《單片機原理及應用》課件1第3章

第3章輸入口及其應用3.18051的輸入/輸出口3.2控制轉(zhuǎn)移類指令3.3輸入電路設計3.4設計課目與演練——按鍵控制LED小結(jié)

習題

本章重點講述輸入/輸出(I/O)口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并把輸入/輸出口與特殊功能寄存器、控制信號等之間建立關聯(lián)，結(jié)合跳轉(zhuǎn)指令和端口輸入電路設計，給出了實例。第3章、第4章和第5章內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系比較密切，都在講輸入/輸出口及其應用，但側(cè)重點有所不同。本章重點是講I/O口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和輸入電路的設計與保護，第4章重點講外部電路和驅(qū)動，第5章把輸入/輸出合起來講應用。其中外設的擴展方法和地址確定是對2.4節(jié)存儲器擴展方法的進一步講解和應用。3.18051的輸入/輸出口

MCS—51單片機共有4個8位的并行I/O口，分別記做P0、P1、P2、P3，共32個端子。這4個端口為MCS—51單片機與外部器件或外部設備進行信息(數(shù)據(jù)、地址、控制信號)交換提供了多功能的輸入/輸出通道，也為MCS—51單片機擴展外部功能，構(gòu)成應用系統(tǒng)提供了必要的條件；在內(nèi)部RAM中有特殊功能寄存器與其對應，并且具有位尋址功能。3.1.1輸入/輸出口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與操作

MCS—51單片機的4個并行I/O口中每一位的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。由于4個端口的功能有所不同，因此，它們在電路結(jié)構(gòu)上也有區(qū)別，但其工作原理基本相似。從圖3-1可以看出，端口的每一位都有一個鎖存器、一個輸出驅(qū)動器(場效應管)和一個輸入數(shù)據(jù)緩沖器。其中鎖存器為D型觸發(fā)器，在CPU的控制下，可對P0～P3口的鎖存器進行讀—修改—寫操作和對端子進行讀寫操作。

1.?P0口

1)?P0口作為通用I/O口使用當MCS—51單片機的CPU對片內(nèi)存儲器和I/O口進行讀寫時，由硬件置控制線為0，使開關MUX處于圖3-1(a)所示位置，輸出級V2與鎖存器端相連。同時使上拉場效應管V1處于截止狀態(tài)，此時輸出級是開漏電路，P0口作一般的I/O口使用。

P0口用作輸出。在CPU執(zhí)行輸出指令時，寫脈沖加到鎖存器的CLK上，與內(nèi)部總線相連的D端數(shù)據(jù)取反后出現(xiàn)在端上，再經(jīng)V2反相，出現(xiàn)在P0口上的數(shù)據(jù)正好是內(nèi)部總線的數(shù)據(jù)。圖3-1輸入/輸出口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

P0口用作輸入。在CPU執(zhí)行端口輸入指令時，讀端子信號打開下部的緩沖器，P0口上的數(shù)據(jù)經(jīng)緩沖器讀到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上。

2)?P0口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用當MCS—51單片機進行外部存儲器擴展，CPU對片外存儲器進行讀寫時，由硬件置控制線為1，開關MUX撥向上方，此時P0口作地址/數(shù)據(jù)總線使用。

P0口用作輸出地址/數(shù)據(jù)總線使用。在MCS—51單片機與外部擴展存儲器或外圍器件組成的系統(tǒng)中，P0口輸出低8位地址或數(shù)據(jù)。此時MUX將CPU內(nèi)部地址/數(shù)據(jù)總線經(jīng)反相后與V2相連，這樣，由圖可以看出，V1與V2構(gòu)成推拉式輸出電路，從而增大了負載能力。

?由P0口輸入數(shù)據(jù)。當讀端子信號有效時，打開輸入緩沖器，使輸入端口的數(shù)據(jù)進入內(nèi)部總線。綜上所述，當P0作通用I/O口輸出時，輸出級屬開漏電路，因此必須外接上拉電阻，才有高電平輸出。P0口外接上拉電阻的電路如圖3-2所示，電阻值一般在5.1～10kΩ范圍內(nèi)選擇。如果8位都需要上拉電阻，則可以使用排阻，如圖3-3所示。注意：圖中標注的節(jié)點為P0.0、P0.1、…、P0.7，是強調(diào)把P0口作為I/O口使用。P0口作為地址/數(shù)據(jù)使用時，常標注為D0、D1、D2、…、D7，此時P0口不需要上拉電阻。因此，P0口在作普通I/O口使用時，其不是一個真正的雙向I/O口，而是準雙向；但是在作地址/數(shù)據(jù)總線時，它是一個真正的雙向口，并且可以驅(qū)動8個LSTTL負載。圖3-2外接上拉電阻的電路圖3-3都使用上拉電阻

2.?P1口

P1口一般用作通用I/O口，可用于位處理，各位都可以單獨輸入或輸出。

P1口同樣是準雙向的I/O口，當需要某位先輸出然后再輸入的時候，應該在輸入操作前加一條輸出1的指令，然后再輸入信息才正確。對于復位后，由于各位鎖存器均置為1，端輸出為0，下拉場效應管截止，因此，各位用作輸出或者輸入都是正確的。

輸出1時，端為0，場效應管截止，此時，P1.x靠上拉電阻輸出1，這個時候驅(qū)動能力比較差。所以，當輸出1而需要帶動較大負載時，常常需要外加驅(qū)動電路(詳細見第4章)。

