單片機第二章2課件

上節(jié)回顧:從一個簡單的測控應(yīng)用實例說起介紹單片機技術(shù)的重要性、實用性單片機的基本概念單片機與計算機之異同單片機的發(fā)展概況單片機的特點和應(yīng)用本節(jié)主要內(nèi)容:2.2單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.2單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MCS-51單片機的主要特點（1）擴大了內(nèi)部程序存儲器（ROM）和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）的容量。（2）具有布爾代數(shù)運算能力。（3）具有32條雙向可被獨立尋址的I/O口。（4）具有5～6個中斷源，可分為2個中斷優(yōu)先級。（5）具有豐富的指令系統(tǒng)。（6）具有全雙工傳輸信號UART。（7）片內(nèi)具有時鐘振蕩電路。（8）燒寫工藝上采用可一次性燒寫的內(nèi)含ROM或可重復(fù)燒寫的EPROM。2.2.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)微計算機組成微處理器CPUROMRAMI/O接口外設(shè)地址總線AB數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB微型機組成框圖1．CPU

CPU也叫中央處理器，是單片機的核心部件，主要完成單片機的運算和控制功能。（1）運算器：包括算術(shù)邏輯單元ALU、布爾處理器、累加器ACC、寄存器B、暫存器TMP1和TMP2、程序狀態(tài)字PSW寄存器及十進制調(diào)整電路等。（2）控制器：包括定時控制邏輯、指令寄存器、譯碼器以及信息傳送控制部件等，以實現(xiàn)控制功能。

2．內(nèi)部存儲器

單片機內(nèi)的存儲器包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，它們是相互獨立。（1）程序存儲器（ROM）：為只讀存儲器，用于存放程序指令，常數(shù)及數(shù)據(jù)表格。（2）數(shù)據(jù)存儲器（RAM）：為隨機存儲器，用于存放數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲器又可分為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器。在單片機內(nèi)部有256個RAM單元來存放可讀寫的數(shù)據(jù)，其中，后128單元被專用寄存器占用，作為寄存器供用戶使用的只是前128單元。

3．定時/計數(shù)器

MCS-51單片機內(nèi)部有2個16位的定時器/計數(shù)器，用于實現(xiàn)內(nèi)部定時或外部計數(shù)的功能；并以其定時或計數(shù)的結(jié)果（查詢或中斷方式）來實現(xiàn)控制功能。

6．全雙工串行口MCS-51單片機還有一個全雙工的串行口，以實現(xiàn)單片機與外部之間的串行數(shù)據(jù)傳送。7．OSCOSC是單片機的時鐘電路。時鐘電路用于單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列，協(xié)調(diào)和控制單片機的工作。MCS-51系列單片機分類

資源配置子系列片內(nèi)ROM形式片內(nèi)

ROM容量片內(nèi)RAM容量定時/計數(shù)器中斷源

無ROMEPROME2PROM51子系列80318051875189514KB128B2×16552子系列80328052875289528KB256B3×1662.2.2引腳定義及功能

805112345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221

P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VssVccP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3口的特殊功能

單片機引腳（5）VDD（40腳）：+5V電源。（6）VSS（20腳）：GND（7）XTAL1（19腳）

XTAL2（18腳）：接外部石英晶振的引腳，也可引入外部時鐘。（8）RESET（9腳）：復(fù)位信號引腳。必須在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平，才能保證單片機可靠的復(fù)位。復(fù)位后，單片機內(nèi)部各寄存器的狀態(tài)見表2-2所示。復(fù)位后單片機寄存器的內(nèi)容

