單片機(jī)原理及應(yīng)用（王法能）

第一章微型計(jì)算機(jī)根底知識(shí)1.1微型計(jì)算機(jī)的組成及工作原理1.1.1微型計(jì)算機(jī)中的根本概念1.微處理器2.微型計(jì)算機(jī)(1)單片微處理機(jī)(2)通用微型計(jì)算機(jī)3.微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.1.2微機(jī)根本結(jié)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)的根本組成如圖1.1所示，它由中央處理器〔CPU〕、存儲(chǔ)器〔Memory〕、輸入輸出接口〔I/O接口〕和系統(tǒng)總線〔BUS〕構(gòu)成。圖1.1微型計(jì)算機(jī)的根本組成1.1.3微型計(jì)算機(jī)的根本工作過程微型計(jì)算機(jī)的根本工作過程是執(zhí)行程序的過程，也就是CPU自動(dòng)從程序存放的第1個(gè)存儲(chǔ)單元起，逐步取出指令、分析指令，并根據(jù)指令規(guī)定的操作類型和操作對象，執(zhí)行指令規(guī)定的相關(guān)操作。如此重復(fù)，周而復(fù)始，直至執(zhí)行完程序的所有指令，從而實(shí)現(xiàn)程序的根本功能，這就是微型計(jì)算機(jī)的根本工作原理。1.2典型單片機(jī)產(chǎn)品簡介1.2.1MCS-51單片機(jī)系列MCS-51可分為兩個(gè)子系列和4種類型，如表1-1所示。按資源的配置數(shù)量，MCS-51系列分為51和52兩個(gè)子系列，其中51子系列是根本型，而52子系列屬于增強(qiáng)型。表1-1MCS-51系列單片機(jī)分類資源配置子系列片內(nèi)ROM的形式片內(nèi)ROM容量片內(nèi)RAM容量定時(shí)器與計(jì)數(shù)器中斷源無ROMEPROME2PROM8×51系列80318051875189514KB128B2×1658×C51系列80C3180C5187C5189C514KB128B2×1658×52系列80328052875289528KB256B3×1668×C252系列80C23280C25287C25289C2528KB256B3×16780C51與8051的比較〔1〕MCS-51系列芯片采用HMOS工藝，而80C51芯片那么采用CHMOS工藝。CHMOS工藝是COMS和HMOS的結(jié)合，〔2〕80C51芯片具有COMS低功耗的特點(diǎn)。例如8051芯片的功耗為630mW,而80C51的功耗只有120mW?！?〕80C51在功能增加了待機(jī)和掉電保護(hù)兩種工作方式，以保證單片機(jī)在掉電情況下能以最低的消耗電流維持?！?〕此外，在80C51系列芯片中，內(nèi)部程序存儲(chǔ)器除了ROM型和EPROM型外，還有E2PROM型，例如89C51就有4KBE2PROM。并且隨著集成技術(shù)的提高，80C51系列片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的容量也越來越大，目前已有64KB的芯片了。另外，許多80C51芯片還具有程序存儲(chǔ)器保密機(jī)制，以防止應(yīng)用程序泄密或被復(fù)制。1.2.2MCS-96系列單片機(jī)MCS-96系列單片機(jī)是Intel公司在1983年推出的16位單片機(jī)，它與8位機(jī)相比，具有集成度高、運(yùn)算速度快等特點(diǎn)。它的內(nèi)部除了有常規(guī)的I/O接口、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、全雙工串行口外，還有高速I/O部件、多路A／D轉(zhuǎn)換和脈寬調(diào)制輸出〔PWM〕等電路，其指令系統(tǒng)比MCS-51更加豐富。1.2.3ATMEL公司單片機(jī)ATMEL公司于1992年推出了全球第一個(gè)3V超低壓F1ash存儲(chǔ)器，并于1994年以E2PROM技術(shù)與Intel公司的80C31內(nèi)核進(jìn)行技術(shù)交換，從此擁有了80C31內(nèi)核的使用權(quán)，并將ATMEL特有的Flash技術(shù)與80C31內(nèi)核結(jié)合在一起，生產(chǎn)出AT89C51系列單片機(jī)。1.3單片機(jī)的應(yīng)用模式1.3.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通常分為以下三個(gè)層次。(1)單片機(jī)：通常指應(yīng)用系統(tǒng)主處理機(jī)，即所選擇的單片機(jī)器件。(2)單片機(jī)系統(tǒng)：指按照單片機(jī)的技術(shù)要求和嵌入對象的資源要求而構(gòu)成的根本系統(tǒng)。時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和擴(kuò)展存儲(chǔ)器等與單片機(jī)共同構(gòu)成了單片機(jī)系統(tǒng)。(3)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)：指能滿足嵌入對象要求的全部電路系統(tǒng)。在單片機(jī)系統(tǒng)的根底上加上面向?qū)ο蟮慕涌陔娐罚缜跋蛲ǖ?、后向通道、人機(jī)交互通道(鍵盤、顯示器、打印機(jī)等)和串行通信口(RS232)以及應(yīng)用程序等。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)三個(gè)層次的關(guān)系如圖1.2所示

圖1.2單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)三個(gè)層次的關(guān)系1.3.2單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)過程通常開發(fā)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)可按以下6個(gè)步驟進(jìn)行。(1)明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)，完成單片機(jī)及其外圍電路的選型工作。(2)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理圖和PCB板，經(jīng)仔細(xì)檢查PCB板后送工廠制作。(3)

完成器件的安裝焊接。(4)

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)要求編寫應(yīng)用程序。(5)

