單片機(jī)原理及接口技術(shù)A第2章.ppt

1、2.1 MCS-51系列單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2.2中央處理器(CPU)2.3內(nèi)存和存儲(chǔ)空間2.4并行I/O端口及其結(jié)構(gòu)2.5時(shí)鐘電路和CPU定時(shí)2.6單片機(jī)的工作原理練習(xí)2 . 2 . 1 . 1 MCS-51系列單片機(jī)MCS-51系列單片機(jī)分為51子系列和5252子系列是一項(xiàng)增強(qiáng)功能，主要有三種類型：8032、8052和8752。這兩種主要系列單片機(jī)的主要硬件配置見表2.1。2.1 MCS-51系列單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，表2.1 MCS-51系列單片機(jī)的一般產(chǎn)品特性指標(biāo)，如表2.1所示，51子系列與52子系列的區(qū)別在于RAM大小、定時(shí)/計(jì)數(shù)器數(shù)和中斷源數(shù)不同。除MCS-51系列單片機(jī)51子系列和52

2、子系列外，還包括使用CMOS流程的8XC51、8XC252等系列。基本結(jié)構(gòu)與功能和51子系列相同，這里沒有詳細(xì)介紹。20世紀(jì)90年代，美國(guó)Atmel首先將Flash-51內(nèi)核和閃存存儲(chǔ)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，推出了震撼業(yè)界的8位高性能AT89系列微控制器。AT89系列單芯片微型計(jì)算機(jī)與MCS-51單芯片微型計(jì)算機(jī)的命令和插針完全兼容，但功能比MCS-51增強(qiáng)。AT89系列單芯片微型計(jì)算機(jī)包含可編程閃存，使用戶可以輕松地編寫程序。使用靜態(tài)時(shí)鐘模式可以節(jié)省電力。因此，Atmel在MCS-51兼容機(jī)市場(chǎng)上占有很大的份額，受到了很多用戶的喜愛。AT89系列單片機(jī)分為低級(jí)、標(biāo)準(zhǔn)型、高級(jí)型。不同型號(hào)的單片機(jī)的主要區(qū)

3、別在于片內(nèi)閃存程序內(nèi)存容量的大小、片內(nèi)數(shù)據(jù)內(nèi)存容量的大小、并行I/O端口線、中斷源數(shù)的不同。典型產(chǎn)品功能見表2.2。AT89系列單片機(jī)的低級(jí)型號(hào)是功能最弱的型號(hào)，只有在要求不高的情況下才能應(yīng)用。高級(jí)形式只有一種模式，但是最強(qiáng)大的模式，可以應(yīng)用于更復(fù)雜的控制情況。(莎士比亞，哈姆雷特，高級(jí)，高級(jí)，高級(jí)，高級(jí)，高級(jí)，高級(jí))標(biāo)準(zhǔn)型是功能比較強(qiáng)的型號(hào)，其應(yīng)用范圍最廣。本書以AT89S51為主，介紹MCS-51系列單片機(jī)的原理和應(yīng)用。表2.2 AT89系列單片機(jī)的一般產(chǎn)品特性指標(biāo)，Atmel單片機(jī)的型號(hào)代碼通常顯示為AT89CXXXX-XXXX，由前綴、型號(hào)和后綴三部分組成。其中“AT”是前綴，“89C

4、XXXX”是型號(hào)，型號(hào)后面的“XXXX”是后綴。各部分的含義如下：(1)前綴：“AT”表示此部件是Atmel的產(chǎn)品。(2)型號(hào)：可能為“89C2051”、“89LV51”、“89S52”等。其中，89表示8位閃存單芯片產(chǎn)品(9包括內(nèi)部閃存)。c包括CMOS產(chǎn)品，LV包括低壓產(chǎn)品，S包括串行下載閃存。其中4個(gè)型號(hào)為“XXXX”，表示設(shè)備型號(hào)的數(shù)量，如2051、51等。(3)后綴：由四個(gè)參數(shù)“XXXX”組成，每個(gè)參數(shù)的表達(dá)和含義不同。在模型和后綴部分，用“-”符號(hào)分隔。第一個(gè)參數(shù)X表示速度，X=12表示速度為12mhz。如果X=16，則速度為16mhz。X=20表示速度為20mhz。如果X=24，