單片機引腳（10）PSEN（29腳）：外部程序存儲器的讀選通信號。（11）/VPP（腳31）：訪問程序存儲器控制信號。當(dāng)信號接低電平時，對ROM的讀操作（執(zhí)行程序）限定在外部程序儲器。當(dāng)接高電平時，對ROM的讀操作（執(zhí)行程序）從內(nèi)部開始。在使用內(nèi)部帶程序存儲器的單片機時，應(yīng)接高電平。2.3單片機的存儲器結(jié)構(gòu)（1）內(nèi)部程序存儲器（ROM）：用來存放程序和表格常數(shù)。8051為4KB、8052為8KB。（2）內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）：用來存放運算過程中的數(shù)據(jù)。包括寄存器在內(nèi)，8051/31為128字節(jié)、8052/32為256字節(jié)。（3）外部程序存儲器（ROM）：用來存放程序。最大可擴展64KB空間（包括內(nèi)部ROM）。（4）外部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）：在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中可存放大量的數(shù)據(jù)。最大可擴展64KB空間（不包括內(nèi)部RAM）。1．內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器

2.3.1內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器及專用寄存器內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器在結(jié)構(gòu)上可分為兩個不同的存儲空間,即低128單元的數(shù)據(jù)存儲器空間（00H～7FH）和高128單元的具有特殊功能的專用寄存器存貯器空間（80H～0FFH）。（1）B寄存器B寄存器是一個8位寄存器，即可作為一般寄存器使用，也可用于乘除運算。做乘法運算時，B是乘數(shù)。乘法操作后，乘積的高8位存于B中。做除法運算時，B存放除數(shù)。除法操作后，余數(shù)存放在B中。（2）累加器ACC（Accumulator）累加器A是在編程操作中最常用的專用寄存器，功能較多，可按位尋址。（3）程序狀態(tài)字PSW（ProgramStatusWord）CY：進位標(biāo)志。

加減運算時，保存最高位進位、借位狀態(tài)。

AC：半進位標(biāo)志。

例：78H+97H01111000+10010111100001111有進位CY=1沒有半進位AC=0（7）SCON寄存器串行控制寄存器

（8）SBUF寄存器串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF用于利用串行口進行發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)，在硬件上，實際上由兩個獨立的寄存器組成，一個是發(fā)送緩沖器，另一個是接收緩沖器。

（9）定時器0和定時器1寄存器TCON：定時器控制寄存器。TMOD：定時器方式寄存器。TL0、TH0：定時器0寄存器。TL1、TH1：定時器1寄存器。（10）P0～P3端口寄存器（11）棧指針SP寄存器棧指針SP寄存器指示出堆棧頂部在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器中的位置。系統(tǒng)復(fù)位后，SP初始化為07H，如果不重新設(shè)置，就使得堆棧由08H單元開始。但08H～1FH單元屬于工作寄存器區(qū)，所以在程序設(shè)計中，最好把SP的值設(shè)置的大一些，一般將堆棧開辟在30H～7FH區(qū)域中。SP的值越小，堆棧容量就越大，但最大為128字節(jié)。（12）數(shù)據(jù)指針DPTR寄存器數(shù)據(jù)指針DPTR由兩個8位寄存器DPH和DPL組合而成一個16位專用寄存器，其中DPH為DPTR的高8位，DPL為DPTR的低8位。

3.程序計數(shù)器PC程序計數(shù)器PC中存儲的是將要執(zhí)行的指令地址，是一個16位的計數(shù)器。尋址范圍達(dá)64KB。2.3.3程序存儲器2.4單片機并行I／O口

8051單片機有4個I/O端口，每個端口都是8位準(zhǔn)雙向口，共占32根引腳。每個端口都包括一個鎖存器(即專用寄存器P0～P3)、一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器。通常把4個端口籠統(tǒng)地表示為P0～P3。2.4.1P0口的結(jié)構(gòu)及特點

P0口的某位P0.n(n=0~7)結(jié)構(gòu)圖，它由一個輸出鎖存器、兩個三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動電路及控制電路組成。從圖中可以看出，P0口既可以作為I/O用，也可以作為地址/數(shù)據(jù)線用。DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳1、P0口作為普通I/O口①輸出時CPU發(fā)出控制電平“0”封鎖“與”門，將輸出上拉場效應(yīng)管T1截止，同時使多路開關(guān)MUX把鎖存器與輸出DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳驅(qū)動場效應(yīng)管T2柵極接通。故內(nèi)部總線與P0口同相。由于輸出驅(qū)動級是漏極開路電路，若驅(qū)動NMOS或其它拉流負(fù)載時，需要外接上拉電阻。P0的輸出級可驅(qū)動8個LSTTL負(fù)載。DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳②輸入時----分讀引腳或讀鎖存器讀引腳：由傳送指令(MOV)實現(xiàn)；