在線調(diào)試軟硬件。(6)使用編程器燒寫單片機(jī)應(yīng)用程序，獨(dú)立運(yùn)行單片機(jī)系統(tǒng)。

1.4單片機(jī)的應(yīng)用1.單片機(jī)在機(jī)、電、儀一體化等智能產(chǎn)品中的應(yīng)用日常生活中含單片機(jī)的電器產(chǎn)品智能化的儀器儀表2.單片機(jī)在工業(yè)測控中的應(yīng)用3.單片機(jī)在通信技術(shù)中的應(yīng)用1.5數(shù)制與編碼1.5.1數(shù)制的表示1.常用數(shù)制〔1〕十進(jìn)制數(shù)我們熟悉的十進(jìn)制數(shù)有兩個(gè)主要特點(diǎn)：有十個(gè)不同的數(shù)字符號(hào)：0、1、2、…、9；低位向高位進(jìn)、借位的規(guī)律是“逢十進(jìn)一〞“借一當(dāng)十〞的計(jì)數(shù)原那么進(jìn)行計(jì)數(shù)。例如：1234.45=1×103＋2×102＋3×101＋4×100＋4×10-15×10-2式中的10稱為十進(jìn)制數(shù)的基數(shù),103、102、101、100、10-1稱為各數(shù)位的權(quán)。十進(jìn)制數(shù)用D結(jié)尾表示?！?〕二進(jìn)制數(shù)在二進(jìn)制中只有兩個(gè)不同數(shù)碼：0和1，進(jìn)位規(guī)律是“逢二進(jìn)一〞“借一當(dāng)二〞的計(jì)數(shù)原那么進(jìn)行計(jì)數(shù)。二進(jìn)制數(shù)用B結(jié)尾表示。例如，二進(jìn)制數(shù)11011011.01可表示為：(11011011.01)2==1×27＋1×26＋0×25＋1×24＋1×23＋0×22＋1×21＋1×20＋0×2-1＋1×2-2〔3〕八進(jìn)制數(shù)在八進(jìn)制中有0、1、2…、7八個(gè)不同數(shù)碼，采用“逢八進(jìn)一〞“借一當(dāng)八〞的計(jì)數(shù)原那么進(jìn)行計(jì)數(shù)。八進(jìn)制數(shù)用Q結(jié)尾表示。例如，八進(jìn)制數(shù)〔503.04〕Q可表示為：〔503.04〕Q=5×82+0×81+3×80+0×8-1+4×8-2〔4〕十六進(jìn)制數(shù)在十六進(jìn)制中有0、1、2…、9、A、B、C、D、E、F共十六個(gè)不同的數(shù)碼，采用“逢十六進(jìn)一〞“借一當(dāng)十六〞的計(jì)數(shù)原那么進(jìn)行計(jì)數(shù)。十六進(jìn)制數(shù)用H結(jié)尾表示。例如，十六進(jìn)制數(shù)〔4E9.27〕H可表示為〔4E9.27〕H=4×162＋14×161＋9×160＋2×16-1＋7×16-22．不同進(jìn)制數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換表1-4列出了二、八、十、十六進(jìn)制數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，熟記這些對應(yīng)關(guān)系對后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)會(huì)有較大的幫助。表1-4各種進(jìn)位制的對應(yīng)關(guān)系十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制000091001119111110101012A2102211101113B3113312110014C41004413110115D51015514111016E61106615111117F711177161000020108100010817100012111〔1〕二、八、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成為十進(jìn)制數(shù)根據(jù)各進(jìn)制的定義表示方式，按權(quán)展開相加，即可轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)?！纠?-1】將〔10101〕B，(72)Q，〔49〕H轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。(10101)B=1×24＋0×23＋1×22＋0×21＋1×20=37(72)Q=7×81+2×80=58(49)H=4×161＋9×160=73〔2〕十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換二進(jìn)制數(shù),需要將整數(shù)局部和小數(shù)局部分開,采用不同方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換,然后用小數(shù)點(diǎn)將這兩局部連接起來。①整數(shù)局部：除2取余法。具體方法是：將要轉(zhuǎn)換的十進(jìn)制數(shù)除以2，取余數(shù)；再用商除以2，再取余數(shù)，直到商等于0為止，將每次得到的余數(shù)按倒序的方法排列起來作為結(jié)果。【例1-2】將十進(jìn)制數(shù)25轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)所以〔25〕D=11001B②小數(shù)局部：乘2取整法。具體方法是：將十進(jìn)制小數(shù)不斷地乘以2，直到積的小數(shù)局部為零〔或直到所要求的位數(shù)〕為止，每次乘得的整數(shù)依次排列即為相應(yīng)進(jìn)制的數(shù)碼。最初得到的為最高有效數(shù)位，最后得到的為最低有效數(shù)字?！纠?-3】將十進(jìn)制數(shù)0.625轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。所以〔0.625〕D=0.101B【例1-4】將十進(jìn)制數(shù)25.625轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，只要將上例整數(shù)和小數(shù)局部組合在一起即可，即(25.625)D=(11001.101)B例如：將十進(jìn)制193.12轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)。所以〔193.12〕D(301.075)Q(3)二進(jìn)制與八進(jìn)制之間的相互轉(zhuǎn)換由于23=8，故可采用“合三為一〞的原那么，即從小數(shù)點(diǎn)開始向左、右兩邊各以3位為一組進(jìn)行二-八轉(zhuǎn)換：假設(shè)缺乏3位的以0補(bǔ)足，便可以將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)。反之，每位八進(jìn)制數(shù)用三位二進(jìn)制數(shù)表示，就可將八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)?！纠?-5】將〔10100101.01011101〕2轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)。010100101.010111010245.272即(10100101.01011101)B=(245.272)Q【例1-6】將(756.34)Q轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。756.34111101110.011100即(756.34)Q=(111101110.0111)B(4)二進(jìn)制與十六進(jìn)制之間的相互轉(zhuǎn)換由于24=16，故可采用“合四為一〞的原那么，即從小數(shù)點(diǎn)開始向左、右兩邊各以4位為一組進(jìn)行二—十六轉(zhuǎn)換，假設(shè)缺乏4位的以0補(bǔ)足，便可以將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)。反之，每位十六進(jìn)制數(shù)用四位二進(jìn)制數(shù)表示，就可將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)?！纠?-7】將轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)。0001111111000111.1001010110001FC7.958即【例1-8】將(79BD.6C)H轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。79BD.6C0111100110111101.01101100即1.5.2常用的信息編碼二—十進(jìn)制BCD碼〔Binary-CodedDecimal〕二—十進(jìn)制BCD碼是指每位十進(jìn)制數(shù)用4位二進(jìn)制數(shù)編碼表示。由于4位二進(jìn)制數(shù)可以表示16種狀態(tài)，可丟棄最后6種狀態(tài)，而選用0000～1001來表示0～9十個(gè)數(shù)符。這種編碼又叫做8421碼。見表1-5所示。表1-5十進(jìn)制數(shù)與BCD碼的對應(yīng)關(guān)系十進(jìn)制數(shù)BCD碼十進(jìn)制數(shù)BCD碼000001000010000100011100010001200101200010010300111300010011401001400010100501011500010101601101600010110701111700010111810001800011000910011900011001【例1-9】將69.25轉(zhuǎn)換成BCD碼。69.25 01101001.00100101結(jié)果為69.25=(01101001.00100101)BCD【例1-10】將BCD碼轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)。100101111000.01010110978.56結(jié)果為〔〕BCD=978.562.字符編碼〔ASCII碼〕計(jì)算機(jī)使用最多、最普遍的是ASCII〔AmericanStandardCodeForInformationInterchange〕字符編碼，即美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼，如表1.6所示。表1-6七位ASCII代碼表

d3d2d1d0位0d6d5d4位0000010100111001011101110000NULDELSP0＠P｀p0001SOHDC1！1AQaq0010STXDC2″2BRbr0011ETXDC3＃3CScs0100EOTDC4﹩4DTdt0101ENQNAK％5EUeu0110ACKSYN﹠6FVfv0111BELETB＇7GWgw1000BSCAN﹙8HXhx1001HTEM﹚9IYiy1010LFSUB﹡：JZjz1011VTESC＋﹔K［k﹛1100FFFS，＜L＼l｜1101CRGS－＝M］m｝1110SORS·＞N↑n～1111SIHS／﹖O←oDELASCII碼的每個(gè)字符用7位二進(jìn)制數(shù)表示，其排列次序?yàn)閐6d5d4d3d2d1d0,d6為高位，d0為低位。而一個(gè)字符在計(jì)算機(jī)內(nèi)實(shí)際是用8位表示。正常情況下，最高一位d7為“0〞。7位二進(jìn)制數(shù)共有128種編碼組合，可表示128個(gè)字符，其中數(shù)字10個(gè)、大小寫英文字母52個(gè)、其他字符32個(gè)和控制字符34個(gè)。數(shù)字0～9的ASCII碼為30H～39H。大寫英文字母A～Z的ASCII碼為41H～5AH。小寫英文字母a～z的ASCII碼為61H～7AH。對于ASCII碼表中的0、A、a的ASCII碼30H、41H、61H應(yīng)盡量記住，其余的數(shù)字和字母的ASCII碼可按數(shù)字和字母的順序以十六進(jìn)制的規(guī)律寫出。3.奇偶校驗(yàn)碼奇偶校驗(yàn)碼是在傳送的代碼上附加一個(gè)校驗(yàn)位，作為代碼的比較校驗(yàn)。這樣在接收方，先對信息代碼按雙方的校驗(yàn)規(guī)定求奇偶校驗(yàn)碼，然后再與收到的附加校驗(yàn)位作比較，假設(shè)相等那么認(rèn)為接收的代碼是正確的，否那么為錯(cuò)。奇偶校驗(yàn)就是鑒別代碼中有奇數(shù)個(gè)“1，還是有偶數(shù)個(gè)“1。例如，有效信息為1011001，假設(shè)采用偶校驗(yàn)碼記為“0〞的話，那么有效代碼為10110010；采用奇校驗(yàn)碼記為“1〞的話，有效代碼那么為10110011。有效代碼的最后的那個(gè)數(shù)位，就是奇偶校驗(yàn)位。當(dāng)接受方收到這組代碼后，便根據(jù)奇、偶校驗(yàn)的約定和有效代碼中“1〞的個(gè)數(shù)形成校驗(yàn)碼，然后再與接收的校驗(yàn)位作比較。比較相等的話，說明接受的信息正確；反之，那么認(rèn)為出現(xiàn)了錯(cuò)誤。1.6計(jì)算機(jī)數(shù)值數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算1.6.1二進(jìn)制數(shù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示1.機(jī)器數(shù)在計(jì)算機(jī)中，因?yàn)橹挥小?〞和“1〞兩種形式，所以數(shù)的正、負(fù)號(hào)，也必須以“0〞和“1〞表示。通常把一個(gè)數(shù)的最高位定義為符號(hào)位，用0表示正，1表示負(fù)，稱為數(shù)符：其余位仍表示數(shù)值。把在機(jī)器內(nèi)存放的正、負(fù)號(hào)數(shù)碼化的數(shù)稱為機(jī)器數(shù)，把機(jī)器外部由正、負(fù)號(hào)表示的數(shù)稱為真值數(shù)?！纠?-11】真值為(-0101100)B的機(jī)器數(shù)為10101100，存放在機(jī)器中，如圖1.3所示。圖1.3真值B在機(jī)器中的存放要注意的是，機(jī)器數(shù)表示的范圍受到字長和數(shù)據(jù)的類型的限制。字長和數(shù)據(jù)類型定了，機(jī)器數(shù)能表示的數(shù)值范圍也就定了。例如，假設(shè)表示一個(gè)整數(shù)，字長為8位，那么最大的正數(shù)為01111111，最高位為符號(hào)位，即最大值為127。假設(shè)數(shù)值超出127，就要“溢出〞。最小負(fù)數(shù)為10000000，最高位為符號(hào)位，即最小值為-128。2.數(shù)的定點(diǎn)和浮點(diǎn)表示計(jì)算機(jī)內(nèi)表示的數(shù)，主要分成定點(diǎn)小數(shù)、定點(diǎn)整數(shù)與浮點(diǎn)數(shù)三種類型。〔1〕定點(diǎn)小數(shù)的表示法定點(diǎn)小數(shù)是指小數(shù)點(diǎn)準(zhǔn)確固定在數(shù)據(jù)某一個(gè)位置上的小數(shù)。一般把小數(shù)點(diǎn)固定在最高數(shù)據(jù)位的左邊，小數(shù)點(diǎn)前邊再設(shè)一位符號(hào)位。按此規(guī)那么，任何一個(gè)小數(shù)都可以寫成：N=NSN－1N－2···N－M，NS為符號(hào)位〔2〕整數(shù)的表示法整數(shù)所表示的數(shù)據(jù)的最小單位為1，可以認(rèn)為它是小數(shù)點(diǎn)定在數(shù)值最低位右面的一種表示法。整數(shù)分為帶符號(hào)和不帶符號(hào)兩類。對帶符號(hào)的整數(shù)，符號(hào)位放在最高位?？梢詫懗桑篘=NSNnNn－1···N2N1N0，NS為符號(hào)位一般定點(diǎn)數(shù)表示的范圍和精度都較小，在數(shù)值計(jì)算時(shí)，大多數(shù)采用浮點(diǎn)數(shù)。(3)浮點(diǎn)數(shù)的表示方法浮點(diǎn)表示法對應(yīng)于科學(xué)(指數(shù))計(jì)數(shù)法，如數(shù)110.011可表示為：N=110.011=1.10011×2+10=11001.1×2－10=0.110011×2+11在計(jì)算機(jī)機(jī)中一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)由兩局部構(gòu)成：階碼和尾數(shù)，階碼是指數(shù)，尾數(shù)是純小數(shù)。其存儲(chǔ)格式如圖1.4所示。階符階碼數(shù)符尾數(shù)圖1.4存儲(chǔ)格式【例1-12】設(shè)尾數(shù)為4位，階碼為2位，那么二進(jìn)制數(shù)N=211×l011的浮點(diǎn)數(shù)表示形式為：應(yīng)當(dāng)注意：浮點(diǎn)數(shù)的正、負(fù)是由尾數(shù)的數(shù)符確定，而階碼的正、負(fù)只決定小數(shù)點(diǎn)的位置，即決定浮點(diǎn)數(shù)的絕對值大小。帶符號(hào)數(shù)的表示在計(jì)算機(jī)中，帶符號(hào)數(shù)可以用不同方法表示，常用的有原碼、反碼和補(bǔ)碼。(1)原碼【例1-13】當(dāng)機(jī)器字長n=8時(shí)：[+1]原＝00000001，[-1]原＝10000001[+127]原＝01111111，[-127]原＝1111111l由此可以看出，在原碼表示法中：最高位為符號(hào)位，正數(shù)為0，負(fù)數(shù)為1，其余n-1位表示數(shù)的絕對值。在原碼表示中，零有兩種表示形式，即：[+0]＝00000000，[-0]＝10000000。(2)反碼【例1-14】當(dāng)機(jī)器字長n=8時(shí)：[+1]反＝00000001，[-1]反＝11111110[+127]反＝01111111，[-127]反＝10000000由此看出，在反碼表示中：正數(shù)的反碼與原碼相同，負(fù)數(shù)的反碼只需將其對應(yīng)的正數(shù)按位求反即可得到。

