第2章 单片机的硬件基础Word格式.docx

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为了探讨计算机的存储原理，我们做一个实验：

这里有两盏灯，我们知道灯只有亮和灭两种状态，我们能用‘0’和‘1’来代替这两种状态，规定亮为‘1’，灭为‘0’。

现在这两盏灯总共有几种状态呢？

我们列表来看一下，如图所示：

P16页图2.2

存储器是利用电平的高低来存放数据的。

它是由大量寄存器组成的，其中每一个寄存器就称为一个存储单元。

它可存放一个有独立意义的二进制代码。

一个代码由若干位（bit）组成，代码的位数称为位长，习惯上也称为字长。

1.单片机的存储器地址分配

8051在物理结构上设计成程序存储器与数据存储器独立分开的哈佛结构,有四个存储空间：

片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器

高于4K部分的ROM只可能有一片，EA电平的高低只确定低4K是片内/片外，当地址超过0FFFH时自动指向片外片内和片外RAM地址重叠，通过指令区别

8051在逻辑上，即从用户角度上8051有三个存储空间：

片内外统一编址的程序存储,片内外不统一编址的数据存储器,特殊功能寄存器（片内）

访问这几个不同的逻辑空间时，采用的指令：

片内外程序存储器空间----MOVC,片内数据存储器空间和SFR----MOV,片外数据存储器地址空间----MOVX

2.程序存储器

程序存储器用于存放程序和表格常数。

AT89s52片内有8K字节Flash，片外用16位地址线最多可扩展64K字节ROM，两者是统一编址的。

如果EA端保持高电平，执行片内前8KBFlash地址（0000H～1FFFH）中的程序。

当寻址范围超过8KB（1FFFH～FFFFH）时，则从片外存储器取指令。

当EA端保持低电平时，所有取指令操作均在片外程序存储器中进行，这时片外存储器可以从0000H开始编址。

6个单元具有特殊功能

0000H:

8051复位后，PC＝0000H，程序从0000H开始执行指令。

（8086复位后CS=0fffffh,IP=00000h）

0003H：

外部中断0入口。

000BH：

定时器0溢出中断入口。

0013H：

外部中断1入口。

001BH：

定时器1溢出中断入口。

0023H：

串行口中断入口。

使用时，通常在这些入口地址处存放一条绝对跳转指令，使程序跳转到用户安排的中断程序起始地址，或者从0000H起始地址跳转到用户设计的初始程序上。

–

3.数据存储器RAM

低128单元分三个区域：

工作寄存器、位寻址区和数据缓冲区P17图2.3，表2.2

高128字节与特殊功能寄存器地址是重叠的，当访问高128字节时，是通过寻址方式区别的:

直接寻址---------特殊功能寄存器

间接寻址---------高128字节RAM

寄存器区4组（32B）

1.通用寄存器区（00H-1FH）

①由PSW中的2位RS1、RS0来决定选哪一组为当前工作寄存器：

RS1、RS0=00选0组

RS1、RS0=01选1组

RS1、RS0=10选2组

RS1、RS0=11选3组

2）位寻址区

在位地址区，每一个BIT都有一个地址，

共6×

8=128位

布尔处理器（位处理器）是51单片机ALU所具有的一种功能。

单片机指令系统的位处理指令集（17条位操作指令），存储器中的位地址空间，以及借用程序状态寄存器PSW中的进位标志CY做为位操作“累加器”，构成了51单片机内的布尔处理器。

它可对直接寻址的位（bit）变量进行位处理，这一部分空间就是布尔处理器的RAM

注意字节地址和位地址的区别：

在程序里是通过指令来区别的，如：

MOVA,20H;

字节操作

MOVC,20H；

位操作

3）数据缓冲区

共80个字节，作为一般的数据缓冲区并可设置堆栈区，只能字节寻址

堆栈指针SP

8位，堆栈是按照先进后出、后进先出的原则进行存取的RAM区域。

堆栈共有两种操作：

进栈和出栈。

不论是数据进栈还是数据出栈，都是对堆栈的栈顶单元进行的，即对栈顶单元进行读、写操作。

最后进栈的数据所在单元称为栈顶，为了指示栈顶地址，需要设置堆栈指示器，SP称为堆栈指示器，也称为堆栈指针，它具有自动加1、减1功能，它始终指向栈顶地址。

堆栈有两种类型：

向上生长型和向下生长型（19页图2.4）

4.特殊功能寄存器（21个字节）

21个特殊功能寄存器，又称为专用寄存器（SFR）。

它们离散地分布在80H-0FFHRAM空间中。

21个特殊功能寄存器地址不连续，空闲地址无意义，对用户来讲，这些单元是不存在的。

对特殊功能寄存器只能使用直接寻址方式，书写时既可使用寄存器符号，也可使用寄存器单元地址。

11个SFR寄存器具有位寻址

4.特殊功能寄存器（21个字节）

16到21：

与定时/计数器相关的（6个）:

TMOD（Timer/CounterModeRegister）定时器工作模式寄存器。

TCON（Timer/CounterControlRegister）定时器控制寄存器。

TH0、TL0、TH1、TL1：

分别是T0、T1的记数初值寄存器。

9到15：

与端口相关的7个寄存器

P0、P1、P2、P3：

四个并行输入/输出口的寄存器。

它里面的内容对应着管脚的输出。

与中断相关的2个寄存器:

IP（InterruptPriorityRegister）IE（InterruptEnableRegister）

DPTR（DataPointer）（DPH、DPL）

数据指针可以用它来访问外部数据存储器中的任一单元，也可以作为通用寄存器来用，由我们自已决定如何使用。

SP（StackPointer）：

堆栈指针，8位寄存器，用来指定堆栈的栈顶位置，初值为07H。

它是加1计数.注意：

堆栈的位置和寄存器组的冲突问题

PSW用于作为程序运行状态的标志。

存放了CPU工作时的很多状态，借此，可以了解CPU的当前状态，并作出相应的处理。

BRegister：

暂存寄存器。

在做乘、除法时放乘数或除数及结果。

ARegister（Accumulator）：

累加器，通常用A或ACC表示。

可字节寻址，也可位寻址（E0H~E7H）,在运算器做运算时其中一个数一定是在ACC中。

5和6：

与指针相关的2个寄存器

1到3：

与ALU相关的三个寄存器

11个可位寻址的SFR

2.1.3I/O端口结构

1.并行I/O端口

8051单片机有4个I/O端口，每个端口都是8位准双向口，共占32根引脚。

每个端口都包括一个锁存器、一个输出驱动器和输入缓冲器。

通常把4个端口笼统地表示为P0～P3。

在无片外扩展存储器的系统中，这4个端口的每一位都可以作为准双向通用I/O端口使用。

在具有片外扩展存储器的系统中，P2口作为高8位地址线，P0口分时作为低8位地址线和双向数据总线。

8051单片机4个I/O端口线路设计的非常巧妙，学习I/O端口逻辑电路，不但有利于正确合理地使用端口，而且会给设计单片机外围逻辑电路有所启发。

下面简单介绍一下输入/输出端口结构。

P0口每位由一个输出锁存器、2个三态输入缓冲器1个输出驱动电路和1个输出控制电路组成。

输出驱动电路由一对FET（场效应管）T1、T2组成。

输出控制电路由一个与门电路、1个反相器和1路多路开关MUX组成

P0口既可以作为I/O用，也可以作为地址/数据线用

漏极开路输出，P0.X悬浮，为了使P0.X有一个高电平的状态需加一个上拉电阻

输入时----分读引脚或读锁存器

读引脚

读引脚的条件是：

先输出一个“1

输入跟随外部变化，读引脚：

由传送指令（MOV）实现

输入被嵌位在逻辑“0”，不能实现正确的输入

这时，输入口是一个带高阻悬浮态的、带缓冲的输入口，一个输出带锁存输入带缓冲的双向口

当P0口作为一般I/O使用时，P0口也是一个准双向口，即输入数据时，应先向口写"

1"

，使两个FET均截止，然后方可作高阻抗输入。

但在P0口连接到外部存储器时，由于访问外部存储其器件，CPU会自动向P0口的锁存器写入0FFH，所以，对用户而言，P0口作地址/数据总线时则是一个真正的双向口

读锁存器

有些指令如：

ANLP0,A称为“读-改-写”指令，需要读锁存器。

上面一个缓冲器用于读端口锁存器数据。

准双向口：

从图中可以看出，在读入端口数据时，由于输出驱动FET并接在引脚上，如果T2导通，就会将输入的高电平拉成低电平，产生误读。

所以在端口进行输入操作前，应先向端口锁存器写“1”，使T2截止，引脚处于悬浮状态，变为高阻抗输入。

这就是所谓的准双向口。

P0作为地址/数据总线看ppt

P1的内部结构

P1口通常作为通用I/O口使用，准双向口。

P1口与P0口不同：

不再需要MUX；

有内部上拉电阻。

P1口与P0口相同：

作输入口时，也需先向其锁存器写入“1”。

P1口的特点

1．输出锁存，输出时没有条件．

2．输入缓冲，输入时有条件，即需要先将该口设为输入状态，先输出1.

