华工MCU与DSP专题一.docx

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华工MCU与DSP专题一

研究生课：

微机系统与实验

MCU与DSP技术

一．课程对象：

对单片微机（MCS51）基本系统进行学习和实验，以应用和开发研究为主。

二．课程目的和要求：

1．熟悉单片微机（MCS51）硬件结构和功能。

2．掌握单片微机（MCS51）的软件设计技术。

3．学习单片微机基本系统的扩展方法。

4．运用IBM微机及工具软件进行汇编和调试。

5．训练单片微机应用系统的硬软件设计和开发技能。

6．学习和了解数字信号处理器（DSP）的基本原理、硬件结构和指令系统。

三．课程内容（专题）：

1．系统硬件结构和功能。

2．指令系统和软件方法。

3．系统扩展方法。

4．串行通信。

5．应用系统设计。

6．数字信号处理器。

四．实验安排:

（约10项）

1．第1～9项环绕课程内容进行，包含有深一步的实验指标，以适应程度较高的训练要求。

2．第10项实验为综合应用系统设计，提高指标要求，各自完成，期末提交结果。

3．单片机编程器或开发系统发给各自使用和保管，元器件按实验内容提供。

4．单项实验：

DSP应用设计入门。

五．参考书刊：

（MCS51系列类均可）

1．单片机技术及工程实践

—林土胜　编著

机械工业出版社，2010年

2．MCS-51系列单片机实用接口技术

—李华编

北京航空航天大学出版社，1993年

3．MCS-51系列单片机应用系统设计

—何立民编著

北京航空航天大学出版社，1991年

4．MCS-51系列单片机接口电路与应用程

序实例。

—沈德金，陈粤初等编著

北京航空航天大学出版社，1991年

5．TheTTLDataBookforDesign

Engneerings

-TexasInstrunentsIncorporated,

U.S.A.1981

6.MOTOROLACMOSIntegratedCircuits

-MotorolaINC.U.S.A.1978

7.ATMELNonvolatileMemory

-ATMELCorporation,1995

8.TMS320C2XX用户指南

—张芳兰等

电子工业出版社，1999年

9．DSP芯片的原理与开发应用。

—张雄伟等

电子工业出版社，2000年

10．DSP控制器原理及应用。

—宁改娣等

科学出版社，2002年

11．DSP控制器及其应用。

—章云等

机械工业出版社，2001年

附Fig.1-1：

实验板布局参考

附

Fig.1-1a：

NSP编程器外形

注：

活动IC座应带电拨插

附Fig.1-1b：

DSP编程器外形

附Fig.1-1c：

DSP实验芯片外形

专题一.系统硬件结构和功能

一．MCS-51系列单片机主要芯片及选用

1．8031（80C31）

无内部ROM，需外配EPROM，最小系统要用P0和P2口线扩展，P2口不能作I/O口用。

价廉，用于测试或一般应用系统的场合。

2．8051（80C51，80C52）

内置掩膜ROM（4KB，8KB），适宜芯片厂家大批量生产的应用场合。

3．8751（87C51，87C52）

