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單片機原理及應用課件第2章.ppt

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第2章 MCS-51系列單片機的硬件結構2.1 MCS-51系列單片機簡介2.2 MCS-51系列單片機內部結構與外部引腳說明2.3 微處理器2.4 存儲器2.5 并行輸入/輸出接口2.6 定時器/計數器2.7 串行輸入/輸出口2.8 MCS-51單片機的中斷系統2.9 復位狀態及復位電路2.1 MCS-51系列單片機簡介 MCS-51系列單片機已有十多種產品,可分為兩大系列:51子系列和52子系列。 51子系列主要有8031、8051、8751三種機型。它們的指令系統與芯片引腳完全兼容。從表1.1中可以看出,它們的差別僅在于片內有無ROM或EPROM。 52子系列主要有8032、8052、8752三種機型。從表1.1中可以看出,52子系列與51子系列的不同之處在于:片內數據存儲器增至256字節;片內程序存儲器增至8 KB (8032無);有3個16位定時/計數器,6個中斷源。其它性能均與51子系列相同。2.2 MCS-51系列單片機內部結構與外部引腳說明2.2.1 內部結構框圖 MCS-51系列單片機的內部結構框圖如圖2.1所示。 從圖2.1中可看出,MCS-51單片機組成結構中包含運算器、控制器、片內存儲器、4個I/O口、串行口、定時器/計數器、中斷系統、振蕩器等功能部件。圖中SP是堆棧指針寄存器,PC是程序計數器,PSW是程序狀態字寄存器,DPTR是數據指針寄存器。圖2.1 MCS-51單片機內部結構框圖2.2.2 外部引腳說明 1.主電源引腳 VCC(40腳):接+5 V電源正端。 VSS(20腳):接+5 V電源地端。 2.外接晶體引腳 XTAL1(19腳):接外部石英晶體的一端。在單片機內部,它是一個反相放大器的輸入端,這個放大器構成了片內振蕩器。當采用外部時鐘時,對于HMOS單片機,該引腳接地;對于CHMOS單片機,該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。圖2.2 MCS-51系列單片機引腳及總線結構 3.輸入 / 輸出引腳 (1) P0口(39~32腳):P0.0~P0.7統稱為P0口。在不接片外存儲器與不擴展I/O口時,可作為準雙向輸入/輸出口。在接有片外存儲器或擴展I/O口時,P0口分時復用為低8位地址總線和雙向數據總線。 (2) P1口(1~8腳):P1.0~P1.7統稱為P1口,可作為準雙向I/O口使用。對于52子系列,P1.0與P1.1還有第二功能:P1.0可用作定時器/計數器2的計數脈沖輸入端T2,P1.1可用作定時器/計數器2的外部控制端T2EX。 (3) P2口(21~28腳):P2.0~P2.7統稱為P2口,一般可作為準雙向I/O口使用;在接有片外存儲器或擴展I/O口且尋址范圍超過256字節時,P2口用作高8位地址總線。 (4) P3口(10~17腳):P3.0~P3.7統稱為P3口。除作為準雙向I/O口使用外,還可以將每一位用于第二功能,而且P3口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。P3口的第二功能如表2.1所示。表2.1 P3口第二功能表引 腳第 二 功 能P3.0串行口輸入端P3.1串行口輸出端P3.2外部中斷0請求輸入端,低電平有效P3.3外部中斷1請求輸入端,低電平有效P3.4定時器/計數器0計數脈沖輸入端P3.5定時器/計數器1計數脈沖輸入端P3.6外部數據存儲器寫選通信號輸出端,低電平有效P3.7RXDTXDINT0INT1T0T1WRRD 4.控制線 (1) ALE/PROG(30腳):地址鎖存有效信號輸出端。ALE在每個機器周期內輸出兩個脈沖。在訪問片外程序存儲器期間,下降沿用于控制鎖存P0輸出的低8位地址;在不訪問片外程序存儲器期間,可作為對外輸出的時鐘脈沖或用于定時目的。但要注意,在訪問片外數據存儲器期間,ALE脈沖會跳空一個,此時作為時鐘輸出就不妥了(詳見2.3.3節CPU時序)。 對于片內含有EPROM的機型,在編程期間,該引腳用作編程脈沖PROG的輸入端。 (2) PSEN(29腳):片外程序存儲器讀選通信號輸出端,低電平有效。當從外部程序存儲器讀取指令或常數期間,每個機器周期該信號兩次有效,以通過數據總線P0口讀回指令或常數。在訪問片外數據存儲器期間,PSEN信號將不出現。 (3) RST/VPD(9腳):RST即為RESET,VPD為備用電源。該引腳為單片機的上電復位或掉電保護端。當單片機振蕩器工作時,該引腳上出現持續兩個機器周期的高電平,就可實現復位操作,使單片機回復到初始狀態。上電時,考慮到振蕩器有一定的起振時間,該引腳上高電平必須持續10 ms以上才能保證有效復位。 當VCC發生故障,降低到低電平規定值或掉電時,該引腳可接上備用電源VPD(+5 V)為內部RAM供電,以保證RAM中的數據不丟失。 (4) EA/VPP(31腳):EA為片外程序存儲器選用端。該引腳有效(低電平)時,只選用片外程序存儲器,否則單片機上電或復位后選用片內程序存儲器。 對于片內含有EPROM的機型,在編程期間,此引腳用作21 V編程電源VPP的輸入端。 綜上所述,MCS-51系列單片機的引腳可歸納為以下兩點: (1) 單片機功能多,引腳數少,因而許多引腳都具有第二功能。 (2) 單片機對外呈現3總線形式,由P2、P0口組成16位地址總線;由P0口分時復用為數據總線;由ALE、PSEN、RST、EA與P3口中的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD共10個引腳組成控制總線,如圖2.2(b)所示。由于是16位地址線,因此,可使片外存儲器的尋址范圍達到64 KB。 2.3 微 處 理 器2.3.1 運算部件 運算部件以算術邏輯單元ALU為核心,包括累加器ACC、寄存器B、暫存器、程序狀態字PSW等許多部件。它能實現數據的算術邏輯運算、位變量處理和數據傳輸操作。 1.算術邏輯單元ALU與累加器ACC、寄存器B 算術邏輯單元不僅能完成8位二進制的加、減、乘、除、加1、減1及BCD加法的十進制調整等算術運算,還能對8位變量進行邏輯"與"、"或"、"異或"、循環移位、求補、清零等邏輯運算,并具有數據傳輸、程序轉移等功能。累加器(ACC,簡稱累加器A)為一個8位寄存器,它是CPU中使用最頻繁的寄存器。進入ALU作算術和邏輯運算的操作數多來自于A,運算結果也常送回A保存。寄存器B是為ALU進行乘除法運算而設置的。若不作乘除運算時,則可作為通用寄存器使用。 2.程序狀態字 程序狀態字PSW是一個8位的標志寄存器,它保存指令執行結果的特征信息,以供程序查詢和判別。其各位的定義如下:字節地址D0。省略部分。源自己的中斷允許總控位控制。 ET2:定時器/計數器T2的溢出中斷允許位,只用于52子系列,51子系列無此位。 ET2=0,禁止T2中斷;ET2=1,允許T2中斷。 ES:串行口中斷允許位。ES=0,禁止串行口中斷;ES=1允許串行口中斷。 ET1:定時器/計數器T1的溢出中斷允許位。ET1=0,禁止T1中斷;ET1=1,允許T1中斷。 EX1:外部中斷1( )的中斷允許位。EX1=0,禁止外部中斷1中斷;EX1=1,允許外部中斷1中斷。 ET0:定時器/計數器T0的溢出中斷允許位。ET0=0,禁止T0中斷;ET0=1,允許T0中斷。 EX0:外部中斷0( )的中斷允許位。EX0=0,禁止外部中斷0中斷;EX0=1允許外部中斷0中斷。 2.中斷優先級控制 MCS-51單片機的中斷源有兩個用戶可控的中斷優先級,從而可實現二級中斷嵌套。中斷系統遵循如下三條規則: (1) 正在進行的中斷過程不能被新的同級或低優先級的中斷請求所中斷,一直到該中斷服務程序結束,返回了主程序且執行了主程序中的一條指令后,CPU才響應新的中斷請求。 (2) 正在進行的低優先級中斷服務程序能被高優先級中斷請求所中斷,實現兩級中斷嵌套。 (3) CPU同時接收到幾個中斷請求時,首先響應優先級最高的中斷請求。PT2PSPT1PX1PT0PX0D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0IP字節地址B8H PT2:定時器/計數器T2的中斷優先級控制位,只用于52子系列。PS:串行口的中斷優先級控制位。PT1:定時器/計數器T1的中斷優先級控制位。PX1:外部中斷 的中斷優先級控制位。PT0:定時器/計數器T0的中斷優先級控制位。PX0:外部中斷 的中斷優先級控制位。