(xiàn)場一般是用堆棧指令將原程序中用到的寄存器推入堆棧。 (3) 中斷服務, 即為相應的中斷源服務。 (4) 恢復現(xiàn)場, 用堆棧指令將保護在堆棧中的數(shù)據(jù)彈出來, 在恢復現(xiàn)場前要關中斷, 以防止現(xiàn)場被破壞。在恢復現(xiàn)場后應及時開中斷。 (5) 返回, 此時 CPU將推入到堆棧的斷點地址彈回到程序計數(shù)器, 從而使CPU繼續(xù)執(zhí)行剛才被中斷的程序。 1. 中斷允許控制 MCS - 51單片機有 5個（8052有 6個）中斷源, 為了使每個中斷源都能獨立地被允許或禁止, 以便用戶能靈活使用, 它在每個中斷信號的通道中設置了一個中斷屏蔽觸

32、發(fā)器。 只有該觸發(fā)器無效, 它所對應的中斷請求信號才能進入CPU, 即此類型中斷開放。 否則, 即使其對應的中斷標志位置1, CPU也不會響應中斷, 即此類型中斷被屏蔽了。同時CPU內(nèi)還設置了一個中斷允許觸發(fā)器, 它控制CPU能否響應中斷。 例如, 某軟件中對寄存器IE、 IP設置如下: MOV IE, 8FH MOV IP, 06H 則此時該系統(tǒng)中: · CPU中斷允許; · 允許外部中斷 0、 外部中斷 1、 定時器 /計數(shù)器 0、 定時器 /計數(shù)器1提出的中斷申請; · 允許中斷源的中斷優(yōu)先次序為: 定時器 /計數(shù)器 0>外部中斷 1>外部中斷

33、0>定時器/計數(shù)器 1。 1. 中斷響應的條件 (1） 同級或高優(yōu)先級的中斷已在進行中; (2） 當前的機器周期還不是正在執(zhí)行指令的最后一個機器周期（換言之, 正在執(zhí)行的指令完成前, 任何中斷請求都得不到響應）; (3） 正在執(zhí)行的是一條 RETI或者訪問特殊功能寄存器 IE或 IP的指令（換言之, 在 RETI或讀寫 IE或 IP之后, 不會馬上響應中斷請求, 而至少執(zhí)行一條其它指令之后才會響應）。 2. 中斷響應過程 單片機一旦響應中斷請求, 就由硬件完成以下功能: (1） 根據(jù)響應的中斷源的中斷優(yōu)先級, 使相應的優(yōu)先級狀態(tài)觸發(fā)器置 1; (2） 執(zhí)行硬件中斷服務子程序調用, 并把當

34、前程序計數(shù)器PC的內(nèi)容壓入堆棧; (3） 清除相應的中斷請求標志位（串行口中斷請求標志 RI和 TI除外）; (4） 把被響應的中斷源所對應的中斷服務程序的入口地址（中斷矢量）送入PC, 從而轉入相應的中斷服務程序。 例如, 現(xiàn)有外部中斷 1 提出申請, 且主程序中有R0、 R1、 DPTR、累加器A需保護, 則編制程序應為: ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0013H LJMP INT1 ORG 0100H MAIN: ; 主程序 ORG 1000H INT1: PUSH ACC ; 中斷服務程序 PUSH DPH PUSH DPL PUSH 0 PUSH 1 POP 1 P

35、OP 0 POP DPL POP DPH POP ACC RETI5.3 中斷系統(tǒng)的應用 例 1 單步操作的中斷實現(xiàn)。 把一個外部中斷（設為INT0）設置為電平激活方式。其中斷服務程序的末尾寫上如下幾條指令: JNB P3.2, $ ; 在INT0變高前原地等待(死循環(huán)) JB P3.2, $; 在 INT0變低前原地等待(死循環(huán)) RETI ; 返回并執(zhí)行一條指令 現(xiàn)在,若INT0保持低電平, 且允許INT0中斷, 則CPU就進入外部中斷 0 服務程序, 由于有上述幾條指令, 它就會停在 JNB處, 原地等待。當INT0 端出現(xiàn)一個正脈沖（由低到高, 再到低）時, 程序就會往下執(zhí)行, 執(zhí)行R

36、ETI后, 將返回主程序, 往下執(zhí)行一條指令, 然后又立即響應中斷,以等待INT0端出現(xiàn)的下一個正脈沖。 這樣在INT0端每出現(xiàn)一個正脈沖, 主程序就執(zhí)行一條指令, 實現(xiàn)了單步執(zhí)行的目的, 要注意的是, 這個正脈沖的高電平持續(xù)時間不小于 3個周期, 以確保 CPU能采集到高電平值。9.1 干擾的來源和分類 一、 外部干擾 (1) 自然界的現(xiàn)象，如：閃電、雷擊等對通信設備，導航儀 ，無線傳輸模塊的影響。 (2) 各種電氣設備所產(chǎn)生的電磁場、電火花、電弧焊接、高頻加熱、晶閘管整流等干擾通過供電電源對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。 (3) 地磁場的影響及來之電源本身的高頻干擾。 一、 內(nèi)部干擾v 計算機控制系統(tǒng)內(nèi)部的各種元器件的各種干擾包括固定干擾和過渡干擾。另外按干擾的特性來分，干擾又分為直流干擾，交流干擾和隨機干擾，其中交流干擾最易出現(xiàn)。9.1 干擾的來源和分類 1、 固定干擾 (1)電阻中B隨機性電子熱運動引起的熱噪聲； (2