輸出0時，端為1，場效應管打開，此時，P1.x強制輸出0，這個時候驅(qū)動能力較強。因此，當輸出為0時，一般不需要外加驅(qū)動。正是基于這點考慮，驅(qū)動LED時常用的接法如圖3-4所示。

對于AT89S52，P1口的某些引腳還可以有第二功能。P1.0引腳用于定時/計數(shù)器2的外部事件計數(shù)輸入端口，P1.1引腳用于定時/計數(shù)器2的外部控制端口。P1.5～P1.7還用于片內(nèi)Flash的編程。圖3-4驅(qū)動LED的方法

3.?P2口

P2口的位結(jié)構(gòu)與P0口類似，輸出驅(qū)動部分與P1口類似，但多了一個轉(zhuǎn)換控制部分。當CPU對片內(nèi)存儲器和I/O口進行讀寫時，內(nèi)部硬件使MUX接通Q端，此時，P2口作一般的I/O口使用，作用及用法與P1口相同。當CPU對片外存儲器或I/O口進行讀寫時，MUX選擇地址總線，此時，P2口輸出的是高8位地址，這樣就可以擴展片外存儲器(ROM或者RAM)。由于CPU訪問片外存儲器的操作往往是連續(xù)進行的，P2口要不斷地送出高8位地址，因此P2口此時不能用作通用I/O口。

4.?P3口

P3口與P1口相比，多了非門和輸入數(shù)據(jù)緩沖器，這使P3口除了具有P1口的準雙向I/O功能外，?還可以使用該端口具有的第二功能。當?shù)诙δ茌敵龆藶?時，輸出Q端信號；當D鎖存器輸出為1時，輸出第二功能信號。

P3口作通用I/O口使用。P3口作通用I/O使用時，其工作原理與P1口類似，第二功能輸出端保持高電平，D鎖存器的Q端狀態(tài)經(jīng)與非門和V2輸出。

P3口作為輸入使用時，應先用軟件向端口鎖存器寫1，使Q端為1，經(jīng)與非門輸出為0，V2截止。此時，CPU給出讀端子信號，將端子上的信號經(jīng)緩沖器1和輸入三態(tài)緩沖器送到內(nèi)部總線。

P3口作第二功能使用。當P3口的某位被用作第二功能時，內(nèi)部硬件自動設置該位端口鎖存器的Q端為1，使與非門可以輸出第二功能輸出端狀態(tài)。第二功能輸出端主要指對TXD、、的輸出。由于P3口用作第二功能時D鎖存器Q端已置1，第二功能輸出端不作輸出時也保持為1，使得輸出V2截止。由于此時端口已不作為通用I/O口，讀端子信號無效，輸入三態(tài)緩沖器不導通，這樣P3口端子的第二功能輸入信號(RXD、、、T0、T1)經(jīng)緩沖器1送入第二功能輸入端。P3口各位對應的第二功能如表3-1所示。表3-1P3口的第二功能3.1.2輸入/輸出口的應用與擴展

1.輸入/輸出口的應用特點

各輸入/輸出口的適用功能。P0口一般用作數(shù)據(jù)/低8位地址復用口，P1口一般作I/O擴展口用，P2口作高8位地址和I/O擴展的地址譯碼用，P3口作中斷輸入、串行通信口用。在實際應用系統(tǒng)中，僅靠單片機自帶的資源很難達到系統(tǒng)的要求，需要外部功能的擴展，尤其是需要外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器的擴展。因此，在單片機的系統(tǒng)設計中，經(jīng)常要擴展I/O口。

各輸入/輸出口的使用方法和驅(qū)動能力。在單片機應用中，P0口作為I/O口使用時，需要外加上拉電阻，而P1、P2、P3口內(nèi)部設有上拉電阻，不用外加。這4個I/O口均為準雙向I/O口，其驅(qū)動能力不同：P0口的驅(qū)動能力最強，可以驅(qū)動8個LSTTL負載；其余3個端口只能驅(qū)動4個LSTTL負載。

各輸入/輸出口的兩種讀方式。由圖3-1可見，每個I/O均有兩種讀入方法，即讀鎖存器和讀引腳，并有相應的指令。讀鎖存器指令也稱為讀—修改—寫指令，如表3-2所示。當目的操作數(shù)為某一I/O口或者I/O口的某一位時，這些指令均為讀—修改—寫指令。讀引腳指令一般是以I/O口為源操作數(shù)的指令。執(zhí)行讀引腳指令時，打開三態(tài)門，輸入端口引腳狀態(tài)。例如，P1口在輸入狀態(tài)時的讀引腳指令為：MOVA，P1。表3-2讀—修改—寫指令

2.擴展實例這里使用常用的鎖存器、三態(tài)門等芯片進行并行I/O擴展，電路如圖3-5所示。該電路中，74LS273作為端口的擴展輸出，74LS244作為端口的擴展輸入。如果系統(tǒng)中還有其它擴展I/O口，則可以使用線選法或譯碼法分配其地址空間。下面分析電路的原理。

輸出控制信號由引腳P2.0和取或運算而得。當兩者都為低電平的時候，或門輸出為0，將P0口的數(shù)據(jù)鎖存到74LS273中。74LS273的輸出控制發(fā)光二極管，當某位引腳輸出高電平時，對應的發(fā)光二極管點亮。

輸入控制信號由引腳P2.0和取或運算而得。當兩者都為低電平時，或門輸出為0，此時選通74LS244，將外部的數(shù)據(jù)信息輸入到總線。圖3-5中的某按鍵按下時，讀到的相應位為0，否則為1。