内配有EPROM（4KB，8KB），P0～P3口线可全部供作I/O口线用，简单可靠，有加密位，可紫外光擦除；价贵，用于高性能比和紧凑的场合。

4．89C51（89C52）

内配有EEPROM（4KB，8KB），有加密位，可电擦写（1000次），数据保留10年，有待机功能，直接驱动LED，广泛应用。

*89C2051，（89C1051，89C4051）

20脚窄型，配有闪速存储器（2KB，1KB，4KB）15条I/O口线，其余同上。

5．97C51（97C52）

配置同（4），为OTP型（一次性可编程），数据保留100年，用于批量生产的应用。

6．97L2051

OTP型，低电压（2.7V～3.6V），适于干电池便携式应用场合。

7．89S51/89S52/89S2051

具有再线编程能力，其余功能同4。

*上述代表性类型，生产厂家如ATMEL、INTEL、PHILIP、韩国三星等，指令系统相同。

二．MCS-51单片机的功能引脚（40脚）

1．I/O口线

分为P0、P1、P2、P3共4个8位口（每位可写成P0.2,P1.3等形式）。

2．控制口线（最要紧4条）

PSEN片外取址允许

（ProgramStoreEnable）

ALE/PROG地址锁存允许

（AddressLatchEnable）

EPROM编程脉冲输入

（ProgramPulseInput）

EA/VPP片外存储器选择

（ExternalAccessEnable）

EPROM编程电压

（ProgrammingSupplyVoltage）

RST复位控制

（ResetInput）

3．电源及时钟

VCC+5v电源

VSS接地

XTAL1片内振荡器输入端

XTAL2片内振荡反相器输出端

三．MCS-51单片机内部基本功能部件

一个8位CPU。

一个片内振荡器及时钟电路。

128字节数据存储器（RAM）。

两个16位定时器/计数器。

可位寻址64KB片外RAM和64KB片外ROM控制电路。

32条可编程的4个8位并行I/O端口。

一个可编程全双工串行口。

5个中断源，两个优先嵌套中断结构。

四．MCS-51单片机CPU时序

1．

有关周期的概念

1-1

振荡周期：

CPU定时用的振荡源周期。

时钟周期：

又称状态周期，S周期

（含2个振荡周期，分成P1、P2两个节拍）

机器周期：

6个S周期，或6个S状态

（写成分成S1P1，S1P2，┅，S6P1，S6P2）

指令周期：

含1～4个机器周期。

2．指令字节与机器周期

MCS-51的指令长度为1～3字节。

关系：

单字节和双字节→单周期或双周期。

三字节→双周期。

乘法除法→四周期。

以6MHZ晶振为例：

振荡周期：

1/6μs

时钟周期：

1/3μs

机器周期：

2μs

指令周期：

2～8μs

3．CPU取指和执行时序

由时序关系图可知：

（1）ALE信号在访问ROM的机器周期内，两次有效。

在访问外RAM的机器周期内，一次有效。

（2）无论单字节或双字节指令，均在第一个机器周期内读完操作数。

（3）外部ROM，RAM地址空间重迭，但不混淆，因为MOVX执行时，在第一机器周期S5开始送外RAM地址，在第二机器周期读/写数据，但无ALE输出，不产生取指操作。

