第2章、單片機(jī)系統(tǒng)組成原理

1、第2章 單片機(jī)系統(tǒng)組成原理,,2.1 MCS-51單片機(jī)組成原理2.2 單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)2.3 MCS-51存儲(chǔ)器配置2.4 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2.5 中斷系統(tǒng),2.1 MCS-51單片機(jī)組成原理,MCS-51單片機(jī)的組成 ：1. 8位CPU2. 片內(nèi)ROM/EPROM、RAM3. 片內(nèi)并行 I/O接口4. 片內(nèi)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器5. 片內(nèi)中斷處理系統(tǒng)6. 片內(nèi)全雙工串行I/O口,不同型號(hào)M

2、CS-51單片機(jī)CPU處理能力和指令系統(tǒng)完全 兼容，只是存儲(chǔ)器和I/O接口的配置有所不同。,MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu),2.2 MCS-51單片機(jī)引腳,1．I/O口線功能4個(gè)8位并行 I/O 接口引腳P0.0～ P0.7 、P1.0～P1.7 、P2.0～P2.7 和 P3.0～P3.7 為多功能引腳，可自 動(dòng)切換用 作數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線 和或I/O 接口外部引腳2．控制線ALE：

3、地址鎖存允許信號(hào)端PSEN： 外部程序存儲(chǔ)器讀選通信 號(hào)端EA/VPP：程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)端 和編程電源輸入端,復(fù)位：,RST/VPD：復(fù)位信號(hào)端和后備電源輸入端。 輸入10ms以上高電平脈沖，單片機(jī)復(fù)位。 VPD使用后備電源，可實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)。,電源 工作電源：VCC、VSS、,復(fù)位電路：1）上電復(fù)位 2）外部信號(hào)復(fù)位,時(shí)鐘,時(shí)鐘頻率: 范圍要求

4、在1.2MHz～12MHz之間。 一般從外部振蕩器輸入時(shí)鐘信號(hào)。,機(jī)器周期: 完成一個(gè)基本操作所需要的時(shí)間。 一個(gè)機(jī)器周期由12個(gè)時(shí)鐘周期組成。指令周期: 一條指令的執(zhí)行時(shí)間。 以機(jī)器周期為單位：?jiǎn)沃芷凇㈦p周期和四周期指令。思考題：設(shè)應(yīng)用單片機(jī)晶振頻率為12MHz，問(wèn)機(jī)器周期為多少？指令周期分別為多少？,,2.3 MCS-51寄存器配置,,,,物理上4個(gè)存儲(chǔ)器地址空間：

5、 片內(nèi)/片外程序存儲(chǔ)器空間 片內(nèi)/片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間邏輯上3個(gè)存儲(chǔ)器地址空間： 64KB 程序存儲(chǔ)器 256B 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 64KB 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,一、物理空間與地址,二、程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器邏輯空間,普林斯頓結(jié)構(gòu)：程序和數(shù)據(jù)共用一個(gè)存儲(chǔ)器邏輯空間，統(tǒng)一 編址。哈佛結(jié)構(gòu)： 程序與數(shù)據(jù)分為兩個(gè)獨(dú)立

6、存儲(chǔ)器邏輯空間， 分開(kāi)編址。,三、片內(nèi)RAM寄存器,MCS-51的寄存器在片內(nèi)RAM都有映像地址。使用時(shí)，既 可用寄存器名，也可用對(duì)應(yīng)單元地址。,1. 片內(nèi)RAM工作寄存器區(qū)：字節(jié)地址：00H～1FH位尋址區(qū)：字節(jié)地址：20H～2FH位地址為：00H～7FH數(shù)據(jù)緩沖區(qū)/堆棧區(qū)：字節(jié)地址：00H～7FH一般使用30H～7FH,2. 特殊功能寄存器SFR占用字節(jié)

7、地址：80H～FFH位尋址寄存器：其字節(jié)地址可被8整除。專用寄存器：A、B、PSW、DPTR、SPI/O接口寄存器： P0、P1、P2、P3、SBUF、 TMOD、TCON、SCON …,實(shí)質(zhì)是計(jì)數(shù)器，脈沖每一次下降沿，計(jì)數(shù)寄存器數(shù)值將加1。 計(jì)數(shù)的脈沖如果來(lái)源于單片機(jī)內(nèi)部的晶振,由于其周期極為準(zhǔn)確，這時(shí)稱為定時(shí)器。計(jì)數(shù)的脈沖如果來(lái)源于單片機(jī)外部的引腳，由于其周期一般不準(zhǔn)確，這時(shí)稱為計(jì)數(shù)器。,8031 有2個(gè)可獨(dú)立控制的