輸入和輸出都是在P2.0引腳為0的時候有效的，分別用和區(qū)別控制輸入和輸出，因此不會產(chǎn)生輸入和輸出的沖突。在程序中訪問擴展I/O口時，用MOVX指令實現(xiàn)。例如，現(xiàn)在要把按鍵狀態(tài)讀入到A中，然后輸出到LED上顯示，完成該功能的程序段為：

MOV

DPTR，#0FEFFH ；擴展I/O的設備地址

MOVX

A，@DPTR ；由信號識別現(xiàn)在是選通74LS244，讀按鍵

MOVX

@DPTR，A；由信號識別現(xiàn)在是寫LS273， ；控制LED發(fā)光注意：上面的指令是逐步運行的，這樣由上至下逐條執(zhí)行指令的結(jié)構(gòu)就是所謂的順序結(jié)構(gòu)。圖3-5I/O口擴展實例3.2控制轉(zhuǎn)移類指令程序通常是按由上至下的指令順序運行的，程序的順序執(zhí)行是由程序計數(shù)器PC自動加1實現(xiàn)的。為了適應復雜的測控系統(tǒng)的需要，經(jīng)常需要改變程序的執(zhí)行順序，實現(xiàn)分支轉(zhuǎn)向，這種情況稱為“程序轉(zhuǎn)移”。控制轉(zhuǎn)移類指令一般是通過改變PC值來實現(xiàn)的，因此該類指令的作用區(qū)域就是PC能夠訪問的程序存儲器空間?？刂妻D(zhuǎn)移類指令共有22條，包括無條件轉(zhuǎn)移、條件轉(zhuǎn)移、子程序調(diào)用及返回指令等，具體如表3-3所示?？刂妻D(zhuǎn)移類指令一般不影響標志位。表3-3控制轉(zhuǎn)移類指令續(xù)表續(xù)表3.2.1無條件轉(zhuǎn)移圖3-6所示是4條無條件跳轉(zhuǎn)指令的執(zhí)行要點和跳轉(zhuǎn)范圍。下面舉例進一步說明。

1.?LJMP、AJMP、SJMP這三條指令都是跳轉(zhuǎn)指令，執(zhí)行過程分別如圖3-6(a)、(c)、(b)所示。可以看出，LJMP在整個64KB的程序存儲器空間范圍內(nèi)直接跳轉(zhuǎn)，與當前指令位置無關。AJMP是在當前指令的下一條指令所在的2KB范圍內(nèi)跳轉(zhuǎn)，執(zhí)行時把當前指令的PC值加2，然后把PC的低11位換成AJMP指令當中的11位地址。SJMP則是把當前指令的PC值加2后，再把PC值與指令中的符號數(shù)rel相加，形成一個以當前PC+2為基點的-128～127范圍的跳轉(zhuǎn)空間。在實際編寫程序時，程序員不需要人為去計算上面提到的偏移距離或跳轉(zhuǎn)的范圍，而是在跳轉(zhuǎn)指令中使用標號(參考1.5.2節(jié))，編譯程序會自動進行計算，實現(xiàn)程序員所希望的跳轉(zhuǎn)。圖3-6幾條無條件跳轉(zhuǎn)指令的執(zhí)行過程

2.

JMP@A+DPTR這是間接轉(zhuǎn)移指令，也稱散轉(zhuǎn)指令。轉(zhuǎn)移地址由數(shù)據(jù)指針DPTR與累加器A中的8位無符號數(shù)相加而形成。其執(zhí)行結(jié)構(gòu)如圖3-6(d)所示。下面是幾個跳轉(zhuǎn)指令的綜合應用，程序分析如圖3-7所示。

ORG0000H

LJMPJUMP1 JUMP2: MOVA,#02H JMP@A+DPTR JUMP1: MOVDPTR,#TABLE SJMPJUMP2

TABLE: AJMPPORT0

AJMPPORT1 AJMPPORT2

AJMPPORT3 SJMP$ PORT0: MOVP0,#00H PORT1: MOVP1,#01H PORT2: MOVP2,#02H PORT3: MOVP3,#03H END圖3-7幾個跳轉(zhuǎn)指令的綜合演示通過這個程序的學習，需要了解到：

程序不僅僅可以由上至下順序執(zhí)行，還可以打破順序跳著執(zhí)行。后面還要學習有條件的跳轉(zhuǎn)和調(diào)用。

在實際編程中，放在SJMP、AJMP指令后面的不是需要計算的rel和addr11，而是用標號表示的目的地址，如：SJMPJUMP2。具體指令中的地址則由編譯程序自動完成。

SJMP$是一種常用的程序原地執(zhí)行的寫法。后面學了循環(huán)后，就知道這是一個死循環(huán)，在學習階段經(jīng)常使用。特別在上機實驗時，當執(zhí)行到這條指令后，程序不會退出，所以可以繼續(xù)觀察寄存器、MEMORY中的值。

上面的分析方法還是使用了μV3的匯編指令混合顯示方法。慢慢地適應這種學習方法，對于學習單片機編程可以收到事半功倍的效果。進一步：

圖3-7對于跳轉(zhuǎn)指令的跳轉(zhuǎn)地址有詳細的運算，圖3-6對于跳轉(zhuǎn)指令的跳轉(zhuǎn)過程有詳細的圖示，對比二者，進一步理解跳轉(zhuǎn)指令的執(zhí)行過程和原理。

