《單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)》第4章課件

本章小結(jié)4.1MCS-51系列及80C51系列單片機(jī)簡(jiǎn)介4.280C51系列單片機(jī)外引腳功能4.380C51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.4低功耗運(yùn)行方式4.580C51單片機(jī)最小系統(tǒng)4.1MCS-51系列及80C51系列單片機(jī)簡(jiǎn)介4.1.1MCS-51系列和80C51系列單片機(jī)MCS是Intel公司單片機(jī)系列的符號(hào)。Intel公司推出有MCS-48、MCS-51、MCS-96系列單片機(jī)。其中MCS-51系列單片機(jī)典型機(jī)型包括51和52兩個(gè)子系列，其內(nèi)部組成如下圖。MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)部組成在51子系列中，主要有8031、8051、875l三種機(jī)型，基于HMOS工藝，它們的指令系統(tǒng)與芯片引腳完全兼容，只是片內(nèi)程序存儲(chǔ)器〔ROM,ReadOnlyMemory〕有所不同。三種機(jī)型對(duì)應(yīng)的低功耗CHMOS產(chǎn)品分別為80C31、80C51和87C51。51子系列的主要功能為：8位CPU。片內(nèi)帶振蕩器及時(shí)鐘電路。128B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。4KB片內(nèi)程序存儲(chǔ)器〔8031/80C31無〕。程序存儲(chǔ)器的尋址范圍為64KB。片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址范圍為64KB。21B特殊功能存放器。4×8根I/O線。1個(gè)全雙工串行I/O接口，可多機(jī)通信。51子系列的主要功能為：〔續(xù)〕2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。中斷系統(tǒng)有5個(gè)中斷源，可編程為兩個(gè)優(yōu)先級(jí)。111條指令，含乘法指令和除法指令。布爾處理器。使用單＋5V電源。52子系列的產(chǎn)品主要有8032、8052、8752三種機(jī)型。與51子系列的不同之處在于：片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器增至256B，片內(nèi)程序存儲(chǔ)器增至8KB〔8032/80C32無〕，有26B的特殊功能存放器，有3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，有6個(gè)中斷源。其他性能均與5l子系列相同。其對(duì)應(yīng)的低功耗CHMOS工藝器件分別為80C32、80C52和87C52。本書所述的80C51系列單片機(jī)包括Intel公司和其他公司的51和52子系列。內(nèi)部資源超出52子系列的單片機(jī)那么稱為新一代80C51系列單片機(jī)。4.1.280C51系列單片機(jī)的命名規(guī)那么由于Intel公司對(duì)8051/52〔80C51/52〕內(nèi)核采取了擴(kuò)散政策，使得80C51和新一代80C51系列單片機(jī)開展為數(shù)十種系列、上百種產(chǎn)品，功能有強(qiáng)有弱。但內(nèi)部程序存儲(chǔ)器大多為OTPROM和FlashROM。了解它們的命名規(guī)那么，對(duì)正確選擇和使用80C51系列產(chǎn)品是十分重要的。80C51系列單片機(jī)源于MCS-51系列，其他公司80C51系列單片機(jī)命名根本上是以Intel公司的80C51為參考，增加了公司標(biāo)記。新一代高性能80C51系列單片機(jī)。其主要開展技術(shù)如下：〔1〕提供不同類型的存儲(chǔ)器。除掩模ROM、EPROM以外，還能提供EEPROM和FlashEEPROM?！?〕擴(kuò)展存儲(chǔ)器容量。目前ROM已擴(kuò)至64KB，RAM擴(kuò)至2KB?！?〕提高運(yùn)行速度，時(shí)鐘頻率已達(dá)40MHz?！?〕開展低電壓專用芯片，工作電壓可低于1.8V?！?〕擴(kuò)大接口功能，如設(shè)置高速I/O口，擴(kuò)展I/O數(shù)量，增加外部中斷源以及將ADC、PWM嵌入到片內(nèi)。4.1.380C51系列單片機(jī)的選擇特性程序存儲(chǔ)器單片機(jī)程序存儲(chǔ)器用于存放單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的目標(biāo)程序，目標(biāo)程序通過稱之為商用編程器的工具寫入單片機(jī)，該過程稱為編程。