单片机原理与接口技术：第5章 MCS-51单片机的内部结构

1、第五章 MCS-51单片机的内部结构中断系统1定时/计数器2串行口3中断处理过程中断的基本概念MCS-51的中断系统结构中断应用举例一二三四第一节 中断系统日常生活中的中断与单片机中断的比较： 某同学 单片机 过程说明正在看书 执行主程序电话铃响 中断请求信号 中断请求暂停看书 暂停执行主程序 中断响应书中作记号 当前PC入栈 保护断点接电话 执行中断程序 中断服务回来继续看 返回主程序 中断返回一、中断的基本概念3对突发事故，做出紧急处理。解决快速CPU与慢速外设之间的矛盾。 中断技术的优点4二、MCS-51单片机中断系统结构 中断源 中断标志 中断允许 中断优先级 中断控制寄存器5 MCS

2、-51的中断系统中断源MCS-51单片机有5个中断请求源：单片机INT0或 外部输入中断源INT0(P3.2)INT1或 外部输入中断源INT1(P3.3)T0 定时器T0溢出中断源T1 定时器T1溢出中断源串行口 串行口发送或接收中断源6 MCS-51的中断系统中断标志CPU主程序INT0INT1T0T1串口IE0TF0IE1TF1TIRI中断源中断标志位 每一个中断源都有相应的中断标志位； 某一个中断源申请中断，相应中断标志位置1。7 MCS-51的中断系统中断允许CPU主程序INT0INT1T0T1串口IE0TF0IE1TF1TIRI中断源中断标志位 EA: 总中断允许位，EA=1开放所

3、有中断，EA=0禁止 所有中断； 某一个中断源还有相应的中断允许位，置1允许相应 中断源的中断，置0禁止相应中断源的中断。中断允许ESET0EX0EX1ET1EA8 MCS-51的中断系统中断优先级CPU主程序INT0INT1T0T1串口IE0TF0IE1TF1TISI中断源中断标志位 单片机中有两个中断优先级，即高优先级和低优先级 中断，前者优先权高于后者（在程序中设置，相应位 =1，为高优先级）； 同一优先级别的中断源按照自然优先级顺序确定优先 级别（硬件形成，无法改变）。中断允许ESET0EX0EX1ET1EA自然优先级高低优先控制PSPT0PX0PX1PT19 MCS-51的中断系统结

4、构图 IE0TCONSCONINT0 IT0=0 IT0=1INT1 IT1=0 IT1=1TF0 IE1TF1T0T1TIRITXDRXDESET0EX0EX1ET1EA自然优先级矢量地址高级中断请求自然优先级矢量地址低级中断请求PX0PT0PX1PT1PSIEIP中断标志位中断源允许总允许中断优先级作用：控制中断类型、中断的开关、中断的优先级TCON（6位）SCON（2位）IEIP 中断控制寄存器都是特殊功能寄存器，均可位寻址或字节寻址11TCON寄存器T0和T1控制寄存器 TF1 TF0 IE1 IT1 IE0 IT0TCON7654321012TF1/0：T1/0溢出中断标志 T1/0

5、启动计数后，计满溢出由硬件置位TF1/0=1，向CPU请求中断，此标志一直保持到CPU响应中断后，才由硬件自动清0。也可用软件查询该标志，并由软件清0。（演示） TF1 TF0 IE1 IT1 IE0 IT0TCON 88H76543210TCON寄存器T0和T1控制寄存器IE0/1：外部中断INT0/1中断标志位 IE0/11，外部中断0/1向CPU申请中断IT0/1：外部中断INT0/1触发方式控制位： IT0/1=0，电平触发方式 IT0/1=1, 下降沿触发方式13 TI (SCON.1)串行发送中断标志。 RI (SCON.0)串行接收中断标志。 TI RISCON寄存器串行口控制寄

6、存器SCON 98H7654321014硬件置1，软件清0IE寄存器中断允许寄存器 IE A8H EA ESET1EX1ET0EX0例：允许定时器T0中断：76543210 SETB EA SETB ET0 或 MOV IE，#82H15 51单片机有两个中断优先级高级和低级 相应位为1，对应的中断源被设置为高优先级 相应位为0，对应的中断源被设置为低优先级 系统复位时，均为低优先级 该寄存器可以位寻址 PSPT1PX1PT0PX0IP寄存器中断优先级寄存器 IP B8H 7654321016中断系统初始化对IE、IP、TCON、SCON中的控制位进行赋值开相应中断源的中断允许位设定所有中断源

