單片微機(jī)原理與應(yīng)用part_02課件

1、“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程 第 2 章 51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理 2022/7/211第2章：51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理 2.1 51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)原理2.2 51系列單片機(jī)的存儲器組織2.3 51系列單片機(jī)的輸入/輸出口2.4 51系列單片機(jī)的時鐘電路與時序 2.5 51系列單片機(jī)的復(fù)位電路2.6 低功耗工作方式與看門狗定時器2022/7/212【基本知識點(diǎn)與要求】理解51系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、基本組成、訪問存儲器的時序、低功耗工作方式、看門狗定時器。(2) 熟練掌握51系列單片機(jī)的引腳與功能。(3) 熟練掌握51系列單片機(jī)的存儲器組織與I/O接口的特點(diǎn)、操作方法。(4) 熟練掌握51系列

2、單片機(jī)的時鐘電路、時序及其相關(guān)概念 和復(fù)位電路?！局攸c(diǎn)與難點(diǎn)】 重點(diǎn)是51系列單片機(jī)的內(nèi)部資源、外部引腳與功能、存儲器組織、時鐘電路、時序和復(fù)位電路。難點(diǎn)是內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器及高128B數(shù)據(jù)存儲單元與SFR區(qū)域的區(qū)別與使用方法，訪問片外ROM/RAM的指令時序。第2章：51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理 2022/7/2132.1 51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)原理2.1.1 51系列單片機(jī)的基本組成：2022/7/2142.1 51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)原理2022/7/2152.1 51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)原理1. 一個 8位CPU；2. 4KB片內(nèi)ROM/EPROM/Flash、128B RAM；3. 4個8bit并行

3、 I/O口 P0P3；4. 2個16位定時器/計數(shù)器T0、T1；5. 片內(nèi)中斷處理系統(tǒng)，5個中斷源，2個優(yōu)先級；6. 片內(nèi)全雙工異步串行I/O口UART；7. 時鐘電路。 89C52的變化，8K Flash ROM代替4k ROM, RAM增加到256B, 增加了一個16bit定時/計數(shù)器（ T2 ）。2.1.1 51系列單片機(jī)的基本組成：2022/7/2162.1 51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)原理2.1.1 51系列單片機(jī)的內(nèi)部組成：1. 中央處理單元CPU （1）運(yùn)算器 以ALU（Arithmetic and Logical Unit）為核心，由暫存器1、暫存器2、累加器ACC(Accumulat

4、or，簡稱A)、B寄存器、布爾處理器和程序狀態(tài)寄存器PSW（Program Status Word） 組成。 主要完成: 算術(shù)運(yùn)算（加、減、乘、除、增量、減量、十進(jìn)制數(shù)調(diào)整）、邏輯運(yùn)算（與、或、異或）、位運(yùn)算（位置“1”、置“0”和取反）和數(shù)據(jù)傳送等操作，運(yùn)算結(jié)果的狀態(tài)由PSW保存。 2022/7/2172.1 51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)原理（2）控制器 由程序計數(shù)器PC(Program Counter)、PC加1寄存器、指令寄存器IR（Instruction Register）、指令譯碼器ID（Instruction Decoded）、數(shù)據(jù)指針DPTR(Data Pointor)、堆棧指針SP(S

5、tack Pointor) 、緩沖器和定時控制電路等組成。主要完成指揮控制工作，協(xié)調(diào)單片機(jī)各部分正常工作。 2. 片內(nèi)存儲器 51系列單片機(jī)存儲器空間有程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩個獨(dú)立的空間，這種形式為哈佛結(jié)構(gòu)（分別獨(dú)立編址）。AT89S51有128B的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM、可外擴(kuò)展64KB；有4KB可在系統(tǒng)編程的Flash ROM，可外擴(kuò)展到64KB。 2022/7/2182.1 51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)原理3. I/O接口與部件 51系列單片機(jī)有4個8位并行I/O接口。每一個接口都有數(shù)據(jù)輸出鎖存器、輸入緩沖器和輸出驅(qū)動器。鎖存器作為特殊的寄存器屬于端口，具有端口地址。CPU通過內(nèi)部總線對I/O接

6、口中的寄存器進(jìn)行讀寫，由于每一個接口只有一個端口，對單片機(jī)而言就不再區(qū)分兩者，我們把4個接口和其中的鎖存器都統(tǒng)一標(biāo)記為P0P3，簡稱為P0口、P1口、P2口和P3口。51系列單片機(jī)還有1個可編程全雙工異步串行I/O接口UART。 這里所講的并行就是所有各位數(shù)據(jù)同時并排傳輸?shù)姆绞?；串行就是所有各位?shù)據(jù)按一定順序，一位接著一位傳輸?shù)姆绞健?另外，還有定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)。 2022/7/2192.1 51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)原理2.1.2 單片機(jī)引腳及功能 RST/VPDP3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7P3.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P1.0

