學(xué)習(xí)情境1信號燈控制系統(tǒng)的設(shè)計與制作

1、. . . . 學(xué)習(xí)情境1 信號燈控制系統(tǒng)的設(shè)計與制作11資訊知識準(zhǔn)備111 信號燈控制系統(tǒng)的介紹信號燈在工廠企業(yè)、交通運輸業(yè)、商業(yè)、學(xué)校等各個行業(yè)應(yīng)用非常廣泛，信號燈有各種各樣的類型，用途也各不一樣。信號燈不同的顏色，不同的形狀，不同的亮暗規(guī)律等都表示不同的含義，因此，對信號燈的控制尤為重要。信號燈的控制有多種方式，如機械開關(guān)控制方式，電氣開關(guān)控制方式，數(shù)字邏輯電路控制方式，可編程邏輯器件PLD控制方式，單片機控制方式等；有強電控制的信號燈，也有弱電控制的信號燈；有硬件控制的信號燈，也有軟件控制的信號燈。應(yīng)用單片機對信號燈控制方式，具有控制電路簡單、控制靈活、操作方便等一系列優(yōu)點，應(yīng)用非常廣

2、泛。從原理上講,目前信號燈控制系統(tǒng)有四種類型。它們的特點為第一類是機械電氣開關(guān)控制方式，這種控制方式應(yīng)用機械電氣開關(guān)，控制復(fù)雜，連接困難，體積龐大，靈活性差，目前應(yīng)用較少。第二類是用中小規(guī)模數(shù)字電路構(gòu)成,其中包括了組合邏輯電路和時序電路，設(shè)計這一類信號燈控制系統(tǒng)時，要用到真值表、狀態(tài)圖等知識，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靈活性差、調(diào)試?yán)щy。第三類是用可編程邏輯器件PLD構(gòu)成,可以由FPGA或CPLD組成，設(shè)計這一類信號燈控制系統(tǒng)時，要用到VHDL語言和PLD專用開發(fā)軟件，有相當(dāng)?shù)碾y度。第四類是用單片機構(gòu)成，單片機具有物美價廉、功能強、使用方便靈活、可靠性高等特點?？梢杂筛鱾€廠家、各種類型的單片機與相應(yīng)的外圍

3、電路組成，設(shè)計這一類信號燈控制系統(tǒng)時，要用到單片機軟硬件、接口與產(chǎn)品開發(fā)等很多單片機知識。因此，應(yīng)用單片機對信號燈控制方式優(yōu)點多，使用廣泛。要完成信號燈控制的設(shè)計制作，首先了解單片機的知識。112 單片機硬件系統(tǒng)單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）簡稱單片機，是指集成在一塊芯片上的計算機，它具有結(jié)構(gòu)簡單、控制功能強、可靠性高、體積小、價格低等優(yōu)點，在許多行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。從航天航空、地質(zhì)石油、冶金采礦、機械電子、輕工紡織到機電一體化設(shè)備、郵電通信、日用設(shè)備和器械等，單片機都發(fā)揮了巨大作用。1121什么是單片機與單片機應(yīng)用系統(tǒng)1微型計算機與微型計算機系統(tǒng)微型

4、計算機（Microcomputer）簡稱微機，是計算機的一個重要分支。人們通常按照計算機的體積、性能和應(yīng)用圍等條件，將計算機分為巨型機、大型機、中型機、小型機和微型機等。微型計算機不但具有其它計算機快速、精確、程序控制等特點，最突出的是它具有體積小、重量輕、功耗低、價格便宜等優(yōu)點。個人計算機簡稱PC（Personal Computer）機，是微型計算機中應(yīng)用最為廣泛的一種，也是近年來計算機領(lǐng)域中發(fā)展最快的一個分支，由于PC機在性能和價格方面適合個人用戶購買和使用，目前，它已經(jīng)像普通家電一樣深入到了家庭和社會生活的各個方面。微型計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。硬件系統(tǒng)是指構(gòu)成微機系統(tǒng)

5、的實體和裝置，通常由運算器、控制器、存儲器、輸入接口電路和輸入設(shè)備、輸出接口電路和輸出設(shè)備等組成。其中，運算器和控制器一般做在一個集成芯片上，統(tǒng)稱中央處理單元（Central Processing Unit），簡稱CPU，是微機的核心部件，配上存放程序和數(shù)據(jù)的存儲器、輸入輸出（Input/Output，簡稱I/O）接口電路與外部設(shè)備即構(gòu)成微機的硬件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)是指微機系統(tǒng)所使用的各種程序的總體。軟件的主體駐留在存儲器中，人們通過它對整機進行控制并與微機系統(tǒng)進行信息交換，使微機按照人的意圖完成預(yù)定的任務(wù)。軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)共同構(gòu)成實用的微機系統(tǒng)，兩者是相輔相成、缺一不可的。微型計算機系統(tǒng)組成示

6、意圖如圖1.1所示。圖1.1 微型計算機系統(tǒng)組成示意圖由圖1.1知微型計算機系統(tǒng)有運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成，其各部分的意義為1）運算器 運算器是計算機的運算部件用于實現(xiàn)算術(shù)和邏輯運算。計算機的數(shù)據(jù)運算和處理都在這里進行。2）控制器控制器是計算機的指揮控制部件,使計算機各部分能自動協(xié)調(diào)地工作.運算器和控制器是計算機的核心部分,常把它們合在一起稱之為中央處理器,簡稱CPU。3）存儲器存儲器是計算機的記憶部件，用于存放程序和數(shù)據(jù)。存儲器又分為存儲器和外存儲器。例如實訓(xùn)中使用的EPROM2764。4）輸入設(shè)備輸入設(shè)備用于將程序和數(shù)據(jù)輸入到計算機中，如鍵盤。5）輸出設(shè)備輸出設(shè)