7、的优先级若为外部中断，应规定中断触发方式中断处理过程分为三个阶段：中断响应、中断处理 和中断返回。中断响应中断处理(又称中断服务)中断返回中断响应中断返回三、中断处理过程1、中断响应条件在满足CPU的中断响应条件之后，CPU对中断源的中 断请求予以处理。中断响应条件：有中断请求开中断中断没有被屏蔽无同级或更高优先级中断正被服务当前指令周期已经结束若现行指令是RETI或访问IE/IP指令，则紧接着的另一条指令也已执行完。2、中断响应过程中断响应过程：1、将相应的优先级状态触发器置1（以阻断后来的同级或低级的中断请求）。2、执行一条硬件LCALL指令，即把程序计数器PC的内容压入堆栈保存，再将相应

8、的中断服务程序的入口地址送入PC。3、执行中断服务程序中断响应断点地址中断服务子程序的入口地址程序存储器ROM0000H：复位后，程序的入口地址(PC=0000H)0023H：串行口中断入口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002AH 使用时：通常在这些入口地址处存放一条跳转指令，使程序跳转到用户安排的中断服务程序起始地址上去！程序存储器ROM0000H：复位后，程序的入口地址(PC=0000H)0023H：串行口中断入口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001B

9、H：定时器1溢出中断入口002AH 包含T0中断服务子程序的程序结构：ORG 0000HAJMP MAINORG 000BHAJMP INTT0ORG 0100HMAIN: . . SJMP $INTT0: . . RETI END；（演示T0）AJMP MAINAJMP INTT03、中断响应时间某中断的响应时序如图：80C51的中断响应时间（从标志置1到进入相应的中断服务），至少要3个完整的机器周期。 4、中断处理中断服务程序从中断服务程序入口地址开始执行，直到返回指令RETI为止，这个过程称为中断处理（或中断服务）。INTT0：PUSH ACC PUSH DPH PUSH DPL PUS

10、H PSW 中断源服务 POP PSW POP DPL POP DPH POP ACC RETI保护现场恢复现场5、中断返回 RETI指令功能：把断点地址取出，送回到程序计数器PC中去。另外，它还通知中断系统已完成中断处理，将清除优先级状态触发器。 特别注意：不能用RET指令代替RETI指令！中断响应中断返回四、中断应用举例26程序结构27交通灯主程序28BGREENBGREENAGREEN中断服务子程序29#0F6HABRED课堂练习：1、请写出外部中断1为低电平触发，高优先级的中 断系统初始化程序。2、思考：当单片机应用需要处理多个外部中断事件 ，如何扩展外部中断源？1 解：采用位操作指令

11、：SETB EA SETB EX1 ；开外部中断1SETB PX1 ；令外部中断1高优先级CLR IT1 ；令外部中断1为电平触发采用字节操作指令：MOV IE，#84H；开外部中断1ORL IP，#04H；令外部中断1高优先级ANL TCON，#0FBH;令外部中断1为电平触发四种工作方式结构和工作原理控制寄存器应用举例一二三四第二节 定时/计数器一、定时/计数器的结构一、定时/计数器的工作原理 定时对内部时钟信号进行加1计数，每来一个机器周期，加1。主要用于定时、延时。计数对外部脉冲源计数，每来一个负跳变，加1。主要用于统计外部事件的个数。1. 定时控制寄存器（TCON）TF0、TF1：计

12、数溢出中断请求标志位。 TF0=1或TF1=1时计数溢出； TF0=0或TF1=0时计数未满。TR0、TR1：启/停控制位。 TR0=1或TR1=1，使T0或T1启动计数； TR0=0或TR1=0，使T0或T1停止计数。二、定时/计数器的控制寄存器TCON (88H)TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0T1和T0外部中断方式控制寄存器（TMOD）GATE门控选择位 ： =0，非门控方式，定时/计数器由内部软件启动： TRx=1，启动定时器工作； TRx=0，停止定时器工作。（x=0或1） =1，门控方式，定时/计数器由内、外部启动： TRx=1，同时必须引脚INTx=