7、P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P2.7P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P0.0RXD TXD INT0 INT1 T0 WR RDT1 XTAL2XTAL1VssVcc51系列40393837363534333231302928272625242322211234567891011121314151617181920P0口:I/O 口 或 數(shù)據(jù)總線/低8位地址總線復(fù)用口P1口: I/O口P3口:I/O口或第2功能口P2口:I/O口 或高8位地址總線控制總線控制總線EA/VPPALE/PROG/ PSEN時鐘復(fù)位引腳2022/7/21102.1

8、51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 51系列單片機(jī)的引腳可分3類：電源引腳、控制引腳、輸入/輸出（I/O）引腳。以DIP-40封裝說明引腳功能。 1. 電源引腳（2根）（1）Vcc（Volt Current Condenser，第40引腳）：電源端，接+5V電源。 （2）GND（Ground，第20引腳）：接地引腳，有時標(biāo)記為Vss。 2. 控制引腳（6根） （1）RST/VPD（Reset，第9引腳）：復(fù)位信號輸入引腳/備用電源輸入引腳。 2022/7/21112.1 51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 （2）XTAL1（第19引腳）：晶體振蕩器接入的一個引腳。若采用外部輸入時鐘信號，對CHMOS型51系列單片

9、機(jī)，此引腳作為外部時鐘的輸入端；對HMOS型51系列單片機(jī)，此引腳接地。 （3）XTAL2（第18引腳）：晶體振蕩器接入的另一個引腳。若采用外部輸入時鐘信號，對CHMOS型51系列單片機(jī)，此引腳懸空；對HMOS型51系列單片機(jī)，此引腳作為外部時鐘的輸入端。2022/7/2112單片機(jī)XTAL1XTAL21918C1C2電容C1、C2通常選 2030PF左右振蕩頻率1.2MHz12MHz晶振內(nèi)部時鐘方式電路設(shè)計原理圖C1、C2取值對振蕩頻率輸出穩(wěn)定性、大小及振蕩電路的起振速度有一定的影響。2.1 51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)原理2022/7/21132.1 51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)原理EA/VPP (31)

10、PSEN(29)名稱功 能片外取指信號（片外程序存儲器讀）輸出低電平有效。通過P0口讀回指令或常數(shù)?？刂频氖瞧獬绦虼鎯ζ鞒绦虼鎯ζ鬟x擇信號 EA=0 時，選外部ROM；1，地址小于4k時，選內(nèi)部ROM地址大于4k時，選外部ROMP0口是數(shù)據(jù)/地址復(fù)用口P0口輸出數(shù)據(jù)信息P0口輸出地址信息鎖存地址 ALE /PROG 302022/7/21142.1 51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 2. 輸入 / 輸出引腳（32根） （1）P0口（P0.0P0.7，第3932引腳）作雙向I/O口使用或者作為地址總線低8位/數(shù)據(jù)總線使用。 （2）P1口（P1.0P1.7，第18引腳）：P1口的第一功能是作為準(zhǔn)雙向I/

11、O口使用，其功能完全由用戶程序進(jìn)行定義。這里稱準(zhǔn)雙向口是由于接口內(nèi)部有拉高電路。 P1口的第二功能 引 腳第二功能符號 第二功能描述P1.0 (1)T2T2的外部計數(shù)脈沖輸入P1.1 (2)T2EXT2的外部觸發(fā)脈沖輸入 P1.5 (6)MOSI在系統(tǒng)編程串行數(shù)據(jù)輸入P1.6 (7)MISO在系統(tǒng)編程串行數(shù)據(jù)輸出 P1.7 (8) SCK 在系統(tǒng)編程串行時鐘輸入2022/7/21152.1 51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 （3）P2口（P2.0P2.7，第2128引腳）：P2口作為一般的準(zhǔn)雙向I/O口使用或者高8位地址總線輸出引腳。在對AT89S51片內(nèi)的Flash進(jìn)行并行編程和校驗時，P2口接收高

12、8位地址信號和一些控制信號。 （4）P3口（P3.0P3.7，第1017引腳）：P3口一般作為準(zhǔn)雙向I/O口使用或者第二功能引腳。在對AT89S51片內(nèi)的Flash進(jìn)行并行編程和校驗時，P3口接收控制信號。 2022/7/21162.1 51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 引 腳第二功能符號 第二功能描述P3.0 (10)RxD 串行通信數(shù)據(jù)接收引腳P3.1 (11)TxD 串行通信數(shù)據(jù)發(fā)送引腳P3.2 (12) 外部中斷0請求信號輸入引 腳，低電平有效P3.3 (13) 外部中斷1請求信號輸入引 腳，抵電平有效P3.4 (14)T0 定時/計數(shù)器0外部計數(shù)脈 沖輸入引腳P3.5 (15) T1 定時/