5、則速度為24 MHz。第二個(gè)參數(shù)x表示封裝類型。X=D表示陶瓷封裝。X=J表示PLCC包。X=P表示DIP包。如果X=S，則表示SOIC程序包。如果X=Q，則表示PQFP包。X=A表示TQFP包。X=W表示原始芯片。第三個(gè)參數(shù)X表示溫度范圍。c表示商業(yè)產(chǎn)品，溫度范圍為0 70。I表示工業(yè)產(chǎn)品，溫度范圍為-40 85。a表示汽車產(chǎn)品，溫度范圍為-40 125。m表示軍用溶劑，溫度范圍為-55 125。第四個(gè)參數(shù)X用于說(shuō)明產(chǎn)品的處理。x為空表示處理過(guò)程是標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程。x為/883意味著處理過(guò)程符合MIL-STD-83標(biāo)準(zhǔn)。2.1.2 MCS-51系列微控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能部件1MCS-51系列微控制器

6、內(nèi)部結(jié)構(gòu)MCS-51系列微控制器內(nèi)部由中央處理器(CPU)、內(nèi)存、輸入/輸出端口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)和系統(tǒng)總線組成，通過(guò)系統(tǒng)總線與AT89系列單芯片微計(jì)算機(jī)，圖2.1 AT89S51內(nèi)部結(jié)構(gòu)箱，2MCS-51系列單芯片功能部件MCS-51系列單芯片微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部包含9個(gè)功能部件：P0P3(操作符、控制器和專用寄存器組)、程序內(nèi)存(ROM和閃存)和數(shù)據(jù)內(nèi)存(RAL)1)中央處理器(CPU)CPU是單片微機(jī)的重要組件，是8位二進(jìn)制數(shù)的中央處理器，主要用于控制、命令和調(diào)度整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)曹征操作，完成計(jì)算功能，以及控制輸入/輸出等操作。2)程序內(nèi)存(ROM)程序內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)用戶程序、原始數(shù)據(jù)或

7、表單等。MCS-51系列單片機(jī)的程序內(nèi)存包括芯片內(nèi)部程序內(nèi)存和芯片外部程序內(nèi)存。AT89S51單芯片片具有4KB閃存ROM作為程序內(nèi)存，非芯片程序內(nèi)存可擴(kuò)展到64 KB。3)數(shù)據(jù)內(nèi)存(RAM)數(shù)據(jù)內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)計(jì)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)緩沖等。MCS-51系列單片機(jī)的數(shù)據(jù)內(nèi)存包括芯片內(nèi)數(shù)據(jù)內(nèi)存和非芯片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器包括128字節(jié)的用戶存儲(chǔ)設(shè)備和128字節(jié)的專用寄存器設(shè)備，專用寄存器單元只能存儲(chǔ)控制指令的數(shù)據(jù)，用戶可以訪問(wèn)但不能存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)。芯片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的尋址空間為64 KB。4)定時(shí)/計(jì)數(shù)器MCS-51系列單個(gè)磁盤具有兩個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，通過(guò)編程可用作計(jì)時(shí)器或計(jì)

8、數(shù)器，具有四種操作模式。5)并行輸入/輸出(I/O)接口單片機(jī)的外部電路控制或信息交換通過(guò)輸入/輸出(I/O)接口實(shí)現(xiàn)，MCS-51系列單片機(jī)具有四個(gè)8位并行輸入/輸出(I/O)接口此串行端口是可編程的，具有四種操作模式，即通過(guò)異步通信收發(fā)器完成與其他外部設(shè)備的信息交換，或通過(guò)同步移位寄存器擴(kuò)展I/o接口電路。7)中斷系統(tǒng)意味著CPU暫停正在運(yùn)行的程序，處理中斷源服務(wù)程序，運(yùn)行中斷服務(wù)程序，然后返回到原來(lái)運(yùn)行的程序并繼續(xù)運(yùn)行。MCS-51系列單片機(jī)共有5個(gè)中斷源，其中2個(gè)外部中斷、2個(gè)內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和1個(gè)串行端口中斷，可滿足不同的控制要求。MCS-51系列單片機(jī)的中斷系統(tǒng)具有2級(jí)優(yōu)先級(jí)選