3．工作过程中无高阻悬浮状态，也就是该口不是输入态就是输出态。

具有这种特性的口不属于“真正”的双向口，而被称为“准”双向口。

P2口的功能

1．作I/O口使用：

P2口为准双向口。

2．作地址输出：

P2口可以输出程序存储器或片外数据存储器的高8位地址，与P0输出的低地址一起构成16位地址线，从而可分别寻址64KB的程序存储器或片外数据存储器。

地址线是8位一起自动输出的。

P2口上有一个多路开关，多路开关的输入有两个：

一个是口输出锁存器的输出端Q;

一个是地址寄存器（PC或DPTR）的高位输出端。

多路开关的输出经反相器反相控制输出EFT的Q0。

多路开关的切换由内部控制信号完成。

P3的内部结构

作为通用I/O口与P1口类似----准双向口（W=1）

P3第二功能（Q=1）

此时引脚部分输入（Q=1、W=1T截止）输出（Q=1、W输出）

2.串行I/O端口

P3口是一个多功能口。

可作I/O口使用，为准双向口。

既可以字节操作，也可以位操作。

既可以读引脚，也可以读锁存器，实现“读一修改一输出”操作。

可以使用第二功能进行输入、输出。

P3第二功能各引脚功能定义

P3.0：

RXD串行口输入

P3.1：

TXD串行口输出

P3.2：

INT0外部中断0输入

P3.3：

INT1外部中断1输入

P3.4：

T0定时器0外部输入

P3.5：

T1定时器1外部输入

P3.6：

WR外部写控制

P3.7：

RD外部读控制

2.1.4定时器/计数器结构

8051有两个16位定时器/计数器T0和T1，分别与2个8位寄存器T0L、T0H及T1L、T1H对应。

8051的定时器/计数器可以工作在定时方式或计数方式。

1．定时方式

定时方式实现对单片机内部的时钟脉冲或分频后的脉冲进行计数。

2．计数方式

实现对外部脉冲的计数，读者将对定时器/计数器将在后续章节中进行具体学习。

2.1.5中断系统

在单片机系统设计设计中，中断是一个必不可少的概念。

8051有5个中断源，两个中断优先级控制，可以实现两个中断服务嵌套。

两个外部中断INT0、INT1，两个定时器中断T0、T1，还有一个串行口中断。

中断的控制由中断允许寄存器IE和中断优先级寄存器IP实现。

关于中断的设置和实现将在后续章节进行具体讲解学习。

2.2单片机的引脚功能

26页pdip图

8751有片内EPROM，用户程序可以自己写入，因此，EA一般接+5V，使用片内EPROM

8051有片内ROM，但由于用户程序无法自己写入，因此，片内ROM一般用不到，故，EA应接地，使用片外ROM

8031无片内ROM，EA应接地，使用片外ROM

1.RST/VPD:

复位信号输入/备用电源输入

2.外接晶振引脚XTAL1、XTAL2

3.电源Vcc电源地Vss

4.-PSEN程序存储器读选通信号

5.ALE/PRG地址锁存允许/编程脉冲输入

6.–EA/Vpp访问外部ROM控制信号

单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入、用户I/O口外，其余引脚都是为了实现系统扩展而设置的。