8、16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：T0、T1。,2.4 MCS-51定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2.4.1 MCS-51 計(jì)數(shù)/定時(shí)器的原理,定時(shí)器控制、狀態(tài)寄存器1)TMOD定時(shí)器方式寄存器（89H）,1）功能選擇位C/T： =0，定時(shí)功能，計(jì)數(shù)內(nèi)部機(jī)器周期脈沖； =1，計(jì)數(shù)功能，計(jì)數(shù)引腳T0(T1)輸入的負(fù)脈沖。2）方式選擇位M1、M0：3）門(mén)控方式選擇位GATE 計(jì)數(shù)器啟動(dòng)方式的選擇 確定定時(shí)器工作方式指令：

9、 MOV TMOD，#方式字 例：設(shè)T0用方式2非門(mén)控定時(shí)，T1用方式1門(mén)控計(jì)數(shù)。 MOV TMOD，#0D2H ; 1101 0010 B,,2.4.2 定時(shí)器工作方式,由方式選擇位M1、M0設(shè)定一、 方式0 13位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。 THx 8位和TLx低5位組成13位加1 計(jì)數(shù)器，此種方式與MCS－48系列兼容，如果不是為了兼容的目的，一般不用方式0. 方式0的全部功能

10、，方式1都可以代替。,二、 方式1,16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。 THx8位和TLx8位組成16位加1計(jì)數(shù)器最大計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)：1～65536(216)，最長(zhǎng)定時(shí)時(shí)間(晶振12MHz T=1?s)：1?s ～ 65536×T= 65.54ms,非門(mén)控方式：當(dāng)GATE＝0, 控制權(quán)由 TRx 決定 TRx＝1 計(jì)數(shù)開(kāi)始

11、 TRx ＝0 計(jì)數(shù)停止,,門(mén)控方式：當(dāng)GATE＝1、TRx＝1 控制權(quán)由 INTx 決定 INTx＝1 計(jì)數(shù)開(kāi)始 INTx ＝0 計(jì)數(shù)停止,啟動(dòng)計(jì)數(shù)方式：,三、 方式2,用于需要重復(fù)定時(shí)和計(jì)數(shù)的場(chǎng)合。 最大計(jì)數(shù)值：256 (28) 最大定時(shí)

12、時(shí)間(晶振12MHz時(shí) T=1?s)： 256?s 自動(dòng)恢復(fù)初值8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。TLx為8位加1計(jì)數(shù)器，THx為8位初值暫存器。,四、方式3,T0分成2個(gè)8位定時(shí)器：TL0定時(shí)/計(jì)數(shù)器和TH0定時(shí)器 TL0占用T0控制位：C/T，TR0，GATE；TH0占用T1控制位：TR1。T1不能使用方式3工作,,,2.4.3 計(jì)算時(shí)間常數(shù)X(計(jì)算初值),計(jì)數(shù)功能：X= 2n -計(jì)數(shù)值 n：8/13/16 定時(shí)功能

13、：X= 2n - t/T t：定時(shí)時(shí)間（s） T：機(jī)器周期＝12/晶振頻率 如：晶振為12MHz時(shí)，T＝12/12 MHz＝12÷（12×10-6）（秒）＝1×10-6＝1us一、 MCS-51定時(shí)器的應(yīng)用 定時(shí)器初始化編程：使用定時(shí)器工作之前，先寫(xiě)入控 制寄存器，確定好定時(shí)器工作方式。 初始化編程格式：,MOV TMOD，# 方式字

14、 ；選擇方式MOV THx，#XH ；裝入Tx時(shí)間常數(shù)MOV TLx，#XLSETB EA ；開(kāi)Tx中斷SETB ETxSETB TRx ；啟動(dòng)Tx定時(shí)器。,例：由P1.0輸出方波信號(hào)，周期為2ms，設(shè)fosc=12MHz。,解：每隔1ms改變一次P1.0的輸出狀態(tài)，即形成方波，用T0非門(mén)控方式1定時(shí)。 計(jì)算時(shí)間常數(shù)：X = 216 - t/T = 216 –(/10