13、1，才启动。二、定时/计数器的控制寄存器GATE C / T M1 M0 GATE C / T M1 M0TMOD (89H)T0T1常作为波特率发生器C/T： C/T =1，计数方式，对 T0、T1引脚输入的负 脉冲计数； C/T =0，定时方式，对机器周期计数。M1、M0：计数器工作方式选择位：三、定时/计数器的工作方式1、方式0 （M1M0=00）计数外部脉冲个数范围：18192 (213)定时时间范围 ：T8192T2、方式1（16位定时/计数器，M1M0=01 ）计数外部脉冲个数范围：165536(216)定时时间范围 ：T65536T3、方式2（自动再装入8位定时/计数器， M1M

14、0=10 ） 用于需要重复定时和计数的场合，多用作串口的波特率发生器。计数外部脉冲个数范围：1256(28)定时时间范围 ：T256T4、方式3（M1M0=11，仅适用于T0）T0分成两个8位定时/计数器TL0和TH0：TL0：既可计数也可定时，是一个8位定时/计数器。占 用了T0所有控制位： C/T,TR0,GATE,TF0和INT0、 T0引脚；TH0：只能作为定时器，因为T0已被TL0占用， TH0用 T1的控制位：TR1、TF1；T0在方式3时T1的工作模式四、定时/计数器的应用1、定时/计数器初始化若采用中断方式，则应设置IE初值= 最大计数值-所需计数值 定时/计数器T0工作于门控

15、计数方式，所需计数值=1，允许中断，使用工作方式2。进行初始化编程。例 11) T0定时/计数器工作于门控、计数、方式2， 可确定T0的GATE = 1, C/T = 1，M1M0=102）计数器位数n = 8，计数器初值：Count = 28-1 = 11111111B = FFH即，TH0 = FFH，TL0 = FFHMOV TMOD, #0EH ;设置T0工作于门控计数方式2MOV TL0, #0FFH ;计数器TL1赋初值FFHMOV TH0, #0FFH ;重装寄存器TH1赋初值FFHSETB ET0 ;T0开中断SETB EA ;CPU开中断SETB TR0 ;预启动T0 （当I

16、NT0输入高电平时启动）T0工作于方式2的初始化程序分析：周期为2ms的方波要求定时间隔为1ms，每次 时间到将P1.0取反。机器周期T=12/fosc=1s。 每个机器周期定时器计数加1，1ms=1000s， 定时器赋初值65536-1000=64536=0FC18H。 设单片机的fosc=12MHz，要求在P1.0引脚上输出周期为2ms的方波。用定时器1的方式1编程，采用中断方式。例 2-应用实例（1）汇编语言程序： ORG 0000H ;复位入口 AJMP START ORG 001BH ;T1中断服务程序入口地址 AJMP T1INT ORG 0030HSTART: MOV SP, #

17、60H ;初始化程序 MOV TMOD, #10H ;设置T1工作于定时方式1 MOV TH1, #0FCH ;设置加1计数器的计数初值高字节 MOV TL1, #18H ;设置加1计数器的计数初值低字节 SETB TR1 ;启动T1 SETB ET1 ;开T1中断 SETB EA ;开总允许中断MAIN: AJMP MAIN ;主程序T1INT: CPL P1.0 ;T1中断服务程序 MOV TH1, #0FCH MOV TL1, #18H RETI思考：若以方式2编程，该如何修改？尽管MCS-51为用户只提供了两个外部中断源，但用户可以根据实际需求，进行外部中断请求的扩展，如用定时器中断作

18、为外部中断的扩展。当引脚T0或T1上发生负跳变时，T0或T1计数器则加1。若设定计数初值为满量程，计数器加1，就会产生溢出中断请求，TF0或TF1变成了外部中断请求标志位，T0或T1的中断入口地址被扩展成了外部中断源的入口地址。2、采用定时/计数器扩展外部中断-扩展外部中断 设某用户系统中已使用了两个外部中断源，并置定时器T1工作在模式2，作串行口波特率发生器用。现要求再增加一个外部中断源，并由P1.0输出一个5KHz的方波。Fosc = 12MHz。例 3分析：目的：1) 增加一个外部中断； 2) 使P1.0输出一个方波。条件：1）两个外部中断源已被使用 2）定时器T1已用于串行口波特率发生