7、備用于把計算機數(shù)據(jù)計算或加工的結(jié)果，以用戶需要的形式顯示或保存，如顯示器、打印機。通常把外存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備合在一起稱之為計算機的外部設(shè)備，簡稱“外設(shè)”。2單片微型計算機單片微型計算機是指集成在一個芯片上的微型計算機，也就是把組成微型計算機的各種功能部件，包括CPU（Central Processing Unit）、隨機存取存儲器RAM（Random Access Memory）、只讀存儲器ROM（Read-only Memory）、基本輸入/輸出(Input/Output)接口電路、定時器/計數(shù)器等部件制作在一塊集成芯片上，構(gòu)成一個完整的微型計算機，從而實現(xiàn)微型計算機的基本功能。單片

8、機部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.2所示。圖1.2單片機部結(jié)構(gòu)示意圖單片機實質(zhì)上是一個硬件的芯片，在實際應(yīng)用中，通常很難直接和被控對象進行電氣連接，必須外加各種擴展接口電路、外部設(shè)備、被控對象等硬件和軟件，才能構(gòu)成一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)。3單片機應(yīng)用系統(tǒng)與組成單片機應(yīng)用系統(tǒng)是以單片機為核心，配以輸入、輸出、顯示、控制等外圍電路和軟件，能實現(xiàn)一種或多種功能的實用系統(tǒng)。本書的實訓(xùn)電路板也是一個單片機的應(yīng)用系統(tǒng),它除了有單片機芯片以外，還有許多的外圍電路，再配以后續(xù)章節(jié)一系列的實訓(xùn)程序可以完成很多功能。所以說，單片機應(yīng)用系統(tǒng)是由硬件和軟件組成，硬件是應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件是在硬件的基礎(chǔ)上對其資源進行合理調(diào)配和使用，從

9、而完成應(yīng)用系統(tǒng)所要求的任務(wù)，二者相互依賴，缺一不可，單片機應(yīng)用系統(tǒng)的組成如圖1.3所示。圖1.3 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的組成由此可見，單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計人員必須從硬件和軟件兩個角度來深入了解單片機，并能夠?qū)⒍哂袡C結(jié)合起來，才能形成具有特定功能的應(yīng)用系統(tǒng)或整機產(chǎn)品。自從1974年美國Fairchild公司研制出第一臺單片機F8之后，迄今為止，單片機經(jīng)歷了由4位機到8位機再到16位機的發(fā)展過程。單片機制造商很多，主要有美國的Intel、Motorola、Zilog等公司。目前，單片機正朝著高性能、多品種方向發(fā)展，近年來32位單片機已進入了實用階段。但是由于8位單片機從性能價格比上占有優(yōu)勢，而且8位增

10、強型單片機在速度和功能上向現(xiàn)在的16位單片機挑戰(zhàn)，因此在未來相當(dāng)長的時期8位單片機仍是單片機的主流機型。1122 MCS-51單片機系列盡管各類單片機很多，但無論是從世界圍或是從國圍來看，使用最為廣泛的應(yīng)屬MCS-51單片機?；谶@一事實，以應(yīng)用最為廣泛的MCS-51系列八位單片機（8031、8051、8751等）為研究對象，介紹單片機的硬件結(jié)構(gòu)、工作原理與應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計。MCS-51單片機系列共有十幾種芯片，如表1.1所列。表1.1表中列出了MCS-51單片機系列的芯片型號，以與它們的技術(shù)性能指標(biāo)，使我們對它們的基本情況有一個概括的了解。下面我們就在這個表的基礎(chǔ)上對MCS-51系列單片機進一

11、步說明。151子系列和52子系列MCS-51系列又分為51和52兩個子系列，并以芯片型號的最末位數(shù)字作為標(biāo)志。其中51子系列是基本型，而52子系列則屬增強型。52子系列功能增強的具體方面，從表1-1所列容中可以看出：（1）片ROM從4KB增加到8KB（2）片RAM從128字節(jié)增加到256字節(jié)（3）定時器/計數(shù)器從2個增加到3個（4）中斷源從5個增加到6個在52子系列的部ROM中以掩膜方式集成有8K BASIC解釋程序，這就是通常所說的8052-BASIC。這意味著單片機已可以使用高級語言。該BASIC與基本BASIC想比，增加了一些控制語句，以滿足單片機作為控制機的需要。1 .MCS-51單片

12、機的部組成與信號引腳MCS-51單片機的典型芯片是8031、8051、8751。8051部有4KB ROM，8751部有4KB EPROM，8031片無ROM；除此之外，三者的部結(jié)構(gòu)與引腳完全一樣。因此以8051為例，說明本系列單片機的部組成與信號引腳。1）8051單片機的基本組成8051單片機的基本組成如圖1.4。2單片機芯片半導(dǎo)體工藝MCS-51系列單片機采用兩種半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)。一種是HMOS工藝，即高速度高密度短溝道MOS工藝。另外一種是CHMOS工藝，即互補金屬氧化物的HMOS工藝。表0-1中芯片型號中帶有字母“C”的，為CHMOS芯片，其余均為一般的HMOS芯片。CHMOS是CMOS

13、和HMOS的結(jié)合，除保持了HMOS高速度和高密度的特點之外，還具有CMOS低功耗的特點。例如8051的功耗為630mW ,而80C51的功耗只有120mW .在便攜式 、手提式或野外作業(yè)儀器設(shè)備上低功耗是非常有意義的。因此在這些產(chǎn)品中必須使用CHMOS的單片機芯片。3片ROM存儲器配置形式MCS-51單片機片程序儲器有三種配置形式，即：掩膜ROM、EPROM和無ROM。這三種配置形式對應(yīng)三種不同的單片機芯片,它們各有特點，也各有其適用場合，在使用時應(yīng)根據(jù)需要進行選擇。一般情況下，片帶掩膜型ROM適應(yīng)于定型大批量應(yīng)用產(chǎn)品的生產(chǎn)；片帶EPROM適合于研制產(chǎn)品樣機；外接EPROM的方式適用于研制新產(chǎn)