機(jī)器數(shù)最高位為符號(hào)位，0代表正號(hào)，1代表負(fù)號(hào)。反碼表示方式中，零有兩種表示方法：[+0]反＝00000000，[-0]反＝11111111?！?〕補(bǔ)碼【例1-15】當(dāng)機(jī)器字長n＝8時(shí)，[+1]補(bǔ)＝00000001，[-1]補(bǔ)＝11111111[+127]補(bǔ)＝01111111，[-127]補(bǔ)＝10000001由此看出，在補(bǔ)碼表示中：正數(shù)的補(bǔ)碼與原碼、反碼相同，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼等于它的反碼加l。機(jī)器數(shù)的最高位是符號(hào)位，0代表正號(hào)，1代表負(fù)號(hào)。在補(bǔ)碼表示中，0有唯一的編碼：[＋0]補(bǔ)＝[－0]補(bǔ)＝00000000。補(bǔ)碼的運(yùn)算方便，二進(jìn)制的減法可用補(bǔ)碼的加法實(shí)現(xiàn)，使用較廣泛。【例1-16】假定計(jì)算機(jī)字長為8位，試寫出122的原碼、反碼和補(bǔ)碼。[122]原＝[122]反＝[122]補(bǔ)＝01111010B【例1-17】假定計(jì)算機(jī)字長為8位，試寫出－45的原碼、反碼和補(bǔ)碼。[－45]原＝10101101B[－45]反＝11010010B[－45]補(bǔ)＝11010011B對于用補(bǔ)碼表示的負(fù)數(shù)，首先認(rèn)定它是負(fù)數(shù)，而后用求它的補(bǔ)碼的方法可得到它的絕對值，即可求得該負(fù)數(shù)的值。例如，補(bǔ)碼數(shù)(11110011)B是一個(gè)負(fù)數(shù)，求該數(shù)的補(bǔ)碼為(00001101)B，該數(shù)相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為13，故求出(11110011)B為(－13)D?！纠?-18】試寫出原碼11011001的真值?！苍a〕補(bǔ)＝〔原碼〕反＋1＝10100111B＝－391.6.2補(bǔ)碼的運(yùn)算在微處理機(jī)中，使用補(bǔ)碼進(jìn)行運(yùn)算是十分方便的，它使同一個(gè)微處理機(jī)中既能運(yùn)算帶符號(hào)數(shù)又能運(yùn)算不帶符號(hào)的數(shù)。而且，在采用補(bǔ)碼表示帶符號(hào)數(shù)的情況下，兩個(gè)數(shù)的減法可以用加法來實(shí)現(xiàn)。下面我們將會(huì)看到這一點(diǎn)。在進(jìn)行帶符號(hào)數(shù)的加減運(yùn)算時(shí)，應(yīng)把參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成補(bǔ)碼形式進(jìn)行運(yùn)算。當(dāng)使用8位二進(jìn)制數(shù)表示帶符號(hào)的數(shù)時(shí)，它所能表示的數(shù)值范圍在(-128)10～(+127)10之間，如果相加結(jié)果超出了這個(gè)范圍，就會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤發(fā)生。[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)[X-Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[-Y]補(bǔ)【例1-20】兩個(gè)帶符號(hào)的數(shù)(01000001)2(十進(jìn)制數(shù)+65)與(01000011)2(十進(jìn)制數(shù)+67)例中是兩個(gè)正數(shù)相加，但結(jié)果卻是一個(gè)負(fù)數(shù)——符號(hào)位為1。顯然，這個(gè)結(jié)果是錯(cuò)誤的，出現(xiàn)這種錯(cuò)誤的原因就在于這兩個(gè)數(shù)相加的結(jié)果超過了8位二進(jìn)制帶符號(hào)數(shù)所能表示的數(shù)值范圍?！纠?-21】兩個(gè)負(fù)數(shù)(10001000)2和(11101110)2的相加情況。由于規(guī)定用8位二進(jìn)制數(shù)來表示帶符號(hào)的數(shù)，故忽略作為進(jìn)位位的第九位。按8位二進(jìn)制數(shù)來解釋這兩個(gè)符號(hào)數(shù)的相加，其結(jié)果為一個(gè)正數(shù)。很明顯，結(jié)果是錯(cuò)誤的?！纠?-22】兩個(gè)無符號(hào)數(shù)(11111101)2和(00000011)2相加：從相加計(jì)算的結(jié)果來看，如果微處理機(jī)只有8位，也就是用8位二進(jìn)制數(shù)來解釋運(yùn)算的結(jié)果，那么將出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此，在微處理機(jī)中設(shè)有專門的一位，稱為進(jìn)位位，它將用于保存第九位以防喪失信息。1.6.3邏輯運(yùn)算〔1〕“與〞運(yùn)算?！芭c〞運(yùn)算的運(yùn)算規(guī)那么是：00=0 01=010=011=1【例1-23】二進(jìn)制數(shù)01011101B和11010101B相與?！?〕“或〞運(yùn)算?！盎颞曔\(yùn)算的運(yùn)算規(guī)那么是：00=001=110=1 11=1【例1-24】二進(jìn)制數(shù)10101101和01010000相或?！?〕“異或〞運(yùn)算?！爱惢颞曔\(yùn)算的運(yùn)算規(guī)那么是：00=001=110=111=0【例1-25】二進(jìn)制數(shù)10101101和01101110相異或。