思考驗證：仔細閱讀關于SJMPrel指令中rel的解釋。?指令SJMP$的作用是執(zhí)行原地跳轉(zhuǎn)(循環(huán))，由圖3-7中的解釋可以知道，這里的$實際獲得的值為0FEH，即-2。如果在程序中實際書寫的指令為：SJMP0FEH，則程序會怎樣執(zhí)行？先分析然后到機器上去驗證吧！3.2.2條件轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移的原理是當程序設定的條件滿足時，進行程序的轉(zhuǎn)移，否則程序順序執(zhí)行。這一點在C程序中采用“if”語句進行描述。條件轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)采用如圖3-8所示的流程圖描述。51所有的條件轉(zhuǎn)移指令都是采用相對尋址方式得到轉(zhuǎn)移目的地址，以rel作為8位偏移量。在編寫程序時，正像前面轉(zhuǎn)移指令所介紹的一樣，常用目的地址的標號來代替rel，由匯編或者其他的編譯器自動換算成8位相對地址。后面的解釋不再使用相對地址，而是直接采用程序編寫時使用的標號地址。圖3-8條件轉(zhuǎn)移流程圖根據(jù)判斷條件把條件轉(zhuǎn)移指令劃分為4類(如表3-3所示)：

累加器判零轉(zhuǎn)移指令；

數(shù)值比較判等轉(zhuǎn)移指令；

減1判零轉(zhuǎn)移指令；

判位轉(zhuǎn)移指令。下面在程序中對相關的指令進行解釋。

(1)程序如下(仍使用前面圖3-5所示的電路)：

ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0040H

MAIN: MOV SP,#30H MOV DPTR,#0FEFFH ；設置控制字

MOVX A,@DPTR ；讀按鍵狀態(tài)

JZ LED_OFF ；判斷A是否為0 MOV A,#01H ；如果不為0，

MOVX @DPTR,A ；則點亮D0 SJMP GOON ；跳轉(zhuǎn)

LED_OFF:

MOV A,#00H ；否則熄滅D0 MOVX @DPTR,A

GOON:

SJMP$

END對該程序的分析如圖3-9所示。進一步：

這個程序完成的功能是：如果8個按鍵全部閉合，則發(fā)光二極管D0熄滅，否則D0點亮。

注意看上面的分析，“如果…，則…，否則…”，還有圖3-8所示的流程圖，這就是程序的基本結(jié)構(gòu)之一：選擇結(jié)構(gòu)。

分析圖中，陰影部分作為以后常用的程序結(jié)構(gòu)框架，以后再舉例時，這一部分一般不再給出。讀者只要把程序段填充到這個框架中，就可以運行了。當然，這里面不包括中斷部分，以后還要給這個框架補充內(nèi)容。

就這個程序完成的功能而言，里面有不少的“廢話”。這個以后再解釋。

這個程序只對鍵盤判斷一次，并且對LED0的狀態(tài)也只是操作一次，如何動態(tài)監(jiān)測并且及時更新輸出呢？請繼續(xù)學習。圖3-9程序分析

(2)程序如下：

DELAY: MOV R0,#00H ；延時控制

DELAY1: MOV R1,#00H ；

DJNZ R1,$ ；

DJNZ R0,DELAY1這個程序段前面已經(jīng)出現(xiàn)過，現(xiàn)在解釋如下：①

DJNZR1，$：該語句先把R1的值減1，然后判斷是否為0，若不為0，則跳轉(zhuǎn)，因為是跳轉(zhuǎn)到$，所以還是跳轉(zhuǎn)到本指令繼續(xù)執(zhí)行，再把R1的值減1，然后判斷是否為0，若不為0，則跳轉(zhuǎn)，如此反復執(zhí)行下去；當判斷R1的值為0時，程序不再跳轉(zhuǎn)，而是向下繼續(xù)執(zhí)行。執(zhí)行結(jié)構(gòu)如圖3-10所示。圖3-10DJNZR1，$的執(zhí)行結(jié)構(gòu)

如果R1的初始值為1，則執(zhí)行一次R1?=?R1-1(注：匯編語言當中沒有這種表達方式，但以后的C程序會有這種表達方式)后，R1的值為0，所以這個結(jié)構(gòu)只執(zhí)行一次；如果R1的初始值為2，那么執(zhí)行一次后R1的值變成1，再執(zhí)行一次后變成0，所以執(zhí)行2次；依此類推，如果R1的初始值為n(因為采用8位寄存器計數(shù)，所以n不能大于255。如果控制的循環(huán)次數(shù)大于255怎么辦，請繼續(xù)學習)，那么這個結(jié)構(gòu)的執(zhí)行次數(shù)就是n次。我們可以說，這個結(jié)構(gòu)循環(huán)執(zhí)行了n次。R1用于控制循環(huán)次數(shù)，稱為循環(huán)控制變量。終于提出循環(huán)這個概念了。

循環(huán)結(jié)構(gòu)是程序的三大結(jié)構(gòu)之一，它包括循環(huán)體和循環(huán)出口控制結(jié)構(gòu)。其執(zhí)行流程如圖3-11所示。如果沒有退出循環(huán)的出口，我們稱這個循環(huán)為死循環(huán)。除非單片機重新啟動，否則程序?qū)⒂肋h循環(huán)。有時候我們要利用死循環(huán)，但是有時候它卻會給我們帶來麻煩。要合理使用循環(huán)，要謹慎使用死循環(huán)。圖3-11循環(huán)結(jié)構(gòu)