14、品。最近Intel公司又推出片帶EEPROM型的單片機，可以在線寫入程序。1123 MCS-51單片機結(jié)構(gòu)和原理盡管單片機比較簡單，但要按五個基本組成部件來講單片機的硬件結(jié)構(gòu)和原理，也將是一件十分復(fù)雜的事。其實也沒有這種必要。因此，通常講述單片機結(jié)構(gòu)原理時，總是從實際需要出發(fā)，只介紹與程序設(shè)計和系統(tǒng)擴展應(yīng)用有關(guān)的容。MCS-51單片機的部組成與信號引腳MCS-51單片機的典型芯片是8031、8051、8751。8051部有4KB ROM，8751部有4KB EPROM，8031片無ROM；除此之外，三者的部結(jié)構(gòu)與引腳完全一樣。因此以8051為例，說明本系列單片機的部組成與信號引腳。1.8051

15、單片機的基本組成8051單片機的基本組成如圖1.4。各部分的作用為（1）中央處理器（CPU）中央處理器是單片機的核心，完成運算和控制功能。MCS-51的CPU能處理8位二進制數(shù)或代碼。（2）部數(shù)據(jù)存儲器（部RAM）8051芯片中共有256個RAM單元，但其中后128單元被專用寄存器占用，能作為寄存器供用戶使用的只是前128單元，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)。因此通常所說的部數(shù)據(jù)存儲器就是指前128單元，簡稱部RAM。圖1.4 MCS-51 單片機結(jié)構(gòu)框圖（3）部程序存儲器（部ROM）8051共有4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)或表格，因此稱之為程序存儲器，簡稱部ROM。（4）定時器/計數(shù)器80

16、51共有2個16位的定時器/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)功能，并以其定時或計數(shù)結(jié)果對計算機進行控制。（5）并行I/O口MCS-51共有四個8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。在實訓(xùn)中我們已經(jīng)使用了P1口，通過P1口連接8個發(fā)光二極管。（6）串行口MCS-51單片機有一個全雙工的串行口，以實現(xiàn)單片機和其它設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。該串行口功能較強，既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為同步移位器使用。（7）中斷控制系統(tǒng)MCS-51單片機的中斷功能較強，以滿足控制應(yīng)用的需要。8051共有5個中斷源，即外中斷2個，定時/計數(shù)中斷2個，串行中斷1個。全部中斷分為高級和低級

17、共二個優(yōu)先級別。（8）時鐘電路MCS-51芯片的部有時鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接。時鐘電路為單機產(chǎn)生時鐘脈沖序列。系統(tǒng)允許的。系統(tǒng)允許的晶振頻率一般為6MHZ和12MHZ。從上述容可以看出，MCS-51雖然是一個單片機芯片，但作為計算機應(yīng)該具有的基本部件它都包括，因此實際上它已是一個簡單的微型計算機系統(tǒng)了。2.MCS-51的信號引腳MCS-51是標(biāo)準(zhǔn)的40引腳雙列直插式集成電路芯片，引腳排列請參見圖1.5。1）信號引腳介紹 P0.0 P0.7： P0口8位雙向口線。P1.0 P1.7 ：P1口8位雙向口線。P2.0 P2.7 ：P2口8位雙向口線。P3.0 P3.7 ：P3口8位雙向口

18、線。ALE：地址鎖存控制信號。在系統(tǒng)擴展時，ALE用于控制把P0口輸出的低8位地址鎖存器鎖存起地線。VCC：+5V電源。以上是MCS-51單片機芯片40條引腳的定義與簡單功能說明，讀者可以對照實訓(xùn)電路找到相應(yīng)引腳，在電路中查看每個引腳的連接使用。圖1.5 MCS 51 引腳圖2)信號引腳的第二功能由于工藝與標(biāo)準(zhǔn)化等原因，芯片的引腳數(shù)目是有限制的。例如MCS-51系列把芯片引腳數(shù)目限定為40條，但單片機為實現(xiàn)其功能所需要的信號數(shù)目卻遠遠超過此數(shù)，因此就出現(xiàn)了需要與可能的矛盾。如何解決這個矛盾？“兼職”是唯一可行的辦法，即給一些信號引腳賦以雙重功能。如果把前述的信號定義為引腳第一功能的話，則根據(jù)需

19、要再定義的信號就是它的第二功能。下面介紹一些信號引腳的第二功能。（1）P3口線的第二功能P3的8條口線都定義有第二功能，詳見表1.2。（2）EPROM存儲器程序固化所需要的信號有部EPROM的單片機芯片（例如8751），為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號也是由信號引腳以第二功能的形式提供的，即：編程脈沖：30腳（ALE/PROG）編程電壓（25V）：31腳（/VPP）來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。此外由于ALE是以晶振六分之一的固定頻率輸出的正脈沖，因此可作為外部時鐘或外部定時脈沖使用。：外部程序存儲器讀選通信號。在讀外部ROM時有效（低電平），以實現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。

20、：訪問程序存儲控制信號。當(dāng)信號為低電平時，對ROM的讀操作限定在外部程序存儲器；而當(dāng)信號為高電平時，則對ROM的讀操作是從部程序存儲器開始，并可延至外部程序存儲器。RST：復(fù)位信號。當(dāng)輸入的復(fù)位信號延續(xù)2個機器周期以上高電平即為有效，用以完成單片機的復(fù)位初始化操作。XTAL1和XTAL2 ：外接晶體引線端。當(dāng)使用芯片部時鐘時，此二引線端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。VSS：電壓（25V）：31腳（/VPP）表1.2 P3口各引腳引腳第二功能信號名稱P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收P3.1 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送P3.2外部中斷0申請P3.3外部中斷1申請P3.4