13、計數(shù)器1外部計數(shù)脈 沖輸入引腳P3.6 (16) 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號， 低電平有效P3.7 (17) 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號， 低電平有效P3口的第二功能 2022/7/21172.2 51系列單片機(jī)的存儲器組織 51系列單片機(jī)的存儲器從物理位置看，有4個存儲器空間，即片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器（簡稱片內(nèi)RAM）、片內(nèi)程序存儲器（片內(nèi)ROM）、片外數(shù)據(jù)存儲器（片外RAM）和片外程序存儲器（片外ROM），如圖所示 。51系列單片機(jī)存儲器的物理位置 2022/7/2118 從使用的角度來看，51系列單片機(jī)的存儲器空間又可分為3個部分，如圖所示。 2.2 51系列單片機(jī)的存儲器組織 程序存儲器 數(shù)據(jù)存儲

14、器 外部數(shù)據(jù)存儲器 2022/7/2119 （1）片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64KB程序存儲器空間，地址范圍0000H0FFFFH。 （2）64KB的片外數(shù)據(jù)存儲器空間，地址范圍0000H0FFFFH。 （3）51單片機(jī)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM 128B，地址范圍為00H7FH；增強(qiáng)型AT89S52的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM 256B，地址范圍為00H0FFH。2.2 51系列單片機(jī)的存儲器組織2022/7/2120 2.2.1 程序存儲器空間 (a) ROM空間地址分布 (b) ROM低地址中斷入口單元 2022/7/2121 當(dāng) =1時：程序計數(shù)器PC在0000H0FFFH范圍內(nèi)（即前4KB單元），則執(zhí)行片

15、內(nèi)Flash ROM中的程序；PC的值超過0FFFH時，則會自動轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外ROM中1000H0FFFFH范圍的程序。 當(dāng) =0時：只能尋址片外程序存儲器，地址從0000H開始，到0FFFFH。 2.2.1 程序存儲器空間 51系列單片機(jī)的程序存儲器ROM主要用來存放程序、常數(shù)或表格等，最大尋址空間64KB。 AT89S51片內(nèi)有4KB的Flash ROM，80C51內(nèi)部有4KB的掩膜ROM，87C51內(nèi)部有4KB的EPROM(OTP)，而80C31內(nèi)部沒有程序存儲器。 當(dāng) =1時：程序計數(shù)器PC在0000H0FFFH范圍內(nèi)（即前4KB單元），則執(zhí)行片內(nèi)Flash ROM中的程序；PC的值 超

16、過0FFFH時，則會自動轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外ROM中1000H 0FFFFH范圍的程序。 當(dāng) =0時：只能尋址片外程序存儲器，地址從0000H開 始，到0FFFFH。2022/7/2122 2.2.2 數(shù)據(jù)存儲器空間 51系列單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲器RAM主要用來存放數(shù)據(jù)和運(yùn)算的中間結(jié)果等。51系列單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲器分片內(nèi)RAM和片外RAM兩部分。 (a) 片內(nèi)RAM和SFR空間分布 (b) 片外RAM空間單元 2022/7/21232.2.2 數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)部低128B字節(jié)地址位地址1工作寄存器區(qū)： 4組寄存器（寄存器陣列）。即4個工作寄存器0區(qū)3區(qū)，每組8個寄存單元（每單元8位），以R0R7作寄存器名，暫

17、存運(yùn)算數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。字節(jié)地址為00H1FH。2位尋址區(qū) ：字節(jié)地址為20H2FH，既可作RAM，也可位操作。共有16個RAM單元，共128位，位地址為00H7FH。3用戶RAM區(qū)： 80個單元，地址為30H7FH，在一般應(yīng)用中常作堆棧區(qū)。2022/7/21242.2.2 數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)部低128B2022/7/2125 這些寄存器的功能已經(jīng)作了特殊規(guī)定，通常用來存儲當(dāng)前要執(zhí)行的指令的存儲地址、操作數(shù)和指令執(zhí)行后的狀態(tài)等信息。因此也稱為特殊功能寄存器，簡稱為SFR寄存器。訪問SFR只能使用直接地址方式。 51單片機(jī)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的高128字節(jié)單元供專用寄存器使用，它們分布在單元地址為80H0FF

