第4章 C51单片机的内部资源

第4章C51单片机的内部资源

重点及难点 单片机中断和定时与单片机通信的基本概念、单片机的中断系统、单片机的定时/计数器、单片机外部中断源的扩展、数据传递的方式、串行通信控制寄存器、MCS-51串行通信工作方式及其应用。

基本要求1．掌握单片机中断和定时与单片机通信的基本概念

2．掌握单片机的中断源、中断控制、中断响应过程的基本概念及单片机中断系统的功能和使用方法

3．掌握单片机的定时/计数器的初值计算、工作方式控制寄存器的初始化、程序的设计方法和步骤

4．串行通信的基本方式、数据传送的次序、串行通信控制寄存器的每一位的定义、串行通信的四种工作方式

5．了解单片机外部中断源扩展的常用方法和步骤

教学内容1．中断系统2．定时/计数器3．串行通信接口

输入/输出控制方式4.1中断系统4.2定时/计数器4.3串行通信接口4.44.1输入/输出控制方式

输入和输出设备（简称I/O设备）是微机系统的重要组成部分。

4.1.1程序控制方式

1．无条件传送方式

2．程序查询方式

图4-1程序查询方式的流程图

4.1.2中断控制方式

1．中断的概念 所谓中断是指CPU在正常运行程序时，由于CPU以及某一事件的发生（例如一个电平的变化、一个脉冲沿的产生或定时/计数器溢出等），引起了CPU中断正在运行的程序，而转去执行预先安排的该事件服务程序。

图4-2中断流程示意图

图4-3中断嵌套流程图

2．中断传送方式（1）中断请求（2）中断优先权判别 ①软件判优 ②硬件判优

（3）中断响应（4）中断处理（5）中断返回4.2中断系统

4.2.1中断的基本概念 实现中断功能的硬件系统和软件系统称为中断系统，中断系统是计算机的重要组成部分。

中断系统需要解决以下几个基本问题。

1．中断源

2．中断响应与返回

3．优先级控制

4.2.2中断源 中断源指引起正在执行的程序中断，转而执行中断服务程序的设备或事件。中断源可分为硬中断、软中断。

图4-4单片机中断系统结构图

1．外部中断

2．内部中断

4.2.3中断入口地址

CPU响应某个中断事件时，将会自动转入固定的地址执行中断服务程序，单片机各个中断源的中断入口地址如表4-2所示。

4.2.4中断控制

1．定时/计数器控制寄存器（TCON） 定时/计数器控制寄存器的字节地址为88H，可进行位寻址。其格式如下所示：

2．中断允许控制寄存器（IE）

C51单片机中没有专设的开中断和关中断指令，对各中断源的中断开放或关闭是由内部中断允许寄存器（IE）的各位来控制的，如果允许该中断源中断则该位置1，禁止中断则该位置0。它的字节地址为A8H，可进行位寻址。IE各位的定义如下所示：

3．中断优先级控制寄存器（IP）

C51单片机的中断源有两个可控的中断优先级，从而可实现二级中断嵌套。中断系统遵循如下3条规则。

（1）低优先级中断请求不能打断高优先级的中断服务；但高优先级中断可以中断低优先级的中断服务，从而实现中断嵌套。

（2）如果一个中断请求已被响应，则同级的其他中断服务将被禁止，即同级不能嵌套。

（3）如果同级的多个中断请求同时出现，则按CPU查询次序确定哪个中断请求被响应。

4．串行口控制寄存器（SCON） 串行口控制寄存器的字节地址为98H，可进行位寻址。SCON各位的定义如下所示：

5．中断控制寄存器汇总 中断控制寄存器汇总如表4-4所示。

4.2.5中断响应

1．中断响应的条件 如有中断请求，且满足下列条件，则在下一个机器周期的S1期间响应中断，否则将丢弃中断采样的结果。

（1）无同级或高级中断正在处理。（2）现行指令执行到最后1个机器周期且已结束。（3）若现行指令为RETI或访问IE、IP的指令时，执行完该指令且紧随其后的另一条指令也已执行完毕。

如有下列情况之一，则中断采样的结果被取消。

（1）CPU正在处理同级或高级优先级的中断。（2）现行的机器周期不是所执行指令的最后一个机器周期。（3）正在执行的指令是RETI或访问IE、IP指令。

2．中断响应过程

CPU响应中断后，由硬件自动执行如下的功能操作。

（1）根据中断请求源的优先级高低，对相应的优先级状态触发器置1。（2）保护断点，即把程序计数器PC的内容压入堆栈保存。

（3）清内部硬件可清除的中断请求标志位（IE0、IE1、TF0、TF1）。（4）把被响应的中断服务程序入口地址送入PC，从而转入相应的中断服务程序执行。

图4-5中断服务流程

3．中断响应时间

所谓中断响应时间是指CPU检测到中断请求信号到转入中断服务程序入口所需要的机器周期数。了解中断响应时间对设计实时测控应用系统有重要指导意义。

4．中断请求的撤销

CPU响应中断后，应撤除该中断请求标志，否则会再次引起中断。

5．寄存器组切换 上下文切换一般包括两个进栈指令和一个简单的位变化指令，最坏的情况是要保存DPH和DPL寄存器。

寄存器组切换，在汇编语言中由编程者选择。但对混合语言编程的连接器，汇编程序使用的组可被特定，因而连接器不能像普通存储器那样分配寄存器组。在C51中，寄存器组选择取决于特定的编译器指令。

