单片机应用技术(第三周)

第1章单片机硬件系统MCS—51单片机的存储器配置MCS－51的程序存储器地址配置FFFFH1000H内部程序存储器（ROM）4KB0FFFH0000HFFFFH0000H（EA=0）外部程序存储器（ROM）64KB外部程序存储器（ROM）60KBEA=1程序存储器配置第1章单片机硬件系统位寻址区（位地址00H～7FH）16B工作寄存器区3（R0～R7）8B工作寄存器区2（R0～R7）8B工作寄存器区1（R0～R7）8B工作寄存器区0（R0～R7）8B07H00H.........OFH08H17H10H1FH18H2FH20H7FH30H数据缓冲区80BFFH80H特殊功能寄存器区128B内部数据存储器（RAM)FFFFH0000H外部数据存储器（RAM)特殊功能寄存器MCS-51系列单片机的数据存储器地址配置第1章单片机硬件系统※每一个I/O口都能用作输入或输出。※用作输入时，均须先写入“1”；用作输出时，P0口应外接上拉电阻。※在并行扩展外存储器或I/O口情况下，P0口用于低8位地址总线和数据总线，分时传送低8位地址（地址总线）和8位数据信号；P2口用于高8位地址总线；P3口常用于第二功能，用户能使用的I/O口只有P1口和未用作第二功能的部分P3口端线。第1章单片机硬件系统8051地址锁存器程序存储器（60K）数据存储器（64K）ALE0EPSENWRRDWRRDP2口P0口EAVCC8051同时扩展外ROM和外RAM连接图A0～A7A8～A15D0～D774L537327646264第1章单片机硬件系统1.4时钟电路与复位电路1.4.1单片机的时钟电路与时序1.时钟信号的产生在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟振荡电路，如图1.13所示。第1章单片机硬件系统时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。请读者特别注意时钟脉冲与振荡脉冲之间的二分频关系，否则会造成概念上的错误。一般地，电容C1和C2取30pF左右，晶体的振荡频率范围是1.2～12MHz。如果晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机的运行速度也就快。MCS-51在通常应用情况下，使用的振荡频率为6MHz或12MHz。第1章单片机硬件系统图1.13时钟振荡电路第1章单片机硬件系统2.引入外部脉冲信号在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入惟一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。这时，外部的脉冲信号经XTAL2引脚输入，其连接如图1.14所示。第1章单片机硬件系统图1.14外部时钟源接法第1章单片机硬件系统3.时序1)节拍与状态把振荡脉冲的周期定义为节拍(用P表示)。振荡脉冲经过二分频后，就是单片机的时钟信号的周期，定义其为状态(用S表示)。这样，一个状态就包含两个节拍，其前半周期对应的节拍叫节拍1(P1)，后半周期对应的节拍叫节拍2(P2)。第1章单片机硬件系统2)机器周期MCS-51采用定时控制方式，因此它有固定的机器周期。规定一个机器周期的宽度为6个状态，并依次表示为S1～S6，可参见图1.15(a)。由于一个状态又包括两个节拍，因此，一个机器周期总共有12个节拍，分别记作S1P1、S1P2、…、S6P2。由于一个机器周期共有12个振荡脉冲周期,因此机器周期就是振荡脉冲的十二分频。当振荡脉冲频率为12MHz时，一个机器周期为1μs；当振荡脉冲频率为6MHz时，一个机器周期为2μs。第1章单片机硬件系统3)指令周期指令周期是最大的时序定时单位，执行一条指令所需要的时间称为指令周期。它一般由若干个机器周期组成。不同的指令，所需要的机器周期数也不相同。通常，包含一个机器周期的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的指令称为双周期指令，依次类推。