21、 T0定時器/計數(shù)器0的外部輸入P3.5 T1定時器/計數(shù)器1的外部輸入P3.6 外部RAM寫選通P3.7 外部RAM讀選通（3）備用電源引入MCS-51單片機的備用電源也是以第二功能的方式由9腳（RST/VPD）引入的。當(dāng)電源發(fā)生故障電壓降低到下限值時，備用電源經(jīng)此端向部RAM提供電壓，以保護部RAM中的信息不丟失。以上把MCS-51單片機的全部信號，分別以第一功能和第二功能的形式列出。對于各種型號的芯片，其引腳的第一功能信號是一樣的，所不同的只在引腳的第二功能信號。對于9、30和31三個引腳，由于第一功能信號與第二功能信號是單片機在不同工作方式下的信號，因此不會發(fā)生使用上的矛盾。但是P3口

22、的情況卻有所不同，它的第二功能信號都是單片機的重要控制信號。因此在實際使用時，都是先按需要選用第二功能信號，剩下的才以第一功能的身份作數(shù)據(jù)位的輸入輸出使用。1124 MCS-51部數(shù)據(jù)存儲器MCS-51單片機的芯片部有RAM和ROM兩類存儲器，即所謂的部RAM和部ROM，首先分析部RAM。1部數(shù)據(jù)存儲器低128單元8051的部RAM共有256個單元，通常把這256個單元按其功能劃分為兩部分：低128單元（單元地址00H7FH）和高128單元（單元地址80HFFH）。如圖1.6所示為低128單元的配置圖。30H 7FH數(shù)據(jù)緩沖區(qū)20H 2FH位尋址區(qū)（00H7FH）18H 1FH工作寄存器3區(qū)（

23、R7R0）10H 17H工作寄存器2區(qū)（R7R0）08H 0FH工作寄存器1區(qū)（R7R0）00H 07H工作寄存器0區(qū)（R7R0） 圖1.6 片RAM的配置低128單元是單片機的真正RAM存儲器，按其用途劃分為三個區(qū)域：1)寄存器區(qū)共有四組寄存器，每組8個寄存單元（各為8位），各組都以R0R7作寄存單元編號。寄存器常用于存放操作數(shù)與中間結(jié)果等，由于它們的功能與使用不作預(yù)先規(guī)定，因此稱之為通用寄存器，有時也叫工作寄存器。四組通用寄存器占據(jù)部RAM的00H1FH單元地址。在任一時刻，CPU只能使用其中的一組寄存器，并且把正在使用的那組寄存器稱之為當(dāng)前寄存器組。到底是哪一組，由程序狀態(tài)字寄存器PSW

24、中RS1、RS0位的狀態(tài)組合來決定。通用寄存器為CPU提供了就近數(shù)據(jù)存儲的便利，有利于提高單片機的運算速度。此外，使用通用寄存器還能提高程序編制的靈活性，因此在單片機的應(yīng)用編程中應(yīng)充分利用這些寄存器，以簡化程序設(shè)計，提高程序運行速度。2)位尋址區(qū)部RAM的20H2FH單元，既可作為一般RAM單元使用，進行字節(jié)操作，也可以對單元中每一位進行位操作，因此把該區(qū)稱之為位尋址區(qū)。位尋址區(qū)共有16個RAM單元，計128位，位地址為00H7FH。MCS-51具有布爾處理機功能，這個位尋址區(qū)可以構(gòu)成布爾處理機的存儲空間。這種位尋址能力是MCS-51的一個重要特點。表1.3為位尋址區(qū)的位地址表。表1.3 片R

25、AM位尋址區(qū)的位地址單元地址MSB 位地址 LSB 2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H27H26H25H24H23H22H21H20H7F776F675F574F473F372F271F170F077E766E665E564E463E362E261E160E067D756D655D554D453D352D251D150D057C746C645C544C443C342C241C140C047B736B635B534B433B332B231B130B037A726A625A524A423A322A221A120A027971696159514941393129211911090178

26、7068605850484038302820181008003)用戶RAM區(qū)在部RAM低128單元中，通用寄存器占去32個單元，位尋址區(qū)占去16個單元，剩下80個單元，這就是供用戶使用的一般RAM區(qū)，其單元地址為30H7FH。對用戶RAM區(qū)的使用沒有任何規(guī)定或限制。但在一般應(yīng)用中常把堆棧開辟在此區(qū)中。2.部數(shù)據(jù)存儲器高128單元 部RAM的高128單元是供給專用寄存器使用的，其單元地址為80HFFH。因這些寄存器的功能已作專門規(guī)定，故而稱之為專用寄存器可稱為特殊功能寄存器。1)專用寄存器（SFR）簡介8051共有21個專用寄存器，現(xiàn)把其中部分寄存器簡單介紹如下：(1) 程序計數(shù)器（PCProg

27、ram Counter）在實訓(xùn)中，我們已經(jīng)知道PC是一個16位的計數(shù)器，它的作用是控制程序的執(zhí)行順序。其容為將要執(zhí)行指令的地址，尋址圍達64KB。PC有自動加1功能，從而實現(xiàn)程序的順序執(zhí)行。PC沒有地址，是不可尋址的。因此用戶無法對它進行讀寫。但可以通過轉(zhuǎn)移、調(diào)用、返回等指令改變其容，以實現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移。因地址不在SFR之，一般不計作專用寄存器。(2) 累加器（ACCAccumulator）累加器為8位寄存器，是最常用的專用寄存器，功能較多，地位重要。它既可用于存放操作數(shù)，也可用來存放運算的中間結(jié)果。MCS-51單片機部分單操作數(shù)指令的操作數(shù)就取自累加器，許多雙操作數(shù)指令中的一個操作數(shù)也取自累加