这些引脚构成了三总线形式。

（1）地址总线（AB）：

地址总线宽度为16位，由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A0-A7）；

P2口直接提供高8位地（A8～A15）。

地址信号是由CPU发出的，故地址总线是单方向的。

（2）数据总线（DB）：

数据总线宽度为8位，用于传送数据和指令，由P0口提供。

（3）控制总线（CB）：

控制总线随时掌握各种部件的状态，并根据需要向有关部件发出命令。

2.3.1时钟电路

1、内部时钟方式：

8051内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

把放大器与作为反馈元件的晶体或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲

2.3.1振荡器和时钟电路

2、外部时钟方式：

就是把外部已有的时钟信号引入单片机内

2.3.2时序定时单位

计算机工作要有严格的时序。

事实上，计算机更象一个大钟，什么时候分针动，什么时候秒针动，什么时候时针动，都有严格的规定，一点也不能乱。

单片机内的各种操作都是在一系列脉冲控制下进行的，而各脉冲在时间上是有先后顺序的，这种顺序就称为时序。

或者说是：

CPU在执行指令时所需产生的时间顺序

指令周期指CPU执行一条指令所需要的时间。

一个指令周期通常含有1～4个机器周期。

通常将完成一个基本操作所需的时间称为一个机器周期。

由6个S状态组成，共12拍

时钟周期是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号，称为一个S状态，由两个P组成

振荡周期是单片机提供时钟信号的振荡源的周期，又称为1拍

1、拍（P）：

振荡脉冲的周期，用P表示。

是晶体的振荡周期，或是外部振荡脉冲的周期，是MCS-51单片机中最小的时序单位。

2、状态或时钟周期（S）：

振荡脉冲经二分频后得到的时钟信号，把时钟信号的周期称为状态，用S表示。

一个状态包括两个拍P1和P2（前拍和后拍）。

是最基本的时间单位。

3、机器周期：

CPU完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。

由6个状态（12拍）组成。

4、指令周期：

是执行一条指令所需要的时间。

是MCS-51单片机最大的时序单位。

若MCS-51单片机外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周期的具体值为：

振荡周期＝1/12MHz＝1/12μs＝0.0833μs

时钟周期＝1/6μs＝0.167μs

机器周期＝1μs

指令周期＝1～4μs

2.3.3CPU指令的取指/执行时序

•

ALE是地址锁存信号。

该信号每有效一次就能对存储器进行一次读指令操作。

ALE信号以振荡脉冲六分之一的频率出现。

因此，在一个机器周期中，ALE信号两次有效：

第一次在S1P2和S2P1期间第二次在S4P2和S5P1期间，有效宽度为一个时钟周期

1.单字节单周期指令

这类指令的执行从S1P2开始，在S1P2期间读入操作码并把它锁存到指令寄存器中。

在S4处虽仍有一次读操作，但由于程序计数器PC没有加1，读出的是原指令，因此属于一次无效的读操作。

2.双字节单周期指令

一条指令2个字节，每次总线操作是8位，需要进行2次总线操作。

对应于ALE的两次读操作都是有效的，第一次是读指令操作码，第二次是读指令第二字节

3..单字节双周期指令

两个机器周期内进行了四次读操作（产生4次ALE信号），但由于是单字节指令，故后面三次读操作无效。

2.4单片机的工作方式

2.4.1复位方式

单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新运行（初始化）。

21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，

注意：

8051进入复位状态后，除SP为07H，

P0～P3为FFH外，其余均为0。

2.4.1单片机的复位方式

（1）简单的复位电路：

简单复位电路有上电复位和手动复位两种。

不管是哪一种复位电路都要保证在RST引脚上提供10ms以上稳定的高电平。

见图33页

a是常用的上电复位电路。

这种上电复位利用电容器充电来实现。

当加电时，电容器C充电，电路有电流流过，构成回路，在电阻R上产生压降，RST引脚为高电平；

当电容C充满电后，电路相当于断开，RST的电位与地相同，复位结束。

可见复位的时间与充电的时间有关，充电时间越长复位时间越长。

增大电容或增大电阻都可以增加复位时间。

b是按键式复位电路。

它的上电复位功能与（a）相同，但它还可以通过按键实现复位，按下键后，通过R1和R2形成回路，使RST端产生高电平。

按键的时间决定了复位时间。

单片机的复位状态

复位信号高电平有效，电平持续时间应为24个时钟周期以上，才可以使单片机可靠复位。

复位后P0~P3可以不用输出1而直接进行输入

sp复位后SP=07,栈底地址与R7相同，堆栈操作的第一个数据放入08H（第二组R0）

psw复位后RS0=RS1=0,寄存器选择0组，R0地址为00H,R7地址为07H,F0=0

pc复位后第一条要执行指令的地址为0000H

PC

0000H

TCON

00H

ACC

TL0

PSW

TH0

SP

07H

TL1

DPTR

TH1

P0~P3

FFH

SCON

IP

XX000000B

SBUF

不定

IE

0X000000B

PCON

0XXX0000B

TMOD

2.5单片机的最小系统

单片机最小系统包括单片机及其所需的必要的电源、时钟、复位等部件，能使单片机处于正常的运行状态。

电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件，可以将最小系统作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等，因此51单片机最小系统的功能主要如下：

●能够运行用户程序。

●用户可以复位单片机。

●具有相对强大的外部扩展功能。