第2章单片机系统组成原理

第2章

单片机系统组成原理2.1MCS-51单片机组成原理2.2单片机复位电路设计2.3MCS-51存储器配置2.4定时器/计数器2.5中断系统

2.1

MCS-51单片机组成原理

MCS-51单片机的组成：1.

8位CPU2.片内ROM/EPROM、RAM3.片内并行I/O接口4.片内16位定时器/计数器5.片内中断处理系统6.片内全双工串行I/O口不同型号MCS-51单片机CPU处理能力和指令系统完全兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。MCS-51单片机结构2.2

MCS-51单片机引脚1．I/O口线功能4个8位并行I/O接口引脚P0.0～P0.7、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7和P3.0～P3.7为多功能引脚，可自动切换用作数据总线、地址总线、控制总线和或I/O接口外部引脚2．控制线ALE：地址锁存允许信号端PSEN：外部程序存储器读选通信号端EA/VPP：程序存储器选择信号端和编程电源输入端复位：

RST/VPD：复位信号端和后备电源输入端。输入10ms以上高电平脉冲，单片机复位。VPD使用后备电源，可实现掉电保护。电源工作电源：VCC、VSS、

复位电路： 1）上电复位 2）外部信号复位单片机RSTK+5V200Ω1K30μF时钟时钟频率:范围要求在1.2MHz～12MHz之间。一般从外部振荡器输入时钟信号。机器周期:完成一个基本操作所需要的时间。一个机器周期由12个时钟周期组成。指令周期:一条指令的执行时间。以机器周期为单位：单周期、双周期和四周期指令。思考题：设应用单片机晶振频率为12MHz，问机器周期为多少？指令周期分别为多少？XTAL1

单片机

XTAL20000HFFFFH0000HFFFFHROM内RAM外RAM00HFFH寄存器区位寻址区数据缓冲区SFR20H30H80HE0HA2.3

MCS-51寄存器配置物理上4个存储器地址空间：片内/片外程序存储器空间片内/片外数据存储器空间逻辑上3个存储器地址空间：64KB程序存储器256B片内数据存储器64KB片外数据存储器一、物理空间与地址二、程序和数据存储器逻辑空间普林斯顿结构：程序和数据共用一个存储器逻辑空间，统一编址。哈佛结构：程序与数据分为两个独立存储器逻辑空间，分开编址。三、片内RAM寄存器MCS-51的寄存器在片内RAM都有映像地址。使用时，既可用寄存器名，也可用对应单元地址。1.片内RAM工作寄存器区：字节地址：00H～1FH位寻址区：字节地址：20H～2FH位地址为：00H～7FH数据缓冲区/堆栈区：字节地址：00H～7FH一般使用30H～7FH2.特殊功能寄存器SFR占用字节地址：80H～FFH位寻址寄存器：其字节地址可被8整除。专用寄存器：A、B、PSW、DPTR、SPI/O接口寄存器：

P0、P1、P2、P3、SBUF、TMOD、TCON、SCON…

实质是计数器，脉冲每一次下降沿，计数寄存器数值将加1。计数的脉冲如果来源于单片机内部的晶振,由于其周期极为准确，这时称为定时器。计数的脉冲如果来源于单片机外部的引脚，由于其周期一般不准确，这时称为计数器。

8031有2个可独立控制的16位定时器/计数器：T0、T1。+1计数器溢出中断脉冲控制开关2.4

MCS-51定时器/计数器

2.4.1MCS-51计数/定时器的原理定时器控制、状态寄存器1)TMOD定时器方式寄存器（89H）1）功能选择位C/T：=0，定时功能，计数内部机器周期脉冲；=1，计数功能，计数引脚T0(T1)输入的负脉冲。2）方式选择位M1、M0：3）门控方式选择位GATE

计数器启动方式的选择确定定时器工作方式指令：

MOVTMOD，#方式字例：设T0用方式2非门控定时，T1用方式1门控计数。

MOVTMOD，#0D2H;11010010B

T1T02.4.2

定时器工作方式由方式选择位M1、M0设定一、

方式013位定时/计数器。THx8位和TLx低5位组成13位加1计数器，此种方式与MCS－48系列兼容，如果不是为了兼容的目的，一般不用方式0.方式0的全部功能，方式1都可以代替。二、

方式116位定时/计数器。THx8位和TLx8位组成16位加1计数器最大计数脉冲个数：1～65536(216)，最长定时时间(晶振12MHzT=1s)：1s～65536×T=65.54ms非门控方式：当GATE＝0,

控制权由TRx决定

TRx＝1计数开始

TRx＝0计数停止门控方式：当GATE＝1、TRx＝1

控制权由INTx决定

INTx＝1计数开始

INTx＝0计数停止启动计数方式：三、

方式2

用于需要重复定时和计数的场合。最大计数值：256(28)最大定时时间(晶振12MHz时T=1s)：256s自动恢复初值8位定时/计数器。TLx为8位加1计数器，THx为8位初值暂存器。四、方式3

T0分成2个8位定时器：TL0定时/计数器和TH0定时器TL0占用T0控制位：C/T，TR0，GATE；TH0占用T1控制位：TR1。T1不能使用方式3工作2.4.3

计算时间常数X(计算初值)计数功能：X=2n-计数值n：8/13/16定时功能：X=2n-t/Tt：定时时间（s）T：机器周期 ＝12/晶振频率如：晶振为12MHz时，T＝12/12MHz＝12÷（12×10-6）（秒）＝1×10-6＝1us一、

MCS-51定时器的应用定时器初始化编程：使用定时器工作之前，先写入控制寄存器，确定好定时器工作方式。初始化编程格式：MOVTMOD，#方式字；选择方式MOVTHx，#XH ；装入Tx时间常数MOVTLx，#XLSETBEA ；开Tx中断SETBETxSETBTRx ；启动Tx定时器。