28、器。(3) B寄存器B寄存器是一個8位寄存器，主要用于乘除運算。乘法運算時，B是乘數(shù)。乘法操作后，乘積的高8位存于B中，除法運算時，B是除數(shù)。除法操作后，余數(shù)存于B中。此外，B寄存器也可作為一般數(shù)據(jù)寄存器使用。(4) 程序狀態(tài)字（PSWProgram Status Word）程序狀態(tài)字是一個8位寄存器，用于存程序運行中的各種狀態(tài)信息。其中有些位狀態(tài)是根據(jù)程序執(zhí)行結(jié)果，由硬件自動設(shè)置的，而有些位狀態(tài)則使用軟件方法設(shè)定。PSW的位狀態(tài)可以用專門指令進行測試，也可以用指令讀出。一些條件轉(zhuǎn)移指令將根據(jù)PSW有些位的狀態(tài)，進行程序轉(zhuǎn)移。PSW的各位定義如下：D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0

29、H CY ACF0RS1RS0OVF1PPSW位地址字節(jié)地址D0H除PSW.1位未用外，對其余各位的定義與使用介紹如下：CY（PSW.7）進位標(biāo)志位。CY是PWS中最常用的標(biāo)志位，其功能有二：一是存放算術(shù)運算的進位標(biāo)志，在進行加或減運算時，如果操作結(jié)果最高位有進位或借位時，CY由硬件置“1”，否則清“0”；二是在位操作中，作累加位使用。位傳送、位與位或等位操作，操作位之一固定是進位標(biāo)志位。AC（PSW.6）輔助進位標(biāo)志位。在進行加減運算中，當(dāng)有低4位向高4位進位或借位時，AC由硬件置“1”，否則AC位被清“0”。在BCD碼調(diào)整中也要用到AC位狀態(tài)。F0（PSW.5）用戶標(biāo)志位。這是一個供用戶定

30、義的標(biāo)志位，需要利用軟件方法置位或復(fù)位，用以控制程序的轉(zhuǎn)向。RS1和RS0（PSW.4，PSW.3）寄存器組選擇位。用于選擇CPU當(dāng)前工作的通用寄存器組。通用寄存器共有四組，其對應(yīng)關(guān)系為：RS1 RS0 寄存器組 片RAM地址0 0第0組00H07H0 1第1組08H0FH 1 0第2組10H17H 1 1第3組18H1FH這兩個選擇位的狀態(tài)是由軟件設(shè)置的，被選中的寄存器組即為當(dāng)前通用寄存器組。但當(dāng)單片機上電或復(fù)位后，RS1 RS0=00。OV（PSW.2）溢出標(biāo)志位。在帶符號數(shù)加減運算中，OV=1表示加減運算超出了累加器A所能表示的符號數(shù)有效圍（-128 +127），即產(chǎn)生了溢出，因此運算結(jié)

31、果是錯誤；否則，OV=0表示運算正確，即無溢出產(chǎn)生。在乘法運算中，OV=1表示乘積超過255，即乘積分別在B與A中；否則，OV=0，表示乘積只在A中。在除法運算中，OV=1表示除數(shù)為0，除法不能進行；否則，OV=0，除數(shù)不為0，除法可正常進行。P（PSW.0）奇偶標(biāo)志位。表明累加器A容的奇偶性，如果A中有奇數(shù)個“1”，則P置“1”，否則置“0”。凡是改變累加器A中容的指令均會影響P標(biāo)志位。此標(biāo)志位對串行通信中的數(shù)據(jù)傳輸有重要的意義。在串行通信中常采用奇偶校驗的辦法來校驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?(5) 數(shù)據(jù)指針（DPTR）數(shù)據(jù)指針為16位寄存器，它是MCS-51中一個16位寄存器。編程時，DPTR既

32、可以按16位寄存器使用，也可以按兩個8位寄存器分開使用，即：DPH DPTR高位字節(jié)DPL DPTR低位字節(jié)DPTR通常在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時作地址指針使用，由于外部數(shù)據(jù)存儲器的尋址圍為64KB，故把DPTR設(shè)計為16位。（6）堆棧指針（SP-Stack Pointer）堆棧是一個特殊的存儲區(qū)，用來暫存數(shù)據(jù)和地址，它是按“先進后出”的原則存取數(shù)據(jù)的。堆棧共有兩種操作：進棧和出棧。MCS-51單片機由于堆棧設(shè)在部RAM中,因此SP是一個8位寄存器. 系統(tǒng)復(fù)位后,SP的容為07H,使得堆棧實際上從08H單元開始。但08H1FH單元分別屬于工作寄存器13區(qū), 如程序中要用到這些區(qū),則最好把SP值改為

33、1FH或更大的值.一般地,堆棧最好在部RAM的30H7FH單元中開辟. SP的容一經(jīng)確定,堆棧的位置也就跟著確定下來，由于SP可初始化為不同值，因此堆棧位置是浮動的。此處只集中講述了六個專用寄存器，其余的專用寄存器（如TCON、TMOD、IE、IP、SCON、PCON、SBUF等）將在以后章節(jié)中陸續(xù)介紹。2)專用寄存器中的字節(jié)尋址和位地址MCS-51系列單片機有21個可尋址的專用寄存器，其中有11個專用寄存器是可以位尋址的。下面把各寄存器的字節(jié)地址與位地址一并列于表1.4。對專用寄存器的字節(jié)尋址問題作如下幾點說明：（1） 21個可字節(jié)尋址的專用寄存器是不連續(xù)地分散在部RAM高128單元之中，盡