4.2.6中断的程序设计 用户对中断的控制和管理，实际是对4个与中断有关的寄存器IE、TCON、IP、SCON进行控制或管理。这几个寄存器在单片机复位时是清零的，因此必须根据需要对这几个寄存器的有关位进行预置。

在中断程序的编写中应注意以下几点：（1）采用开中断总控开关EA置位中断源的中断允许位；（2）对外部中断、应选择中断触发方式；

（3）对于多个中断源中断，应设定中断优先级和预置IP；

（4）编写中断服务程序应注意保护现场和恢复现场，以免中断返回时丢失原寄存器、累加器中的信息；

（5）若要在执行当前中断程序时禁止更高优先级中断，可以采用软件关CPU中断或禁止某中断源中断，在中断返回前再开放中断。

图4-6中断编程实例图4.3定时/计数器

51系列单片机内部有两个十六位定时/计数器：定时器0（T0）和定时器1（T1）。定时/计数器实际上是16位加1计数器。

对于定时器/计数器来说，不管是独立的定时器芯片还是单片机内的定时器，大都具有以下特点：（1）定时/计数器有多种方式，可以是计数方式也可以是定时方式。

（2）定时/计数器的计数值是可变的，当然计数的最大值是有限的，这取决于计数器的位数。计数的最大值也就限定了定时的最大值。

（3）在到达设定的定时或计数值时发出中断申请，以便实现定时控制。

1．定时工作方式

2．计数工作方式

4.3.1定时/计数器的控制寄存器 定时/计数器具有两个控制寄存器：定时/计数器控制TCON（88H）和定时/计数器工作模式寄存器TMOD（89H）。

1．计数寄存器TH和TL 2．定时/计数器控制寄存器（TCON）

3．定时/计数器方式控制寄存器（TMOD）

4.3.2定时/计数器的工作方式

1．工作方式0（1）电路逻辑结构

图4-7定时/计数器方式0的逻辑结构

（2）定时和计数应用

2．工作方式1（1）电路逻辑结构

图4-8定时/计数器方式1的逻辑结构

（2）定时和计数应用

3．工作方式2（1）电路逻辑结构

图4-9定时/计数器方式2的逻辑结构

（2）定时和计数应用

4．工作方式3

在工作方式3下，定时/计数器0被拆成两个独立的8位计数器TL0和TH0。其中TL0既可以计数使用，又可以定时使用，定时/计数器0的各控制位和引脚信号全归它使用。

在方式3下，T0、T1的设置和使用是不同的。（1）T0方式3

图4-10定时/计数器方式3的逻辑结构

（2）T0方式3下的T1

4.3.3定时/计数器的应用实例 在实时系统中，定时通常使用定时器，这与软件循环的定时完全不同，尽管两者最终都依赖系统的时钟。在定时器计数时，其他事件可继续进行，软件定时不允许任何事情发生。4.4串行通信接口

4.4.1串行通信基础知识

1．数据通信的基本概念 通信是指CPU与外围设备之间的数据传送、转换和处理。数据通信方式有两种：并行数据通信和串行数据通信，如图4-11所示。

图4-11通信的两种基本方式(a)并行通信；(b)串行通信

2．异步通信和同步通信（1）异步通信

图4-12串行异步传送的字符格式（a）字符格式；（b）有空闲位的字符格式

（2）同步通信

图4-13串行同步传送的字符格式

3．串行通信的数据通路形式（1）单工（Simplex）形式。（2）全双工（Full-duplex）形式。（3）半双工（Half-duplex）形式。

图4-14串行通信数据传送的三种方式（a）单工方式；（b）半双工方式；（c）全双工方式

4．串行接口的基本任务 在串行传输中，通信的双方都按通信协议进行。所谓通信协议就是通信双方必须共同遵守的一种约定，约定包括数据的格式、同步的方式、传送的步骤、检纠错方式及控制字符的定义等。

串行接口的基本任务主要包括以下几个方面。（1）实现数据格式化（2）进行串、并转换（3）控制数据的传输速率（4）进行传送错误检测

5．波特率和接收/发送时钟（1）波特率的概念（2）接收/发送时钟

4.4.2C51串行接口

C51单片机有一个可编程的全双工异步串行通信接口，它可作UART用，也可作同步移位寄存器，其帧格式可有8位、10位或11位，并能设置各种波特率，给使用者带来很大的设计灵活性。

1．串行口寄存器结构 串行接口主要由发送数据缓冲器、发送控制器、输出控制门、接收数据缓冲器、接收控制器、输入移位寄存器、波特率发生器T1等组成。

串行口中还有两个特殊功能寄存器SCON、PCON。

2．串行接口控制（1）数据缓冲器（SBUF）（2）串行控制寄存器（SCON）（3）电源控制寄存器（PCON）

3．串行接口的工作方式（1）方式0

图4-15串口方式0通信时序（a）发送时序（b）接收时序

（2）方式1

图4-16串口方式1通信时序（a）发送时序（b）接收时序

（3）方式2和方式3

图4-17串口方式2、3通信时序（