單片機(jī)原理與接口技術(shù)(第4章)

單片機(jī)原理與接口技術(shù)

第4章4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

第4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展開發(fā)設(shè)計(jì)MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)，通常是由一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)開始的，通過這個(gè)過程，可以逐步地掌握MCS-51系列單片機(jī)的性能和開發(fā)技巧。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

4.1AT89C51單片機(jī)性能介紹

AT89C51是一種帶4KB可編程／可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS的8位微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51的指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，因而ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

4.1.1．主要特性

●與MCS-51兼容●4KB可編程閃爍存儲(chǔ)器；●壽命為1000次寫/擦循環(huán)：●數(shù)據(jù)保留時(shí)間為10年；●全靜態(tài)工作0～24Hz；●三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定；4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

●128×8位內(nèi)部RAM；●32位可編程I／O線；●兩個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器：●5個(gè)中斷源：●可編程串行通道；●低功耗的閑置和掉電模式；●片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。主要特性4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

4.1.2

管腳

說明

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P0口：

P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I／O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)／地址的第八位。在FLASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FLASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。

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P1口：

P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4個(gè)TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用做輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。

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P2口：

P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

P2口

P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部8位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高8位地址信號(hào)和控制信號(hào)。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，由于內(nèi)部有拉電阻而變?yōu)楦唠娖?，并作為輸入信?hào)。

P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口。

P3口：

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P3口具有特殊功能如下：

P30(RDX)串行口輸入端P31(TDX)串行口輸出端P32(INT0)外部中斷0輸入端P33(INT1)外部中斷1輸入端4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

P3口具有特殊功能如下：P34(T0)定時(shí)器0外部輸入端P35(T1)定時(shí)器1外部輸入端P36(WR)單片機(jī)的寫入信號(hào)P37(RD)單片機(jī)的讀取信號(hào)4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

RST：

復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

ALE／PROG：

當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址。在FLASH編程期間，此管腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用做對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

ALE／PROG

要注意的是：每當(dāng)用做外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

當(dāng)EA保持低電平時(shí)，則在此期間訪問外部程序存儲(chǔ)器(0000H-FFFFH)，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，此間訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此管腳也用于施加12V編程電源(Vpp)。EA／Vpp：

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XTALl

和XTAL2XTALl：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。

XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

XTALl和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。4.1.3．振蕩器特性

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XTALl和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。振蕩器特性4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

振蕩器特性如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

整個(gè)EPROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。4.1.4．芯片擦除

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AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止使用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

4.2MCS-51單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)

由于AT98C51(或8751)內(nèi)部具有RAM和EEPROM，所以在芯片的外部接上時(shí)鐘電路和上電復(fù)位電路就可以構(gòu)成一個(gè)基本的應(yīng)用系統(tǒng)了，如圖4-2所示4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

AT89C51單片機(jī)構(gòu)成的最小系統(tǒng)

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AT89C51單片機(jī)構(gòu)成的最小系統(tǒng)

由于內(nèi)部的程序空間有限，不適合編寫較大、較復(fù)雜的程序，所以，這個(gè)系統(tǒng)適合于簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)的應(yīng)用。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

在8051單片機(jī)中，P1口是雙向的I/0口，可以置位，所以可以用來做控制使用。

P1口是雙向的I／0口4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

由圖4-3可知，P1口連接8個(gè)發(fā)光二極管，然后通過一個(gè)電阻接5V電源，當(dāng)P1口是低電平時(shí)，發(fā)光二極管亮，當(dāng)P1口是高電平時(shí)，發(fā)光二極管滅。例4-1：4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

1．延時(shí)程序

首先，要編寫一個(gè)延時(shí)程序，運(yùn)行這個(gè)延時(shí)程序，可以產(chǎn)生一段時(shí)間的延時(shí)，這樣，程序中需要設(shè)定時(shí)間的時(shí)候直接調(diào)用就可以了。

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延時(shí)程序注意到每執(zhí)行一次while(--t);對(duì)于時(shí)鐘為8MHz的8751(8051)，需要2μs的時(shí)間，以編寫的延時(shí)程序如下：4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

圖4-3單片機(jī)P1口用于輸出口

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應(yīng)用程序

voiddelay(unsignedchart){t=0;While(i<50000)t++;}4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