如果R1的初始值為00H，那么循環(huán)次數(shù)是多少呢？第一次變成FFH，到第256次的時候變成0，因此應當是256次。給循環(huán)變量賦值為0，得到的卻是最大循環(huán)控制次數(shù)，請讀者注意類似的表達方式。②?DJNZR0，DELAY1：這個指令格式和①是一樣的，過程可以描述為：把R0的值減1，判斷R0是否為0，如果不為0，則跳轉(zhuǎn)去DELAY1處執(zhí)行；否則繼續(xù)向下順序執(zhí)行。該程序段的執(zhí)行結(jié)構(gòu)如圖3-12所示。進一步解釋：

DJNZR0，DELEY1構(gòu)成循環(huán)結(jié)構(gòu)。循環(huán)控制變量是R0，循環(huán)體是MOVR1，#00H和DJNZR1，$這兩條指令。而DJNZR1，$本身又是一個循環(huán)，包含在DJNZ構(gòu)成的另一個循環(huán)中。這種循環(huán)體中還包含有循環(huán)的結(jié)構(gòu)稱為循環(huán)的嵌套。根據(jù)程序的需要，循環(huán)可以多重嵌套。被包含的循環(huán)稱為內(nèi)循環(huán)，外圍的循環(huán)則稱為外循環(huán)。圖3-12循環(huán)的嵌套

如圖3-13所示，分析這個程序段占用的機器周期和對應的時間。單片機使用的晶振為12MHz，則一個機器周期的時間為所以1μs×[2+256×(2+2×256+2)]=192098μs這就是為什么把這段程序稱之為延時程序。如果需要精確延時，則還需要仔細計算里面的每一條指令，作出合理安排，配合得到精確延時。但是，精確的延時或者定時不會使用這樣的程序段，而是采用定時/計數(shù)器的方式，第7章會學到。圖3-13循環(huán)所占時間計算3.2.3子程序調(diào)用及返回在一個程序中經(jīng)常遇到反復多次執(zhí)行某功能程序段的情況，如果重復編寫這個程序段，會使程序冗長而且雜亂。常把這個經(jīng)常使用的具有一定功能的程序段單獨編寫，稱為子程序。在需要使用這個功能塊的程序處，設置一個子程序調(diào)用指令，就可以轉(zhuǎn)去執(zhí)行這個子程序。當遇到子程序中的返回指令時，就可以回到剛才調(diào)用子程序的斷點處繼續(xù)執(zhí)行。這樣不但減少了編程工作量，而且縮短了程序的長度，增加了程序的可讀性。子程序是一種重要的程序結(jié)構(gòu)。調(diào)用子程序的程序稱為“主程序”，主程序和子程序的調(diào)用關系如圖3-14所示。如果在子程序中又調(diào)用了其他子程序，則稱為子程序的嵌套，如圖3-15所示。調(diào)用和返回構(gòu)成子程序調(diào)用的完整的過程。調(diào)用出現(xiàn)在主程序中，而返回則出現(xiàn)在子程序的執(zhí)行終點處(但不一定是該子程序段的最后一條指令)。圖3-14子程序調(diào)用圖3-15子程序的嵌套

1.調(diào)用與返回

51單片機提供兩條子程序調(diào)用指令：LCALLaddr16和ACALLaddr11。addr16與addr11的使用方法和規(guī)則與LJMPaddr16、AJMPaddr11中的完全相同，這里不再贅述。程序調(diào)用時，單片機自動將當前PC入棧(注意，當前PC為當前指令的下一指令字節(jié)所在的地址，程序調(diào)用子程序返回后從該地址繼續(xù)向下執(zhí)行，稱為斷點地址，即子程序的返回地址)，然后將標號所標示的調(diào)用地址送入PC，使程序轉(zhuǎn)到子程序中執(zhí)行，即所謂發(fā)生調(diào)用。標號即為子程序的入口地址。

51單片機提供的返回指令有子程序返回指令RET和中斷返回指令RETI。RET指令的功能是從堆棧中彈出子程序的斷點地址給PC，程序返回主程序斷點處繼續(xù)向下執(zhí)行。調(diào)用子程序時入棧的是斷點處的地址，現(xiàn)在執(zhí)行RET彈出斷點地址給PC后，程序轉(zhuǎn)移到調(diào)用時的斷點處繼續(xù)向下執(zhí)行，就是所謂的子程序調(diào)用的返回。RETI用于中斷返回，它除了把程序從中斷服務子程序返回到主程序的斷點處(即程序返回任務)，還要清除中斷響應時被置位的優(yōu)先觸發(fā)器，開放較低級的中斷，恢復中斷邏輯等硬件設置。因此，RET、RETI這兩條指令不能交換使用。把3.2.2節(jié)中講的延時程序段設計成延時子程序：

DELAY:

MOV R0,#00H ;延時控制

DELAY1:MOV R1,#00H ;

DJNZ R1,$ ;

DJNZ R0,DELAY1 ;