18、H的空間中。2.2.2 數(shù)據(jù)存儲器高128B+外 51系列單片機(jī)可以擴(kuò)展64KB的RAM和I/O端口，外部RAM和I/O端口是統(tǒng)一編址的，CPU對他們具有相同的操作。 2022/7/2126 2.2.3 特殊功能寄存器 80C51 有21個SFR，AT89S51單片機(jī)在此基礎(chǔ)上增加了1組數(shù)據(jù)指針（DP1，16位）、2個輔助寄存器（AUXR、AUXR1）和一個看門狗定時器復(fù)位寄存器（WDTRST），總計有26個特殊功能寄存器。其中的11個具有位尋址功能，它們的字節(jié)地址能夠被8整除，即字節(jié)地址的十六進(jìn)制數(shù)最低位是0或8。 2022/7/21272022/7/2128 2.2.3 特殊功能寄存器 (

19、1) 累加器 ACC（Accumulator 8位） 用于存放操作數(shù)或運(yùn)算中間結(jié)果的8位專用寄存器，如算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、移位操作等。其物理地址為0E0H，也可使用ACC代表物理地址。對ACC可進(jìn)行位尋址，通常用ACC.n（n=07）表示。 (2) 寄存器B （8位） 與累加器A配合執(zhí)行乘、除運(yùn)算，也可用作通用寄存器。 (3) 程序狀態(tài)字PSW （8位） PSW是可位尋址的8位寄存器，主要用于存儲當(dāng)前指令執(zhí)行后的程序狀態(tài)，這些狀態(tài)可作為執(zhí)行下一條指令的條件。 各位定義如下： 2022/7/2129 2.2.3 特殊功能寄存器PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2

20、PSW.1PSW.0CYACF0RS1RS0OVF1P CY (Carry PSW.7)-進(jìn)位（借位）標(biāo)志位。 功能一：算術(shù)運(yùn)算的進(jìn)位（借位）標(biāo)志位，在無符號數(shù)的加（減）中，若運(yùn)算結(jié)果的最高位有進(jìn)位（借位）時，CY由硬件置“1”，否則清“0”，或者說進(jìn)位（借位）位在CY中保存； 功能二：在位操作中，CY作為布爾處理器的位累加器C來使用 。2022/7/2130 2.2.3 特殊功能寄存器 AC (Auxiliary PSW.6)-輔助進(jìn)位標(biāo)志位。 在進(jìn)行加（減）運(yùn)算中，若累加器A中的ACC.3向ACC.4有進(jìn)位（借位）時，AC由硬件置“1”，否則清“0”。該位常用于調(diào)整BCD碼運(yùn)算結(jié)果 。 F

21、0(Flag Zero PSW.5)-用戶標(biāo)志位。 用戶可以根據(jù)程序執(zhí)行的需要，通過軟件置“1”或清“0”。 RS1和RS0(PSW.4和PSW.3)工作寄存器組選擇位。 RS1和RS0由軟件置“1”或者清“0”，它們和工作寄存器的關(guān)系如下表所示，被選中的工作寄存器組即為當(dāng)前工作寄存器組 。2022/7/2131 2.2.3 特殊功能寄存器 RS1 RS0工作寄存器組RS1 RS0工作寄存器組0 001 0 20 111 1 3工作寄存器組選擇表 OV (Overflow PSW.2)-溢出標(biāo)志位 在帶符號數(shù)的算術(shù)運(yùn)算中，若運(yùn)算結(jié)果超出了相應(yīng)機(jī)器字長表示的范圍（對8位二進(jìn)制數(shù)而言，即超出-12

22、8+127），產(chǎn)生溢出，OV由硬件置“1”，表示運(yùn)算結(jié)果是錯誤的；否則，OV由硬件清“0”，表示運(yùn)算結(jié)果正確。2022/7/2132 F1（PSW.1）-系統(tǒng)保留位、未用。 P (Parity PSW.0)-奇偶標(biāo)志位。 用于指示累加器A中的“1”的個數(shù)的奇偶性。若A中有奇數(shù)個“1”則P由硬件置“1”；若A中有偶數(shù)個“1”或者A=00H時，P由硬件清“0”。 2.2.3 特殊功能寄存器（4）堆棧指針SP (Stack Pointer)。SP是8位專用寄存器，作為堆棧指針?biāo)冀K指向堆棧的頂部。 所謂堆棧是一個連續(xù)的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域，其存取原則為“后進(jìn)先出”，或“先進(jìn)后出”。堆棧的操作有兩種：進(jìn)棧和出

23、棧。 2022/7/2133 51系列單片機(jī)的堆棧是向上生成型（向地址增大的方向生成），進(jìn)棧操作過程是SP先加1，然后數(shù)據(jù)壓入；出棧過程是SP指向的數(shù)據(jù)從中彈出，然后SP減1。 （5）數(shù)據(jù)指針DPTR (Data Pointer) DPTR是16位專用寄存器，用來存放讀外部程序存儲器或讀/寫外數(shù)據(jù)存儲器的16位地址。既可以按16位寄存器使用，也可以按兩個8位寄存器DPH和DPL來使用。其中DPH是DPTR的高8位，DPL是DPTR的低8位。對于AT89S51來說，DPTR就是DP0。 2.2.3 特殊功能寄存器2022/7/2134（6）程序計數(shù)器PC（Program Counter） PC是