第二章MCS—51系列單片機(jī)芯片結(jié)構(gòu)

2.1MCS—51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)原理2.1.1MCS-51單片機(jī)邏輯結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。

圖2.1MCS-51單片機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由圖2.1可以看出，單片機(jī)內(nèi)部主要包含以下幾個(gè)部件：u

一個(gè)8位CPU；u

一個(gè)時(shí)鐘電路；u

4Kbyte程序存儲(chǔ)器；u

128byte數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；u

兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；u

64Kbyte擴(kuò)展總線控制電路；u

四個(gè)8-bit并行I/O端口；u

一個(gè)可編程串行接口；五個(gè)中斷源，其中包括兩個(gè)優(yōu)先級嵌套中斷2.1.2MCS－51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)MCS－51單片機(jī)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。

圖2.2MCS－51單片機(jī)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖1.CPUCPU即中央處理器的簡稱，是單片機(jī)的核心部件，它完成各種運(yùn)算和控制操作，CPU由運(yùn)算器和控制器兩局部電路組成?！?〕運(yùn)算器電路運(yùn)算器電路包括ALU〔算術(shù)邏輯單元〕、ACC〔累加器〕、B存放器、狀態(tài)存放器、暫存器1和暫存器2等部件，運(yùn)算器的功能是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。〔2〕控制器電路控制器電路包括程序計(jì)數(shù)器PC、PC加1存放器、指令存放器、指令譯碼器、數(shù)據(jù)指針DPTR、堆棧指針SP、緩沖器以及定時(shí)與控制電路等?？刂齐娐吠瓿芍笓]控制工作，協(xié)調(diào)單片機(jī)各局部正常工作。2.定時(shí)器/計(jì)數(shù)器MCS－51單片機(jī)片內(nèi)有兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，即定時(shí)器0和定時(shí)器1。它們可以用于定時(shí)控制、延時(shí)以及對外部事件的計(jì)數(shù)和檢測等。3.存儲(chǔ)器MCS－51系列單片機(jī)的存儲(chǔ)器包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器，其主要特點(diǎn)是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址空間是相互獨(dú)立的，物理結(jié)構(gòu)也不相同。4.并行I/O口MCS－51單片機(jī)共有4個(gè)8位的I/O口〔P0、P1、P2和P3〕，每一條I/O線都能獨(dú)立地用作輸入或輸出。P0口為三態(tài)雙向口，能帶8個(gè)TTL門電路，P1、P2和P3口為準(zhǔn)雙向口，負(fù)載能力為4個(gè)TTL門電路。5.串行I/O口MCS－51單片機(jī)具有一個(gè)采用通用異步工作方式的全雙工串行通信接口，可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。6.中斷控制系統(tǒng)8051共有5個(gè)中斷源，即外中斷2個(gè)，定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷2個(gè)，串行中斷1個(gè)。7.時(shí)鐘電路MCS－51芯片內(nèi)部有時(shí)鐘電路，但晶體振蕩器和微調(diào)電容必須外接。時(shí)鐘電路為單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列，振蕩器的頻率范圍為1.2MHz～12MHz，典型取值為6MHz。8.總線以上所有組成局部都是通過總線連接起來，從而構(gòu)成一個(gè)完整的單片機(jī)。系統(tǒng)的地址信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)都是通過總線傳送的，總線結(jié)構(gòu)減少了單片機(jī)的連線和引腳，提高了集成度和可靠性。2.1.3引腳信號(hào)圖2.3為MCS－51系列單片機(jī)引腳圖及邏輯符號(hào)，它們?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的40腳DIP封裝。

圖2.3MCS－51系列單片機(jī)引腳圖及邏輯符號(hào)電源引腳Vcc和VssVcc：電源端，接＋5V。Vss：接地端。時(shí)鐘電路引腳XTAL1和XTAL2XTAL1：接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸入，假設(shè)使用外部TTL時(shí)鐘時(shí)，該引腳必須接地。XTAL2：接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸出，假設(shè)使用外部TTL時(shí)鐘時(shí)，該引腳為外部時(shí)鐘的輸入端。地址鎖存允許ALE系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE用于控制地址鎖存器鎖存P0口輸出的低8位地址，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與低位地址的復(fù)用。

外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)是讀外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)，低電平有效。程序存儲(chǔ)器地址允許輸入端/VPP

當(dāng)為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器指令，但當(dāng)PC中的值超過0FFFH時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器指令。當(dāng)為低電平時(shí)，CPU只執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器指令。復(fù)位信號(hào)RST該信號(hào)高電平有效，在輸入端保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平后，就可以完成復(fù)位操作。1.

輸入/輸出口引腳P0、P1、P2和P3P0口〔P0.0～P0.7〕：該端口為漏極開路的8位準(zhǔn)雙向口，負(fù)載能力位8高LSTTL負(fù)載，它為8位地址線和8位數(shù)據(jù)線的復(fù)用端口。P1口〔P1.0～P1.7〕：它是一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，P1口的驅(qū)動(dòng)能力為4個(gè)LSTTL負(fù)載。P2口〔P2.0～P2.7〕：它為一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，P2口的驅(qū)動(dòng)能力也為4個(gè)LSTTL負(fù)載。在訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，它作存儲(chǔ)器的高8位地址線。P3口〔P3.0～P3.7〕：P3口同樣是內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，P3口除了作為一般的I/O口使用之外，其還具有特殊功能。2.2MCS—51單片機(jī)的存儲(chǔ)器MCS－51的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。在本節(jié)中我們將對單片機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、內(nèi)部程序存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器分別作一介紹。

圖2.4MCS－51的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如2.2.1內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

1.內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器低128單元在低128字節(jié)存儲(chǔ)單元中，前32個(gè)單元〔00H～1FH〕作為工作存放器使用，這32個(gè)存放器分作4組，每組由8個(gè)通用存放器〔R0～R7〕組成，組號(hào)依次為0、1、2和3。通過對程序狀態(tài)字中RS1和RS0的設(shè)置，可以決定選用哪一組工作存放器，通常沒有選中的單元也可作為一般的數(shù)據(jù)緩存使用。系統(tǒng)上電復(fù)位時(shí)，默認(rèn)選中第0組存放器。在工作存放器后的16個(gè)數(shù)據(jù)單元〔20H～2FH〕，它們既可以作為一般的數(shù)據(jù)單元使用，由可以按位對每個(gè)單元進(jìn)行操作，因此這16個(gè)數(shù)據(jù)單元又稱作位尋址區(qū)。位尋址區(qū)共計(jì)128位，其位地址為00H～0FH。在內(nèi)部RAM的低128個(gè)單元中，剩余的80個(gè)數(shù)據(jù)單元即30H～7FH為真正的用戶RAM區(qū)，對于這些區(qū)域，用戶只能以存儲(chǔ)單元的形式來使用，通常在應(yīng)用中也把堆棧開辟在這段區(qū)域。2.