表2.8 中 斷 優 先 級 中 斷 源同級的中斷優先級 外部中斷0 定時器/計數器0中斷 外部中斷1 定時器/計數器1中斷 串行口中斷 定時器/計數器2中斷最高   最低圖2.25 中斷系統的邏輯結構示意圖2.8.4 中斷響應的條件、過程與時間 1.中斷響應的條件 單片機響應中斷的條件為中斷源有請求(中斷允許寄存器IE相應位置1),且CPU開中斷(即EA=1)。這樣,在每個機器周期的S5P2期間,對所有中斷源按用戶設置的優先級和內部規定的優先級進行順序檢測,并可在S6期間找到所有有效的中斷請求。如有中斷請求,且滿足下列條件,則在下一個機器周期的S1期間響應中斷,否則將丟棄中斷采樣的結果。 (1) 無同級或高級中斷正在處理。 (2) 現行指令執行到最后1個機器周期且已結束。 (3) 若現行指令為RETI或訪問IE、IP的指令時,執行完該指令且緊隨其后的另一條指令也已執行完畢。 2.中斷響應過程 CPU響應中斷后,由硬件自動執行如下的功能操作: (1) 根據中斷請求源的優先級高低,對相應的優先級狀態觸發器置1。 (2) 保護斷點,即把程序計數器PC的內容壓入堆棧保存。 (3) 清內部硬件可清除的中斷請求標志位(IE0、IE1、TF0、TF1)。 (4) 把被響應的中斷服務程序入口地址送入PC,從而轉入相應的中斷服務程序執行。各中斷服務程序的入口地址見表2.3。 3.中斷響應時間 所謂中斷響應時間是指CPU檢測到中斷請求信號到轉入中斷服務程序入口所需要的機器周期數。了解中斷響應時間對設計實時測控應用系統有重要指導意義。 MCS-51單片機響應中斷的最短時間為3個機器周期。若CPU檢測到中斷請求信號時間正好是一條指令的最后一個機器周期,則不需等待就可以立即響應。所謂響應中斷就是由內部硬件執行一條長調用指令,需要2個機器周期,加上檢測需要1個機器周期,一共需要3個機器周期才開始執行中斷服務程序。 中斷響應的最長時間由下列情況所決定:若中斷檢測時正在執行RETI或訪問IE或IP指令的第一個機器周期,這樣包括檢測在內需要2個機器周期(以上三條指令均需兩個機器周期);若緊接著要執行的指令恰好是執行時間最長的乘除法指令,其執行時間均為4個機器周期;再用2個機器周期執行一條長調用指令才轉入中斷服務程序。這樣,總共需要8個機器周期。 其它情況下的中斷響應時間一般為3~8個機器周期。2.9 復位狀態及復位電路2.9.1 復位狀態 MCS-51系列單片機的復位引腳RST上只要出現10 ms以上的高電平,單片機就實現復位。 單片機在RST引腳高電平的控制下,特殊功能寄存器和程序計數器PC復位后的狀態如表2.9所示。表2.9 MCS-51單片機復位狀態表寄 存 器復 位 狀 態寄 存 器復 位 狀 態PC0000HTCON 00HA00HT2CON 00HB00HTH0 00HPSW00HTL0 00HSP07HTH1 00HDPTR0000HTL1 00HP0~P3FFHSCON 00H (PSW)=00H,由于RS1(PSW.4)=0,RS0(PSW.3)=0,復位后單片機選擇工作寄存器0組。 (SP)=07H,復位后堆棧在片內RAM的08H單元處建立。TH1、TL1、TH0、TL0的內容為00H,定時器/計數器的初值為0。 (TMOD)=00H,復位后定時器/計數器T0、T1為定時器方式0,非門控方式。 (TCON)=00H,復位后定時器/計數器T0、T1停止工作,外部中斷0、1為電平觸發方式。 (T2CON)=00H,復位后定時器/計數器T2停止工作。 (SCON)=00H,復位后串行口工作在移位寄存器方式,且禁止串行口接收。 (IE)=00H,復位后屏蔽所有中斷。 (IP)=00H,復位后所有中斷源都設置為低優先級。 P0~P3口鎖存器都是全1狀態,說明復位后4個并行接口設置為輸入口。2.9.2 復位電路 與其它計算機一樣,MCS-51單片機系統常常有上電復位和按鈕復位兩種方法。所謂上電復位,是指計算機加電瞬間,要在RST引腳上出現大于10 ms的正脈沖,使單片機進入復位狀態。按鈕復位是指用戶按下"復位"按鈕,使單片機進入復位狀態。 復位是靠外部電路實現的。圖2.26是上電復位及按鈕復位的一種實用電路。圖2.26 復位電路
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