24、16位的二進(jìn)制計數(shù)器，專門用于存儲CPU要執(zhí)行的下一條指令的第一字節(jié)在ROM中的存儲地址，控制程序的執(zhí)行順序。PC沒有地址，是不可尋址的，用戶無法對它進(jìn)行讀寫，但可以通過轉(zhuǎn)移、調(diào)用、返回等指令改變其值，以實現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移。 其余的和中斷、定時器(IE、IP、 T0、T1、TMOD、TCON)及串行口有關(guān)的特殊功能寄存器(SBUF、SCON、PCON)將在后續(xù)的相關(guān)章節(jié)中介紹。此外，還有4個端口寄存器。 * 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。 2.2.3 特殊功能寄存器2022/7/2135 51系列單片機(jī)有4個8位并行I/O端口P0P3。每個端口都

25、有8根I/O口線，每根線都能獨(dú)立的作為輸入或輸出。在組成結(jié)構(gòu)上每1個端口都有1個鎖存器、輸入緩沖器和1個輸出驅(qū)動器。具有字節(jié)尋址和位尋址功能 1. P0端口 由1個輸出鎖存器（D觸發(fā)器）、2個輸入緩沖器、一個轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX、1個輸出驅(qū)動電路（T1、T2）、1個與門和1個反相器組成。 2.3 51系列單片機(jī)的輸入/輸出口 P0口的其中1位的電路結(jié)構(gòu) 2022/7/2136（1）用作通用I/O口 無外擴(kuò)展存儲器時，P0口可作通用I/O口。此時，CPU發(fā)出控制電平“0”封鎖與門，T1截止，同時使轉(zhuǎn)換開關(guān)接通b點(diǎn)。輸出驅(qū)動級工作在漏級開路方式，需要外接上拉電阻。 用作輸出口。內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)在“寫鎖

26、存器”信號作用下，通過D鎖存器端輸出，送到T2，再經(jīng)過T2反相，則在P0.X上出現(xiàn)的數(shù)據(jù)正好與數(shù)據(jù)總線信號一致。需要外接10K上拉電阻。 2.3 51系列單片機(jī)的輸入/輸出口 P0口的其中1位的電路結(jié)構(gòu) 2022/7/2137 2.3 51系列單片機(jī)的輸入/輸出口 用作輸入口。輸入的數(shù)據(jù)可以來自端口的鎖存器，也可以來自端口引腳，究竟是哪一種情況，由執(zhí)行的輸入操作來決定。 P0口的其中1位的電路結(jié)構(gòu) 輸入操作讀引腳，P0.X上出現(xiàn)的數(shù)據(jù)經(jīng)圖下面一個緩沖器讀到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上。 輸入操作讀鎖存器，鎖存器的數(shù)據(jù)經(jīng)圖中上面一個緩沖器讀到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上，然后經(jīng)過運(yùn)算，再回送結(jié)果到P0端口的鎖存器，并出現(xiàn)在

27、引腳上。 2022/7/2138 2.3 51系列單片機(jī)的輸入/輸出口（2）用作地址/數(shù)據(jù)線 當(dāng)系統(tǒng)外擴(kuò)展存儲器時，P0口就作為地址/數(shù)據(jù)總線用。CPU及內(nèi)部控制信號為“1”，使轉(zhuǎn)換開關(guān)接通a點(diǎn)，反相器的輸出和T2管柵極相連。在這種情況下，若地址/數(shù)據(jù)線為“1”，則T1導(dǎo)通、T2截止，P0.X輸出為“1”；反之，T1截止、T2導(dǎo)通，P0.X輸出為“0”。當(dāng)數(shù)據(jù)從P0口輸入時，成為讀引腳狀態(tài)。 P0口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用時是一個真正的雙向口，而作為通用I/O口使用時屬于準(zhǔn)雙向口。 2022/7/2139 P1口作為通用I/O使用。作為輸出時，無需再接上拉電阻，每個引腳可驅(qū)動4個LSTTL門電路

28、。做輸入口時，必須先向鎖存器寫“1”，使T2截止。P1口作為通用I/O口，屬于準(zhǔn)雙向口2. P1端口 P1口的其中1位的電路結(jié)構(gòu)如圖所示。它由1個輸出鎖存器（D觸發(fā)器）、2個輸入緩沖器、1個輸出驅(qū)動電路（T2、上拉電阻）組成。 2.3 51系列單片機(jī)的輸入/輸出口 P1口的其中1位的電路結(jié)構(gòu) 2022/7/2140 P2口的其中1位的電路結(jié)構(gòu)如圖所示。由1個輸出鎖存器（D觸發(fā)器）、2個輸入緩沖器、1個轉(zhuǎn)換開關(guān)、1個反相器和1個輸出驅(qū)動電路（T、上拉電阻）組成 。 2.3 51系列單片機(jī)的輸入/輸出口3. P2端口（1）作通用I/O口 當(dāng)系統(tǒng)只擴(kuò)展256B的片外數(shù)據(jù)存儲器時，僅使用地址的低8位，