1-

2

五．MCS-51单片机的I/O端口

1．端口功能和用途

（1）P0口：

三态双向口。

可作输出输入

口（如数据出入口扩展，此时为准双向口），常作低8位地址/数据总线口分时使用。

（2）P1口：

准双向口（作输入线用时，口锁存器必须先写入1）；作通用I/O口。

（3）P2口：

准双向口。

在8031或外设扩展用时作地址总线口。

（4）P3口：

准双向口；双功能口。

第一功能作通用I/O口，第二功能作特殊用。

2．

端口操作原理（以一位P0口为例）

1-3

（1）作地址数据总线使用

条件：

控制信号为1，MUX使反相器3与下拉FET（T2）连接，且与门4开通，控制上拉FET（T1），呈对外存储器存/取状态（应接上拉电阻）。

1）从地址/数据线送出地址或数据。

如：

总线为1时，T1导通，T2因3反相而截止，P0.X脚输出1；总线为0时，T1截止，T2导通，输出0。

2）外部数据需从缓冲器2入内部总线。

3）P0口不能再作I/O口使用。

（2）作通用I/O口用

条件：

控制信号为0，MUX使锁存器/Q端与下拉FET（T2）接通，且与门4关闭，上拉FET（T1）截止，下拉T2呈开路状态（应接上拉电阻）。

1）输出操作：

总线数据→锁存器/Q端→经T2反相→结果P0.X脚与总线的数据相同。

2）输入操作：

（分为两种方式）

*“取入先置1”原则，先给锁存器写入“1”，/Q端为“0”，使两个FET截止，呈高阻状态。

1-4

读引脚：

由“读”指令把三态缓冲器2打通，P0.X脚数据直接送入内部总线。

读锁存器：

“读-修改-写”指令把三态缓冲器1打通，读/Q端数据入总线，免从引脚误读。

举例：

如果P0.X脚接晶体管基极，经锁存器向口线写“1”，晶体管导通，把引脚电平拉低，“读引脚”结果为0，而读锁存器Q端，得正确的原状态为1。

指令识别：

读引脚：

MOVA，P0；I/O口作原操作数

目源

读-修改-写：

ANLP0，A；I/O口作目的操作数

目源

含义：

先读P0口数据入CPU，与累加器A数据逐位“逻辑与”，再写回到P0口。

（3）P1，P2，P3准双向口结构（略）

（4）复位后，P0～P3各口线均置为1。

六．

单片机（MCS51）存储器结构

1-5

1．存储器分五类

（1）程序存储器（8031全为外ROM）

（2）外部数据存储（外RAM﹑I/O口统一编址）

（3）内部数据存储器（128字节，含可寻址位）

（4）特殊功能寄存器（128字节仅26单元有定义）

（5）位地址空间（96位，分布在（3）和（4）类内）

2．程序存储器中6个特殊单元

（1）0001H（复位后PC值，程序起始地址）

（2）0003H（外部中断0入口地址）

（3）000BH（定时器0溢出中断入口地址）

（4）0013H（外部中断1入口地址）

（5）001BH（定时器1溢出中断入口地址）

（6）0023H（串行口中断入口地址）

3．

内部数据存储器的配置

1-6

注意：

（1）当前的工作寄存器区由PSW的D4，D3位修改，作快速保护现场用。

（2）可寻址位每位有位地址，从00H～7FH，作设置程序状态标志，位控制变量等。

（3）用不到的工作寄存器区,位寻址区，均

可做数据缓冲器用。

（4）专用SFR的可寻址位有两种表示法：

1-7

4．程序状态字PSW（8位）

包含有程序状态信息：

1-8

5．堆栈指针SP（8位）–特征：

（1）响应中断或调用子程序时，16位PC值

（物理上独立）能自动入栈，但PSW须

用PUSH指令压入堆栈保护。

（2）系统初始化时自动设定为07H处，程

序一开始最好设到高端，如60H处。

6．数据指针DPTR（16位）–特征：

（1）用来保持16位地址。

（2）也可分成两个8位用—DPH，DPL。

七．单片机（MCS51）定时器/计数器

1．定时器/计数器结构及特征：

用作内部定时或对外部事件计数

速率：

fosc/12（定时），fosc/24（计数）

1-9

（1）T0和T1：

两个16位，分别可编程。

（2）两种方式：

定时器，计数器。

（3）四种模式：

0~3

（4）由两个SFR控制：

TMOD，TCON。

2．

定时器的方式寄存器TMOD

1-10

（1）模式选择位模式功能

M1M0

00013位定时/计数器

01116位定时/计数器

1028位自动重装

113T0分两个8位，

T1停止工作。

定时器方式（计数输入

号来自内部时钟源，每

个机器周期计数1）

（2）方式选择位

（fosc/12）

计数器方式（外部输入

负跳变加1，用两个机

器周期识别1→0跳变）

（fosc/24）

（3）运行控制位

（允许开始计数与TCON有关）

GATE=0only:

TR0/TR1=1

（不受外部控制）

INT0/INT1=1

￣￣

￣￣

GATE=1both:

TR0/TR1=1&

（受外部中断输入脚控制）

（4）TMOD不可位寻址，需整体8位设置。

如：

MOVTMOD，#00010010B

3．

定时器控制寄存器TCON

1-11

（1）T0的运行控制位

TR0=1启动计数（软件置1和清零）

TR0=0停止计数（软件置1和清零）

（2）T0溢出中断标志位

TF0溢出--由硬件置1，申请中断，

中服后自动由硬件清零；

也可程序查询，清零。

（3）T1的运行控制位

TR1=1启动计数（软件置1和清零）

TR1=0停止计数（软件置1和清零）

（4）T1溢出中断标志位

TF1溢出--由硬件置1，申请中断，

中服后自动由硬件清零；

也可程序查询，清零。

4．定时器的工作模式

（1）

模式0：

M1M0置00

1-12

特征：

TL0高三位未用，组成13位

计数器，具有32预分频能力。

（2）模式1：

M1M0置01

差别：

组成16位计数器。

预置初值X：

（216-X）*2μS=1ms

X=216-500=65036→FEOCH

得：

TL0←OCH

TH0←FEH

（3）模式2：

M1M0置10

1-13

特征：

TL0置成自动重装初值计数器；

TH0作初值常数缓冲器，

TL0溢出时使TF0置1，重装TL0。

（4）模式3：

M1M0置11

特征：

只适于T0，分成TL0和TH0两个

独立8位计数器；

T1的TL1和TH1仍然可置为模式

0～2，但其TR1和TF1被TH0借用。

1-14

用途：

T1作串行口波特率发生器（模式2）

时，T0才定义为模式3，以增加一

个8位计数器（T1不能用溢出中断）

定时器模式3的应用：

1．定时器1设为模式2，作串行口波特率发生器用。

2．定时器0设为模式3，其中分成8位用。

1）TL0计数/定时方式：

用TR0启动，TF0

溢出中断。

2）TH0定时方式：

借用TR1启动，借TF1溢出中断。

3）串行口同时被启动，T1作自动重装。

举例：

TL0八位定时，溢出中断

TH0八位定时，产生方波，周期100μs，从P1.0输出。

T1作串行口波特率发生器

MOVTL0，#0FFH；定时常数

MOVTH0，#156；100μs

MOVTL1，#0F4H；波特率

MOVTH1，#0F4H；

MOVTMOD，#27H；定时器模式3，

TL0计数方式

MOVTCON，#55H；外部中断0和1，

（边沿触发），

定时0和1启动

MOVIE，#9FH；开放全部中断

┇

┇

（定时中断服务子程序）

TH0INT：

MOVTH0，#156；重装定时常数

CPLP1.0；方波输出

RETI；中断返回

八.单片机（MCS51）的中断系统

1.有关术语

中断：

属一种处理过程，要求CPU暂停当前工作，转去处理紧急事件，完后重返原处，继续原工作。

中断源：

向CPU请示中断的请求源（有五种）

中断优先级：

CPU优先响应最紧急的中断请求。

中断嵌套：

高级中断源可以中断低级中断源的处理过程。

（有两级嵌套能力）

2.中断请求源

两个外部源：

/INT0，/INT1

（P3.2）（P3.3）

（用于I/O设备或掉电故障等信号请求）

两个片内源：

TF0，TF1（溢出中断）

（T0）（T1）

片内一串行口：

TI或RI（中断请求）

（发）（收）

3.定时/计数器中断锁存寄存器TCON

1-15

用来锁存内、外中断源的有关位：

（1）TF1为T1溢出中断标志

TF0为T0溢出中断标志

（硬件置位，中断返回由RETI清零，

或查询由软件清零）

（2）IE1为外中断1中断标志

IE0为外中断0中断标志

（边缘触发者，中断响应后硬件清零，

但电平触发者，中断响应后不清标

志，靠RETI清除）

（3）外中断源触发控制位

IT1=0外中断1电平触发

IT1=1外中断1边缘触发

