單片微機(jī)2章教材

微型計算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用70課堂學(xué)時+18實驗學(xué)時第2章51系列單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1總體結(jié)構(gòu)2.2存儲器組織2.3時鐘、時鐘電路、CPU計時2.4復(fù)位和復(fù)位電路2.5中斷系統(tǒng)2.651指令系統(tǒng)2.1總體結(jié)構(gòu)2.1.151系列單片機(jī)一般結(jié)構(gòu)

圖2-1

一、內(nèi)部結(jié)構(gòu)二、引腳功能（1）引腳功能(2)芯片封裝圖2-3-1圖2-3◆振蕩電容的取值范圍P35

◆晶振電路連接P35(3)晶振電路及XTAL１、XTALＬ２的連接2.增強(qiáng)型MCS-51內(nèi)核主流芯片表2-1增強(qiáng)型MCS-51主流芯片性能指標(biāo)

表2-1增強(qiáng)型MCS-51主流芯片性能指標(biāo)

2.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能2.1.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2-1增強(qiáng)型MCS-51CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.1.2引腳功能圖2-2增強(qiáng)型MCS-51CPU常見封裝形式引腳排列(a)?DIP封裝；(b)?PLCC封裝；(c)?PQFP封裝圖2-3增強(qiáng)型MCS-51CPU引腳邏輯符號表2-2引腳功能

表2-2引腳功能

表2-2引腳功能

圖2-4增強(qiáng)型MCS-51振蕩電路及連接(4)引腳邏輯符號圖2-4-1

2.1.289C52總體結(jié)構(gòu)圖2-22.2存儲器組織程序存儲器

數(shù)據(jù)存儲器結(jié)構(gòu)：51系列單片機(jī)存儲器結(jié)構(gòu)如圖2-5特點:有存儲容器，每個容器有地址*數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器地址空間重疊,64K*外部程序存儲器用PSEN信號選通，外部數(shù)據(jù)存儲器用RD和WR信號選通

*片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器地址空間重疊。用MOV和MOVX區(qū)分*片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器用MOV指令讀寫，此時外部數(shù)據(jù)存儲器的RD和WR信號無效*片外數(shù)據(jù)存儲器用MOVX指令讀寫。2.2.1程序存儲器

*程序存儲器地址空間64K

*片內(nèi)程序存儲器和片外程序存儲器要統(tǒng)一編址

*外部程序存儲器選擇引腳EA用法

如果EA引腳為高電平，且程序計數(shù)器PC小于等于片內(nèi)ROM的地址空間時，將從片內(nèi)程序存儲器取指令,而當(dāng)PC超出片內(nèi)ROM地址空間時，自動到外部程序存儲器取指令

*如果EA/VPP引腳為低電平，一律從外部

程序存儲器取指令定時器0中斷服務(wù)程序入口地址 000BH外部中斷1服務(wù)程序入口地址 0013H定時器1中斷服務(wù)程序入口地址 001BH串行口中斷服務(wù)程序入口地址 0023H定時器2中斷服務(wù)程序入口地址 002BH系統(tǒng)復(fù)位 0000H外部中斷0服務(wù)程序入口地址 0003H

*增強(qiáng)型MCS-51系列單片機(jī)留給系統(tǒng)使用的程序存儲器地址空間如下：

圖2-62.2.2內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)存儲器8XC51系列片內(nèi)RAM128字節(jié)8XC52系列片內(nèi)RAM256字節(jié)圖2-7一、片內(nèi)RAM（1）工作寄存器區(qū)表2-1

工作寄存器區(qū)選擇表2-2（2）位尋址區(qū)（3）內(nèi)部用戶區(qū)或堆棧區(qū)2.2.3特殊功能寄存器（1）累加器Acc地址E0H（2）B寄存器地址F0H

特殊功能寄存器與高128字節(jié)的RAM地址重疊

只能通過寄存器間接尋址方式讀寫高128字節(jié)的RAM

只能通過直接尋址方式讀寫特殊功能寄存器表2-2-1表2-‘Cy：進(jìn)位標(biāo)志AC：輔助進(jìn)位標(biāo)志OV:溢出標(biāo)志P:奇偶標(biāo)志F0：用戶標(biāo)志位（3）程序狀態(tài)字寄存器PSW地址DOHPSW.1：保留位提示：可按位尋址（4）堆棧指針SP（地址81H）