19、器 因此：可利用定时/计数器T0，使之工作在模式3， 1）利用TL0扩展外部中断源 2）利用TH0作定时器使用，输出方波 设置初值： 1) TL0 = 0FFH 2) 因为输出方波f = 5kHz，故方波周期为 200us，用TH0产生100us的定时，故TH0 的初值 X = 256 (定时时间/机器周期) = 256 - (100us*晶振频率/12） = 156设定T0工作方式，TMOD，TCON.程序： MOV TMOD,#27H;T0:模式3、计数，T1:模式2、定时 MOV TL0,#0FFH ;一旦加1，马上溢出，申请中断 MOV TH0,#156 ;TH0初值 MOV TH1,

20、#data ;根据波特率要求而定 MOV TL1, #data MOV TCON,#55H;01010101 MOV IE,#9FH ;开放全部中断 . ORG 000BHTL0INT：MOV TL0,#0FFH ;TL0重新赋值 RETI ORG 001BHTH0INT: MOV TH0,#156 ;TH0重新赋值 CPL P1.0 RETI 例：脉冲参数测量GATE功能的使用。 脉冲高电平（计数）长度值存于21H、20H中， 脉冲低电平长度存于23H、22H中。 电路连接如下图所示。解： 复习GATE的用法： GATE = 0时，TRi = 1，即可启动Ti定时 / 计数 GATE = 1

21、时，TRi = 1，且 =1，才启动定时 / 计数。89C51P3.2P3.31被测信号21a3T0计数T1计数 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 2000HMAIN:MOV TMOD,#99H ;T0、T1均工作在定时， ;模式1，GATE=1 MOV A,#00H ;T0、T1赋计数初值00H， ;定时最长时间为0000 65536 MOV TL0，A MOV TH0，A MOV TL1，A MOV TH1，A TEST0:JB P3.2,TEST0;检测是否到a点 SETB TR0 ;到a点,TR0 = 1,做好取计时值准备TEST1:JNB P3.2,TEST1;检测是否

22、到1点 SETB TR1;到1点T0计时,TR1 = 1,做好T1计时准备TEST2:JB P3.2,TEST2;检测是否到2点 CLR TR0 ;到2点,停止T0计时,T1开始计时 MOV 20H,TH0;保存T0计时结果 MOV 21H,TL0TEST3:JB P3.3,TEST3;检测是否到3点 CLR TR1 ;到3点，停止T1计数 MOV 22H,TH1;保存T1计数结果 MOV 23H,TL1 LCALL DISP SJMP 串行口的工作方式计算机串行通信基础89C51的串行口一二三第三节 串行口串行口应用四2并行通信和串行通信异步通信和同步通信串行通信的传输方向串行通信的传输速率

23、135一、计算机串行通信基础4串行通信的接口方式1、并行通信和串行通信 并行通信连线多，速度快，适合近距离通信；串行通信连线少，速度慢，适合远距离通信。 异步通信：以字符（构成的帧）为单位进行传输,字 符之间是异步的，同一字符内的各位是同步的。2、异步通信与同步通信同步通信：保持位同步也保持字符同步 外同步 自同步3、串行通信的传输方向 单工 半双工 全双工比特率波特率4、串行通信的传输速率Bits per second (bps)每秒钟调制信号变化的次数 波特率和比特率不总是相同的，对于将数字信号1或0直接用两种不同电压表示的所谓基带传输，比特率和波特率是相同的。所以，我们也经常用波特率表示

24、数据的传输速率 如每秒钟传送240个字符，而每个字符格式包含10位(1个起始位、1个停止位、8个数据位)，这时的比特率为：10位240个/秒 = 2400 bps 根据串行通信格式及约定（如同步方式、通信速率、数据块格式等）不同，形成了许多串行通信接口标准。UARTUSBI2CSPI5、串行通信接口种类CAN总线485总线289C51串口概述51串口的结构51串行接口寄存器13二、89C51串行口 Universal Asynchronous Receiver/Transmitter通用异步收发传输器 UART引脚四种工作方式波特率可设置TXD（P3.1）RXD（P3.0）帧格式有8、10、1