單片機(jī)程序存儲(chǔ)器目前供給的類型有EPROM、OTPROM、MaskROM和FlashEEPROM。容量有1KB、2KB、4KB、8KB、16KB、32KB和64KB等。由于EPROM型單片機(jī)使用不方便，現(xiàn)在已很少使用，普遍采用FlashEEPROM型單片機(jī)代替。2.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單片機(jī)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器目前供給的類型有SRAM靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，少數(shù)單片機(jī)片內(nèi)有EEPROM非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。51子系列片內(nèi)RAM有128B，52子系列片內(nèi)RAM有256B，52子系列向下兼容51子系列，兩者價(jià)格目前根本持平，選擇52子系列在使用上更為方便靈活。3.功耗許多公司都供給低電壓的80C51系列單片機(jī)，具有低功耗的特點(diǎn)。如Atmel公司的AT89LV51和AT89LV52，它的工作電壓范圍為2.7V～6V，可直接替換相應(yīng)的5V工作電壓芯片。4.體積在應(yīng)用系統(tǒng)的空間有限時(shí)，可選擇相應(yīng)型號(hào)的PLCC和QFP封裝的單片機(jī)，外圍芯片當(dāng)然也要選擇小型封裝。在無外圍擴(kuò)展時(shí)也可選擇非總線型的單片機(jī)。如Atmel公司的AT89C4051、AT89C2051和AT89C1051，Philips公司的P87LPCXXX系列。4.280C51系列單片機(jī)外引腳功能常用兩種封裝為雙列直插式DIP40和LCC44圖中，引腳1和引腳2的第二功能〔方形封裝為引腳2和引腳3〕僅用于52子系列，NIC為空引腳。44腳方形封裝有4個(gè)空引腳。有效引腳個(gè)數(shù)為40。但有的公司生產(chǎn)的44腳方形封裝的單片機(jī)把4個(gè)空引腳用作P4口。80C51的40條引腳，可分為端口線、電源線和控制線三類。在繪制電路原理圖時(shí)，經(jīng)常采用元器件的邏輯符號(hào)，80C51邏輯符號(hào)如下圖。1.端口線〔4×8=32條〕8051有4個(gè)并行I/O端口，每個(gè)端口都有8條端口線，用于傳送數(shù)據(jù)或地址。由于每個(gè)端口的結(jié)構(gòu)各不相同，因此它們?cè)诠δ芎陀猛旧系牟町愐草^大，對(duì)它們的具體描述見主教材82頁。2.電源線〔2條〕VCC為＋5V電源線，VSS接地。3.控制線〔6條〕ALE、#EA、#PSEN、RST、XTAL1和XTAL2。4.地址、數(shù)據(jù)和控制：三總線結(jié)構(gòu)80C51三總線具有以下特點(diǎn)：〔1〕P0口的地址/數(shù)據(jù)復(fù)用?！?〕兩個(gè)獨(dú)立的并行擴(kuò)展空間?！?〕外圍數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展的統(tǒng)一編址。4.380C51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖80C51CPU振蕩器和時(shí)序OSC64KB總線擴(kuò)展控制器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器256BRAM/SFR2×16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器可編程I/O程序存儲(chǔ)器4KBROM可編程全雙工串行口外中斷內(nèi)中斷控制并行口串行通信外部時(shí)鐘源外部事件計(jì)數(shù)單片機(jī)最核心的局部是CPU，可以說CPU是單片機(jī)的大腦和心臟。CPU的功能是產(chǎn)生控制信號(hào)，把數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器或輸入口傳送到CPU或反向傳送，還可對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算以及位操作處理，它由運(yùn)算器、控制器和布爾〔位〕處理器組成。4.3.1中央處理器CPU而80C51在物理結(jié)構(gòu)上有4個(gè)存儲(chǔ)空間：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、片外程序存儲(chǔ)器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。但在邏輯上，即從用戶使用的角度上，80C51有三個(gè)存儲(chǔ)空間。