RET把該延時子程序放到一個程序段中進一步解釋：

LOOP: MOV DPTR,#0FEFFH

MOV A,#01H

MOVX @DPTR,A

LCALL DELAY

MOV A,#02H

MOVX @DPTR,A

LCALL DELAY

SJMP LOOP

DELAY: MOV R0,#00H

DELAY1: MOV R1,#00H

DJNZ R1,$

DJNZ R0,DELAY1

RET子程序調(diào)用的分析如圖3-16所示。圖3-16子程序調(diào)用分析圖示進一步分析：

該程序段兩次調(diào)用了DELAY子程序，作為延時子程序。注意有陰影的那兩條指令。

SJMPLOOP構(gòu)成了無條件控制的循環(huán)，而且循環(huán)沒有出口，這就是死循環(huán)。這是利用這個循環(huán)構(gòu)成了讓LED0、LED1不停地亮滅的效果。注意：3.2.2節(jié)中已經(jīng)分析了這個延時程序段的執(zhí)行時間為192098μs，大概為0.2s，所以，兩個燈交替亮滅的頻率大概為1/(0.2?+?0.2)?=?2.5Hz。這個速度人眼是可以分辨出來的。當然，如果想改變亮滅的速度，應該怎么辦呢？請繼續(xù)向后學習。

程序可以在多個地方調(diào)用同一個子程序。該程序段調(diào)用子程序的框架如圖3-17所示。圖3-17在不同位置調(diào)用子程序圖示

2.現(xiàn)場保護在主程序調(diào)用子程序之前，累加器或工作寄存器中可能存放著主程序運算的中間結(jié)果，這些中間結(jié)果在主程序中仍然有用，子程序如果也用到這些寄存器，就需要在執(zhí)行子程序自身的功能前，將累加器、工作寄存器或其他可能被影響的單元內(nèi)容保護起來，即現(xiàn)場保護。這種保護是必須的，否則子程序返回后，會影響主程序的正常執(zhí)行。當子程序執(zhí)行完畢，要返回之前，可將保存的那些數(shù)據(jù)恢復到原來的寄存器或累加器中，這個過程稱為現(xiàn)場恢復?，F(xiàn)場保護通常是由堆棧來完成的，在子程序開始時使用入棧指令，將需要保護的寄存器內(nèi)容入棧。在子程序返回前，再將堆棧中保存的內(nèi)容對應彈出(出棧)，即現(xiàn)場恢復。堆棧的操作具有后進先出的特點，因此入棧和出棧操作的順序相反。例如，DELEY子程序中使用到R0、R1寄存器，如果主程序中使用R0、R1，則為了不影響主程序?qū)υ摷拇嫫鞯氖褂茫谧映绦蛑芯鸵峁┍Ｗo。具體操作如下：

DELAY: PUSH 00H ;R0入棧

PUSH 01H ;R1入棧

MOV R0,#00H

DELAY1:MOV R1,#00H

DJNZ R1,$

DJNZ R0,DELAY1

POP 01H ;彈出時順序相反

POP 00H; RET進一步：

保護的目的是子程序的執(zhí)行不影響主程序，所以，如果子程序沒有影響主程序的因素，就不需要提供保護。

這里提供的這個保護方案，仔細研究有沒有問題？R0、R1對應的地址是受RS1、RS0位的影響的。當RS1RS0為00的時候，R0的地址就是00H，R1的地址就是01H，否則就不是。所以，這個保護本身是有問題的。那么，該怎么解決呢？

還有一種整體的解決方案。如果約定，主程序使用第0組工作寄存器，子程序使用第1組工作寄存器，那么只要控制RS1RS0的值就可以了。進入子程序的時候設置：SETBRS0；退出子程序前設置：CLRRS0。

還有其他的辦法，請讀者自己分析。

3.參數(shù)傳遞主程序調(diào)用子程序時，可以給子程序傳遞一些參數(shù)，增加子程序的通用性。主程序傳給子程序的這些參數(shù)稱為入口參數(shù)。在調(diào)用子程序前，主程序應先把子程序所需要的入口參數(shù)放到某些約定的存儲單元中，進入子程序后，再從約定的單元取出入口參數(shù)進行處理。子程序完成任務后，應把處理結(jié)果傳遞給主程序，便于程序進一步處理。子程序傳給主程序的這些參數(shù)稱為出口參數(shù)。處理完任務后，子程序返回前，應把出口參數(shù)送到約定單元。返回主程序后，再從這些約定單元取得出口參數(shù)作進一步的處理。注：有些子程序不需要入口參數(shù)或出口參數(shù)。在MCS—51單片機中，進行參數(shù)傳遞的方法有多種：

用累加器或者工作寄存器進行傳遞；

用地址指針進行傳遞；

用堆棧傳遞參數(shù)。前面給出的DELAY延時程序的延時時間是固定的，是因為相關參數(shù)都是在DELAY子程序中固定，用立即數(shù)的形式給出。下面做一下簡單修改：

DELAY: ；MOV R0,#00H

DELAY1:

MOV R1,#00H

DJNZ R1,$ DJNZ R0,DELAY1 RET注意，在子程序中的MOVR0，#00H這條指令前面加了“；”，該指令被屏蔽了。這時調(diào)用DELAY子程序時，應先在主程序中給出R0的初始值。給出的初始值不同，延時時間也就不同。下面是調(diào)用示范程序，因為該示例程序比較簡單，讀者請自行分析。

LOOP: MOV DPTR,#0FEFFH

MOV A,#01H

MOVX @DPTR,A

MOV R0,#80H

LCALL DELAY MOV A,#02H

MOVX @DPTR,A

MOV R0,#30H

LCALL DELAY

SJMP LOOP

DELAY: ；MOV R0,#00H；注意，這條指令已被屏蔽

DELAY1: MOV R1,#00H

DJNZ R1,$ DJNZ R0,DELAY1 RET該示例程序中，R0成了DELAY這個子程序的入口參數(shù)。其他的傳遞形式以后會學到。3.2.4空操作NOP