堆棧指針SP指示最后進(jìn)入堆棧的數(shù)據(jù)所在存儲單元的地址(棧頂?shù)奈恢?例：假設(shè)SP當(dāng)前值為2FH，分析入堆棧指令“PUSHB”(將寄存器B內(nèi)容壓入堆棧)的執(zhí)行過程圖2-7-2例：分析出堆棧指令“POPB”(將寄存器B內(nèi)容彈出堆棧)的執(zhí)行過程圖2-7-3SP寄存器的初值為07H，占用工作寄存器區(qū)，必須通過數(shù)據(jù)傳送指令重新設(shè)置SP的初值，將堆棧底部設(shè)在30H～7FH涉及入棧出棧操作的指令有：PUSHdirect ;將內(nèi)部RAM單元壓入堆棧中POPdirect;從堆棧中將數(shù)據(jù)彈入內(nèi)部RAM單元中（5）數(shù)據(jù)指針DPTR

是一個16位的專用寄存器，由DPH(數(shù)據(jù)指針高8位)和DPL(數(shù)據(jù)指針低8位)組成，用于存放外部數(shù)據(jù)存儲器的存儲單元地址。例如，可用如下指令將累加器A的內(nèi)容傳送到外部數(shù)據(jù)存儲器的107FH單元中：

MOVDPTR,#107FH;將外部數(shù)據(jù)存儲地址傳送到DPTR寄存器MOVX@DPTR,A

為方便外部RAM之間的傳送，增強(qiáng)51采用雙數(shù)據(jù)指針DPTR0和DPTR1

由輔助功能寄存器AUXR1控制

①輔助功能寄存器AUXR1

②輔助功能寄存器AUXR圖2-7-4圖2-7-5（6）I/O端口寄存器P0～P3是對應(yīng)的I/O端口鎖存器，用于鎖存通過端口輸出的數(shù)據(jù)。（7）PC16位地址寄存器。存放當(dāng)前指令碼的地址，PC本身沒有物理地址。（8）定時/計數(shù)器單元包含的寄存器TMOD，TCON，T2CON，T2MOD，TH0，TL0（9）中斷單元包含的寄存器IE、IP（10）串行通訊單元包含的寄存器SCON，SBUN，PCON等2.2.4位尋址區(qū)MCS-51系列單片機(jī)既是8位機(jī)，同時也是一個功能完善的一位機(jī)。

作為一位機(jī)時，它有自己的CPU、位存儲區(qū)(位于內(nèi)部RAM的20H～2FH單元)、位寄存器，如將進(jìn)位標(biāo)志Cy作為“位累加器”，以及具有完整的位操作指令。2.2.5內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送及尋址方式(1)00H～7FH低128字節(jié),可以通過直接尋址方式或寄存器間接尋址方式讀寫(2)內(nèi)部RAM(80H～FFH高128字節(jié))的訪問用寄存器間接尋址方式訪問(3)特殊功能寄存器只能使用直接尋址方式訪問

對于位存儲器(即20H～2FH單元中的128個位)，只能使用直接尋址方式確定操作數(shù)所在的存儲單元。2.2.6外部數(shù)據(jù)存儲器

單片機(jī)(MCU)通過P0、P2口最多可以連接64KB的外部數(shù)據(jù)存儲器

一、89C52時鐘電路圖2-8（1）波形2.3時鐘、時鐘電路、CPU定時（2）PD作用（3）CMOS單片機(jī)外部時鐘輸入電路圖2-9二、CPU定時技術(shù)術(shù)語：圖2-8圖2-9振蕩周期T，也就是時鐘周期，它是輸入時鐘信號頻率fOSC的倒數(shù)

T=1/fOSC狀態(tài)周期，即CPU從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一狀態(tài)所需的時間。在MCS-51中，一個狀態(tài)周期由兩個時鐘周期組成。機(jī)器周期Tｔ，是單片機(jī)完成一個基本操作所需的時間。在51系列單片機(jī)中，一個機(jī)器周期由12(或6)個時鐘周期組成。（1）89C52CPU定時圖2-10（2）W77E58等單片機(jī)的CPU定時圖2-11ab2.4復(fù)位和復(fù)位電路復(fù)位的目的：將CPU和單片機(jī)其他部件置成一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。復(fù)位包括：上電復(fù)位和運行中復(fù)位。復(fù)位引腳：