4.3.2存儲(chǔ)器組織(哈佛結(jié)構(gòu))片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64KB程序存儲(chǔ)器地址空間256B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址空間64KB片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間下面分別表達(dá)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的配置特點(diǎn)。在訪問三個(gè)不同的邏輯空間時(shí)，應(yīng)采用不同形式的指令〔見指令系統(tǒng)〕，以產(chǎn)生不同的存儲(chǔ)空間的選通信號(hào)。用戶角度看80C51存儲(chǔ)器配置1.程序存儲(chǔ)器〔51子序列〕程序存儲(chǔ)器用于存放編好的程序或表格常數(shù)在程序存儲(chǔ)器中，以下單元具有特殊功能：0000H：80C51復(fù)位后，PC=0000H，即程序從 0000H開始執(zhí)行指令。0003H：外部中斷0入口。000BH：定時(shí)器0溢出中斷入口。0013H：外部中斷1入口。001BH：定時(shí)器1溢出中斷入口。0023H：串行口中斷入口。002BH：定時(shí)器2入口〔僅52子系列有〕。使用時(shí)，通常在這些中斷入口地址處存放一條跳轉(zhuǎn)指令，使程序跳轉(zhuǎn)到用戶安排的中斷程序起始地址。其他程序要避開上述中斷入口地址。從0000H起始地址那么跳轉(zhuǎn)到用戶設(shè)計(jì)的主程序入口地址。采用匯編語言編程的程序員需要精心安排這些地址，而C51編譯器自動(dòng)產(chǎn)生中斷程序起始地址。2.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存放中間運(yùn)算結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等。80C51系列單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有片內(nèi)和片外之分。片內(nèi)又有RAM和SFR之分，這幾個(gè)局部的訪問指令不同的，從這一點(diǎn)看，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的使用比程序存儲(chǔ)器略微復(fù)雜點(diǎn)。采用C51語言編程那么要簡(jiǎn)單許多。51子系列數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器配置52子系列數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器配置這樣可把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分為片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、特殊功能存儲(chǔ)器，以下分別加以介紹。1〕片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分為工作存放器區(qū)、位尋址區(qū)、數(shù)據(jù)緩沖器區(qū)等三個(gè)區(qū)域。如主教材90頁表4.4所示?！?〕工作存放器區(qū)00H～1FH單元為工作存放器區(qū)。工作存放器也稱通用存放器，供用戶編程時(shí)使用，臨時(shí)存放8位信息?！?〕位尋址區(qū)20H～2FH單元是位尋址區(qū)，該區(qū)的每一位都賦予了一個(gè)位地址，低128字節(jié)RAM區(qū)高128字節(jié)SFR區(qū)〔3〕數(shù)據(jù)緩沖區(qū)30H～7FH是數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，即用戶RAM區(qū)，共80個(gè)單元?！?〕堆棧與堆棧指針片內(nèi)RAM的局部單元還可以用作堆棧。2〕特殊功能存放器所有單片機(jī)片內(nèi)外設(shè)是依靠對(duì)內(nèi)部特殊功能存放器的操作實(shí)現(xiàn)其功能的，80C51也不例外，特殊功能存放器〔SFR,SpecialFunctionRegister〕也稱專用存放器，專用于控制、管理單片機(jī)內(nèi)部算術(shù)邏輯部件、并行I/O口、串行I/O口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等功能模塊的工作，用戶在編程時(shí)可以置數(shù)設(shè)定，不能移作他用。