單片機(jī)課件(第5章).ppt

1、第5章 輸入/輸出、中斷、定時(shí)與串行通信,5-1 I/O概述,1、I/O接口電路的作用,我們知道，CPU 與外部有兩類數(shù)據(jù)傳送操作，第一類是CPU與存儲(chǔ)器之間，屬于同步工作方式傳送（CPU 與存儲(chǔ)器內(nèi)部電路相同，電平相同）；第二類是CPU與外部設(shè)備之間，它是無法實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)傳遞的，原因是： （1）外部設(shè)備工作速度與計(jì)算機(jī)相比較低； （2）不同種類的外部設(shè)備性能各不相同，無法按統(tǒng)一格式傳送； （3）外部設(shè)備的數(shù)據(jù)信號多種多樣； （4）外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送有近距離的，也有遠(yuǎn)距離的； 鑒于以上原因，計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送是通過接口電路完成的，計(jì)算機(jī)的三總線不與外部設(shè)備直接相連。,接口電路的作用

2、： （1）完成計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的速度協(xié)調(diào)； （2）輸出數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存； （3）完成三態(tài)緩沖作用； （4）完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換（A/D，D/A）。,2、接口與端口,接口是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的過渡電路，又稱為“接口電路”，一般一個(gè)外部設(shè)備需要一個(gè)I/O接口。 端口是在接口電路中用來完成某種信息傳遞，由編程人員進(jìn)行尋址讀寫的寄存器（因?yàn)榻涌陔娐分袀魉蛿?shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息，要區(qū)分開來，從空間位置上每種信息給出一端口地址），一個(gè)I/O接口可能有多個(gè)端口。,3、I/O端口的編址方式,I/O接口有兩種編址方式：獨(dú)立編址方式和統(tǒng)一編址方式。,（1）獨(dú)立編址方式：I/O與存儲(chǔ)器分開編址，形成兩個(gè)獨(dú)立的地

3、址空間，其訪問有專門的輸入、輸出指令； （2）統(tǒng)一編址方式：I/O與存儲(chǔ)器統(tǒng)一進(jìn)行編址，把端口當(dāng)作外部存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元看待。訪問方式與訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器相同，無專門輸入輸出指令。但是要占用外部RAM的地址空間。,5-2 輸入/輸出傳送方式,2、查詢傳送方式,又稱“同步程序傳送”，不需聯(lián)絡(luò)信號，可以隨時(shí)傳送數(shù)據(jù)。 適用于無條件傳送的外設(shè)：（1）外設(shè)工作速度很快，足以與CPU 同步工作（A/D，D/A）；（2）具有常駐數(shù)據(jù)信號（機(jī)械開關(guān)）的外設(shè)或具有變化緩慢數(shù)據(jù)信號的外設(shè)（LED數(shù)碼管顯示器）。,1、無條件傳送方式,又稱“條件傳送方式”，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送前需檢測外部設(shè)備的狀態(tài)，適用于各種外部設(shè)備的輸

4、入/輸出傳送。,3、中斷傳送方式,前面的查詢傳送方式，CPU需要一個(gè)等待過程，特別是當(dāng)外設(shè)速度很慢時(shí)，浪費(fèi)CPU的時(shí)間很多。 中斷傳送方式不需要CPU的等待過程。 中斷傳送中，外部設(shè)備是主動(dòng)的，當(dāng)需要傳送數(shù)據(jù)時(shí)，向CPU申請中斷，CPU響應(yīng)中斷后，執(zhí)行中斷服務(wù)程序傳輸數(shù)據(jù)；當(dāng)外設(shè)不需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，CPU執(zhí)行主程序。,5-3 MCS-51單片機(jī)的中斷系統(tǒng),1、中斷的概念,所謂“中斷”，就是計(jì)算機(jī)在執(zhí)行某段程序的過程中，由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)、外的某種原因，有必要終止原程序的執(zhí)行，而去執(zhí)行相應(yīng)的處理程序，待處理完成后，再返回繼續(xù)執(zhí)行原程序的過程。,采用中斷系統(tǒng)，能改善計(jì)算機(jī)的性能，主要有： （1）解決快