34、管還余有許多空閑地址，但用戶并不能使用。（2） 程序計數(shù)器PC不占據(jù)RAM單元，它在物理上是獨立的，因此是不可尋址的寄存器。（3） 對專用寄存器只能使用直接尋址方式，書寫時既可使用寄存器符號，也可使用寄存器單元地址。表中凡字節(jié)地址不帶括號的寄存器都是可進行位尋址的寄存器，而帶括號的是不可位尋址的寄存器，如表所列。全部專用寄存器可尋址的位共83位，這些位都具有專門的定義和用途。這樣加上位尋址區(qū)的128位，在MCS-51的部RAM中共有128+83=211個可尋址位。1.1.2.5 MCS-51部程序存儲器MCS-51的程序存儲器用于存放編好的程序和表格常數(shù)。8051片有4KB的ROM, 8751

35、片有4KB的EPROM, 8031 片無程序存儲器。 MCS-51 的片外最多能擴展64K字節(jié)程序存儲器，片外的ROM 是統(tǒng)一編址的。 如端保持高電平, 8051 的程序計數(shù)器PC在0000H0FFFH地址圍 (即前4KB地址) 是執(zhí)行片ROM中的程序， 當(dāng)PC在1000HFFFFH地址圍時, 自動執(zhí)行片外程序存儲器中的程序，當(dāng)保持低電平時，只能尋址外部程序存儲器, 片外存儲器可以從0000H開始編址.表1.4 MCS-51 專用寄存器地址表SFR MSB 位地址/位定義 LSB字節(jié)地址 BF7 F6F5F4F3F2 F1 F0F0H ACCE7E6E5E4E3 E2E1E0 E0H PSWD

36、7D6D5D4D3D2D1D0 D0HCYACF0RS1RS0OVF1PIPBFBEBDBCBBBAB9B8B8H/PSPT1PX1PT0PX0 P3B7B6B5B4B3B2B1B0B0HP3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P3.1P3.0 IEAFAEADACABAAA9A8A8HEA/ESET1EX1ET0EX0 P2A7A6A5A4A3A2A1A0A0HP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0 SBUF(99H) SCON9F9E9D9C9B9A999898HSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI P19796959493929190 90HP1

37、.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0 TH1 (8DH)TH0 (8CH) TL1 (8BH) TL0 (8AH) TMODGATC/TM1M0GATC/TM1M0 (89H) TCON8F8E8D8C8B8A8988 88HTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0PCONSMO/ (87H)DPH (83H) DPL (82H) SP (81H) P08786858483828180 80HP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0MCS-51的程序存儲器中有些單元具有特殊功能，使用時應(yīng)予以注意。其中一組特殊單元是0000H0002H。系

38、統(tǒng)復(fù)位后，（PC）=0000H，單片機從0000H單元開始取指令執(zhí)行程序。如果程序不從0000H單元開始，應(yīng)在這三個單元中存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，以便直接轉(zhuǎn)去執(zhí)行指定的程序。還有一組特殊單元是0003H002AH。共40個單元，這40個單元被均勻地分為五段，作為五個中斷源的中斷地址區(qū)。其中：0003H000AH 外部中斷0中斷地址區(qū)000BH0012H 定時器/計數(shù)器0中斷地址區(qū)0013H001AH 外部中斷1中斷地址區(qū)001BH0022H 定時器/計數(shù)器1中斷地址區(qū)0023H002AH 串行中斷地址區(qū)中斷響應(yīng)后，按中斷種類，自動轉(zhuǎn)到各中斷區(qū)的首地址去執(zhí)行程序。因此在中斷地址區(qū)中理應(yīng)存放中斷服

39、務(wù)程序。但通常情況下，8個單元難以存下一個完整的中斷服務(wù)程序，因此通常也是從中斷地址區(qū)首地址開始存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，以便中斷響應(yīng)后，通過中斷地址區(qū)，再轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序的實際入口地址去。1126 并行輸入/輸出口電路結(jié)構(gòu)單片機芯片還有一項主要容就是并行I/O口。MCS-51共有四個8位的并行I/O口，分別記作P0、P1、P2、P3。每個口都包含一個鎖存器，一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器。實際上它們已被歸入專用寄存器之列，并且具有字節(jié)尋址和位尋址功能。在訪問片外擴展存儲器時，低8位地址和數(shù)據(jù)由P0口分時傳送，高8位地址由P2口傳送。在無片外擴展存儲器的系統(tǒng)中，這4個口的每一位均可作為雙向的I/O端

40、口使用。MCS-51單片機的四個I/O口都是8位雙向口，這些口在結(jié)構(gòu)和特性上是基本一樣的，但又各具特點，以下分別介紹。1. P0口P0口的口線邏輯電路如圖1.7所示。 圖1.7 P0口某位結(jié)構(gòu)由圖可見，電路中包含有1個數(shù)據(jù)輸出鎖存器、2個三態(tài)數(shù)據(jù)輸入緩沖器、1個數(shù)據(jù)輸出的驅(qū)動電路和1個輸出控制電路。當(dāng)對P0口進行寫操作時，由鎖存器和驅(qū)動電路構(gòu)成數(shù)據(jù)輸出通路。由于通路中已有輸出鎖存器，因此數(shù)據(jù)輸出時可以與外設(shè)直接連接，而不需再加數(shù)據(jù)鎖存電路?？紤]到P0口既可以作為通用的I/O口進行數(shù)據(jù)的輸入輸出，也可以作為單片機系統(tǒng)的地址/數(shù)據(jù)線使用。為此在P0口的電路中有一個多路轉(zhuǎn)接電路MUX。在控制信號的作