內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器高128單元內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的高128個(gè)單元是為專用存放器提供的，因此該區(qū)也稱作特殊功能存放器區(qū)〔SFR〕，它們主要用于存放控制命令、狀態(tài)或數(shù)據(jù)。除去程序計(jì)數(shù)器PC外，還有21個(gè)特殊功能存放器，其地址空間為80H～FFH。這21個(gè)存放器中有11個(gè)特殊功能存放器具有位尋址能力，它們的字節(jié)地址剛好能被8整除。下面將對局部專用存放器作簡要介紹。累加器ACC累加器為8位存放器，是程序中最常用的專用存放器，在指令系統(tǒng)中累加器的助記符為A。大局部單操作數(shù)指令的操作取自累加器，很多雙操作數(shù)指令的一個(gè)操作數(shù)也取自累加器。加、減乘和除等算術(shù)運(yùn)算指令的運(yùn)算結(jié)果都存放在累加器A或AB存放器中，在變址尋址方式中累加器被作為變址存放器使用。在MCS－51中由于只有一個(gè)累加器，而單片機(jī)中的大局部數(shù)據(jù)操作都是通過累加器進(jìn)行的，故累加器的使用是十分頻繁的。B存放器B存放器為8位存放器，主要用于乘除指令中。乘法指令的兩個(gè)操作數(shù)分別取自累加器A和存放器B，其中B為乘數(shù)，乘法結(jié)果的高8位存放于存放器B中。除法指令中，被除數(shù)取自A，除數(shù)取自B，除法的結(jié)果商數(shù)存放于A，余數(shù)存放于B中。在其它指令中，B存放器也可作為一般的數(shù)據(jù)單元來使用。程序狀態(tài)字PSW程序狀態(tài)字是一個(gè)8位存放器，它包含程序的狀態(tài)信息。在狀態(tài)字中，有些位狀態(tài)是根據(jù)指令執(zhí)行結(jié)果，由硬件自動(dòng)完成設(shè)置的，而有些狀態(tài)位那么必須通過軟件方法設(shè)定。PSW中的每個(gè)狀態(tài)位都可由軟件讀出，PSW的各位定義如表2.1。表2.1PSW的各狀態(tài)位定義

(1)CY：進(jìn)位標(biāo)志位在執(zhí)行某些算術(shù)和邏輯指令時(shí)，可以被硬件或軟件置位或清零。在算術(shù)運(yùn)算中它可作為進(jìn)位標(biāo)志，在位運(yùn)算中，它作累加器使用，在位傳送、位與和位或等位操作中，都要使用進(jìn)位標(biāo)志位。(2)AC：輔助進(jìn)位標(biāo)志進(jìn)行加法或減法操作時(shí)，當(dāng)發(fā)生低四位向高四位進(jìn)位或借位時(shí)，AC由硬件置位，否那么AC位被置“0〞。在進(jìn)行十進(jìn)制調(diào)整指令時(shí)，將借助AC狀態(tài)進(jìn)行判斷。位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位標(biāo)志CYACF0RS1RS0OV/ P(3)用戶標(biāo)志位該位為用戶定義的狀態(tài)標(biāo)記，用戶根據(jù)需要用軟件對其置位或清零，也可以用軟件測試F0來控制程序的跳轉(zhuǎn)。(4)RS1和RS0：存放器區(qū)選擇控制位該兩位通過軟件置“0〞或“1〞來選擇當(dāng)前工作存放器區(qū)。(5)OV：溢出標(biāo)志位當(dāng)執(zhí)行算術(shù)指令時(shí)，由硬件置位或清零來指示溢出狀態(tài)。在帶符號(hào)的加減運(yùn)算中，OV＝1表示加減運(yùn)算結(jié)果超出了累加器A所能表示的符號(hào)數(shù)有效范圍〔－128～＋127〕，即運(yùn)算結(jié)果是錯(cuò)誤的，反之，OV＝0表示運(yùn)算正確，即無溢出產(chǎn)生。無符號(hào)數(shù)乘法指令MUL的執(zhí)行結(jié)果也會(huì)影響溢出標(biāo)志，假設(shè)置于累加器A和存放器B的兩個(gè)數(shù)的乘積超過了255，那么OV＝1，反之OV＝0。由于乘積的高8位存放于B中，低8位存放于A中，OV＝0那么意味著只要從A中取得乘積即可，否那么要從BA存放器對中取得乘積結(jié)果。在除法運(yùn)算中，DIV指令也會(huì)影響溢出標(biāo)志，當(dāng)除數(shù)為0時(shí)，OV＝1，否那么OV＝0。(6)P：奇偶標(biāo)志位每個(gè)指令周期由硬件來置位或清零用以表示累加器A中1的個(gè)數(shù)的奇偶性，假設(shè)累加器中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)那么P＝1，否那么P＝0。l

數(shù)據(jù)指針DPTR數(shù)據(jù)指針DPTR為一個(gè)16位的專用存放器，其高位用DPH表示，其低位用DPL表示，它即既可以作為一個(gè)16位的存放器來使用，也可作為兩個(gè)8位的的存放器DPH和DPL使用。DPTR在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)既可用來存放16位地址，也可作地址指針使用。如MOVX@DPTR，A。l

I/O端口P0～P3

P0～P3為四個(gè)8位的特殊功能存放器，分別是四個(gè)并行I/O端口的鎖存器，當(dāng)I/O端口的某一位用作輸入時(shí)，對應(yīng)的鎖存器必須先置“1〞。l

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器在MCS－51中，除8032/8052外都只有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1，它們由兩個(gè)相互獨(dú)立的8位存放器組成TH和TL，共有四個(gè)獨(dú)立的存放器TH0、TL0、TH1和TL1，只可對這四個(gè)存放器獨(dú)立尋址，而不能作為一個(gè)16位存放器來尋址。l

串行數(shù)據(jù)緩沖存放器串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF用于存放將要發(fā)送或已接收的數(shù)據(jù)，它由發(fā)送緩沖器和接收緩沖器組成，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)被送入SBUF時(shí)進(jìn)入發(fā)送緩沖器，反之進(jìn)入接收緩沖器。

2.2.2外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在MCS－51中，其片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O口與片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間0000FH～FFFFH是重疊的。在8051單片機(jī)中采用MOV和MOVX兩種指令來區(qū)分片內(nèi)外RAM空間，其中片內(nèi)RAM使用MOV指令，片外RAM和I/O口使用MOVX指令。2.2.3程序存儲(chǔ)器在MCS－51系列中，程序存儲(chǔ)器被用來存放程序、常數(shù)或表格等。在8051中，其片內(nèi)有4K字節(jié)的ROM存儲(chǔ)單元，地址為0000H～0FFFH。8751有4K字節(jié)的EPROM，而8052和8752那么有8K字節(jié)的片內(nèi)存儲(chǔ)器。8031和8032無片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，所以片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的有無是區(qū)分芯片的主要標(biāo)志。在程序存儲(chǔ)器中，以下6個(gè)單元具有特殊含義：

0000H：單片機(jī)復(fù)位后，PC＝0000H，程序從0000H開始執(zhí)行指令。0003H：外部中斷0入口地址。000BH：定時(shí)器0中斷入口地址。0013H：外部中斷1入口地址。001BH：定時(shí)器1中斷入口地址。0023H：串行口中斷入口地址。在系統(tǒng)中斷相應(yīng)之后，將自動(dòng)轉(zhuǎn)各中斷入口地址處執(zhí)行程序，而中斷效勞程序一般無法存放于幾個(gè)單元之內(nèi)，因此在中斷入口地址處往往存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，以便執(zhí)行中斷效勞程序。2.3MCS－51單片機(jī)輸入/輸出〔I/O〕口2.3.1P0口圖2.6給出了P0口的邏輯結(jié)構(gòu)，它由一個(gè)鎖存器、兩個(gè)三態(tài)輸入緩沖器、一個(gè)多路復(fù)用開關(guān)以及控制電路和驅(qū)動(dòng)電路等組成。圖2.6P0口的邏輯結(jié)構(gòu)P0口可以作為輸入輸出口，在實(shí)際應(yīng)用中它通常作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線。在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，P0口為真正的雙向口。

2.3.2P1口P1口是一個(gè)準(zhǔn)雙向口，通常作為I/O口使用，其位結(jié)構(gòu)圖如圖2.7。由于在其輸出端接有上拉電阻，故可以直接輸出而無需外接上拉電阻。圖2.7位結(jié)構(gòu)圖2.3.3P2口P2口位結(jié)構(gòu)圖如圖2.8。P2通用為一個(gè)準(zhǔn)雙向口，其位結(jié)構(gòu)與P0口相似。對于8031單片機(jī)來說，P2口通常用作地址信號(hào)輸出。

圖2.8P2口位結(jié)構(gòu)圖2.3.4P3口P3口的位結(jié)構(gòu)圖如圖2.9。P3口為雙功能口，當(dāng)P3口作為通用I/O口使用時(shí)，它為準(zhǔn)雙向口，且每位都可定義為輸入或輸出口，其工作原理同P1口類似。