通過特殊功能存放器可實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)內(nèi)部資源的操作和管理，下面介紹常用特殊功能存放器，其余將在后面的相關(guān)章節(jié)中介紹。特殊功能存放器SFR的位置〔1〕程序狀態(tài)字存放器PSWPSW是8位存放器，用作程序運(yùn)行狀態(tài)的標(biāo)志，字節(jié)地址D0H，位地址格式如主教材93頁表4.7所示?！?〕累加器ACCACC是8位存放器，通過暫存器與ALU相連。它是CPU中工作最繁忙的存放器，因?yàn)樵谶M(jìn)行算術(shù)、邏輯類操作時(shí)，運(yùn)算器的一個(gè)輸入多為ACC，而運(yùn)算器的輸出即運(yùn)算結(jié)果也大多要送到ACC中。在指令系統(tǒng)中累加器的助記符為A，作為直接地址時(shí)助記符為ACC?！?〕數(shù)據(jù)指針存放器DPTR由于80C51可以外接64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O接口電路，因此在控制器中設(shè)置了一個(gè)16位的專用地址指針。它主要用以存放16位地址，作為間址存放器使用?！?〕B存放器在乘、除法運(yùn)算中用B存放器暫存數(shù)據(jù)。在其他指令中，B存放器可作為RAM中的一個(gè)單元使用。B存放器的地址為B0H。〔5〕堆棧指針SP堆棧是個(gè)特殊的存儲(chǔ)區(qū)，主要功能是暫時(shí)存放數(shù)據(jù)和地址，通常用來保護(hù)斷點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)。它的特點(diǎn)是按照先進(jìn)后出的原那么存取數(shù)據(jù)，這里的進(jìn)與出是指進(jìn)棧與出棧操作。假假設(shè)有8個(gè)RAM單元，每個(gè)單元都在其右面編有地址，棧頂由堆棧指針SP自動(dòng)管理。每次進(jìn)行壓入或彈出操作以后，堆棧指針便自動(dòng)調(diào)整以保持指示堆棧頂部的位置。這些操作可用圖說明。注意：堆棧棧頂超出內(nèi)部RAM單元時(shí)，會(huì)引起程序運(yùn)行出錯(cuò)。對(duì)51子系列不要超出7FH，對(duì)52子系列不要超出FFH。這常常是單片機(jī)初學(xué)者和使用高級(jí)語言編程者易犯的錯(cuò)誤之一?！?〕端口P0～P3特殊功能存放器P0～P3分別是I/O端口P0～P3的鎖存器。80C51單片機(jī)是把I/O當(dāng)作一般的特殊功能存放器使用，不專設(shè)端口操作指令，使用方便。4.3.3并行輸入/輸出端口結(jié)構(gòu)1.P1口P1口內(nèi)部有上拉電阻，因此在輸入時(shí)，即使由集電極開路電路或漏極開路電路驅(qū)動(dòng)，也無需外接上拉電阻。Pl口只有一種功能：通用輸入/輸出接口。通用I/O接口有輸出、輸入和端口操作三種工作方式。2.P2口P2口有兩種用途：通用I/O接口或高8位地址總線。圖4.17是P2口1位的結(jié)構(gòu)原理圖，圖中的模擬開關(guān)受內(nèi)部控制信號(hào)控制，用于選擇P2口的工作狀態(tài)。3.P3口P3口1位的結(jié)構(gòu)原理如圖4.18所示，P3口除了作為準(zhǔn)雙向通用I/O接口使用外，每一根線還具有第二種功能，詳見下表。4.P0口P0口有兩種功能；地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用總線和通用I/O接口。P0口作為準(zhǔn)雙向通用I/O接口使用時(shí)應(yīng)外加上拉電阻。5.并行輸入/輸出口編程舉例【例4.1】

用89C52單片機(jī)的P1口驅(qū)動(dòng)一位8段LED顯示器。在8段LED顯示器輪流顯示字符0～F。匯編調(diào)試請(qǐng)參看CAI演示C51調(diào)試請(qǐng)參看CAI演示4.3.4時(shí)鐘電路2.CPU時(shí)序?yàn)榱吮阌趯?duì)CPU時(shí)序進(jìn)行分析，人們按指令的執(zhí)行過程規(guī)定了幾種周期，即時(shí)鐘周期、機(jī)器周期和指令周期。80C51系列單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期由6個(gè)S周期組成，也就是由12個(gè)時(shí)鐘周期組成，所以80C51的機(jī)器周期為時(shí)鐘頻率的12分頻。4.3.5復(fù)位電路1〕上電復(fù)位2〕上電+按鍵復(fù)位3〕同步復(fù)位電路4〕微處理器復(fù)位監(jiān)控電路復(fù)位后各特殊功能存放器的狀態(tài)4.4低功耗運(yùn)行方式80C51單片機(jī)具有兩種低功耗運(yùn)行方式：待機(jī)〔或稱空閑〕方式，電流一般為1.7mA～5mA；掉電〔或稱停機(jī)〕方式，電流一般為5uA～50uA待機(jī)方式和掉電方式的硬件結(jié)構(gòu)電路如以下圖所示