15、00)/10-6 = 65536-1000 = 64536 = FC18H,ORG0000HAJMPMAINORG000BH ；T0中斷硬件入口地址AJMPPT0INT ；跳到中斷服務(wù)程序ORG0030H MAIN：MOVTMOD，#01H ；中斷方式MOVTL0，#18H ；計(jì)數(shù)初值MOVTH0，#0FCH

16、SETBEA ；開(kāi)放總中斷SETBET0 ；開(kāi)放T0中斷SETBTR0 ；啟動(dòng)定時(shí)器 HERE：SJMPHERE ；等待中斷，相當(dāng)于執(zhí)行其它任務(wù) PT0INT：MOVTL0，#18H ;中斷服務(wù)程序；置初值MOV

17、TH0，#0FCHCPLP1.0 ；取反，產(chǎn)生方波RETI ；中斷返回,例 P1.7驅(qū)動(dòng)LED亮1秒滅1秒地閃爍，設(shè)時(shí)鐘頻率為12MHz。 長(zhǎng)定時(shí)方法：增加一個(gè)軟件計(jì)數(shù)器（如R7)， 記錄中斷次數(shù)，計(jì)滿n個(gè)中斷為1秒。,ORG0000H AJMPMAIN ORG001BH

18、 AJMPPT1INT ORG0030HSTART：MOV R7,#00H MOV TMOD，#10H MOV TL1， #0F0H MOV TH1， #0D8H SETB EA SETB ET1 SETB TR1HERE： SJMP HEREPT1INT: MOV TL1，#0F0H

19、MOV TH1，#0D8H INC R7 CJNE R7,#10, PEND MOV R7, #00H CPL P1.7PEND: RETI,例 定時(shí)器外部引腳T0(T1)用作外部中斷信號(hào)輸入端。外部負(fù)脈沖引起中斷請(qǐng)求，選計(jì)數(shù)方式，時(shí)間常數(shù)為FFH。例：門(mén)控方式測(cè)量正脈沖寬度 解：INT1引腳輸入被檢測(cè)

20、信號(hào)，記錄在正脈沖的時(shí)間內(nèi)包含機(jī)器脈沖個(gè)數(shù)。 設(shè)脈寬小于65.5ms 等待查詢INT0，正脈沖過(guò)后，讀出TH1TL1。,,START：MOV TMOD，#90H MOV TL1，#00H MOV TH1，#00HWAIT1：JBP3.3，WAIT1 SETB TR1WAIT2 ：JNBP3.3，WAIT2 WAIT3 ： JBP3.3，WAIT

21、3CLRTR1MOVR2，TL1MOVR3，TH1…,一、中斷系統(tǒng)——重要指標(biāo),日常生活中的中斷與計(jì)算機(jī)中斷的比較： 某人看書(shū) 執(zhí)行主程序 日常事務(wù)電話鈴響 中斷信號(hào)如INT=0 中斷請(qǐng)求暫停看書(shū) 暫停執(zhí)行主程序 中斷響應(yīng)書(shū)中作記號(hào) 當(dāng)前PC入棧 保護(hù)斷點(diǎn)電話談話 執(zhí)行中斷程序 中斷服務(wù)繼續(xù)看書(shū) 返回主程序 中斷返回,,2.

22、5 中斷系統(tǒng) 2.5.1 中斷概念,所謂“中斷”，是指CPU執(zhí)行正常程序時(shí)，系統(tǒng)中出現(xiàn)特殊請(qǐng)求，CPU暫時(shí)中止當(dāng)前的程序，轉(zhuǎn)去處理更緊急的事件，處理完畢后，CPU返回原程序的過(guò)程。 中斷與子程序的最主要區(qū)別： 子程序是預(yù)先安排好的； 中斷是隨機(jī)發(fā)生的。,二、中斷的定義，與子程序的區(qū)別,三、MCS-51中斷系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu),2.5.2中斷系統(tǒng)控制一、中斷控制

23、寄存器,1.中斷標(biāo)志位： TF1、TF0、IE1、IE0、RI 、TI 登記各中斷源請(qǐng)求信號(hào)：=1，有中斷請(qǐng)求；= 0，無(wú)中斷請(qǐng)求。CPU響應(yīng)中斷后,該中斷標(biāo)志自動(dòng)清零。TI，RI標(biāo)志必須軟件清零。 2.外部中斷觸發(fā)方式選擇位：IT0、IT1 =1：負(fù)邊沿觸發(fā)中斷請(qǐng)求；= 0：低電平觸發(fā)中斷請(qǐng)求。,二、 中斷允許寄存器,中斷允許控制位：EA、ES、ET1、EX1、ET0、EX0 =1開(kāi)中斷；= 0關(guān)中