圖2.9P3口的位結(jié)構(gòu)圖P3口還具有第二功能，其引腳描述如表2-5。表2-5P3口特殊功能口線特殊功能信號(hào)名稱P3.0RXD串行輸入口P3.1TXD串行輸出口P3.2外部中斷0輸入口P3.3外部中斷1輸入口P3.4T0定時(shí)器0外部輸入口P3.5T1定時(shí)器1外部輸入口P3.6WR寫選通輸出口P3.7RD讀選通輸出口2.4單片機(jī)的工作方式2.4.1復(fù)位及復(fù)位電路在MCS－51中，最常見的復(fù)位電路為圖2.10所示的上電復(fù)位電路，它能有效的實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位。RST引腳是復(fù)位信號(hào)輸入端，復(fù)位信號(hào)為高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩周期以上才能完成復(fù)位操作，假設(shè)使用6MHz晶振，那么需持續(xù)4μS以上才能完成復(fù)位操作。圖2.10中，在通電瞬間，由于RC的充電過程，在RST端出現(xiàn)一定寬度的正脈沖，只要該正脈沖保持10ms以上，就能使單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位，在6MHz時(shí)鐘時(shí)，通常CR取22μF，R1取200Ω，R2取1KΩ，這時(shí)能可靠的上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位。CPU在第二個(gè)機(jī)器周期內(nèi)執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位操作，以后每個(gè)機(jī)器周期重復(fù)一次，直至RST端電平變低。在單片機(jī)復(fù)位期間，AlE和信號(hào)都不產(chǎn)生。復(fù)位操作將對局部專用存放器產(chǎn)生影響。圖2.10上電復(fù)位電路

2.4.2時(shí)鐘電路和時(shí)序1.時(shí)鐘電路根據(jù)硬件電路的不同，單片機(jī)的時(shí)鐘連接方式可分為內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式，如圖2.11所示。

〔a〕內(nèi)部方式時(shí)鐘電路〔b〕外接時(shí)鐘電路圖2.11時(shí)鐘電路2.指令時(shí)序〔1〕振蕩周期振蕩周期指為單片機(jī)提供定時(shí)信號(hào)的振蕩源的周期或外部輸入時(shí)鐘的周期。〔2〕時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期又稱作狀態(tài)周期或狀態(tài)時(shí)間S，它是振蕩周期的兩倍，它分為P1節(jié)拍和P2節(jié)拍，通常在P1節(jié)拍完成算術(shù)邏輯操作，在P2節(jié)拍完成內(nèi)部存放器之間的傳送操作?！?〕機(jī)器周期一個(gè)機(jī)器周期由6個(gè)狀態(tài)組成，如果把一條指令的執(zhí)行過程分作幾個(gè)根本操作，那么將完成一個(gè)根本操作所需的時(shí)間稱作機(jī)器周期。單片機(jī)的單周期指令執(zhí)行時(shí)間就為一個(gè)機(jī)器周期?！?〕指令周期指令周期即執(zhí)行一條指令所占用的全部時(shí)間，通常為1～4個(gè)機(jī)器周期。在圖2.12中給出了MCS－51單片機(jī)的典型取指、執(zhí)行時(shí)序。圖2.12MCS－51單片機(jī)取指、執(zhí)行時(shí)序

2.4.3單片機(jī)的低功耗方式對于MCS－51系列機(jī)型來說，它們有待機(jī)方式和掉電保護(hù)方式兩種低功耗方式。通過設(shè)置電源控制存放器PCON的相關(guān)位可以確定當(dāng)前的低功耗方式。PCON存放器格式如下：其中SMOD：波特率倍增位GF0，GF1：通用標(biāo)志位PD：掉電方式位，PD＝1為掉電方式IDL：待機(jī)方式位，IDL＝1為待機(jī)方式位序B7B6B5B4B3B2B1B0位符號(hào)SMOD///GF1GF0PDIDL1.

待機(jī)方式將PCON存放器的IDL位置“1〞，單片機(jī)那么進(jìn)入待機(jī)方式。通常在待機(jī)方式下，單片機(jī)的中斷仍然可以使用，這樣可以通過中斷觸發(fā)方式退出待機(jī)模式。2.

掉電保護(hù)方式將PCON存放器的PD位置“1〞，單片機(jī)那么進(jìn)入掉電保護(hù)方式。如果單片機(jī)檢測到電源電壓過低，此時(shí)除進(jìn)行信息保護(hù)外，還需將PD位被置“1〞，使單片機(jī)進(jìn)入掉電保護(hù)方式。第三章

MCS-51單片機(jī)指令系統(tǒng)

3.1MCS-51單片機(jī)指令格式一條匯編語言指令中最多包含4個(gè)區(qū)段，如下所示：標(biāo)號(hào)：操作碼目的操作數(shù)，源操作數(shù)；注釋標(biāo)號(hào)與操作碼之間“:〞隔開；操作碼與操作數(shù)之間用“空格〞隔開；目的操作數(shù)和源源操作數(shù)之間有“，〞分隔；操作數(shù)與注釋之間用“；〞隔開。3.1MCS-51單片機(jī)指令格式 標(biāo)號(hào)是由用戶定義的符號(hào)組成，必須用英文大寫字母開始。標(biāo)號(hào)可有可無，假設(shè)一條指令中有標(biāo)號(hào)，標(biāo)號(hào)代表該指令所存放的第一個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)單元的地址，故標(biāo)號(hào)又稱為符號(hào)地址，在匯編時(shí)，把該地址賦值給標(biāo)號(hào)。 操作碼是指令的功能局部，不能缺省。MCS—51指令系統(tǒng)中共有42種助記符，代表了33種不同的功能。例如MOV是數(shù)據(jù)傳送的助記符。 操作數(shù)是指令要操作的數(shù)據(jù)信息。根據(jù)指令的不同功能，操作數(shù)的個(gè)數(shù)有3、2、1或沒有操作數(shù)。例如MOVA，#20H，包含了兩個(gè)操作數(shù)A和#20H，它們之間用“，〞隔開。注釋可有可無，參加注釋主要為了便于閱讀，程序設(shè)計(jì)者對指令或程序段作簡要的功能說明，在閱讀程序或調(diào)試程序時(shí)將會(huì)帶來很多方便。3.2尋址方式

所謂尋址方式，通常是指某一個(gè)CPU指令系統(tǒng)中規(guī)定的尋找操作數(shù)所在地址的方式，或者說通過什么的方式找到操作數(shù)。尋址方式的方便與快捷是衡量CPU性能的一個(gè)重要方面，MCS—51單片機(jī)有七種尋找方式。

3.2.1立即數(shù)尋址

立即尋址方式是操作數(shù)包括在指令字節(jié)中，指令操作碼后面字節(jié)的內(nèi)容就是操作數(shù)本身，其數(shù)值由程序員在編制程序時(shí)指定，以指令字節(jié)的形式存放在程序存儲(chǔ)器中。立即數(shù)只能作為源操作數(shù)，不能當(dāng)作目的操作數(shù)。

例如：MOVA，#52H；A52H MOVDPTR，#5678H；DPTR5678H立即尋址示意圖如3.1所示。

圖3.1立即尋址示意圖3.2.2直接尋址 在指令中含有操作數(shù)的直接地址，該地址指出了參與操作的數(shù)據(jù)所在的字節(jié)地址或位地址。 例如： MOVA，52H；把片內(nèi)RAM字節(jié)地址52H單元的內(nèi) 容送累加器A中。 MOV52H，A；把A的內(nèi)容傳送給片內(nèi)RAM的52H 單元中。 MOV50H，60H；把片內(nèi)RAM字節(jié)地址60H單元的內(nèi) 容送到50H單元中。 MOVIE，#40H；把立即數(shù)40H送到中斷允許存放器 IE。IE為專用功能存放器，其字節(jié) 地址為0A8H。該指令等價(jià)于MOV 0A8H，#40H。 INC60H；將地址60H單元中的內(nèi)容自加1。圖3.2直接尋址方式示意圖3.2.3存放器尋址 由指令指出某一個(gè)存放器中的內(nèi)容作為操作數(shù)，這種尋址方式稱為存放器尋址。存放器一般指累加器A和工作存放器R0~R7。例如： MOVA，Rn；A〔Rn〕其中n為0~7之一， Rn是工作存放器。 MOVRn，A；Rn〔A〕 MOVB，A；B〔A〕3.2.4存放器間接尋址方式由指令指出某一個(gè)存放器的內(nèi)容作為操作數(shù)，這種尋址方式稱為存放器間接尋址。存放器間接尋址只能使用存放器Ro或Rl作為地址指針，來尋址內(nèi)部RAM(00H～FFH)中的數(shù)據(jù)。存放器間接尋址也適用于訪問外部RAM，可使用R0，Rl或DPTR作為地址指針。存放器間接尋址用符號(hào)“@〞表示。例如：MOVR0，#60H；R060HMOVA，@R0；A((R0))MOVA，@R1；A((R1)) 例如：MOVDPTR，#3456H；DPTR3456HMOVXA，＠DPTR；A〔〔DPTR〕〕是把DPTR存放器所指的那個(gè)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器〔RAM〕的內(nèi)容傳送給A，假設(shè)〔3456H〕=99H，指令運(yùn)行后〔A〕=99H。圖3.3存放器間接尋址方式示意圖3.2.5位尋址 MCS-51單片機(jī)中設(shè)有獨(dú)立的位處理器。位操作指令能對內(nèi)部RAM中的位尋址區(qū)〔20H～2FH〕和某些有位地址的特殊功能存放器進(jìn)行位操作。 SETBTR0；TR01 CLR00H；(00H)0 MOVC，57H；將57H位地址的內(nèi)容傳送到 位累加器C中ANLC，5FH；將5FH位狀態(tài)與進(jìn)位位C相與， 結(jié)果在C中3.2.6基址存放器加變址存放器間接尋址這種尋址方式用于訪問程序存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)表格，它以基址存放器〔DPTR或PC〕的內(nèi)容為根本地址，加上變址存放器A的內(nèi)容形成16位的地址，訪問程序存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)表格。例如:MOVCA，＠A+DPTRMOVCA，＠A+PCJMP＠Ａ＋DPTR MOVCA，@A+DPTR