29、P2口可作為通用I/O口使用。控制信號為0，轉(zhuǎn)換開關(guān)下方接通，P2口作為通用I/O口，屬于準(zhǔn)雙向口。 P2口的其中1位的電路結(jié)構(gòu) 2022/7/2141 2.3 51系列單片機(jī)的輸入/輸出口（2）P2口用作地址總線 當(dāng)系統(tǒng)需要在片外擴(kuò)展程序存儲器或者數(shù)據(jù)存儲器超過256B時，單片機(jī)內(nèi)部硬件自動使控制信號為“1”，轉(zhuǎn)換開關(guān)接向地址線，P2.X的輸出正好和地址線上的信息一致。P2口用作地址總線高8位。 4. P3端口 P3口的其中1位的電路結(jié)構(gòu)如圖所示。它由1個輸出鎖存器（D觸發(fā)器）、3個輸入緩沖器、1個與非門和1個輸出驅(qū)動電路（T、上拉電阻）組成。 P3口的其中1位的電路結(jié)構(gòu) 2022/7/21

30、42 2.3 51系列單片機(jī)的輸入/輸出口（1）P3口用作第一功能（通用I/O口） P3口作通用I/O口時，其第二功能輸出為1，口中的每一位都可以定義為輸入或輸出，工作原理與P1口類似。此時P3口為準(zhǔn)雙向口。 P3口的其中1位的電路結(jié)構(gòu) （2）P3口第二功能 CPU不對P3口進(jìn)行字節(jié)或者位尋址時，內(nèi)部硬件自動使P3口的鎖存器置1，打開第二功能輸出的門，使P3.X的輸出正好和第二功能輸出的信息一致。P3口的第二功能見表，第二功能應(yīng)用非常重要。 2022/7/2143 2.3 51系列單片機(jī)的輸入/輸出口5. 端口的負(fù)載能力與應(yīng)用方法 （1）端口的帶負(fù)載能力 在端口電平兼容的情況下，帶負(fù)載能力就是

31、前級在保持“1”或“0”信號不變時，能夠驅(qū)動后級的同類門的個數(shù)。低功耗型單片機(jī)端口的電平與CMOS和TTL電平兼容。 P0口的每一位能夠驅(qū)動8個LSTTL門電路。作為通用I/O口時，輸出驅(qū)動電路是開漏的，在驅(qū)動集電極開路（OC門）電路或者漏級開路電路時需要外接上拉電阻。作為地址/數(shù)據(jù)線使用時，無需外接上拉電阻。 P1P3口每一位能夠驅(qū)動4個LSTTL門電路。其輸出驅(qū)動電路均有上拉電阻，所以可方便地由集電極開路（OC門）電路或者漏級開路電路所驅(qū)動，無需外接上拉電阻 。2022/7/2144（2）P0P3口選擇使用注意問題 若51系列單片機(jī)內(nèi)部程序存儲器ROM夠用，不需要片外擴(kuò)展存儲器和I/O口，

32、則P0P3均作為通用I/O口使用。 4個口在作為輸入口使用時，必須先對相應(yīng)端口的鎖存器寫入“1”。 P2口作地址線使用時，未使用的高位線可以作為RAM或者I/O口的片選信號，不可以作為通用I/O口線使用。 P3口的某些位做第二功能使用時，未用的口線仍然可以作為單獨(dú)的I/O口線使用。 2.3 51系列單片機(jī)的輸入/輸出口2022/7/2145 2.4 時鐘電路與時序 單片機(jī)的時鐘信號用來提供其內(nèi)部各種微操作時間基準(zhǔn)。單片機(jī)的時序就是CPU執(zhí)行指令時所需控制信號的時間順序。所以單片機(jī)系統(tǒng)就是一個由同步時序控制的時序系統(tǒng)。 1. 內(nèi)部振蕩方式 AT89S51單片機(jī)的內(nèi)部有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的反相