下面一個緩沖器用于讀端口引腳數(shù)據(jù)，當(dāng)執(zhí)行一條由端口輸入的指令時，讀脈沖把該三態(tài)緩沖器打開，這樣端口引腳上的數(shù)據(jù)經(jīng)過緩沖器讀入到內(nèi)部總線。DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳②輸入時----分讀引腳或讀鎖存器讀鎖存器：有些指令如：ANLP0，A稱為“讀-改-寫”指令，需要讀鎖存器。

上面一個緩沖器用于讀端口鎖存器數(shù)據(jù)。**原因：如果此時該端口的負(fù)載恰是一個晶體管基極，且原端口輸出值為1，那么導(dǎo)通了的PN結(jié)會把端口引腳高電平拉低；若此時直接讀端口引腳信號，將會把原輸出的“1”電平誤讀為“0”電平?，F(xiàn)采用讀輸出鎖存器代替讀引腳，圖中，上面的三態(tài)緩沖器就為讀鎖存器Q端信號而設(shè)，讀輸出鎖存器可避免上述可能發(fā)生的錯誤。**DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳準(zhǔn)雙向口：

從圖中可以看出，在讀入端口數(shù)據(jù)時，由于輸出驅(qū)動FET并接在引腳上，如果T2導(dǎo)通，就會將輸入的高電平拉成低電平，產(chǎn)生誤讀。所以在端口進行輸入操作前，應(yīng)先向端口鎖存器寫“1”，使T2截止，引腳處于懸浮狀態(tài)，變?yōu)楦咦杩馆斎?。這就是所謂的準(zhǔn)雙向口。

2、P0作為地址/數(shù)據(jù)總線在系統(tǒng)擴展時，P0端口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用時，分為：

P0引腳輸出地址/數(shù)據(jù)信息。

DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳CPU發(fā)出控制電平“1”，打開“與”門，又使多路開關(guān)MUX把CPU的地址/數(shù)據(jù)總線與T2柵極反相接通，輸出地址或數(shù)據(jù)。由圖上可以看出，上下兩個FET處于反相，構(gòu)成了推拉式的輸出電路，其負(fù)載能力大大增強。DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳2、P0作為地址/數(shù)據(jù)總線

P0引腳輸出地址/輸入數(shù)據(jù)輸入信號是從引腳通過輸入緩沖器進入內(nèi)部總線。此時，CPU自動使MUX向下，并向P0口寫“1”，“讀引腳”控制信號有效，下面的緩沖器打開，外部數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部總線。2、P0作為地址/數(shù)據(jù)總線----真正的雙向口DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳2.4.2.P1口的結(jié)構(gòu)及特點

它由一個輸出鎖存器、兩個三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動電路組成----準(zhǔn)雙向口。DQCLKQP1.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP1口引腳2.4.3.P2口的結(jié)構(gòu)及特點

1.P2口作為普通I/O口DQCLKQMUXP2.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址控制VCCRTP2口引腳CPU發(fā)出控制電平“0”，使多路開關(guān)MUX倒向鎖存器輸出Q端，構(gòu)成一個準(zhǔn)雙向口。其功能與P1相同。

2.P2口作為地址總線在系統(tǒng)擴展片外程序存儲器擴展數(shù)據(jù)存儲器且容量超過256B(用MOVX@DPTR指令)時，CPU發(fā)出控制電平“1”，使多路開關(guān)MUX倒內(nèi)部地址線。此時，P2輸出高8位地址。DQCLKQMUXP2.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址控制VCCRTP2口引腳2.4.4.P3口的結(jié)構(gòu)及特點

DQCLKQP3.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP3口引腳第二輸入功能第二輸出功能一、作為通用I/O口與P1口類似----準(zhǔn)雙向口(W=1)WP3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DQCLKQP3.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP3口引腳第二輸入功能第二輸出功能二、P3第二功能(Q=1)此時引腳部分輸入(Q=1、W=1)