圖3.4變址尋址方式示意圖3.2.7相對尋址

相對尋址以程序計(jì)數(shù)器PC的當(dāng)前值作為基地址，與指令中給出的相對偏移量rel進(jìn)行相加，把所得之和作為程序的轉(zhuǎn)移地址。例如：

JZLOOP DJNER0，DISPLAY3.3指令系統(tǒng)

3.3.1指令分類MCS-51指令系統(tǒng)有42種助記符，代表了33種功能，指令助記符與各種可能的尋址方式相結(jié)合，共構(gòu)成111條指令。 按指令的功能，MCS-51指令系統(tǒng)可分為以下5類： 〔1〕數(shù)據(jù)傳送類指令〔29條〕 〔2〕算術(shù)運(yùn)算類指令〔24條〕 〔3〕邏輯運(yùn)算及移位類指令〔24條〕 〔4〕位操作類指令〔17條〕 〔5〕控制轉(zhuǎn)移類指令〔17條〕3.3.1指令分類 在分類介紹指令前，先把描述指令的一些符號(hào)的意義作一簡單介紹。Rn―當(dāng)前選定的存放器區(qū)中的8個(gè)工作存放器R0～R7，即n=0～7。Ri―當(dāng)前選定的存放器區(qū)中的2個(gè)存放器R0,R1,i=0、1。 Direct—8位內(nèi)部RAM單元的地址，它可以是一個(gè)內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)RAM單元〔00H～7FH〕或特殊功能存放器地址〔I/O端口、控制存放器、狀態(tài)存放器80H～0FFH〕。 #data—指令中的8位常數(shù)。 #data16—指令中的16位常數(shù)。 addr16—16位的目的地址，用于LJMP、LCALL，可指向64KB程序存儲(chǔ)器的地址空間。 addr11—11位的目的地址，用于AJMP、ACALL指令。目的地址必須與下一條指令的第一個(gè)字節(jié)在同一個(gè)2KB程序存儲(chǔ)器地址空間之內(nèi)。 rel—8位帶符號(hào)的偏移量字節(jié)，用于SJMP和所有條件轉(zhuǎn)移指令中。偏移量相對于下一條指令的第一個(gè)字節(jié)計(jì)算，在—128～+127范圍內(nèi)取值。 bit—內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM或特殊功能存放器中的可直接尋址位。 DPTR—數(shù)據(jù)指針，可用作16位的地址存放器。 A—累加器 B—存放器，用于MUL和DIV指令中。 C—進(jìn)位標(biāo)志或進(jìn)位位。 ＠—間接存放器或基址存放器的前綴，如＠Ri，＠DPTR。 ／—位操作的前綴，表示對該位取反。 〔X〕—X中的內(nèi)容。 〔〔X〕〕—由X尋址的單元中的內(nèi)容。 ←—箭頭左邊的內(nèi)容被箭頭右邊的內(nèi)容所替代。3.3.2數(shù)據(jù)傳送類指令 數(shù)據(jù)傳送類指令一般的操作是把源操作數(shù)傳送到指令所指定的目標(biāo)地址。指令執(zhí)行后，源操作數(shù)保持不變，目的操作數(shù)為原操作數(shù)所替代數(shù)據(jù)傳送類指令用到的助記符有：MOV，MOVX，MOVC，XCH，XCHD，PUSH，POP，SWAP。 數(shù)據(jù)一般傳送指令的助記符“MOV〞表示 格式：MOV[目的操作數(shù)]，[源操作數(shù)] 功能：目的操作數(shù)〔源操作數(shù)中的數(shù)據(jù)〕 源操作數(shù)可以是：A、Rn、direct、@Ri、#data 目的操作數(shù)可以是：A、Rn、direct、@Ri 數(shù)據(jù)傳送指令一般不影響標(biāo)志，只有一種堆棧操作可以直接修改程序狀態(tài)字PSW，這樣，可能使某些標(biāo)志位發(fā)生變化。1．以累加器為目的操作數(shù)的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送指令

MOVA，Rn；A（Rn）MOVA，direct；A（direct）MOVA，@Ri；A（（Ri））MOVA，#data；Adata2．?dāng)?shù)據(jù)傳送到工作存放器Rn的指令MOVRn，A；Rn（A）MOVRn，direct；Rn（direct）MOVRn，#data；Rndata3．?dāng)?shù)據(jù)傳送到內(nèi)部RAM單元或特殊功能存放器SFR的指令MOVdirect，A；direct（A）MOVdirect，Rn ；direct（Rn）MOVdirect1，direct2 ；direct１（direct2）MOVdirect，@Ri；direct（（Ri））MOVdirect，#data ；direct#dataMOV@Ri，A ；（Ri（Ａ）MOV@Ri，direct ；（Ri）（direct）MOV@Ri，#data ；（Ri）dataMOVDPTR，#data16 ；DPTRdata16片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM及存放器的數(shù)據(jù)傳送指令MOV、PUSH和POP共18條，如圖3.5所示。4．累加器A與外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間的傳送指令片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)傳送指令MOVX共4條，如圖3.6所示。MOVXA，@DPTR；A（DPTR）MOVXA，@Ri ；A（（Ri））MOVX@DPTR，A；（DPTR）AMOVX@Ri，A；（Ri）A圖3.6片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)傳送指令

5．程序存儲(chǔ)器內(nèi)容送累加器 MOVCA，＠A+PC MOVCA，＠A+DPTR程序存儲(chǔ)器查表指令MOVC共2條，如圖3.7所示。圖3.7片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)傳送指令6．堆棧操作指令 PUSHdirect POPdirect例如：進(jìn)入中斷效勞程序時(shí)，把程序狀態(tài)存放器PSW、累加器A、數(shù)據(jù)指針DPTR進(jìn)棧保護(hù)。設(shè)當(dāng)前SP為60H。那么程序段 PUSHPSW PUSHACC PUSHDPL PUSHDPH執(zhí)行后，SP內(nèi)容修改為64H，而61H、62H、63H、64H單元中依次棧入PSW、A、DPL、DPH的內(nèi)容，當(dāng)中斷效勞程序結(jié)束之前，如下程序段〔SP保持64H不變〕 POPDPH POPDPL POPACC POPPSW指令執(zhí)行之后，SP內(nèi)容修改為60H，而64H、63H、62、61H單元的內(nèi)容依次彈出到DPH、DPL、A、PSW中。7．字節(jié)交換指令數(shù)據(jù)交換主要是在內(nèi)部RAM單元與累加器A之間進(jìn)行，有整字節(jié)和半字節(jié)兩種交換。 〔1〕整字節(jié)交換指令XCHA，Rn；（A）（Rn）XCHA，direct；（A）（direct）XCHA，@Ri；（A）（（Ri））〔2〕半字節(jié)交換指令 字節(jié)單元與累加器A進(jìn)行低4位的半字節(jié)數(shù)據(jù)交換。只有一條指令。 XCHDA，@Ri

〔3〕累加器上下半字節(jié)交換指令只有一條指令： SWAPA【例3-1】〔R0〕＝30H，〔A〕＝65H，〔30H〕＝8FH執(zhí)行指令：XCHA，@R0;(R0〕＝30H,〔A〕＝8FH,〔30H〕＝65HXCHDA，＠R0;〔R0〕＝30H,〔A〕＝6FH,〔30H〕＝85HSWAPA;〔A〕＝56H 數(shù)據(jù)交換指令XCH、XCHD、和SWAP共5條，如圖3.8所示。

