深入学习89S51单片机应用.docx

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深入学习89S51单片机应用

MCS-51单片机基本特性

工作频率：

8位的CPU，片内有振荡器和时钟电路，工作频率为1～12MHz（Atmel89Cxx为0～24MHz）

RAM（片内）：

片内有128/256字节RAM

ROM（片内）：

片内有0K/4K/8K字节程序存储器ROM

数据存储器：

可寻址片外64K字节数据存储器RAM

程序存储器：

可寻址片外64K字节程序存储器ROM

SFR：

片内21/26个特殊功能寄存器（SFR）

PIO：

4个8位的并行I/O口（PIO）

SIO/UART：

1个全双工串行口（SIO/UART）

TIMER/COUNTER：

2/3个16位定时器/计数器（TIMER/COUNTER）

中断源：

可处理5/6个中断源，两级中断优先级

内置1个布尔处理器和1个布尔累加器（Cy）

MCS-51指令集含111条指令

单片机的引脚定义

从一片集成电路的角度去认识单片机

2.1.2引脚功能

40个引脚双排直插DIP封装，大致可分为4类：

电源、时钟、控制和I/O引脚。

1、电源：

1）VCC—芯片电源，接5V/3.3V/2.7V；

2）VSS—接地端；

2、时钟：

XTAL1、XTAL2—晶体振荡电路反相输入端和输出端。

3、控制线：

4根

1）ALE/PROG：

地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲

①ALE功能：

用来锁存P0口送出的低8位地址

②PROG功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

2）PSEN:

外ROM读选通信号。

3）RST/VPD:

复位/备用电源。

①RST（Reset）功能：

复位信号输入端。

②VPD功能：

在Vcc掉电情况下，接备用电源。

PSEN：

寻址外部程序存储器时选通外部EPROM的读控制端（OE）低有效。

4）EA/Vpp:

内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

①EA功能：

内外ROM选择端。

Ø80C51单片机ROM寻址范围为64KB，其中4KB在片内，60KB在片外（80C31芯片无内ROM，全部在片外）。

Ø当EA保持高电平时，先访问内ROM，但当PC（程序计数器）值超过4KB（0FFFH）时，将自动转向执行外ROM中的程序。

Ø当EA保持低电平时，则只访问外ROM，不管芯片内有否内ROM。

对80C31芯片，片内无ROM，因此EA必须接地。

②Vpp功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。

4.I/O线

80C51共有4个8位并行I/O端口：

P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。

P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

P3.0——RXD：

串行口输入端；

P3.1——TXD：

串行口输出端；

P3.2——INT0：

外部中断0请求输入端；

P3.3——INT1：

外部中断1请求输入端；

P3.4——T0：

定时/计数器0外部信号输入端；

P3.5——T1：

定时/计数器1外部信号输入端；

P3.6——WR：

外RAM写选通信号输出端；

P3.7——RD：

外RAM读选通信号输出端。

2.2存储空间配置和功能

80C51的存储器配置方式与其他常用的微机系统不同，属哈佛结构（注意:

什么是哈佛结构?

），它把程序存储器和数据存储器分开，各有自己的寻址系统、控制信号和功能。

程序存储器用于存放程序和表格常数；数据存储器用于存放程序运行数据和结果。

80C51的存储器组织结构可以分为三个不同的存储空间，分别是：

1）64KB程序存储器（ROM），包括片内ROM和片外ROM；

2）64KB外部数据存储器（外RAM）；

3）256B内部数据存储器（内RAM）（包括特殊功能寄存器）。

80C51存储空间配置图

2.2.1程序存储器（ROM）

地址范围：

0000H～FFFFH，共64KB。

其中:

低段4KB：

0000H～0FFFH（80C51和87C51在片内，80C31在片外。

）

高段60KB：

1000H～FFFFH。

在片外。

读写ROM用MOVC指令，控制信号是PSEN和EA。

读ROM是以程序计数器PC作为16位地址指针，依次读相应地址ROM中的指令和数据，每读一个字节，PC+1→PC，这是CPU自动形成的。

但是有些指令有修改PC的功能，例如转移类指令和MOVC指令，CPU将按修改后PC的16位地址读ROM。

读外ROM的过程

CPU从PC（程序计数器）中取出当前ROM的16位地址，分别由P0口（低8位）和P2口（高8位）同时输出，ALE信号有效时由地址锁存器锁存低8位地址信号，地址锁存器输出的低8位地址信号和P2口输出的高8位地址信号同时加到外ROM16位地址输入端，当PSEN信号有效时，外ROM将相应地址存储单元中的数据送至数据总线（P0口），CPU读入后存入指定单元。