,部分輸出(Q=1、W輸出)。WP3第二功能各引腳功能定義：P3.0：RXD串行口輸入P3.1：TXD串行口輸出P3.2：INT0外部中斷0輸入P3.3：INT1外部中斷1輸入P3.4：T0定時器0外部輸入P3.5：T1定時器1外部輸入P3.6：WR外部寫控制P3.7：RD外部讀控制2.5單片機的時鐘與時序2.5.1時鐘電路單片機的各項工作都是在時鐘信號的控制下協(xié)調(diào)工作的，單片機的時鐘電路可為單片機提供一個時鐘信號，根據(jù)連接方式的不同，時鐘電路可分為內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。時鐘的連接XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和兩個微調(diào)電容，和芯片內(nèi)部的振蕩器電路構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，

2.5.2單片機的CPU時序MCS-51包括4個定時單位，它們分別是：振蕩周期（節(jié)拍）、時鐘周期（狀態(tài)周期）、機器周期和指令周期。單片機兩種常用晶振的4個周期信號的對比見表2-7所示。

1.振蕩周期振蕩周期也叫節(jié)拍，用P表示，振蕩周期是指為單片機提供定時信號的振蕩源的周期。是時序中最小的時間單位。例如：若某單片機時鐘頻率為2MHz，則它的振蕩周期應(yīng)為0.5μs。2.時鐘周期時鐘周期又叫做狀態(tài)周期，用S表示。是振蕩周期的二倍，其前半周期對應(yīng)的節(jié)拍叫P1拍，后半周期對應(yīng)的節(jié)拍叫P2。P1節(jié)拍通常完成算術(shù)、邏輯運算，P2節(jié)拍通常完成傳送指令。

3.機器周期機器周期是實現(xiàn)特定功能所需的時間周期，通常有若干時鐘周期構(gòu)成。MCS-51的一個機器周期是固定不變的，寬度均由6個狀態(tài)周期（12個振蕩周期）組成，并依次表示為S1～S6，分別記作S1P1、S1P2～S6P1、S6P2。4.指令周期指令周期是最大的時序定時單位，指令周期是指執(zhí)行一條指令需要的時間。通常MCS-51的指令周期可以包含有1～4個機器周期。MCS-51的幾種典型的指令時序如圖2-15所示，每個機器周期內(nèi)地址鎖存信號（ALE）產(chǎn)生兩次有效信號，分別出現(xiàn)在S1P2、S2P1期間與S4P2、S5P1期間。

指令時序2.6.2節(jié)電工作方式

MCS-51單片機中有HMOS和CHMOS兩種工藝芯片，它們的節(jié)電運行方式不同，HMOS單片機的節(jié)電方式只有掉電方式，CHMOS單片機的節(jié)電工作方式有掉電方式和空閑方式兩種。2.6單片機的工作方式2.6.1程序執(zhí)行方式

1．連續(xù)執(zhí)行方式

2．單步運行方式

3.復(fù)位方式

1．HMOS的掉電工作方式

掉電工作方式是指由于電源的故障使電源電壓丟失或工作電壓低于正常值，使單片機系統(tǒng)不能正常運行，若不采取保護措施，將丟失RAM和寄存器中的全部數(shù)據(jù)，后果嚴(yán)重。為此MCS-51系列單片機設(shè)置有掉電保護措施，進行掉電保護處理。具體做法是：檢測電路一旦發(fā)現(xiàn)掉電，通過外部中斷源向CPU發(fā)出中斷請求，CPU響應(yīng)此中斷請求，調(diào)用中斷服務(wù)子程序，由中斷服務(wù)子程序?qū)⒅匾獢?shù)據(jù)送內(nèi)部RAM轉(zhuǎn)存，立即先把程序運行過程中有用信息轉(zhuǎn)存到RAM，然后啟用備用電源維持RAM供電。

2．CHMOS的節(jié)電工作方式

單片機還設(shè)計有待機和掉電兩種節(jié)電工作方式，特別