5、速CPU與慢速外設(shè)之間的矛盾； （2）及時(shí)處理控制系統(tǒng)中發(fā)生的隨機(jī)事件，具有實(shí)時(shí)處理能力； （3）使系統(tǒng)具備處理故障的能力，提高系統(tǒng)的可靠性。,2、中斷源,引起中斷的原因，或者是能發(fā)出中斷申請的來源，稱為“中斷源”。 51單片機(jī)有5個(gè)中斷源：兩個(gè)外部中斷、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷、一個(gè)串行口中斷（串行接收和串行發(fā)送）。,那么，CPU是如何知道中斷源提出中斷申請的呢？ 它是靠檢測各中斷源的中斷請求信號知道的，各中斷請求信號在特殊功能寄存器TCON和SCON中。,3、中斷的優(yōu)先級,51單片機(jī)有5個(gè)中斷源，若有幾個(gè)中斷源同時(shí)提出中斷申請或者CPU正在響應(yīng)某一個(gè)中斷源，又有其它中斷源提出中斷申請，CPU如

6、何處理呢？,中斷優(yōu)先級控制原則與控制邏輯：,每個(gè)中斷源都可通過軟件設(shè)置中斷優(yōu)先級寄存器IP確定為高優(yōu)先級或低優(yōu)先級（只有兩個(gè)優(yōu)先級）。,4、中斷的開放與關(guān)閉,5、中斷響應(yīng)的條件、過程和時(shí)間,（1）中斷響應(yīng)的條件 中斷源提出申請后，CPU響應(yīng)該中斷申請，必須滿足一定的條件: CPU 總中斷允許位EA置1； 相應(yīng)申請中斷的中斷允許位置1； 無同級或更高級中斷正在服務(wù)； 當(dāng)前指令執(zhí)行結(jié)束； 若當(dāng)前指令為RETI指令或訪問IE、IP的指令，需執(zhí)行完當(dāng)前指令和其后面的一條指令。,（2）中斷響應(yīng)的過程,中斷源提出申請CPU響應(yīng)中斷后： 置位中斷優(yōu)先級有效觸發(fā)器； 保護(hù)斷點(diǎn)（自動(dòng)完成）； 將中斷服務(wù)程序入口

7、地址裝入PC（相當(dāng)于一條長調(diào)用指令）； 清除中斷請求標(biāo)志（低電平觸發(fā)的外部中斷和串行口中斷除外）； 執(zhí)行中斷服務(wù)程序（注意保護(hù)現(xiàn)場）； 中斷返回，恢復(fù)斷點(diǎn)，恢復(fù)現(xiàn)場。,各中斷源對應(yīng)中斷服務(wù)程序的入口地址：,（3）中斷響應(yīng)的時(shí)間,從查詢到到轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序的入口地址所需要的機(jī)器周期數(shù)。 最少3個(gè)機(jī)器周期（一個(gè)查詢周期+兩個(gè)轉(zhuǎn)移周期），即查詢到請求標(biāo)志后，CPU接著響應(yīng)中斷； 最多8個(gè)機(jī)器周期。中斷查詢時(shí)剛開始執(zhí)行訪問IE或IP或RETI指令(2個(gè)周期）+后面緊跟MUL或DIV指令（4個(gè)周期）+兩個(gè)周期的轉(zhuǎn)移時(shí)間。,6、51單片機(jī)的中斷系統(tǒng),51單片機(jī)有兩個(gè)中斷優(yōu)先級，每個(gè)中斷源都可單獨(dú)設(shè)置優(yōu)先級