RST

◆

RST引腳高電平有效◆

高電平寬度不能少于2個機(jī)器周期51系列單片機(jī)復(fù)位條件：

51系列單片機(jī)復(fù)位過程：

RST引腳輸入2個機(jī)器周期以上高電平——》單片機(jī)復(fù)位——》RST引腳回復(fù)低電平——》機(jī)器脫離復(fù)位狀態(tài)，進(jìn)入取指周期。（PC=0000H）

2.4.089C52復(fù)位后內(nèi)部寄存器狀態(tài)表2-62.4.1外部復(fù)位

一、上電自動復(fù)位

圖2-12二、人工手動復(fù)位

2.4.2單片機(jī)內(nèi)部復(fù)位

由單片機(jī)內(nèi)部的看門狗電路復(fù)位

2.4.3系統(tǒng)復(fù)位

圖2-13注意：復(fù)位不改變內(nèi)部RAM單元內(nèi)容ab2.5

中斷系統(tǒng)2.5.1中斷概念1.為什么要使用中斷？2.中斷特點◆CPU利用率高◆

能同時與多個外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換——只要適當(dāng)安排多個中斷優(yōu)先級,以及同優(yōu)先級中斷(源)的查詢順序即可。3.中斷源

在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，把引起中斷的事件稱為中斷源。常見的中斷源有：*外部中斷，如CPU某些特定引腳電平變化引起的中斷*各類定時/計數(shù)器溢出中斷*串行發(fā)送結(jié)束請求中斷*串行接收有效請求中斷。*電源掉電中斷。4.中斷優(yōu)先級

解決多個中斷請求同時有效時，先響應(yīng)哪一中斷問題。5.中斷開關(guān)(禁止或允許中斷)

為避免某一處理過程被中斷，中斷控制器給每一個中斷源都設(shè)置了一個中斷請求屏蔽位，用于禁止或允許相應(yīng)中斷源的中斷請求傳送到CPU6.中斷處理過程中斷何時被查詢—CPU何時查詢中斷標(biāo)志？中斷何時被響應(yīng)—CPU在什么情況下響應(yīng)中斷請求？中斷發(fā)生后，中斷響應(yīng)的過程—用幾個機(jī)器周期完成?2.5.289C52中斷控制系統(tǒng)MCS-51系列中斷控制器可管理5個中斷源（共分2個中斷優(yōu)先級）。

增強(qiáng)型MCS-51系列（如89C52）中斷控制器可管理6個中斷源（共分4個中斷優(yōu)先級）。一、89C52中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2-15圖2-15（1）6個中斷源（2）相應(yīng)中斷標(biāo)志二、89C52的6個中斷源和相應(yīng)標(biāo)志CPU在每個機(jī)器周期的S5P2拍，采樣各中斷源，發(fā)現(xiàn)某一中斷有效時，置“1”相應(yīng)中斷標(biāo)志。6個中斷源對應(yīng)8個中斷標(biāo)志：*外部中斷0中斷標(biāo)志IE0

*定時器T0中斷標(biāo)志TF0*串行接收結(jié)束中斷標(biāo)志RI*串行發(fā)送結(jié)束中斷標(biāo)志TI*外部中斷1中斷標(biāo)志IE1*定時器T1中斷標(biāo)志TF1*外部觸發(fā)中斷標(biāo)志

EXF2*定時器T2溢出中斷標(biāo)志TF28個中斷標(biāo)志存放在TCON、TCON2（定時/計數(shù)控制寄存器）和SCON（串行口控制寄存器）中。圖2-15-1圖2-15-3圖2-15-2三、中斷控制1.中斷允許控制寄存器IE圖2-15-4

由于IE寄存器具有按位尋址功能，因此可通過位操作指令，允許或禁止其中的任一中斷，如：SETBEA ;開中斷SETBEX0 ;允許ITN0中斷CLRES ;禁止串行口中斷