25、1位。1、 89C51的串行口概述 有两个物理上独立的接收、发送缓冲器SBUF，它们占用同一地址99H ；MOV SBUF, A ；发送数据到串口引脚 MOV A , SBUF ；接收数据2、 51串口的结构3、 MCS-51串行接口寄存器SBUFSCONPCON控制寄存器SCONSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI工作方式选择多机通信控制位允许串行接收位接收数据的第9位发送数据的第9位接收中断标志发送中断标志9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98HSM2置1，多机通信，用于方式2和方式3D81，地址帧D80，数据帧SM2置0，不属于多机通信电源及波特率选择寄存器PCONSMO

26、DXXXGF1GF0PDIDL串行通信只用该位，为1时，波特率2；为0时，波特率不变。69SM0 SM1工作方式功能波特率0 0方式08位同步移位寄存器fosc/120 1方式110位UART可变1 0方式211位UARTfosc/64或fosc/321 1方式311位UART可变三、串口的工作方式1、串口的工作方式0不适用于单片机之间的数据通信，可通过外接移位寄存器实现单片机的接口扩展。RXD为数据输入或输出TXD为移位时钟，作为外接部件的同步信号。收/发数据为8位低位在前，无起始位、奇偶校验位及停止位波特率是固定的。方式0真正用于串行发送或接收。TXD用于发送RXD用于接收收/发数据为10

27、位1位起始位、8位数据位（低位在前）、1位停止位波特率可调。方式12、串口的工作方式1第9位数据作为奇偶校验位或地址/数据标志位。每帧11位：即1位起始位、8位数据位（低位在前）、1位可编程的第9数据位和1位停止位。方式2和方式3方式2，波特率为fosc/32或fosc/64；方式3，波特率可调，同方式1。3、串口的工作方式2和方式3发送时，第9位（D8）数据装入TB8；MOV A ,DATAMOV TB8, CMOV SBUF, A接收时，第9位（D8）数据装入RB8；-串口自动完成D0D7 SBUFD8RB8RI =1743、串口的工作方式2和方式3方式1和方式3的波特率可变，由定时器1的

28、溢出率决定波特率/(b/s)fosc/MHzSMOD定时器1C/模式初始值方式0：1 M方式2：375 k方式1、3：62.5 k19.2 k9.6 k4.8 k2.4 k1.2 k137.5 k11011012121211.05911.05911.05911.05911.05911.9866121110000000000000000222222221FFHFDHFDHFAHF4HE8H1DH72HFEEBHT波特率=2方式0的同步应用双机串行通信PC与单片机的通信13四、串行口应用同步方式应用异步方式应用4多机通信1、同步方式应用(方式0) 用于扩展I/O口，外接74HC164（串入并出）或

29、165（并入串出）。RXD作为数据输入/输出端，TXD作为同步时钟信号，接至时钟端。 8位数据为1帧，由低位到高位，无起始位和停止位。 波特率： fosc/12例：用89C52串行口外接164串入/并出移位寄存器扩展8位并行输出口，外接165并入/串出移位寄存器扩展8位并行输入口。8位并行输出口的每位都接一个发光二极管，要求从8位并行输入口读入开关的状态值，使闭合开关对应的发光二极管点亮。同步方式应用举例ORG 0000HSJMP MAINORG 23HSJMP S_SRV ;串行口中断服务程序MAIN:MOV SCON,#10H ;串行口方式0初始化SETB ESSETB EAMOV A,#

30、0CLR P1.0;关闭并行输出MOV SBUF,A;开始串行输出SETB P1.1CLR P1.1SJMP $;等待中断汇编语言程序清单：S_SRV:JBC TI,SENDCLRRIMOV A,SBUFCLR P1.0CPL AMOV SBUF,ASETB P1.1CLR P1.1RETISEND:SETB P1.0RETI思考串口的方式0还可以有哪些同步应用呢？双机串行通信的硬件连接2、异步方式应用（双机串行通信）AT89S51串行口的输入、输出均为TTL电平。抗干扰性差，传输距离短，传输速率低。为提高串行通信的可靠性，增大串行通信的距离和提高传输速率，都采用标准串行接口，如RS-232、