33、放大器，XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入和輸出端，在這兩個引腳之間外接1個石英晶體或陶瓷振蕩器，就可構(gòu)成一個自激振蕩器。電容C1、C2起到穩(wěn)定振蕩頻率、快速啟振的作用。石英晶體，C1、C2值分別為30pF10pF；陶瓷諧振器，C1、C2值分別為40pF10pF。晶振可選用12MHz。為了減少寄生電容，晶振器和電容應(yīng)盡可能安裝的與單片機(jī)芯片靠近。2.4.1 片內(nèi)振蕩器及時鐘信號的產(chǎn)生 2022/7/21462. 外部振蕩方式 把已有的時鐘引入單片機(jī)，外部振蕩脈沖信號由XTAL1端輸入單片機(jī)，XTAL2端懸空。外接的脈沖高、低電平持續(xù)時間大于20ns，此方式便于多塊芯片同時工作，便于同步。

34、 2.4 時鐘電路與時序 2022/7/2147 2.4 時鐘電路與時序 2.4.2 時序及有關(guān)概念 時序反映的是各控制信號在時間上的相互關(guān)系，是用定時單位來說明的。微處理器的定時單位從小到大的順序是：時鐘周期（節(jié)拍）、狀態(tài)、機(jī)器周期、指令周期。 1. 時鐘周期 一個時鐘(振蕩)脈沖持續(xù)的時間就稱為一個時鐘周期(Clock Cycle)，也稱為節(jié)拍(P，Pulse)。它是晶體振蕩器產(chǎn)生的時鐘頻率的倒數(shù)，是微型計算機(jī)系統(tǒng)中的最小、最基本的時序定時單位。 2. 狀態(tài) 狀態(tài)由節(jié)拍構(gòu)成。51系列單片機(jī)中狀態(tài)用S(State)表示，1個狀態(tài)包含2個節(jié)拍，分別稱為前拍P1和后拍P2。 2022/7/214

35、8 2.4 時鐘電路與時序 4. 指令周期 指令周期(Instruction Cycle)就是CPU取出一條指令，到該條指令執(zhí)行完成所需要的時間，以機(jī)器周期為單位。由于機(jī)器執(zhí)行不同的指令所需要的時間不同，因此執(zhí)行不同的指令所需要的機(jī)器周期數(shù)不同。通常一條指令執(zhí)行所需要的時間在14個機(jī)器周期。單片機(jī)中按照指令執(zhí)行所需要的機(jī)器周期數(shù)將其分為單周期指令、雙周期指令和四周期指令三種。 3. 機(jī)器周期 CPU訪問存儲器或I/O端口一次（讀寫一個字節(jié)）所需要的時間就是一個機(jī)器周期(Machine Cycle)。51系列單片機(jī)采用定時控制方式，它有固定的機(jī)器周期。規(guī)定1個機(jī)器周期包括6個狀態(tài)或者12個時鐘周

36、期，也就是振蕩脈沖的12分頻，可依次表示為S1P1、S1P2 S6P2。2022/7/2149 機(jī)器周期（s）=12/f，f是晶振頻率（MHz）。當(dāng)晶振頻率為24MHz時，機(jī)器周期是0.5s，當(dāng)晶振頻率為12MHz時，機(jī)器周期是1s，當(dāng)晶振頻率為6MHz時，機(jī)器周期是2s。后續(xù)的許多程序設(shè)計或者定時器應(yīng)用中都要用到。 2.4 時鐘電路與時序 思考： 設(shè)單片機(jī)晶振頻率為12MHz，問機(jī)器周期為多少？指令周期分別為多少？ 指令的運(yùn)算速度與指令所包含的機(jī)器周期數(shù)有關(guān)，執(zhí)行指令的機(jī)器周期數(shù)越少，指令執(zhí)行得越快?；蛘哒f，指令的執(zhí)行速度由系統(tǒng)時鐘頻率決定的，時鐘頻率越高，執(zhí)行指令速度越快。指令周期是時序的

37、最大時間單位。 2022/7/2150 CPU執(zhí)行任何一條指令都分為取指令和執(zhí)行指令兩個階段。 取指令階段是把程序計數(shù)器（PC）中的地址送到程序存儲器，在讀控制信號的作用下，從存儲器中取出需要執(zhí)行的操作碼和操作數(shù)。 執(zhí)行指令階段包括對指令操作碼譯碼和產(chǎn)生控制信號、完成指令執(zhí)行的過程。 2.4.3 指令的取指/執(zhí)行時序 2.4 時鐘電路與時序 2022/7/2151 2.4 時鐘電路與時序 2022/7/2152 51系列單片機(jī)片外存儲器有程序存儲器ROM和數(shù)據(jù)存儲器RAM兩種，CPU訪問它們的指令也分兩類、時序也有所不同。 2.4.4 訪問片外存儲器的操作時序 2.4 時鐘電路與時序 1.訪問