標(biāo)準(zhǔn)MCS-51內(nèi)核CPU只有兩個中斷優(yōu)先級，由IP寄存器控制；

標(biāo)準(zhǔn)MCS-51中斷優(yōu)先級控制寄存器IP各位含義如圖2-15-5所示。2.中斷優(yōu)先級控制寄存器IP

增強(qiáng)型MCS-51內(nèi)核CPU有四個中斷優(yōu)先級，由中斷優(yōu)先級寄存器IP和IPH控制

IPH的含義如圖2-15-6優(yōu)先級由IP和IPH對應(yīng)位編碼決定IPH.XIP.X優(yōu)先級000級（優(yōu)先級最低）011級102級113級當(dāng)IPH為XX000000B時，IP決定優(yōu)先級3.硬件查詢順序MCS-51約定當(dāng)同一優(yōu)先級中斷請求有效時，CPU響應(yīng)順序為：中斷號外中斷INT00定時/計數(shù)器T0溢出中斷1外中斷INT12定時/計數(shù)器T1溢出中斷3串行口中斷4定時/計數(shù)器T2溢出中斷52.5.3外部中斷觸發(fā)方式*負(fù)電平觸發(fā)和下降沿觸發(fā)兩種方式*外部中斷觸發(fā)方式由TCON控制（1）電平觸發(fā)(方式位=0)?低電平有效?

在S5P2，將外部中斷(如P3.2)輸入反相后，鎖存入IE0或IE1(置1中斷有效標(biāo)志)圖2-15-1?在中斷服務(wù)程序結(jié)束前，中斷源必須撤消其低電平?下降沿有效?如S5P2采樣到一個高電平，下周期的S5P2采樣到一個低電平，IE0或IE1鎖存‘1’。?高、低電平至少要維持一個機(jī)器周期（2）邊沿觸發(fā)(方式位=1)盡量不用電平觸發(fā)方式，除非有脈沖干擾環(huán)境時2.5.4中斷響應(yīng)過程及中斷服務(wù)程序入口地址中斷響應(yīng)時序*鎖存中斷（置1中斷標(biāo)志）M1的S5P2

*查詢中斷請求標(biāo)志M2的S6*中斷調(diào)用M3——M4*進(jìn)入中斷服務(wù)程序M5以后圖2-15-71.中斷響應(yīng)條件(1)當(dāng)前不處于同級或更高級中斷響應(yīng)中(2)當(dāng)前機(jī)器周期必須是當(dāng)前指令的最后一個機(jī)器周期，否則等待。(3)如果當(dāng)前指令是中斷返回指令RETI，或讀寫中斷容許（控制）寄存器IE、優(yōu)先級寄存器IP或IPH，則必須再執(zhí)行一條指令后才能響應(yīng)中斷請求。(避免中斷控制寄存器尚未穩(wěn)定時，響應(yīng)中斷，出現(xiàn)不確定后果)

如果不滿足以上條件，將忽略該機(jī)器周期對中斷標(biāo)志的查詢結(jié)果，下一機(jī)器周期繼續(xù)查詢

在中斷響應(yīng)過程中，如果在M4周期的S6狀態(tài)查詢到優(yōu)先級更高的中斷標(biāo)志為1(即在M2～M3機(jī)器周期內(nèi)優(yōu)先級更高的中斷請求出現(xiàn))，在M5、M6機(jī)器周期將響應(yīng)高優(yōu)先級中斷，而不執(zhí)行低優(yōu)先級中斷服務(wù)程序。2.中斷響應(yīng)過程及中斷服務(wù)程序入口地址如果滿足中斷響應(yīng)條件，將進(jìn)入中斷響應(yīng)過程：CPU先將對應(yīng)中斷的優(yōu)先級觸發(fā)器置1(每一中斷源對應(yīng)一個中斷優(yōu)先級觸發(fā)器)，阻止CPU再響應(yīng)同級或更低級中斷請求。(2)將程序計數(shù)器PC當(dāng)前值壓入堆棧，以保證執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后正確返回(3)將相應(yīng)中斷源入口地址裝入PC，以便執(zhí)行中斷服務(wù)程序。以上過程由硬件完成(4)中斷響應(yīng)時，應(yīng)清除中斷標(biāo)志（硬件清除和軟件清除

進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，CPU能自動清除下列中斷請求標(biāo)志位：定時器T0中斷請求標(biāo)志TF0；定時器T1中斷請求標(biāo)志TF1；邊沿觸發(fā)方式下外中斷INT0的中斷請求標(biāo)志IE0；邊沿觸發(fā)方式下外中斷INT1的中斷請求標(biāo)志IE1；

不能自動清除的中斷標(biāo)志有：*串行發(fā)送結(jié)束中斷標(biāo)志TI*串行接收有效中斷標(biāo)志RI*定時/計數(shù)器T2溢出中斷標(biāo)志TF2*定時/計數(shù)器T2外觸發(fā)標(biāo)志EXF2*電平觸發(fā)方式下的外中斷標(biāo)志IE0和IE1