31、RS-422A、RS-485等。TTL电平通信接口RS-422A双机通信接口RS-232C双机通信接口RS-485双机通信接口两个单片机相距在1.5m之内，甲机RXD与乙机TXD端相连。双机通信距离在1.515m之间传输速率低、通信距离短、接口处信号容易产生串扰等双机串行通信接口能在长距离、高速率下传输数据。最大传输率为10Mbit/s，电缆允许长度为12m，如果采用较低传输速率时，最大传输距离可达1219m。RS-422A为全双工，采用两对平衡差分信号线；需四芯传输线，不经济；与RS-422A一样，最大传输距离约为1219m，最大传输速率为10Mbit/s。 RS-485为半双工，采用一对平

32、衡差分信号线。双绞线传输对于多站互连是十分方便的，很容易实现多机通信。比较分析四种双机串行通信接口图确定通信的波特率首先确定通信双方的数据传输速率由数据传输速率确定采用的串行通信接口标准确定收发双方使用的通信协议1234串行通信设计需要考虑的问题通信线的选择，一般选用双绞线较好5通信软件编程6双机通信应用举例（方式2）用第9个数据位作奇偶校验位， 编制串行口方式2的发送程序。例：设计一个发送程序，将片内RAM 50H5FH中的数据串行发送；串行口设定为方式2状态，TB8作奇偶校验位，采用偶校验。P取反校验位奇校验偶校验收到奇数个1，正确收到偶数个1，错误发送方接收方奇偶校验 P校验位收到奇数个

33、1，错误收到偶数个1，正确串行口初始化地址指针R0长度计数器R7置初值取数据APTB8ASBUFTI =1?0TI,指针R0+1(R7)-1=0?返回YYNN程序流程图TRT: MOV SCON, #80H ; 方式2设定MOV PCON, #80H ; 波特率=fosc/32MOV R0, #50H ; 首地址R0 MOV R7, #10H ; 数据长度LOOP:MOV A, R0 ; 取数据 MOV C, PSW.0 ; PTB8MOV TB8, CMOV SBUF, A ;数据SBUF,启动发送WAIT: JBC TI, CONT ;判断发送中断标志SJMP WAITCONT: INC

34、R0DJNZ R7, LOOPRET90请设计单片机发送程序，通过89C51单片机的串口发送片内RAM 40H-6FH中的数据；串行口设定为方式3状态，TB8作奇偶校验位，采用奇校验。要求传送码率为2400b/s，fosc=11.059MHz。双机通信应用举例（方式3）TRT:MOV TMOD, #20H; MOV TL1, #0F4H;MOV TH1, #0F4H;SETB TR1;MOV SCON, #0D0H）（或0C0H) ；MOV PCON, #00H MOV R0,#40H ;首地址R0 MOV R7, #20H ;数据长度LOOP: MOV A,R0 ;取数据MOV C, PSW

35、.0 ;PTB8CPL C MOV TB8, CMOV SBUF, A ;数据SBUF,启动发送WAIT: JBC TI, CONT ;判断发送中断标志SJMP WAITCONT: INC R0DJNZ R7, LOOPRET思考请写上以上例题对应的串口接收程序。3、PC机与单片机的串行通信C1+C1-C2+C2-AT88C51GNDGNDIBM-PCTXDTXDRXDRXDT1outT1inR1inR1outGNDV+V-VCCMAX232C4C1C2C3C5+5V+单片机与PC机之间的电平规范不一致，需进行电平转换，短距离双机通信时可通过MAX232进行电平转换。串口调试助手：可测试单片机串口通信的要求编写PC机上的上位机软件。开发串行通信程序主要有两种方法，一种是利用Windows的API函数；另一种是采用VB或VC的通信控件MSComm利用API函数编写串行通信程序较为复杂，需要掌握大量的通信知识，其优点是可实现的功能更丰富、应用面更广泛，适合于编写较为复杂的低层次通信程序。而MSComm通信控件提供了标准的事件处理函数、事件、方法，并通过控件属性对串口参数进行设置，比较容易地解决了串口通信问题。 PC机串行通信设计964、异步通信应用（