（软件置位、清除）

（4）IT0=0外中断0电平触发

IT0=1外中断0边缘触发

（软件置位、清除）

4.串行口中断控制寄存器SCON

（另述）

5.中断允许寄存器IE

1-16

（1）中断开放标志位

（对CPU而言）

EA=1中断总开放

EA=0中断总屏蔽

（2）ES=1允许串行口中断

ES=0禁止串行口中断

（3）ET1=1允许定时/计数器1中断

ET1=0禁止定时/计数器1中断

ET0=1允许定时/计数器0中断

ET0=0禁止定时/计数器0中断

（4）EX1=1允许外中断1中断

EX1=0禁止外中断1中断

EX0=1允许外中断0中断

EX0=0禁止外中断0中断

用法：

某一中断源允许中断，同时须CPU总开放中断，可由位寻址方式，用软件置1或清零。

如：

SETBEA；中断总开放

SETBEX0；外中断0开放

6.

中断优先级寄存器IP

1-17

（1）PS=1串行口为高优先级中断

PS=0串行口为低优先级中断

（2）PT1=1定时/计数器1为高优先级

PT1=0定时/计数器1为低优先级

PT0=1定时/计数器0为高优先级

PT0=0定时/计数器0为低优先级

（3）PX1=1外中断1为高优先级中断

PX1=0外中断1为低优先级中断

PX0=1外中断0为高优先级中断

PX0=0外中断0为低优先级中断

原则：

1）低级中断源可被高级源中断，

反之不能。

2）中断得到响应，同级中断源不能再

产生中断。

3）同时收到同级中断源，由内部查询顺序排队从高到低为：

/INT0→T0→/INT1→T1→串行口。

4）可由软件位寻址方式置1或清0

7．

中断响应过程

1-18

（1）在每个机器周期的S5P2采样并锁存各中断标志，新置入的标志状态到下一个机器周期被顺序查询到（中断查询在每个机器周期中重复进行）。

1）CPU响应某中断请求，首先置位“优先级激活触发器”，阻断同级和低级中断。

2）由硬件控制生成长调指令，转相应中断入口（矢量单元）

3）调用中服子程序时，把断点地址（PC内容）压入堆栈保护，同时把矢量单元地址装入PC

4）“中服”最末为中断返回指令RETI，弹出2字节PC值，执行原程序。

5）从产生中断请求到执行中服第一指令，其间最少要3个机器周期。

（2）中断受阻条件为：

1）正在服务同级或高级中断（未完）

2）执行的指令不是最后一个字节（执行完最长等待3个字节）

3）遇上正在执行RETI或对IE，IP寄存器读写指令（花1个字节执行完，再花最多4个字节执行后续1条指令，共5字节）

上述条件完成后，才执行中断响应。

（3）受阻条件撤消后：

若中断标志不再存在，未能置位（如电平触发不维持到中断得到响应为止），则延迟的中断不再响应。

8．外部中断触发方式选择

（1）

电平触发：

1-19

引脚电平至少应保持12振荡周期，以便电平信号（因每个机器周期内采样一次）能被采到而置位IEX,并应一直保持到中断得到响应为止。

适于外部以低电平输入，而中服程序返回前能清除（使变高电平）的场合，以免再次响应中断。

（2）

边沿触发：

1-20

要求输入的高低电平值至少各保持12个振荡周期，以确保引脚高低电平跳变被监测到而置位IEX。

适合于以负脉冲形式输入的场合。

（3）一个中断源的情况下，中断响应为3—8个机器周期之间。

设置如：

SETBITO；下降缘

SETBEX0；外中断0允许

SETBEA；总中断允许

九．单片机的复位状态

1．复位条件：

RST引脚2机器周期以上高电平，通常设计复位电路，10ms以上高电平。

2．循环复位：

只要RST保持高电平不降低。

3．复位结束：

RST电平从高变低后，即从0000H执行程序。

4．复位后初态：

（1）P0-P3口为高电平，处于输入状态。

（2）堆栈指针SP指向07H单元。

（3）PC和其余SFR清为0。

（4）不影响内部RAM状态。