41、用下，多路轉(zhuǎn)接電路可以分別接通鎖存器輸出或地址/數(shù)據(jù)線。當(dāng)作為通用的I/O口使用時，部的控制信號為低電平，封鎖與門將輸出驅(qū)動電路的上拉場效應(yīng)管（FET）截止，同時使多路轉(zhuǎn)接電路MUX接通鎖存器Q端的輸出通路。當(dāng)P0口作為輸出口使用時，部的寫脈沖加在D觸發(fā)器的CP端，數(shù)據(jù)寫入鎖存器，并向端口引腳輸出。當(dāng)P0口作為輸入口使用時，應(yīng)區(qū)分讀引腳和讀端口兩種情況。為此在口電路中有兩個用于讀入驅(qū)動的三態(tài)緩沖器。所謂讀引腳就是讀芯片引腳的數(shù)據(jù)，這時使用下方的數(shù)據(jù)緩沖器，由“讀引腳”信號把緩沖器打開，把端口引腳上的數(shù)據(jù)從緩沖器通過部總線讀進來。使用傳送指令（MOV）進行讀口操作都是屬于這種情況。而讀端口則是指

42、通過上面的緩沖器讀鎖存器Q端的狀態(tài)。在端口已處于輸出狀態(tài)的情況下，本來Q端與引腳的信號是一致的，這樣安排的目的是為了適應(yīng)對口進行“讀-修改-寫”操作指令的需要。例如“ANL P0，A”就是屬于這類指令，執(zhí)行時先讀入P0口鎖存器中的數(shù)據(jù)。然后與A的容進行邏輯與，再把結(jié)果送回P0口。對于這類“讀-修改-寫”指令，不直接讀引腳而讀鎖存器是為了避免可能出現(xiàn)的錯誤。因為在端口已處于輸出狀態(tài)的情況下，如果端口的負(fù)載恰是一個晶體管的基極，導(dǎo)通了的PN結(jié)會把端口引腳的高電平拉低，這樣直接引腳就會把本來的“1”誤讀為“0”。但若從鎖存器Q端讀，就能避免這樣的錯誤，得到正確的數(shù)據(jù)。但要注意，當(dāng)P0口進行一般的I/

43、O輸出時，由于輸出電路是漏極開路電路，必須外接上拉電阻才能有高電平輸出；當(dāng)P0口進行一般的I/O輸入時，必須先向電路中的鎖存器寫入“1”，使FET截止，以避免鎖存器為“0”狀態(tài)時對引腳讀入的干擾。在實際應(yīng)用中，P0口絕大多數(shù)情況下都是作為單片機系統(tǒng)的地址/數(shù)據(jù)線使用，這要比作一般I/O口應(yīng)用簡單。當(dāng)輸出地址或數(shù)據(jù)時，由部發(fā)出控制信號，打開上面的與門，并使多路轉(zhuǎn)接電路MUX處于部地址/數(shù)據(jù)線與驅(qū)動場效應(yīng)管柵極反相接通狀態(tài).這時的輸出驅(qū)動電路由于上下兩個FET處于反相,形成推拉式電路結(jié)構(gòu),使負(fù)載能力大為提高.而當(dāng)輸入數(shù)據(jù)時,數(shù)據(jù)信號則直接從引腳通過輸入緩沖器進入部總線.2.P1口P1口的口線邏輯電

44、路見圖1.8。因為P1口通常是作為通用I/O口使用的,所以在電路結(jié)構(gòu)上與P0口有一些不同之處.首先它不再需要多路轉(zhuǎn)接電路MUX；其次是電路的部有上拉電阻，與場效應(yīng)管共同組成輸出驅(qū)動電路。為此P1口作為輸出口使用時,已能向外提供推拉電流負(fù)載,無需再外接上拉電阻.當(dāng)P1口作為輸入口使用時，同樣也需先向其鎖存器寫“1”，使輸出驅(qū)動電路的FET截止。 圖1.8 P1口某位結(jié)構(gòu)3.P2口P2口的口線邏輯電路見圖1.9。圖1.9 P2口某位結(jié)構(gòu)圖P2口電路中比P1口多了一個多路轉(zhuǎn)接電路MUX，這又正好與P0口一樣。P2口可以作為通用I/O口使用。這時多路轉(zhuǎn)接開頭倒向鎖存器Q端。但通常應(yīng)用情況下，P2口是作

45、為高位地址線使用，此時多路轉(zhuǎn)接開頭應(yīng)倒向相反方向。4.P3口P3口的口線邏輯電路見圖1.10。 圖1.10 P3口某位結(jié)構(gòu)P3口的特點在于為適應(yīng)引腳信號第二功能的需要，增加了第二功能控制邏輯。由于第二功能信號有輸入和輸出兩類，因此分兩種情況說明。對于第二功能為輸出的信號引腳，當(dāng)作為I/O使用時，第二功能信號引線應(yīng)保持高電平，與非門開通，以維持從鎖存器到輸出端數(shù)據(jù)輸出通路的暢通。當(dāng)輸出第二功能信號時，該位的鎖存器應(yīng)置“1”，使與非門對第二功能信號的輸出是暢通的，從而實現(xiàn)第二功能信號的輸出。對于第二功能為輸入的信號引腳，在口線的輸入通路上增加了一個緩沖器，輸入的第二功能信號就從這個緩沖器的輸出端取

46、得。而作為I/O使用的數(shù)據(jù)輸入，仍取自三態(tài)緩沖器的輸出端。不管是作為輸入口使用還是第二功能信號輸入，輸出電路中的鎖存器輸出和第二功能輸出信號線都應(yīng)保持高電平。1127時鐘電路與復(fù)位電路時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號，而時序所研究的是指令執(zhí)行中各地信號之間的相互關(guān)系。單片機本身就如一個復(fù)雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時鐘信號控制下嚴(yán)格地按時序進行工作。1. 時鐘電路與時序1）時鐘信號的產(chǎn)生在MCS-51芯片部有一個高增益相反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，其輸出端為引腳XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容