38、外部ROM的操作時序 2022/7/2153 2.4 時鐘電路與時序 訪問片外ROM時，除了ALE外，還需要信號有效，需要P0口提供低8位地址、P2口提供高8位地址。 2. 訪問外部RAM的操作時序 2022/7/2154 2.4 時鐘電路與時序 訪問片外RAM時，要進(jìn)行兩步操作：第一步是先從外部ROM中取出訪問片外數(shù)據(jù)存儲器指令MOVX；第二步是根據(jù)MOVX指令所給出的數(shù)據(jù)選中外部RAM某單元，再對該單元進(jìn)行操作。 第一個機(jī)器周期是從外部ROM中取指令，在S4P2之后，將取來的指令中的外部RAM地址輸出，P0口送出低8位地址，P2口送出高8位地址。第二個機(jī)器周期中，ALE第一個有效信號不再出

39、現(xiàn)，讀信號有效，將外部RAM的數(shù)據(jù)讀出送到P0口。以后盡管ALE的第二個信號出現(xiàn)，但沒有操作進(jìn)行，從而結(jié)束了第二個機(jī)器周期。 【注意】在訪問外部RAM時，ALE丟失1次，所以不能用ALE作為精確的時鐘輸出 。2022/7/2155 復(fù)位是一種操作，就是使CPU和系統(tǒng)中的其它部件都置為一個確定的初始狀態(tài)，并從這個初始狀態(tài)開始工作。 復(fù)位可以使死機(jī)狀態(tài)下的單片機(jī)重新啟動。 2.5 51系列單片機(jī)的復(fù)位電路 1. 復(fù)位與復(fù)位電路 復(fù)位可分為上電復(fù)位、按鍵復(fù)位（外部復(fù)位）和內(nèi)部復(fù)位。外部復(fù)位就是使RST端上保持2個機(jī)器周期以上的高電平，內(nèi)部復(fù)位就是WDT產(chǎn)生的復(fù)位。 2022/7/2156 2.5 5

40、1系列單片機(jī)的復(fù)位電路 上電復(fù)位和按鍵復(fù)位的電路 2. 單片機(jī)復(fù)位后的狀態(tài) 單片機(jī)復(fù)位后，所有的內(nèi)部SFR和一些引腳都被賦予默認(rèn)值，SFR狀態(tài)如下表所示。ALE和引腳輸出高電平，即ALE= =1，PC=0000H，單片機(jī)從起始地址0000H開始執(zhí)行程序。 2022/7/2157 2.5 51系列單片機(jī)的復(fù)位電路 寄存器復(fù)位狀態(tài)寄存器復(fù)位狀態(tài)PC0000HTH000HACC00HTL000HB00HTH100HPSW00HTL100HSP07HTH200HDP00000HTL200HDP10000HTMOD00HP0P3FFHT2MOD00HSCON00HTCON00HIP0000BT2CON0

41、0HIE00000BRCAP1H00HWDTRSTBRCAP2H00HAUXR000BAUXR10B2022/7/21582.6 低功耗方式與看門狗定時器1. 低功耗工作方式 除本身屬低功耗外，單片機(jī)還提供了兩種低功耗工作方式（節(jié)電工作方式），即空閑（等待、待機(jī)）方式和掉電（停機(jī)）保護(hù)方式，以進(jìn)一步降低功耗。 低功耗工作方式不是自動產(chǎn)生的，而是通過軟件設(shè)定的。兩種低功耗工作方式由電源及波特率控制寄存器PCON來設(shè)定。PCON位于特殊功能寄存器區(qū)的87H單元，是1個不可位尋址的8位SFR，各位定義如下：（復(fù)位后 0 xxx000B） 2022/7/21592.6 低功耗方式與看門狗定時器D7D6

42、D5D4D3D2D1D0SMODGF1GF0PDIDL其中，:保留位。 SMOD是波特率培增位，在串行通信中使用。SMOD=1，串行通信波特率加倍。 GF1、GF0：通用標(biāo)志位，由軟件置位、清零。 PD: 掉電方式控制位。PD=1，進(jìn)入掉電保護(hù)方式。 IDL：空閑方式控制位。IDL=1，進(jìn)入空閑方式。2022/7/21602.6 低功耗方式與看門狗定時器（1）空閑（等待、待機(jī)）方式 空閑（等待、待機(jī)）方式是指CPU在不需要執(zhí)行程序時停止工作，以取代不停地執(zhí)行空操作或原地踏步等操作。 振蕩器繼續(xù)運(yùn)行，CPU停止工作，中斷控制電路、定時/計數(shù)器和串行口等環(huán)節(jié)在時鐘的控制下正常運(yùn)行，CPU現(xiàn)場（堆棧指針SP、程序計數(shù)器PC、程序狀態(tài)字PSW、累加器ACC），內(nèi)部RAM和其它SFR的內(nèi)容保持不變，引腳保持進(jìn)入空閑方式時的狀態(tài)，ALE和保持高電平。 當(dāng)CPU執(zhí)行一條置PCON.0（IDL）為1的指令后，系統(tǒng)進(jìn)入空閑方