8、（設(shè)置優(yōu)先級寄存器IP），可以實(shí)現(xiàn)兩級中斷嵌套，所有中斷都可由軟件控制允許或禁止（設(shè)置中斷允許寄存器IE）。,7、中斷請求的撤銷,對于下降沿觸發(fā)的外部中斷、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器溢出中斷，中斷響應(yīng)后由硬件自動(dòng)清除中斷請求標(biāo)志； 對于串行口中斷和低電平觸發(fā)的外部中斷，中斷響應(yīng)后，其中斷請求標(biāo)志不能由硬件自動(dòng)清零，需軟件清零。 但是對低電平觸發(fā)的外部中斷還要注意：中斷服務(wù)程序返回之前，一定要撤銷外部引腳的低電平（防止中斷返回后重復(fù)中斷），可應(yīng)用教材中圖5-3電路撤銷（返回之前CLR P1.0,SETB P1.0)。,8、例題,5-4 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,定時(shí)方法： （1）軟件定時(shí)； （2）硬件定時(shí)； （3）可

9、編程定時(shí)器定時(shí)。 其中可編程定時(shí)器具有定時(shí)功能和計(jì)數(shù)功能（因?yàn)楸举|(zhì)上都是計(jì)數(shù)器），使用方便靈活。,1、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)和工作原理,2、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的方式和控制寄存器,特殊功能寄存器TCON和TMOD用于設(shè)置定時(shí)器的工作方式、控制定時(shí)器的啟動(dòng)方式，以及存儲(chǔ)定時(shí)器的中斷請求標(biāo)志。 （1）定時(shí)器工作方式寄存器TMOD,（2）定時(shí)器控制寄存器TCON,（3）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作方式,定時(shí)器/計(jì)數(shù)器有4種工作方式：0（13位）、1（16位）、2（8位自動(dòng)裝載初值）、3（兩個(gè)獨(dú)立8位）。,（1）方式0（13位定時(shí)/計(jì)數(shù)）,（2）方式1（16位定時(shí)/計(jì)數(shù)）,（3）方式2（8位自動(dòng)裝載初值定時(shí)/計(jì)數(shù)）,（

10、4）方式3（兩個(gè)獨(dú)立8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器）,3、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器應(yīng)用舉例,使用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器時(shí)，首先必須進(jìn)行初始化，包括以下步驟： （1）對TMOD寄存器賦值確定工作方式； （2）根據(jù)定時(shí)時(shí)間或計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)計(jì)算初值并裝入THx、TLx中； （3）根據(jù)需要置位或復(fù)位總中斷允許位EA和相應(yīng)中斷允許位； （4）置位TRx啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器。,5-5 串行通信接口,5.5.1 串行通信基本知識,1、并行通信與串行通信,通信：計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間或計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的信息交換。 1）并行通信：數(shù)據(jù)各位同時(shí)進(jìn)行傳送，如8位或16位數(shù)據(jù)并行傳送； 特點(diǎn)是：傳輸速度快、適合于近距離傳送（遠(yuǎn)距離時(shí)線路復(fù)雜、成本高、抗干擾能

11、力差。 2）串行通信：數(shù)據(jù)一位接一位地順序傳送； 特點(diǎn)是：通信線路簡單、速度慢、適于遠(yuǎn)距離傳送。 串行通信又分為異步串行通信與同步串行通信。 1）異步串行通信：數(shù)據(jù)在線路上的傳送不連續(xù)，數(shù)據(jù)以一個(gè)字符（一幀數(shù)據(jù)）為單位進(jìn)行傳送，傳輸速度慢。,通信前要事先設(shè)定好字符格式（起始位、有效數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位、停止位）和波特率（每秒傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)bit/s）。 2）同步串行通信：一次傳送一組數(shù)據(jù)，在這一組數(shù)據(jù)的開始用同步字符SYN加以指示，傳輸速度高于異步方式，但要有時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)發(fā)送/接收的嚴(yán)格同步，硬件成本高。,2、數(shù)據(jù)傳送方向,1）單工方式：數(shù)據(jù)只能單向傳送，只需要一條數(shù)據(jù)線。,2）半雙工方式：數(shù)據(jù)可以