24、斷。 例：允許CPU響應(yīng)INT0的中斷請(qǐng)求 SETB EX0 SETB EA,三、 中斷優(yōu)先寄存器,中斷優(yōu)先級(jí)控制位：PS、PT1、PX1、PT0、PX0 2級(jí)優(yōu)先級(jí)：=1為高優(yōu)先級(jí)，= 0為低優(yōu)先級(jí)。 同一優(yōu)先級(jí)別按內(nèi)部查詢順序排列優(yōu)先級(jí)： 高 INT0、T0、INT1、T1、SIO 低。,2.5.3 中斷響應(yīng)和中斷返回,一、中斷響應(yīng)周期時(shí)序 每個(gè)機(jī)器周期采樣

25、中斷標(biāo)志位，若有中斷請(qǐng)求，將在下一 個(gè)機(jī)器周期按優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行中斷查詢。 二、各中斷源中斷服務(wù)程序的入口地址,三、中斷響應(yīng)阻斷 1 . 當(dāng)CPU未執(zhí)行完一條指令。 2．當(dāng)有同級(jí)或高級(jí)中斷服務(wù)。 3．執(zhí)行RETI指令或訪問(wèn)IE、IP 的指令后，不能立即響應(yīng)中斷。,四、中斷返回 中斷返回指令： RETI= RET指令

26、+ 通知CPU中斷服務(wù)已 結(jié)束。 中斷響應(yīng)時(shí)間： 正常中斷響應(yīng)時(shí)間至少為3～8個(gè)機(jī)器周期，如果有同級(jí) 或高級(jí)中斷服務(wù)，將延長(zhǎng)中斷響應(yīng)時(shí)間。,2.5.4 中斷處理過(guò)程（基本理解的要求）,一、中斷響應(yīng)條件1．有中斷請(qǐng)求信號(hào)2. 系統(tǒng)處于開(kāi)中斷狀態(tài)二、中斷響應(yīng)過(guò)程1．保護(hù)斷點(diǎn)：將斷點(diǎn)地址壓入堆棧保存，即當(dāng)前PC值入 棧。2．尋找中斷源：中斷服務(wù)程序硬件入口

27、74;PC，轉(zhuǎn)入中斷 服務(wù)。3．中斷處理：執(zhí)行中斷源所要求的程序處理段。4．中斷返回：執(zhí)行RETI指令，棧頂內(nèi)容®PC，程序跳轉(zhuǎn) 回?cái)帱c(diǎn)處。,2.5.5 多中斷源系統(tǒng),當(dāng)外部中斷源多于中斷輸入引腳時(shí)，可采取以下措施：1.用定時(shí)器計(jì)數(shù)輸入信號(hào)端T0、T1作外部中斷入口引腳2.用串行口接收端RXD作外部中斷入口引腳3.用一個(gè)中斷入口接受多個(gè)外部中斷源，并加入中斷查

28、詢電路。,2.5.6 處理外部中斷舉例,要求每次按動(dòng)按鍵，使外接發(fā)光二極管LED改變一次亮滅狀態(tài)。 解：INT0輸入按鍵信號(hào)，P1.0輸出改變LED狀態(tài)。一、跳變觸發(fā)：每次跳變引起一次中斷請(qǐng)求,ORG0000H AJMP MAINORG0003H；中斷入口AJMPPINT0ORG0100H；主程序 MAIN：SETBEA；開(kāi)總允許開(kāi)關(guān)

29、 SETBEX0；開(kāi)INT0中斷 SETBIT0 ；負(fù)跳變觸發(fā)中斷 Here：SJMPHere ；相當(dāng)于執(zhí)行其 它任務(wù)

30、 ORG0200H；中斷服務(wù)程序 PINT0：CPL P1.0；改變LED RETI；返回主程序,,1．軟件等待按鍵釋放。2．硬件清除中斷信號(hào)。,二、電平觸發(fā)：避免一次按鍵引起多次中斷響應(yīng)。,ORG 0000H； AJMP MAIN ORG 0003H

31、；中斷入口 AJMP PINT0 ORG 0100H ；主程序 MAIN：SETB EA ；開(kāi)總允許開(kāi)關(guān) SETB EX0 ；開(kāi)INT0中斷 CLR IT0 ；低電平觸發(fā)中斷 Here：SJMP Here ；相當(dāng)于執(zhí)行