例：由P1.0输出方波信号，周期为2ms，设fosc=12MHz。2ms解：每隔1ms改变一次P1.0的输出状态，即形成方波，用T0非门控方式1定时。计算时间常数：X=216-t/T=216–(/1000)/10-6=65536-1000=64536=FC18H

ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH；T0中断硬件入口地址

AJMP PT0INT；跳到中断服务程序

ORG 0030H

MAIN： MOV TMOD，#01H；中断方式

MOV TL0，#18H；计数初值

MOV TH0，#0FCH SETB EA；开放总中断

SETB ET0；开放T0中断

SETB TR0；启动定时器

HERE： SJMP HERE；等待中断，相当于执行其它任务

PT0INT： MOV TL0，#18H;中断服务程序；置初值

MOV TH0，#0FCH CPL P1.0；取反，产生方波

RETI；中断返回例

P1.7驱动LED亮1秒灭1秒地闪烁，设时钟频率为12MHz。

长定时方法：增加一个软件计数器（如R7)，记录中断次数，计满n个中断为1秒。

ORG 0000H AJMP MAIN ORG 001BH AJMP PT1INT ORG 0030HSTART：MOVR7,#00H

MOVTMOD，#10H MOVTL1，#0F0H MOVTH1，#0D8HSETB EA SETB ET1 SETB TR1HERE：SJMPHEREPT1INT:MOVTL1，#0F0H MOVTH1，#0D8H INCR7CJNER7,#10,PENDMOVR7,#00HCPLP1.7PEND:RETI例

定时器外部引脚T0(T1)用作外部中断信号输入端。外部负脉冲引起中断请求，选计数方式，时间常数为FFH。

例：门控方式测量正脉冲宽度

解：INT1引脚输入被检测信号，记录在正脉冲的时间内包含机器脉冲个数。

设脉宽小于65.5ms

等待查询INT0，正脉冲过后，读出TH1TL1。START： MOVTMOD，#90H MOVTL1，#00H MOVTH1，#00HWAIT1： JB P3.3，WAIT1 SETBTR1WAIT2：JNB P3.3，WAIT2WAIT3：JB P3.3，WAIT3 CLR TR1 MOV R2，TL1 MOV R3，TH1 …TR1=1 T1启动TR1=0 T1停止INT1一、中断系统——重要指标日常生活中的中断与计算机中断的比较：

某人看书 执行主程序 日常事务电话铃响 中断信号如INT=0 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 保护断点电话谈话 执行中断程序 中断服务继续看书 返回主程序 中断返回日常事务程序中断服务程序2.5中断系统

2.5.1

中断概念

所谓“中断”，是指CPU执行正常程序时，系统中出现特殊请求，CPU暂时中止当前的程序，转去处理更紧急的事件，处理完毕后，CPU返回原程序的过程。中断与子程序的最主要区别：子程序是预先安排好的；中断是随机发生的。二、中断的定义，与子程序的区别三、MCS-51中断系统内部结构2.5.2

中断系统控制

一、中断控制寄存器1.中断标志位：TF1、TF0、IE1、IE0、RI、TI登记各中断源请求信号：=1，有中断请求；=0，无中断请求。CPU响应中断后,该中断标志自动清零。TI，RI标志必须软件清零。2.外部中断触发方式选择位：IT0、IT1=1：负边沿触发中断请求；=0：低电平触发中断请求。二、

中断允许寄存器

中断允许控制位：EA、ES、ET1、EX1、ET0、EX0=1开中断；=0关中断。例：允许CPU响应INT0的中断请求

SETBEX0 SETBEA 三、

中断优先寄存器中断优先级控制位：PS、PT1、PX1、PT0、PX02级优先级：=1为高优先级，=0为低优先级。同一优先级别按内部查询顺序排列优先级：高INT0、T0、INT1、T1、SIO低。2.5.3

中断响应和中断返回

一、中断响应周期时序

每个机器周期采样中断标志位，若有中断请求，将在下一个机器周期按优先级顺序进行中断查询。

二、各中断源中断服务程序的入口地址

三、中断响应阻断

1.当CPU未执行完一条指令。2．当有同级或高级中断服务。3．执行RETI指令或访问IE、IP的指令后，不能立即响应中断。

四、中断返回中断返回指令：RETI=RET指令+通知CPU中断服务已结束。中断响应时间：正常中断响应时间至少为3～8个机器周期，如果有同级或高级中断服务，将延长中断响应时间。2.5.4

中断处理过程（基本理解的要求）一、中断响应条件1．有中断请求信号2.系统处于开中断状态二、中断响应过程1．保护断点：将断点地址压入堆栈保存，即当前PC值入栈。2．寻找中断源：中断服务程序硬件入口®PC，转入中断服务。3．中断处理：执行中断源所要求的程序处理段。4．中断返回：执行RETI指令，栈顶内容®PC，程序跳转回断点处。

2.5.5

多中断源系统当外部中断源多于中断输入引脚时，可采取以下措施：1.用定时器计数输入信号端T0、T1作外部中断入口引脚2.用串行口接收端RXD作外部中断入口引脚3.用一个中断入口接受多个外部中断源，并加入中断查询电路。

2.5.6

处理外部中断举例要求每次按动按键，使外接发光二极管LED改变一次亮灭状态。解：INT0输入按键信号，P1.0输出改变LED状态。一、跳变触发：每次跳变引起一次中断请求

ORG 0000H

AJMPMAIN ORG 0003H ；中断入口 AJMP PINT0 ORG 0100H ；主程序MAIN：SETB EA ；开总允许开关

SETB EX0 ；开INT0中断

SETB IT0；负跳变触发中断Here：SJMP Here；相当于执行其