2．P1口的聲明

操作P1口時(shí)，首先要對(duì)P1口的寄存器聲明。在KeilC51編譯器中，聲明包含在頭文件reg51．h中，所以在編寫程序時(shí)，要把這個(gè)頭文件包含進(jìn)去，聲明的語(yǔ)句為

#include<reg51．h>4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

sfrP1=0x90；對(duì)控制P1特殊寄存器的聲明可以用這樣的語(yǔ)句：

sfrP1=0x90；由于P1口可以位操作，所以我們聲明一個(gè)位變量P1.1，這樣對(duì)P1.1的控制只要直接對(duì)位變量賦值就可以了。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

Sbitp1.1=p1^1

用語(yǔ)句Sbitp1.1=p1^1;，將P1口定義為位操作方式。如果需要P1.1是高電平，可用語(yǔ)句“P1.1=1；”。如果需要P1.1是低電平，則用語(yǔ)句"P1.1=0”非常方便。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

3．控制LED指示燈的源程序

#include<reg51．h>Sbitp1.1=p1^1;voiddelay(unsignedchart)；voidmain(){unsignedchark；4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

while(1);//循環(huán)

{K=1000While(--k);//循環(huán)1000次，延時(shí)1s{delay(500);//調(diào)用延時(shí)函數(shù)}}

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P1.1=0//Pl.1低電平

}}voiddelay(unsignedchart)//延時(shí)lms

{while（--t);}4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

4.3單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展

在許多情況下，單片機(jī)本身的存儲(chǔ)器容量太小，不能滿足用戶的要求，這時(shí)就需要系統(tǒng)的擴(kuò)展。目前，存儲(chǔ)器已經(jīng)使用了各種規(guī)格的集成電路工藝，制作成常用字的芯片，所謂的系統(tǒng)擴(kuò)展就是設(shè)計(jì)單片機(jī)與這些芯片的接口電路和和編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

4、3、1程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展性能1、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器的片外64KB擴(kuò)展地址空間（0000H~FFFFH）完全重疊。它們并聯(lián)掛接在外部系統(tǒng)總線上。至于哪類存儲(chǔ)器選通操作，由控制信號(hào)和片選信號(hào)來確定。外部程序存儲(chǔ)器的讀信號(hào)是PSEN，低電平有效。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展性能

2、擴(kuò)展的外部程序存儲(chǔ)器的地址指針為程序計(jì)數(shù)器PC和數(shù)據(jù)指針DPTR。3、擴(kuò)展的外部程序存儲(chǔ)器可以使用EPROM存儲(chǔ)器，這是一種用紫外線擦除的程序存儲(chǔ)器。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

4、3、2外部程序存儲(chǔ)器的操作時(shí)序

圖4-4是外部程序存儲(chǔ)器讀指令的時(shí)序圖。圖中反映了地址、指令或數(shù)據(jù)、控制信號(hào)和ALE等相關(guān)信息在一個(gè)機(jī)器周期中的時(shí)間配合關(guān)系。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

圖4-4外部程序存儲(chǔ)器讀指令時(shí)序圖

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外部程序存儲(chǔ)器的操作時(shí)序

P2口和P0口共同構(gòu)成了地址總線，取指令時(shí)，讀外部程序存儲(chǔ)器。P0口在前半個(gè)周期內(nèi)，輸出地址信號(hào)，后半個(gè)周期輸入指令碼。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

說明由圖可知，取指令一開始，S2、P1之后P2口輸出地址總線的高8位（PCH），S3、P1時(shí)，讀信號(hào)PSEN變?yōu)橛行顟B(tài)，此時(shí)PSEN為低電平，存儲(chǔ)器輸出允許。S4、P1時(shí)，按PC值讀出的指令出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線P0口上，CPU在PSEN的上升沿前將指令讀入，并寄存到指令寄存器IR中。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

說明從圖中可以看到，在訪問外部程序存儲(chǔ)器的一個(gè)周期時(shí)序中，ALE信號(hào)與信號(hào)兩次有效。這表示在一個(gè)機(jī)器周期中，允許單片機(jī)兩次訪問外部程序存儲(chǔ)器，也就是取出兩個(gè)指令字節(jié)。對(duì)于單字節(jié)指令，第二次讀出的指令被放棄。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