12、雙向傳送，但同一時(shí)間只能一個(gè)方向傳送。只需一條數(shù)據(jù)線。,3）全雙工方式：數(shù)據(jù)可同時(shí)進(jìn)行雙向傳送，需要兩條數(shù)據(jù)線。,3、數(shù)據(jù)終端與調(diào)制器的接口,計(jì)算機(jī)通信是數(shù)字信號通信，要求傳送線頻帶很寬，長距離通信時(shí)，通常用電話線傳送，如果直接通過電話線傳送數(shù)字信號，信號就會(huì)發(fā)生畸變。所以，在發(fā)送端需要MODEM進(jìn)行調(diào)制，在接收端需要MODEM進(jìn)行解調(diào)。 經(jīng)常采用RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口（25針或9針接口）連接。其常用信號如下：,1）基本數(shù)據(jù)引腳 發(fā)送數(shù)據(jù)TXD 數(shù)據(jù)從該腳向外發(fā)送 接收數(shù)據(jù)RXD 數(shù)據(jù)從該腳接收 信號地GND 數(shù)據(jù)信號的公共參考端 2）聯(lián)絡(luò)和控制信號 請求發(fā)送RTS 一方做好了發(fā)送準(zhǔn)備，向?qū)Ψ?/p>

13、發(fā)送該信號，等待對方應(yīng)答,準(zhǔn)許發(fā)送信號CTS 當(dāng)接收方做好了接收的準(zhǔn)備，在接收到發(fā)送方發(fā)來的RTS信號后，以CTS信號作應(yīng)答 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好DTR 一方的接收器已經(jīng)做好了接收的準(zhǔn)備，向?qū)Ψ桨l(fā)送器發(fā)送該信號通知發(fā)送器可以發(fā)送了 數(shù)據(jù)裝置準(zhǔn)備好DSR 發(fā)送方接收到接收方送來的DTR信號后，同時(shí)做好了發(fā)送準(zhǔn)備后，向接收方送出該信號作應(yīng)答 載波檢測CD 該信號表示通信雙方MODEM已經(jīng)做好了通信的準(zhǔn)備，可以進(jìn)行通信了。 保護(hù)地 作為設(shè)備的接地端。,由于RS-232C為232電平（負(fù)邏輯，+5V+15V 為“0”，-5V-15V為“1”），與TTL電平不兼容，所以必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。,采用電平轉(zhuǎn)換集成電路

14、芯片MC1488（MC1489）,采用分立元件轉(zhuǎn)換,5.5.2 MCS-51單片機(jī)的串行接口,51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)全雙工的異步串行接口，可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。有四種工作方式。 串行口有兩個(gè)獨(dú)立的發(fā)送、接收緩沖器SBUF（公用一個(gè)地址）。設(shè)定好工作方式后，只要將要發(fā)送數(shù)據(jù)寫入SBUF，自動(dòng)從TXD腳由低位到高位開始發(fā)送；接收端RXD一位一位低接收數(shù)據(jù)，接收到完整的一幀數(shù)據(jù)后，置位RI標(biāo)志，此時(shí)，只需用一條讀指令MOV A，SBUF就可將接收到的數(shù)據(jù)讀入累加器A。（見教材圖5-22） 另外，串行接收和發(fā)送可采用查詢方式，也可采用中斷方式。,那么，串行口工作方式如何設(shè)置？,1、串行接口的特殊功能寄

15、存器,（1）串行口數(shù)據(jù)緩沖器SBUF （2）串行口控制寄存器SCON,（3）波特率控制寄存器PCON,2、串行口的工作方式,（1）方式0（同步移位寄存器方式）,只傳送8位有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從RXD腳輸出，TXD腳提供移位時(shí)鐘。 該方式可用來將串行口與外加同步移位寄存器配合擴(kuò)展為并行口。 波特率：fOSC/12（固定）,（2）方式1（10位異步串行通信方式）,1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位 發(fā)送時(shí)：前提是TI=0，執(zhí)行MOV SBUF， A，數(shù)據(jù)打入內(nèi)部移位寄存器，按照起始位數(shù)據(jù)最低位-直到數(shù)據(jù)最高位-停止位的順序發(fā)送。直至發(fā)送完畢，置位TI。 接收時(shí)：前提是RI=0，REN=1，CPU按16倍波特率不斷檢測RX