9、擇，允許2級(jí)嵌套。8)時(shí)鐘電路單芯片部件之間有序的曹征操作，其控制信號(hào)在基本節(jié)拍的指揮下按一定的時(shí)間順序發(fā)送，這些控制信號(hào)在時(shí)間上相互關(guān)系是CPU定時(shí)。產(chǎn)生此計(jì)時(shí)的電路是振蕩器和時(shí)鐘電路。根據(jù)硬件電路的不同，MCS-51系列單芯片具有內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘。9)內(nèi)部總線總線是用于信息傳輸?shù)墓猜窂健８鶕?jù)總線上傳輸?shù)男畔?，MCS-51系列單芯片微型計(jì)算機(jī)的內(nèi)部總線可以分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。單個(gè)芯片內(nèi)的設(shè)備部件(如CPU、RAM、ROM和I/O接口)都通過(guò)這些總線連接。MCS-51系列單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線和地址總線分時(shí)重用。AT89S51除了上述9個(gè)主要功能組件外，還具有冗馀數(shù)據(jù)指針寄存器和監(jiān)

10、視程序計(jì)時(shí)器(WDT)。冗馀數(shù)據(jù)指針寄存器：為了更好地訪問(wèn)內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)，AT89S51內(nèi)部提供了兩個(gè)16位數(shù)據(jù)指針寄存器：DPTR0和DPTR1。DPTR0的地址是特殊功能寄存器區(qū)域的82H、83H是。DPTR1的地址是特殊功能寄存器區(qū)域的84H、85H。，watchdog計(jì)時(shí)器(WDT): WDT旨在解決CPU程序運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的混亂或循環(huán)，它由14位計(jì)數(shù)器和watchdog重置寄存器(WDTRST)組成。外部重置時(shí)，WDT默認(rèn)情況下處于關(guān)閉狀態(tài)。要打開WDT，必須將01EH和0E1H按順序?qū)懭隬DTRST寄存器。WDT啟動(dòng)后，與晶體振蕩器一起在每個(gè)機(jī)器周期中計(jì)數(shù)，除硬件重置或WDT溢出重

11、置外，不能關(guān)閉WDT。當(dāng)WDT溢出時(shí)，RST針腳輸出高電平的復(fù)位脈沖。2.1.3單片機(jī)外部針說(shuō)明MCS-51系列單片機(jī)HMOS制造過(guò)程的大部分單片機(jī)使用40針雙列直插式封裝(DIP)。CHMOS制造過(guò)程中的單個(gè)芯片有兩種封裝形式：雙列直插式和方形PLCC封裝，如圖2.2所示。正方形用44個(gè)針腳包裝，但沒有使用4個(gè)針腳。這40個(gè)針腳可以分為四部分：電源線、外部晶體線、控制線和I/o端口線。圖2.2 MCS-51系列單芯片針腳圖(a) DIP雙列直插式封裝(b) PLCC封裝，PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)針腳中心距離為1.27毫米，針腳數(shù)為18至84。外殼由塑

12、料材料制成，外形規(guī)格比DIP包小得多。PLCC封裝具有使用SMT表面安裝技術(shù)在PCB上安裝電纜的優(yōu)點(diǎn)，外形小，針腳容易變形，可靠性高。但是該芯片的焊接采用了回流焊接工藝，需要專用的焊接設(shè)備。焊接后外觀檢查更困難，調(diào)試時(shí)去除芯片也很麻煩。目前很少使用。以下以DIP封裝的AT89S51為例，說(shuō)明每個(gè)針腳的功能。1主電源線VCC(40針):連接5 V電源前面，在EPROM編程和驗(yàn)證中連接5 V電源以實(shí)現(xiàn)正常操作。GND(20針):連接電源接地端子。2外部晶體XTAL1(19針):連接外部晶體振蕩器的一端。在單片機(jī)內(nèi)部，它是構(gòu)成片上振蕩器的逆相放大器的輸入端。使用外部時(shí)鐘時(shí)，HMOS單片機(jī)的針腳接地。

13、對(duì)于CHMOS單片機(jī)，該針用作外部振動(dòng)信號(hào)的輸入。XTAL2(18針):連接外部晶體振蕩器的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部，它是芯片內(nèi)振蕩器的輸出端。使用外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于HMOS單片機(jī)，針腳接收振蕩器的信號(hào)。也就是說(shuō)，將針腳連接到內(nèi)部時(shí)鐘生成器的輸入。對(duì)于CHMOS單芯片微計(jì)算機(jī)，針腳懸在空中。3I/O端口線MCS-51系列微控制器共4個(gè)并行I/O端口P0P3，每個(gè)端口8個(gè)端口線，總計(jì)32個(gè)I/O端口線，根據(jù)每個(gè)接口的功能和用途，存在一些差異。(1) P0端口(3239針):P0.0P0.7統(tǒng)稱為P0端口，是8位泄漏開放雙向I/O端口，其中P0.7是最高位。P0端口適用于兩種情況。這意味著，如果有非補(bǔ)丁