NOP指令執(zhí)行一個空周期，它在程序中主要用于調(diào)整時間或者匹配時鐘。在寫程序存儲器時，沒有編程到的區(qū)域都是默認的00H，即為NOP。3.3輸入電路設計輸入電路是單片機與外部建立聯(lián)系的重要通道。輸入的穩(wěn)定可靠性，是單片機可以正確獲取外部信息的保證。對于計算機，目前市場上有很多兼容的成品輸入設備，如鍵盤、鼠標、掃描儀等。對于單片機，由于控制要求的復雜性和單片機本身型號的多樣性，目前基本沒有統(tǒng)一的可以在各型號間兼容使用的輸入設備。因此，對單片機工程師而言，每一個產(chǎn)品都要有輸入設備的設計，而且相互之間的輸入又可能不盡相同。但是，這些產(chǎn)品的輸入設備的工作原理還是基本相同的，初學者要掌握必要的基礎知識。這里先介紹開關信號的輸入，主要是實現(xiàn)人機接口的鍵盤輸入部分。關于模擬量的輸入在第9章介紹。鍵盤的輸入設計方案在三個章節(jié)中分階段闡述，為了讓讀者有個整體印象，簡介如下：

獨立式按鍵設計：側(cè)重于理論的講述和分析，給出較為基礎的鍵盤設計方案。本章介紹。

矩陣式鍵盤設計：系統(tǒng)介紹矩陣鍵盤的設計方法，給出鍵盤設計與實用中存在的深層次問題的探討與分析——重(chong)鍵和連擊。第5章介紹。

鍵盤設計方案的完善：介紹實用鍵盤的設計方法，應用中斷方式進行鍵盤設計。第6章介紹。

1.鍵盤輸入的特點鍵盤實質(zhì)上是一組按鍵開關的組合。通常，按鍵所用開關為機械彈性開關，均利用了機械觸點的合、斷作用。一個電壓信號通過機械觸點的斷開、閉合過程，其波形如圖3-18所示。由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關在閉合時不會馬上穩(wěn)定的接通，在斷開時也不會一下斷開，而是有一連串的抖動。抖動時間的長短由按鍵的機械特性決定，一般為5～10ms。這個參數(shù)在后面的設計中會用到。按鍵的穩(wěn)定閉合時間長短是由鍵盤操作人員的按鍵動作決定的，一般為0.1～5s的時間。在設計中要參考利用這個時間參數(shù)。圖3-18按鍵抖動信號分析

2.按鍵的確認與消抖措施按鍵的閉合與否，反映在電壓上就是高電平或者低電平的變化，如果高電平代表斷開，那么低電平則表示閉合。所以，通過電平的高低狀態(tài)的檢測，便可確認按鍵是否按下。為了確保CPU對一次按鍵動作確認一次按鍵，必須消除抖動的影響。下面介紹軟件、硬件消抖的辦法。

1)基本RS觸發(fā)器構(gòu)成的消抖電路如圖3-19(a)所示，當開關由觸點1推向2時，在2點上會產(chǎn)生抖動，因為開關已經(jīng)離開1，所以這個時候觸點在2點上的抖動僅僅導致端在0和1之間的短暫跳變。但是端已經(jīng)為1，由基本RS觸發(fā)器的性質(zhì)知道，當端為0時，Q端輸出1；當端為1時，Q端保持原來的狀態(tài)不變。所以，Q端保持穩(wěn)定的輸出，沒有跳變。另一個過程同理。在圖3-19(b)中給出了相應的波形。圖3-19基本RS觸發(fā)器構(gòu)成的硬件消抖電路

2)濾波消抖電路濾波消抖原理圖如圖3-20所示?？梢钥闯觯陂_關開、關的開始階段，存在一個不穩(wěn)定的電壓，消抖的關鍵是讓這個抖動的時間小于門電壓達到轉(zhuǎn)換電平所需要的時間。VH是非門轉(zhuǎn)換所需要的門開啟電壓，VL是門關閉電壓。在閉合時，抖動階段要在電壓達到VH之前結(jié)束；在斷開時，抖動階段要在電壓降到VL之前結(jié)束。這個時間可以通過改變R1、R2、C的值來調(diào)整充放電時間常數(shù)，一般要保證C由穩(wěn)態(tài)電壓充電到開啟電壓或者放電到門關閉電壓的延遲時間大于等于10ms。這個延時時間可以根據(jù)電路進行計算，也可以通過實驗的方式獲得。圖中的參數(shù)僅供參考。圖3-20濾波消抖

3)軟件消抖當按鍵較多時，使用硬件消抖的方案便失去可行性，這時軟件消抖就是優(yōu)先選擇的方案。而且，軟件消抖也可以做得比較出色，其方法簡單，成本較低，因而得到了廣泛應用。軟件資料的基本原理是：當程序檢測到有按鍵按下時，執(zhí)行一個10ms的延時，然后再檢測一次，對比是否還是剛才的按鍵狀態(tài)。如果是，則確認按鍵并處理，否則可以認為是干擾，放棄處理，或作異常處理，從而消除抖動的影響。