圖3.8數(shù)據(jù)交換指令3.3.3算術(shù)運(yùn)算類指令1．加法指令加法指令分為普通加法指令、帶進(jìn)位加法指令和加1指令?！?〕普通加法指令A(yù)DDA，Rn；A（A）+（Rn）ADDA，direct；A（A）+（direct）ADDA，@Ri;A（A）+（（Ri））ADDA，#data；A（A）+data【例3-2】〔A〕=85H，R0=20H，〔20H〕=0AFH，執(zhí)行指令：ADDA，@R010000101 +10101111100110100結(jié)果：〔A〕=34H；Cy=1；AC=1；OV=1。 對于加法，溢出只能發(fā)生在兩個(gè)加數(shù)符號(hào)相同的情況。在進(jìn)行帶符號(hào)數(shù)的加法運(yùn)算時(shí)，溢出標(biāo)志OV是一個(gè)重要的編程標(biāo)志，利用它可以判斷兩個(gè)帶符號(hào)數(shù)相加，和數(shù)是否溢出?！?〕帶進(jìn)位加法指令

【例3-3】〔A〕=85H，〔20H〕=0FFH，Cy=1執(zhí)行指令：ADDCA，20H 結(jié)果：〔A〕=85H；Cy=1；AC=1；OV=0。ADDCA，Rn；A（A）+（Rn）+（Cy）ADDCA，direct；A（A）+（direct）+（Cy）ADDCA，@Ri；A（A）+（（Ri））+（Cy）ADDCA，#data；A（A）+data+（Cy）〔3〕增量指令【例3-4】〔A〕＝12H，〔R3〕＝0FH，〔35H〕＝4AH，〔R0〕＝56H，〔56H〕＝00H執(zhí)行如下指令： INCA；執(zhí)行后〔A〕＝13HINCR3；執(zhí)行后〔R3〕＝10HINC35H；執(zhí)行后〔35H〕＝4BHINC＠R0；執(zhí)行后〔56H〕＝01HINCA；A（A）+1INCRn；Rn（Rn）+1INCdirect；direct（direct）+1INC@Ri；（Ri）（（Ri））+1INCDPTR；DPTR（DPTR）+1〔4〕十進(jìn)制調(diào)整指令 DAA 執(zhí)行該指令時(shí)，判斷A中的低4位是否大于9，假設(shè)滿足大于那么低4位做加6操作； 同樣，A中的高4位大于9那么高4位加6操作。 例如：有兩個(gè)BCD數(shù)36與45相加，結(jié)果應(yīng)為BCD碼81，程序如下： MOVA，#36H ADDA，#45H DAA 得結(jié)果7BH；第三條指令對累加器A進(jìn)行十進(jìn)制調(diào)整，低4位〔為0BH〕大于9，因此要加6，最后得到調(diào)整的BCD碼81。2．減法指令〔1〕帶進(jìn)位減法指令〔2〕減1指令SUBBA，Rn；A（A）－（Rn）－（Cy）SUBBA，direct；A（A）－（direct）－（Cy）SUBBA，@Ri；A（A）－（Ri）－（Cy）SUBBA，#data；A（A）－data－（Cy）DECA；A（A）－1DECRn；Rn（Rn）－1DECdirect；direct（direct）－1DEC@Ri；（Ri）（（Ri））－13.乘法指令乘法指令完成單字節(jié)的乘法，只有一條指令： MULAB【例3-5】〔A〕＝50H，〔B〕＝0A0H，執(zhí)行指令： MULAB結(jié)果：〔B〕＝32H，〔A〕＝00H〔即乘積為3200H〕， Cy＝0，OV＝1。

4.除法指令除法指令完成單字節(jié)的除法，只有一條指令：DIVAB算術(shù)運(yùn)算類指令包括：ADD、ADDC、SUBB、MUL、DIV、INC、DEC和DA，如圖3.9所示。

圖3.9算術(shù)運(yùn)算類指令

3.3.4邏輯運(yùn)算指令1．簡單邏輯操作指令

CLRA；對累加器A清“0”CPLA；對累加器A按位取反RLA；累加器A的內(nèi)容向左循環(huán)移1位RLCA；累加器A的內(nèi)容帶進(jìn)位標(biāo)志向左循環(huán)移1位RRA；累加器A的內(nèi)容向右循環(huán)移1位RRCA；累加器A的內(nèi)容帶進(jìn)位標(biāo)志向右循環(huán)移1位

循環(huán)左移指令示意圖：RLA循環(huán)右移指令示意圖：RRA帶進(jìn)位的循環(huán)左移指令示意圖：RLCA帶進(jìn)位的循環(huán)右移指令示意圖：RRCA2．邏輯與指令【例3-6】〔A〕＝37H，〔R0〕＝0A9H執(zhí)行指令：ANLA，R0結(jié)果：〔A〕＝21HANLA，Rn；A（A）（Rn）ANLA，direct；A（A）（direct）ANLA，@Ri；A（A）（（Ri））ANLA，#data；A（A）dataANLdirect，A；direct（direct）（A）ANLdirect，#data；direct（direct）data3．邏輯或指令【例3-7】〔A〕＝37H，〔P1〕＝09H執(zhí)行指令： ORLP1，A結(jié)果：〔A〕＝3FHORLA，Rn；A（A）（Rn）ORLA，direct；A（A）（direct）ORLA，@Ri；A（A）（（Ri））ORLA，#data；A（A）dataORLdirect，A；direct（direct）（A）ORLdirect，#data；direct（direct）data4．邏輯異或指令

XRLA，Rn；A（A）（Rn）XRLA，direct；A（A）（direct）XRLA，@Ri；A（A）（（Ri））XRLA，#data；A（A）dataXRLdirect，A；direct（direct）（A）XRLdirect，#data；direct（direct）data圖3.10邏輯運(yùn)算類指令

3.3.5控制轉(zhuǎn)移指令

1.無條件轉(zhuǎn)移指令〔1〕絕對轉(zhuǎn)移指令 AJMPaddr11這是2KB范圍內(nèi)的無條件跳轉(zhuǎn)指令，執(zhí)行該指令時(shí)，先將PC+2，然后將addr11送入PC10～PC0，而PC15～PC11保持不變。操作過程可表示為：PC〔PC〕＋2PC10～0addr11〔2〕相對轉(zhuǎn)移指令SJMPrel執(zhí)行指令時(shí)，先將PC+2，再把指令中帶符號(hào)的偏移量加到PC上，得到跳轉(zhuǎn)的目的地址送入PC。目標(biāo)地址=源地址+2+rel〔3〕長跳轉(zhuǎn)指令 LJMPaddr16；PCaddr16 執(zhí)行該指令時(shí)，將16位目標(biāo)地址addr16裝入PC，程序無條件轉(zhuǎn)向指定的目標(biāo)地址。轉(zhuǎn)移指令的目標(biāo)地址可在64KB程序存儲(chǔ)器地址空間的任何地方，不影響任何標(biāo)志。〔4〕間接轉(zhuǎn)移指令〔散轉(zhuǎn)指令〕 JMP@A+DPTR ；PC〔A〕＋〔DPTR〕條件轉(zhuǎn)移指令比較轉(zhuǎn)移指令在MCS-51中沒有專門的比較指令，但提供了下面4條比較不相等轉(zhuǎn)移指令；

減1不為0轉(zhuǎn)移指令DJNZRn，rel ；Rｎ〔Rｎ〕－10轉(zhuǎn)移DJNZdirect，rel；direct〔direct〕－10轉(zhuǎn)移JZrel；（A）=0轉(zhuǎn)移JNZrel；（A）≠0轉(zhuǎn)移CJNEA，direct，rel ；（A）（direct）轉(zhuǎn)移CJNEA，#data，rel ；（A）data轉(zhuǎn)移CJNERn，#data，rel；（Rn）data轉(zhuǎn)移CJNE@Ri，#data，rel；（（Ri））data轉(zhuǎn)移5.調(diào)用及返回指令 〔1〕絕對調(diào)用指令 ACALLaddr11 執(zhí)行該指令時(shí)，PCPC＋2SP〔SP〕＋1，〔SP〕〔PC〕7～0SP〔SP〕＋1，〔SP〕〔PC〕15～8PC10～0addr11〔2〕長調(diào)用指令 LCALLaddr16這條指令無條件調(diào)用位于16位地址addr16的子程序。其操作過程如下： PCPC＋3SP〔SP〕＋1，〔SP〕〔PC〕7～0SP〔SP〕＋1，〔SP〕〔PC〕15～8PC10～0addr16〔3〕子程序返回指令 RET