14、外部存儲(chǔ)和未擴(kuò)展的I/O接口，則可以將其用作傳輸用戶I/O數(shù)據(jù)的準(zhǔn)雙向I/O端口。修補(bǔ)程序在外部存儲(chǔ)或擴(kuò)展I/O接口上，當(dāng)CPU訪問(wèn)片外部存儲(chǔ)時(shí)，P0端口是地址/數(shù)據(jù)分時(shí)多路復(fù)用。這意味著片外部存儲(chǔ)首先發(fā)送低8位地址，然后發(fā)送CPU外部存儲(chǔ)的讀/寫數(shù)據(jù)。(2) P1端口(18針):P1.0P1.7統(tǒng)稱為P1端口，8位半雙向端口具有內(nèi)部抗拉能力，P1.7是最高位。在52子系列單片機(jī)中，P1.0是定時(shí)/計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)脈沖輸入端T2，P1.1是定時(shí)/計(jì)數(shù)器2的外部控制端T2EX。(3) P2端口(2128針):P2.0P2.7統(tǒng)稱為P2端口，8位半雙向端口具有內(nèi)部抗拉能力，P2.7是最高位。P2端口

15、具有兩種功能。一個(gè)可用作準(zhǔn)雙向I/O端口，另一個(gè)用于與P0端口一起在外部片外部存儲(chǔ)或擴(kuò)展I/O端口上傳輸片外部存儲(chǔ)的8位地址(如果尋址范圍超過(guò)256 B)。(4) P3端口(1017針):P3.0P3.7統(tǒng)稱為P3端口，具有內(nèi)部拉動(dòng)電阻的8位半雙向端口，P3.7是最高位。P3端口也具有兩種功能。一個(gè)用作準(zhǔn)雙向端口，P3端口上的每個(gè)端口都有特殊的第二個(gè)功能，如表2.3所示。表2.3 P3您的第二個(gè)功能，(29針):芯片外程序內(nèi)存讀取選擇通信號(hào)，低電平有效。從外部程序內(nèi)存讀取指令或數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)系統(tǒng)周期的信號(hào)都有效兩次，通過(guò)數(shù)據(jù)總線P0端口重新讀取指令或常量。訪問(wèn)片外部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，信號(hào)無(wú)效。ALE

16、/(30針):允許地址鎖定信號(hào)。ALE在每個(gè)機(jī)器周期中輸出兩個(gè)脈沖，在訪問(wèn)切片外部程序內(nèi)存的同時(shí)，降低用于控制鎖定P0端口輸出的低8位地址。在不訪問(wèn)芯片外部程序內(nèi)存的情況下，可以用作外部輸出的時(shí)鐘脈沖信號(hào)或振蕩頻率的1/6的定時(shí)。但是，在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)內(nèi)存的過(guò)程中，請(qǐng)注意，ALE無(wú)法跳過(guò)脈沖輸出到時(shí)鐘(請(qǐng)參見第2.5.2節(jié)CPU計(jì)時(shí))。對(duì)于閃存，在編程過(guò)程中，此針用于輸入編程脈沖。/VPP(31針):選擇芯片外部程序存儲(chǔ)的終端。此針腳在低電平有效時(shí)僅使用芯片外程序內(nèi)存，對(duì)于沒有芯片內(nèi)程序內(nèi)存的8031，必須接地針腳。保持高電平將選擇芯片內(nèi)部程序內(nèi)存，如果PC值超過(guò)4 KB/8 KB，則將自動(dòng)切換到外部程序內(nèi)存。此針腳用于在閃存編程過(guò)程中連接12 V的編程電源?？偠灾?，MCS-51系列單片機(jī)的功能很多，但針腳少。很多針腳都有雙重功能。這種雙功能的設(shè)置為單芯片系統(tǒng)擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。MCS-51系列微控制器在P0端口分時(shí)重用中包含8位數(shù)據(jù)總線、P0、P2的16位地址總線、ALE、RST、T0、T1、(P3.6)、(P3.7)、和MCS-51單片CPU是8位二進(jìn)制數(shù)的中央處理單元，主要包含三個(gè)主要功能組件：運(yùn)算符、控制器和專用寄存器組。2.2中央處理器(CPU)、2.2.1