64KB中有一小段范围是80C51系统专用单元，0003H~0023H是5个中断源中断服务程序入口地址（详见第5章），用户不能安排其他内容。

80C51复位后，PC=0000H，CPU从地址为0000H的ROM单元中读取指令和数据。

从0000H到0003H只有3B，根本不可能安排一个完整的系统程序，而80C51又是依次读ROM字节的。

因此，这3B只能用来安排一条跳转指令，跳转到其他合适的地址范围去执行真正的主程序。

2.2.2外部数据存储器（外RAM）

地址范围：

0000H～FFFFH，共64KB

读写外RAM用MOVX指令，控制信号是P3口中的RD和WR。

读外RAM的过程：

外RAM16位地址分别由P0口（低8位）和P2口（高8位）同时输出，ALE信号有效时由地址锁存器锁存低8位地址信号，地址锁存器输出的低8位地址信号和P2口输出的高8位地址信号同时加到外RAM16位地址输入端，当RD信号有效时，外RAM将相应地址存储单元中的数据送至数据总线（P0口），CPU读入后存入指定单元。

写外RAM的过程：

写外RAM的过程与读外RAM的过程相同。

只是控制信号不同，信号换成WR信号。

当WR信号有效时，外RAM将数据总线（P0口分时传送）上的数据写入相应地址存储单元中。

2.2.3内部数据存储器（内RAM）

从广义上讲，80C51内RAM（128B）和特殊功能寄存器（128B）均属于片内RAM空间，读写指令均用MOV指令。

但为加以区别，内RAM通常指00H～7FH的低128B空间。

80C51内RAM又可分成三个物理空间：

工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区。

1、工作寄存器区

有专用于工作寄存器操作的指令，读写速度比一般内RAM要快，指令字节比一般直接寻址指令要短，还具有间址功能，能给编程和应用带来方便。

工作寄存器区分为4个区：

0区、1区、2区、3区。

每区有8个寄存器：

R0～R7，寄存器名称相同。

但是，当前工作的寄存器区只能有一个，由PSW中的D4、D3位决定。

2、位寻址区

1）地址：

从20H～2FH共16字节（Byte，缩写为英文大写字母B）。

每Byte有8位（bit，缩写为小写b），共128位，每一位均有一个位地址，可位寻址、位操作。

即按位地址对该位进行置1、清0、求反或判转。

2）用途：

存放各种标志位信息和位数据。

3）注意事项:

位地址与字节地址编址相同，容易混淆。

区分方法：

位操作指令中的地址是位地址；字节操作指令中的地址是字节地址。

位寻址区的位地址映象表

3、数据缓冲区

内RAM中30H～7FH为数据缓冲区，用于存放各种数据和中间结果，起到数据缓冲的作用。

2.2.4特殊功能寄存器（SFR）

特殊功能寄存器地址映象表

（一）

1）累加器Acc

MOVA,R0MOVA,@R1

MOVA,30HADDA,32H

ADDA,#32H

2）寄存器B

MOVA,BADDA,B

3）程序状态字寄存器PSW

PSW也称为标志寄存器，存放各有关标志。

其结构和定义如下：

①Cy—进位标志。

用于表示Acc.7有否向更高位进位。

②AC—辅助进位标志。

用于表示Acc.3有否向Acc.4进位。

③RS1、RS0—工作寄存器区选择控制位。

RS1、RS0=00——0区（00H～07H）

RS1、RS0=01——1区（08H～0FH）

RS1、RS0=10——2区（10H～17H）

RS1、RS0=11——3区（18H～1FH）

4OV—溢出标志。

表示Acc在有符号数算术运算中的溢出

5P—奇偶标志。

表示Acc中“1”的个数的奇偶性。

⑥F0、F1—用户标志。

4）数据指针DPTR

16位，由两个8位寄存器DPH、DPL组成。

主要用于存放一个16位地址，作为访问外部存储器（外RAM和ROM）的地址指针。

5）堆栈指针SP

专用于指出堆栈顶部数据的地址。

堆栈中数据存取按先进后出、后进先出的原则。

堆栈操作分自动方式和指令方式。

自动方式是在调用子程序或发生中断时CPU自动将断口地址存人或者取出；指令方式是使用进出栈指令进行操作。

2.2.5程序计数器PC

ØPC不属于特殊功能寄存器，不可访问，在物理结构上是独立的。

ØPC是一个16位的地址寄存器，用于存放将要从ROM中读出的下一字节指令码的地址，因此也称为地址指针。

ØPC的基本工作方式有：

1）自动加1。

CPU从ROM中每读一个字节，自动执行PC+1→PC；

2）执行转移指令时，PC会根据该指令要求修改下一次读ROM新的地址；

3）执行调用子程序或发生中断时，CPU会自动将当前PC值压入堆栈，将子程序入口地址或中断入口地址装入PC；子程序返回或中断返回时，恢复原有被压入堆栈的PC值，继续执行原顺序程序指令。