指令的运算速度与指令所包含的机器周期有关，机器周期数越少的指令，执行速度越快。MCS-51单片机指令通常可以分为单周期指令、双周期指令和四周期指令。四周期指令只有乘法和除法指令两条，其余均为单周期和双周期指令。单片机执行任何一条指令时都可以分为取指令阶段和执行指令阶段。MCS-51的取指/执行时序如图1.15(a)所示。第1章单片机硬件系统由图1.15(a)可见，ALE引脚上出现的信号是周期性的，在每个机器周期内出现两次高电平。第一次出现在S1P2和S2P1期间，第二次出现在S4P2和S5P1期间。ALE信号每出现一次高电平，CPU就进行一次取指操作，但由于不同指令的字节数和机器周期数不同，因此取指令操作也随指令的不同而有小的差异。按照指令字节数和机器周期数，8051的111条指令可分为6类，分别是：单字节单周期指令、单字节双周期指令、单字节四周期指令、双字节单周期指令、双字节双周期指令、三字节双周期指令，参见附录2。第1章单片机硬件系统图1.15(b)、(c)分别给出了单字节单周期和双字节单周期指令的时序。单周期指令的执行始于S1P2，这时操作码被锁存到指令寄存器内。若是双字节指令，则在同一机器周期的S4读第二字节；若是单字节指令，则在S4仍有读操作，但被读入的字节无效，且程序计数器PC并不加1。图1.15(d)给出了单字节双周期指令的时序，两个机器周期内进行了4次读操作码操作。因为是单字节指令，所以后三次读操作都是无效的。第1章单片机硬件系统图1.15MCS-51单片机的取指/执行时序(a)单片机的机器周期；(b)单字节单周期指令，如INCA；(c)双字节单周期指令，如ADDA，data；(d)单字节双周期指令，如INCDPTR第1章单片机硬件系统1.4.2单片机的复位电路单片机复位使CPU和系统中的其它功能部件都处在一个确定的初始状态下，并从这个状态开始工作，例如复位后PC=0000H，使单片机从第一个单元取指令。从实训1已经看出，无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位，所以我们必须弄清楚MCS-51型单片机复位的条件、复位电路和复位后的状态。单片机复位的条件是：必须使RST/VPD或RST引脚(9)加上持续两个机器周期(即24个振荡周期)的高电平。例如，若时钟频率为12MHz，每个机器周期为1μs，则只需2μs以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。单片机常见的复位电路如图1.16(a)、(b)所示。第1章单片机硬件系统图1.16(a)为上电复位电路，它是利用电容充电来实现的。在接电瞬间，RST端的电位与VCC相同，随着充电电流的减少，RST的电位逐渐下降。只要保证RST为高电平的时间大于两个机器周期，便能正常复位。图1.16(b)为按键复位电路。该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按图1.16(b)中的RESET键，此时电源VCC经电阻R1、R2分压，在RST端产生一个复位高电平。第1章单片机硬件系统图1.16单片机常见的复位电路(a)上电复位电路；(b)按键复位电路第1章单片机硬件系统单片机复位期间不产生ALE和信号，即ALE=1和=1。这表明单片机复位期间不会有任何取指操作。复位后，内部各专用寄存器状态如下：PC：0000HTMOD：00HACC：00HTCON：00HB：00HTH0：00HPSW：00HTL0：00HSP：07HTH1：00HDPTR：0000HTL1：00HP0~P3：FFHSCON：00HIP：***00000BSBUF：不定IE：0**00000BPCON：0***0000BPSENPSEN第1章单片机硬件系统其中，*表示无关位。请注意：(1)复位后PC值为0000H，表明复位后程序从0000H开始执行，这一点在实训1中已介绍。(2)SP值为07H，表明堆栈底部在07H。