4、3、3外部程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展方法

1、單片機(jī)與外部程序存儲(chǔ)器的連接單片機(jī)與外部程序存儲(chǔ)器的三總線連接如圖4-5所示。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

圖4-5外部程序存儲(chǔ)器讀指令時(shí)序圖

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說明圖中P2口與EPROM的高8位地址線及片選信號(hào)連接，P0口經(jīng)地址鎖存器輸出的地址線與EPROM的低8位地址線相連，同時(shí)P0口又與EPROM的數(shù)據(jù)線相連。單片機(jī)的ALE連接鎖存器的鎖存控制端。連接EPROM的輸出允許，由于使用的是外部程序存儲(chǔ)器，所以接地。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

2、Flash存儲(chǔ)器

Flash存儲(chǔ)器又稱為閃速存儲(chǔ)器或快擦寫存儲(chǔ)器，它是在EPROM工藝的基礎(chǔ)上增添了芯片整體電擦除和再編程功能，使其成為性價(jià)比高、可靠性高、擦寫快、非易失的存儲(chǔ)器。Flash存儲(chǔ)器逐步取代了EPROM，新型的單片機(jī)中的程序存儲(chǔ)器都是采用Flash。項(xiàng)目開發(fā)者可以借助通用編程器將程序代碼寫入片內(nèi)的Flash存儲(chǔ)器。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

3、Flash存儲(chǔ)器的編程方法

Flash存儲(chǔ)器的芯片內(nèi)有產(chǎn)品型號(hào)編碼，也稱為ID碼，其擦除和編程都是通過對(duì)內(nèi)部寄存器寫命令字進(jìn)行讀取和識(shí)別的，以確定編碼算法。不同的廠商命令字不同，內(nèi)部命令寄存器的地址和存放ID碼的地址也不同，用戶可以從廠商的網(wǎng)址上找到。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

Flash存儲(chǔ)器的編程對(duì)于Flash存儲(chǔ)器的編程，多數(shù)產(chǎn)品是按扇區(qū)進(jìn)行的。要寫入Flash首先要查找產(chǎn)品ID碼的命令字，再指定的存儲(chǔ)單元中讀取ID碼，再發(fā)編程命令字，置扇區(qū)地址，置扇區(qū)內(nèi)字節(jié)地址，最后寫入一個(gè)字節(jié)。用這種方法一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)地寫，直到一個(gè)扇區(qū)內(nèi)所有字節(jié)全都寫完。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

芯片的的擦除方法對(duì)芯片的的擦除方法是，對(duì)指令地址寫入3個(gè)以上的命令字就可完成整片的擦除。如果硬件電路連接正確，就可以產(chǎn)生Flash擦除所需要的信號(hào)，就能完成擦除的操作。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

4、Flash存儲(chǔ)器的擴(kuò)展

Flash存儲(chǔ)器是EPROM的改進(jìn)，單片機(jī)外部擴(kuò)展Flash既可以作為程序，程序也可以作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存放需周期性更改的數(shù)據(jù)，由于扇區(qū)寫的特點(diǎn)，也可以使其中的一部分作為程序存儲(chǔ)器，而另一部分作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。下面以AT29C256為例，介紹單片機(jī)擴(kuò)展Flash的方法。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

AT29C256的引腳圖圖4-6是AT29C256的引腳圖，AT29C256是Atmel公司生產(chǎn)的CMOS型的Flash存儲(chǔ)器，它的存儲(chǔ)容量為32K×8位。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

圖4-6

AT29

C256

的

引腳圖

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表4.1AT29C256的引腳功能表

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AT29C256的性能指標(biāo)如下：

電擦除可改寫的數(shù)據(jù)或程序存儲(chǔ)器，斷電時(shí)數(shù)據(jù)可保持。讀出時(shí)間為70ns，擦除時(shí)間為10ms，寫出時(shí)間為100ms/頁(yè)，一頁(yè)為64K字節(jié)。4章單片機(jī)的最小系統(tǒng)及系統(tǒng)擴(kuò)展

AT29C256的性能指標(biāo)如下：

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