2.3I/O端口结构及工作原理

有4个8位并行I/O口，共32条端线：

P0、P1、P2和P3口。

每一个I/O口都能用作输入或输出。

用作输入时，均须先写入“1”；

用作输出时，P0口应外接上拉电阻。

P0口的负载能力为8个LSTTL门电路；

P1～P3口的负载能力为4个LSTTL门电路。

在并行扩展外存储器或I/O口情况下：

P0口用于低8位地址总线和数据总线（分时传送）

P2口用于高8位地址总线，

P3口常用于第二功能，

用户能使用的I/O口只有P1口和未用作第二功能的部分P3口端线。

2.4时钟和时序

2.4.1时钟电路

80C51单片机内有一高增益反相放大器，按图2-8a连接即可构成自激振荡电路，振荡频率取决于石英晶体的振荡频率。

1）时钟周期

80C51振荡器产生的时钟脉冲频率的倒数，是最基本最小的定时信号。

2）状态周期

它是将时钟脉冲二分频后的脉冲信号。

状态周期是时钟周期的两倍。

状态周期又称S周期。

在S周期内有两个时钟周期，即分为两拍，分别称为P1和P2。

3）机器周期

80C51单片机工作的基本定时单位，简称机器周期。

一个机器周期含有6个状态周期，分别为S1、S2、…、S6，每个状态周期有两拍，分别为S1P1、S1P2、S2P1、S2P2…，S6P1、S6P2。

机器周期是6个状态周期、12个时钟周期。

当时钟频率为12MHz时，机器周期为1S。

4）指令周期

指CPU执行一条指令占用的时间（用机器周期表示）。

80C51执行各种指令时间是不一样的，可分为三类：

单周指令、双周指令和四周指令。

其中单机周指令有64条，双机周指令有45条，四机周指令只有2条（乘法和除法指令），无三机周指令。

振荡周期（时钟周期）=晶振频率fosc的倒数；

1个机器周期=6个状态周期

1个机器周期=12个时钟周期；

1个指令周期=1、2、4个机器周期

2.5复位和低功耗工作方式

80C51单片机的工作方式共有四种：

1）复位方式；

2）程序执行方式；

3）低功耗方式；

4）片内ROM编程（包括校验）方式。

1、复位条件

RST引脚保持2个机器周期以上的高电平。

实现复位操作，必须使RST引脚保持两个机器周期以上的高电平。

例如，若时钟频率为12MHz，每机周为1S，则只需持续2S以上时间的高电平；若时钟频率为6MHz，每个机器周期为2S，则需要持续4S以上时间的高电平。

2、复位电路

上电复位电路。

RC构成微分电路，在上电瞬间，产生一个微分脉冲，其宽度若大于2个机器周期，80C51将复位。

为保证微分脉冲宽度足够大，RC时间常数应大于两个机器周期。

一般取22电容、1k电阻。

按键复位电路。

该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按下图中RESET键，R1C2仍构成微分电路，使RST端产生一个微分脉冲复位，复位完毕C2经R2放电，等待下一次按下复位按键。

3、复位后CPU状态

PC：

0000HTMOD：

00H

Acc：

00HTCON：

00H

B：

00HTH0：

00H

PSW：

00HTL0：

00H

SP：

07HTH1：

00H

DPTR：

0000HTL1：

00H

P0～P3：

FFHSCON：

00H

IP：

×××00000BSBUF：

不定

IE：

0××00000BPCON：

0×××0000B

2.5.2低功耗工作方式

1）待机（休闲）方式（Idle）

2）掉电保护方式（PowerDown）

在Vcc=5V，fosc=12MHz条件下，

✓正常工作时电流约20mA；

✓待机（休闲）方式时电流约5mA；

✓掉电保护方式时电流仅75A。

两种低功耗工作方式由电源控制寄存器PCON确定。

其中：

✓SMOD：

波特率倍增位（在串行通信中使用）

✓GF1、GF0：

通用标志位

✓PD：

掉电方式控制位，

PD=1，进入掉电工作方式；

✓IDL：

待机（休闲）方式控制位，

IDL=1，进入待机工作方式。

PCON字节地址87H，不能位寻址。

读写时，只能整体字节操作，不能按位操作。

1）待机（休闲）方式状态

Ø片内时钟仅向中断源提供，其余被阻断；

ØPC、特殊功能寄存器和片内RAM状态保持不变；

ØI/O引脚端口值保持原逻辑值；

ØALE保持逻辑高电平；

ØCPU不工作，但中断功能继续存在。

2）待机（休闲）状态进入

只要使PCON中IDL位置1。

3）待机（休闲）状态退出

①产生中断；

②复位。

2、掉电保护方式

片内振荡器停振，所有功能部件停止工作；

片内RAM数据信息保存不变；

ALE、PSEN为低电平；

Vcc可降至2V，但不能真正掉电。

2）掉电保护状态进入

只要使PCON中PD位置1。

3）掉电保护状态退出

唯一方法是硬件复位，复位后片内RAM数据不变，特殊功能寄存器内容按复位状态初始化。