一般需重新设置SP值。(3)P0～P3口值为FFH。P0～P3口用作输入口时，必须先写入“1”。单片机在复位后，已使P0～P3口每一端线为“1”，为这些端线用作输入口做好了准备。第1章单片机硬件系统1.5单片机的工作过程单片机的工作过程实质上是执行用户编制程序的过程。一般程序的机器码都已固化到存储器中，例如实训1中的步骤(3)，因此开机复位后，就可以执行指令。执行指令又是取指令和执行指令的周而复始的过程。例如指令MOVA，#56H表示把立即数56H这个值送入A累加器。该指令对应的机器码是74H、56H，假设它们已存在0000H开始的单元中。下面我们来说明单片机的工作过程。接通电源开机后，PC=0000H，取指令过程如下：(1) PC中的0000H送到片内的地址寄存器。第1章单片机硬件系统(2) PC的内容自动加1变为0001H，指向下一个指令字节。(3)地址寄存器中的内容0000H通过地址总线送到存储器，经存储器中的地址译码选中0000H单元。(4) CPU通过控制总线发出读命令。(5)被选中单元的内容74H送内部数据总线，该内容通过内部数据总线送到单片机内部的指令寄存器。至此，取指令过程结束，进入执行指令过程。第1章单片机硬件系统微型机的工作过程取指令分析指令执行指令执行程序的过程第1章单片机硬件系统地址译码器0000H0001H0002H00ff01110100ff单元地址线数据线读……控制逻辑CPU0101011001110100第1章单片机硬件系统执行指令的过程如下：(1)指令寄存器中的内容经指令译码器译码后，表明这条指令是取数命令，即把一个立即数送A中。(2) PC的内容为0001H，送地址寄存器，译码后选中0001H单元，同时PC的内容自动加1变为0002H。(3) CPU同样通过控制总线发出读命令。(4)将0001H单元的内容56H读出并经内部数据总线送至A。至此，本指令执行结束。PC=0002H，机器又进入下一条指令的取指令过程。机器一直重复上述过程直到程序中的所有指令执行完毕，这就是单片机的基本工作过程。第1章单片机硬件系统本章小结本章通过介绍MCS-51型单片机芯片的硬件结构及工作特性，使我们知道MCS-51单片机是由一个8位CPU，一个片内振荡器及时钟电路，4KBROM(8051有4KB掩膜ROM，8751有4KBEPROM，8031片内无ROM，89C51有4KBFPEROM)，128B片内RAM，21个特殊功能寄存器，两个16位定时/计数器，4个8位并行I/O口，一个串行输入/输出口和5个中断源等电路组成的。芯片共有40个引脚，除了电源、地、两个时钟输入/输出脚以及32个I/O引脚外，还有4个控制引脚：ALE(低8位地址锁存允许)、(片外ROM读选通)、RST(复位)、(内外ROM选择)。PSENEA第1章单片机硬件系统MCS-51单片机片内有256B的数据存储器，它分为低128B的片内RAM区和高128B的特殊功能寄存器区。低128B的片内RAM又可分为工作寄存器区(00H～1FH)、位寻址区(20H～2FH)和数据缓冲器(30H～7FH)。累加器A、程序状态寄存器PSW、堆栈指针SP、数据存储器地址指针DPTR、程序存储器地址指针PC，均有着特殊的用途和功能。MCS-51单片机有4个8位的并行I/O口，它们在结构和特性上基本相同。当需要片外扩展RAM和ROM时，P0口分时传送低8位地址和8位数据，P2口传送高8位地址，P3口常用于第二功能，通常情况下只有P1口用作一般的输入/输出引脚。第1章单片机硬件系统习题11.1单项选择题。(1) MCS-51单片机的CPU主要由组成。A．运算器、控制器B．加法器、寄存器C．运算器、加法器D．运算器、译码器(2)单片机中的程序计数器PC用来。A．存放指令B．存放正在执行的指令地址C．存放下一条指令地址D．存放上一条指令地址(3)单片机AT89C51的引脚。A．必须接地B．必须接+5VC．可悬空D．以上三种视需要而定第1章单片机硬件系统(4)访问外部存储器或其它接口芯片时，作数据线和低8位地址线的是。A．P0口B．P1口C．P2