3.獨立式按鍵接口設計所謂獨立式按鍵接口，是與目前常用的矩陣式鍵盤(第5章介紹)相比較而言的，具體指I/O口的獨立性，每一根口線作為一個獨立的按鍵輸入檢測。當按下或釋放按鍵時，輸入到I/O口的電平發(fā)生高低變化，程序依此來判斷是否有按鍵按下，并且可以識別具體的按鍵。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，如圖3-21所示。但其每個按鍵需占用一根輸入口線，在按鍵數(shù)量較多時，輸入口浪費大，電路結(jié)構(gòu)顯得很繁雜，故此種鍵盤使用于按鍵較少或操作速度要求較高的場合。下面介紹幾種獨立式按鍵的接口。

(1)圖3-21(a)為典型的獨立式按鍵工作電路。當某個按鍵按下時，相對應的輸入口線被拉低，讀入的這個端口對應的位為0，依此判斷是哪個按鍵被按下。至于圖中的上拉電阻，則是為了通用性。實際連接電路時，需要查詢所選用單片機的接口內(nèi)部是否有上拉電阻，如果有，則把外接的上拉電阻去掉，以免加重系統(tǒng)負擔。以后的電路都遵循這個規(guī)律。圖3-21獨立式按鍵接口設計獨立式按鍵的軟件結(jié)構(gòu)比較簡單，一般采用查詢方式。程序如下：

START: MOVP1,#0FFH ；為P1口讀入做準備

MOVA,P1 ；實質(zhì)上是暫存到R0，為了增加通用性

MOV00H,A ；使用00H LCALLDELAY10 ；調(diào)用延時10ms子程序

MOVA,P1 ；再次讀入按鍵狀態(tài)

CJNEA,00H,START ；如果還相同，則按鍵有效，并進行處理，否則返回到START

CJNEA,#0FEH,KEY_1 ；是否是第1個按鍵(P1.0)？不是就繼續(xù)判斷下一個

LJMPFUNC0 ；是就轉(zhuǎn)去執(zhí)行功能

KEY_1: CJNEA,#0FDH,KEY_2 ；是否是第2個按鍵(P1.1)？不是就繼續(xù)判斷下一個

LJMPFUNC1 ；是就轉(zhuǎn)去執(zhí)行功能

KEY_2: CJNEA,#0FBH,KEY_3 ；是否是第3個按鍵(P1.2)？不是就繼續(xù)判斷下一個

LJMPFUNC2 ；是就轉(zhuǎn)去執(zhí)行功能

KEY_3: CJNEA,#0F7H,KEY_4 ；是否是第4個按鍵(P1.3)？不是就繼續(xù)判斷下一個

LJMPFUNC3 ；是就轉(zhuǎn)去執(zhí)行功能

KEY_4: JBACC.4,KEY_5 ；是否是第5個按鍵(P1.4)？不是就繼續(xù)判斷下一個

LJMPFUNC4 ；注意，這里更換了判斷方式，其實質(zhì)沒變

KEY_5: JBACC.5,KEY_6 ；是否是第6個按鍵(P1.5)？不是就繼續(xù)判斷下一個

LJMPFUNC5 ；更換判斷方式的目的是給讀者提供更多的選擇

KEY_6: JBACC.6,KEY_7 ；是否是第7個按鍵(P1.6)？不是就繼續(xù)判斷下一個

LJMPFUNC6

KEY_7: LJMPFUNC7 ；如果能夠執(zhí)行到這里，就是第8個按鍵了

FUNC0: ；功能自己補充

LJMPSTART

FUNC1: ；功能自己補充

LJMPSTART

FUNC2: ；功能自己補充

LJMPSTART

FUNC3: ；功能自己補充

LJMPSTART…………

FUNC4: ；功能自己補充

LJMPSTART

FUNC5: ；功能自己補充

LJMPSTART

FUNC6: ；功能自己補充

LJMPSTART

FUNC7: ；功能自己補充

LJMPSTART

DELAY10: ；延時部分請讀者自己增加進一步解釋：

這個鍵盤程序是以程序段的形式出現(xiàn)的，其功能就是循環(huán)判斷是否有按鍵按下，如果有，則對應執(zhí)行該按鍵的功能。……………

按鍵功能部分省略，讀者可以根據(jù)自己的需要進行補充，替換掉省略號部分即可，比如：

FUNC0：MOV A,#01H

MOV DPTR,#0FEFFH

MOVX @DPTR,A

LJMP START如果和前面電路3-5對應，則可以控制LED。

判斷是否有按鍵的思路是：先讀入按鍵，延時10ms后再次讀入按鍵，如果兩次讀入的按鍵狀態(tài)相等，則說明是一個穩(wěn)定的按鍵，可以處理，否則放棄。這個判斷部分使用的指令是：

CJNE A， 00H， START實質(zhì)上執(zhí)行的是：

CJNE A，R0， START但是在μV3中不支持這個格式，所以采用了上面的形式，請讀者注意。讀者可以根據(jù)自己程序設置的情況來合理分配這個臨時比對單元。比如：

Key_TempEQU 40H

CJNE A, Key_Temp, START

判斷哪一個按鍵的思路是：把讀入的按鍵狀態(tài)從P1.0到P1.7逐位判定，哪一位為0，則對應該位上有按鍵按下。這里提供了兩種判斷思路：

CJNE A，#0FEH，KEY_1

LJMP FUNC0…這種判斷是基于這樣一種設定：同時只有一個按鍵按下，當一個按鍵按下時，相應的口線輸入為0，而其他的都為1。如果同時有兩個或兩個以上的按鍵按下，可以看出，上面的判斷將無效。在這種方式下，按鍵相互之間有影響。所