以上中斷標(biāo)志，需要在中斷服務(wù)程序中，用“CLR位地址”指令清除。中斷服務(wù)程序入口地址如下中斷源 入口地址外部中斷INT0 0003H定時/計數(shù)器T0溢出中斷 000BH外部中斷INT1 0013H定時/計數(shù)器T1溢出中斷001BH串行口中斷 0023H定時/計數(shù)器T2溢出中斷002BH

實際的中斷服務(wù)程序放在存儲器區(qū)（0033H后）內(nèi)的任意位置(一般放在主程序后)外中斷INT0的中斷服務(wù)程序如下：

ORG0003H

LJMPINT0 ;在中斷入口處放一條長跳轉(zhuǎn)指令(5)中斷返回“RETI”的功能*先將對應(yīng)中斷的優(yōu)先級觸發(fā)器清零(以便返回后CPU能夠響應(yīng)同級或更低級的中斷請求)*將堆棧內(nèi)的兩個字節(jié)(斷點)彈到程序計數(shù)器PC重點：*S5P2檢測中斷源*置位中斷標(biāo)志*該中斷能否傳遞到CPU取決于中斷控制寄存器是否容許（開關(guān)）中斷。*如外部中斷為低電平觸發(fā)時，其低電平保持時間不能小于一個機(jī)器周期。*如外部中斷為下降沿觸發(fā)時，其高、低電平保持時間必須大于一個機(jī)器周期。2.5.5中斷初始化及中斷服務(wù)程序結(jié)構(gòu)1.中斷初始化是設(shè)置TCON、IE及IP、IPH寄存器內(nèi)容*確定外中斷觸發(fā)方式(低電平觸發(fā)還是下降沿觸發(fā))*開中斷*設(shè)置中斷優(yōu)先級例：通過指令將外中斷INT0定義為下降沿觸發(fā)，優(yōu)先級為3(最高)，并允許中斷程序4-12.中斷服務(wù)程序結(jié)構(gòu)與子程序類似，結(jié)構(gòu)如下：子程序與中斷服務(wù)程序區(qū)別：

(1)中斷出現(xiàn)是隨機(jī)的(2)中斷服務(wù)程序入口地址(也稱為中斷向量)由硬件決定，與CPU類型有關(guān)，不能更改。而子程序入口地址由用戶自行安排。(3)子程序中可以任意調(diào)用另一子程序，但中斷過程有優(yōu)先級程序4-2(4)盡管子程序返回指令RET和中斷返回指令RETI均會將棧頂兩個字節(jié)信息裝入PC，恢復(fù)斷點，但RETI還清除相應(yīng)中斷優(yōu)先級觸發(fā)器，因此中斷返回指令不可用子程序返回指令RET代替。(5)電平觸發(fā)時的“同一觸發(fā)，多次響應(yīng)”的問題

中斷應(yīng)用舉例例1：利用中斷對多個故障進(jìn)行顯示，

當(dāng)系統(tǒng)無故障時，4個故障源輸入端X1—X4全為低電平，顯示燈全滅，當(dāng)某部分出現(xiàn)故障，其對應(yīng)故障源輸入由低電平變?yōu)楦唠娖?，從而引發(fā)單片機(jī)中斷，中斷服務(wù)程序的任務(wù)是判定故障，并用對應(yīng)發(fā)光管進(jìn)行顯示。試編制應(yīng)用程序。如圖Z-1中斷部分要點小結(jié)：◆中斷源、中斷優(yōu)先級、中斷開關(guān)、中斷處理過程、中斷響應(yīng)時序、中斷響應(yīng)條件

◆中斷允許控制寄存器IE

◆中斷優(yōu)先級控制寄存器IP

◆清除中斷標(biāo)志（硬件清除和軟件清除）

2.651指令系統(tǒng)（匯編語言）2.6.1指令格式

操作碼目的操作數(shù)源操作數(shù)例：MOVA，#00H操作數(shù)可以是數(shù)據(jù)，也可以是地址例：MOV21H，A2.6.2指令的機(jī)器代碼例：MOVA，#FFH機(jī)器代碼：74FFH2.6.3尋址方式尋址方式——CPU在執(zhí)行某條指令時，找到該指令所用操作數(shù)的