47、，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，這就是單片機的時鐘電路，如圖1.11所示。 圖1.11 時鐘振蕩電路時鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖經(jīng)過觸發(fā)器進行二分頻之后，才成為單片機的時鐘脈沖信號。請讀者特別注意時鐘脈沖與振蕩脈沖之間的二分頻關(guān)系，否則會造成概念上的錯誤。一般電容C1和C2取30pF左右，晶體的振蕩頻率圍是1.2MHZ12 MHZ。晶體振蕩頻率高, 則系統(tǒng)的時鐘頻率也高, 單片機運行速度也就快。MCS-51在通常應(yīng)用情況下，使用振蕩頻率為的6MHZ或12MHZ。）引入外部脈沖信號在由多片單片機組成的系統(tǒng)中，為了各單片機之間時鐘信號的同步，應(yīng)當(dāng)引入唯一的公用外部脈沖信號作為各單片機的振蕩脈沖。這時外部

48、的脈沖信號是經(jīng)XTAL2引腳注入，其連接如圖1.12所示。 圖1.12 外部時鐘源接法3）時序時序是用定時單位來說明的。MCS-51的時序定時單位共有4個，從小到大依次是：節(jié)拍、狀態(tài)、機器周期和指令周期。下面分別加以說明。（1）節(jié)拍與狀態(tài)把振蕩脈沖的周期定義為拍節(jié)（用P表示）。振蕩脈沖經(jīng)過二分頻后，就是單片機的時鐘信號的周期定義為狀態(tài)（用S表示）。這樣，一個狀態(tài)就包含兩個拍節(jié)，具前半周期對應(yīng)的拍節(jié)叫拍節(jié)1（P1），后半周期對應(yīng)的拍節(jié)2(P2).（2）機器周期MCS-51采用定時控制方式, 因此它有固定的機器周期. 規(guī)定一個機器周期的寬度為6個狀態(tài), 并依次表示為S1S6. 由于一個狀態(tài)又包括兩

49、個節(jié)拍, 因此一個機器周期總共有12個節(jié)拍, 分別記作S1 P1S1 P2 。 S6P2. 由于一個機器周期共有12個振蕩脈沖周期, 因此機器周期就是振蕩脈沖的十二分頻.當(dāng)振蕩脈沖頻率為12 MHZ時, 一個機器周期為1us。當(dāng)振蕩脈沖頻率為6 MHZ時, 一個機器周期為2 us。（3）指令周期指令周期是最大的時序定時單位, 執(zhí)行一條指令所需要的時間稱之為指令周期。它一般由若干個機器周期組成。不同的指令，所需要的機器周期數(shù)也不一樣。通常，包含一個機器周期的指令稱為單周期指令，包含二個機器周期的指令稱為雙周期指令，等等。 指令的運算速度和指令所包含的機器周期有關(guān)，機器周期數(shù)越少的指令執(zhí)行速度越快

50、。MCS-51 單片機通?？梢苑譃閱沃芷谥噶?、雙周期指令和四周期指令等三種。四周期指令只有乘法和除法指令兩條，其余均為單周期和雙周期指令。單片機執(zhí)行任何一條指令時都可以分為取指令階段和執(zhí)行指令階段。MCS-51的取指/執(zhí)行時序如圖1.13所示。 圖1.13 MCS-51 單片機的取指/執(zhí)行時序由圖可見，ALE引腳上出現(xiàn)的信號是周期性的，在每個機器周期兩次出現(xiàn)高電平。第一次出現(xiàn)在S1P2和S2P1期間，第二次出現(xiàn)在S4P2和S5P1期間。ALE信號每出現(xiàn)一次，CPU就進行一次取指操作，但由于不同指令的字節(jié)數(shù)和機器周期數(shù)不同，因此取指令操作也隨指令不同而有小的差異。按照指令字節(jié)數(shù)和機器周期數(shù)，80

51、51的111條指令可分為六類，分別是：單字節(jié)單周期指令、單字節(jié)雙周期指令、單字節(jié)四周期指令、雙字節(jié)單周期指令、雙字節(jié)雙周期指令、三字節(jié)雙周期指令，可以參見附錄三。圖1.13（a）（b）所示分別給出了單字節(jié)單周期和雙字節(jié)單周期指令的時序。單周期指令的執(zhí)行始于S1P2，這時操作碼被鎖存到指令寄存器。若是雙字節(jié)則在同一機器周期的S4讀第二字節(jié)。若是單字節(jié)指令，則在S4仍有讀出操作，但被讀入的字節(jié)無效，且程序計數(shù)器PC并不增量。圖1.13（c）給出了單字節(jié)雙周期指令的時序，兩個機器周期進行4次讀操作碼操作。因為是單字節(jié)指令，后三次讀操作都是無效的。2單片機的復(fù)位電路單片機復(fù)位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功

52、能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，例如復(fù)位后PC=0000H，使單片機從第一個單元取指令，實訓(xùn)中已經(jīng)看出。無論是在單片機剛開始接上電源時，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復(fù)位。所以我們必須弄清楚MCS-51型單片機復(fù)位的條件、復(fù)位電路和復(fù)位后狀態(tài)。單片機復(fù)位的條件是：必須使RST/VPD 或RST引腳（9）加上持續(xù)二個機器周期（即24個振蕩周期）的高電平。例如：若時鐘頻率為12MHZ，每機器周期為1us，則只需2us以上時間的高電平。在RST引腳出現(xiàn)高電平后的第二個機器周期執(zhí)行復(fù)位。單片機常見的復(fù)位電路如圖1.14（a）（b）所示。（a） 上電復(fù)位電路 （b） 按鍵復(fù)位電路 圖1.14 單片機常見的復(fù)位電路圖1.14（a）為上電復(fù)位電路，它是利用電容充電來實現(xiàn)的。在接電瞬間，RST端的電位與VCC一樣，隨著充電電流的減少，RST的電位逐漸下降。只要保證RST為高電平的時間大于2個機器周期，便能正常復(fù)位。圖1.14（b）為按鍵復(fù)位電路。該電路除具有上電復(fù)位功能外，若要復(fù)位，只需按