单片微机2章教材

微型计算机技术与应用70课堂学时+18实验学时第2章51系列单片机系统结构2.1总体结构2.2存储器组织2.3时钟、时钟电路、CPU计时2.4复位和复位电路2.5中断系统2.651指令系统2.1总体结构2.1.151系列单片机一般结构

图2-1

一、内部结构二、引脚功能（1）引脚功能(2)芯片封装图2-3-1图2-3◆振荡电容的取值范围P35

◆晶振电路连接P35(3)晶振电路及XTAL１、XTALＬ２的连接2.增强型MCS-51内核主流芯片表2-1增强型MCS-51主流芯片性能指标

表2-1增强型MCS-51主流芯片性能指标

2.1内部结构和引脚功能2.1.1内部结构图2-1增强型MCS-51CPU内部结构2.1.2引脚功能图2-2增强型MCS-51CPU常见封装形式引脚排列(a) DIP封装；(b) PLCC封装；(c) PQFP封装图2-3增强型MCS-51CPU引脚逻辑符号表2-2引脚功能

表2-2引脚功能

表2-2引脚功能

图2-4增强型MCS-51振荡电路及连接(4)引脚逻辑符号图2-4-1

2.1.289C52总体结构图2-22.2存储器组织程序存储器

数据存储器结构：51系列单片机存储器结构如图2-5特点:有存储容器，每个容器有地址*数据存储器和程序存储器地址空间重叠,64K*外部程序存储器用PSEN信号选通，外部数据存储器用RD和WR信号选通

*片内数据存储器和片外数据存储器地址空间重叠。用MOV和MOVX区分*片内数据存储器用MOV指令读写，此时外部数据存储器的RD和WR信号无效*片外数据存储器用MOVX指令读写。2.2.1程序存储器

*程序存储器地址空间64K

*片内程序存储器和片外程序存储器要统一编址

*外部程序存储器选择引脚EA用法

如果EA引脚为高电平，且程序计数器PC小于等于片内ROM的地址空间时，将从片内程序存储器取指令,而当PC超出片内ROM地址空间时，自动到外部程序存储器取指令

*如果EA/VPP引脚为低电平，一律从外部

程序存储器取指令定时器0中断服务程序入口地址 000BH外部中断1服务程序入口地址 0013H定时器1中断服务程序入口地址 001BH串行口中断服务程序入口地址 0023H定时器2中断服务程序入口地址 002BH系统复位 0000H外部中断0服务程序入口地址 0003H

*增强型MCS-51系列单片机留给系统使用的程序存储器地址空间如下：

图2-62.2.2内部RAM数据存储器8XC51系列片内RAM128字节8XC52系列片内RAM256字节图2-7一、片内RAM（1）工作寄存器区表2-1

工作寄存器区选择表2-2（2）位寻址区（3）内部用户区或堆栈区2.2.3特殊功能寄存器（1）累加器Acc地址E0H（2）B寄存器地址F0H

特殊功能寄存器与高128字节的RAM地址重叠

只能通过寄存器间接寻址方式读写高128字节的RAM

只能通过直接寻址方式读写特殊功能寄存器表2-2-1表2-‘Cy：进位标志AC：辅助进位标志OV:溢出标志P:奇偶标志F0：用户标志位（3）程序状态字寄存器PSW地址DOHPSW.1：保留位提示：可按位寻址（4）堆栈指针SP（地址81H）

堆栈指针SP指示最后进入堆栈的数据所在存储单元的地址(栈顶的位置)例：假设SP当前值为2FH，分析入堆栈指令“PUSHB”(将寄存器B内容压入堆栈)的执行过程图2-7-2例：分析出堆栈指令“POPB”(将寄存器B内容弹出堆栈)的执行过程图2-7-3SP寄存器的初值为07H，占用工作寄存器区，必须通过数据传送指令重新设置SP的初值，将堆栈底部设在30H～7FH涉及入栈出栈操作的指令有：PUSHdirect ;将内部RAM单元压入堆栈中POPdirect;从堆栈中将数据弹入内部RAM单元中（5）数据指针DPTR

是一个16位的专用寄存器，由DPH(数据指针高8位)和DPL(数据指针低8位)组成，用于存放外部数据存储器的存储单元地址。例如，可用如下指令将累加器A的内容传送到外部数据存储器的107FH单元中：

MOVDPTR,#107FH;将外部数据存储地址传送到DPTR寄存器MOVX@DPTR,A

为方便外部RAM之间的传送，增强51采用双数据指针DPTR0和DPTR1

由辅助功能寄存器AUXR1控制

①辅助功能寄存器AUXR1

②辅助功能寄存器AUXR图2-7-4图2-7-5（6）I/O端口寄存器P0～P3是对应的I/O端口锁存器，用于锁存通过端口输出的数据。（7）PC16位地址寄存器。存放当前指令码的地址，PC本身没有物理地址。（8）定时/计数器单元包含的寄存器TMOD，TCON，T2CON，T2MOD，TH0，TL0（9）中断单元包含的寄存器IE、IP（10）串行通讯单元包含的寄存器SCON，SBUN，PCON等2.2.4位寻址区MCS-51系列单片机既是8位机，同时也是一个功能完善的一位机。

作为一位机时，它有自己的CPU、位存储区(位于内部RAM的20H～2FH单元)、位寄存器，如将进位标志Cy作为“位累加器”，以及具有完整的位操作指令。2.2.5内部数据存储器之间的数据传送及寻址方式(1)00H～7FH低128字节,可以通过直接寻址方式或寄存器间接寻址方式读写(2)内部RAM(80H～FFH高128字节)的访问用寄存器间接寻址方式访问(3)特殊功能寄存器只能使用直接寻址方式访问

对于位存储器(即20H～2FH单元中的128个位)，只能使用直接寻址方式确定操作数所在的存储单元。2.2.6外部数据存储器

单片机(MCU)通过P0、P2口最多可以连接64KB的外部数据存储器

一、89C52时钟电路图2-8（1）波形2.3时钟、时钟电路、CPU定时（2）PD作用（3）CMOS单片机外部时钟输入电路图2-9二、CPU定时技术术语：图2-8图2-9振荡周期T，也就是时钟周期，它是输入时钟信号频率fOSC的倒数

T=1/fOSC状态周期，即CPU从一个状态转换到另一状态所需的时间。在MCS-51中，一个状态周期由两个时钟周期组成。机器周期Tｔ，是单片机完成一个基本操作所需的时间。在51系列单片机中，一个机器周期由12(或6)个时钟周期组成。（1）89C52CPU定时图2-10（2）W77E58等单片机的CPU定时图2-11ab2.4复位和复位电路复位的目的：将CPU和单片机其他部件置成一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。复位包括：上电复位和运行中复位。复位引脚：

RST

◆

RST引脚高电平有效◆

高电平宽度不能少于2个机器周期51系列单片机复位条件：

51系列单片机复位过程：

RST引脚输入2个机器周期以上高电平——》单片机复位——》RST引脚回复低电平——》机器脱离复位状态，进入取指周期。（PC=0000H）

2.4.089C52复位后内部寄存器状态表2-62.4.1外部复位

一、上电自动复位

图2-12二、人工手动复位

2.4.2单片机内部复位

由单片机内部的看门狗电路复位

2.4.3系统复位

图2-13注意：复位不改变内部RAM单元内容ab2.5

中断系统2.5.1中断概念1.为什么要使用中断？2.中断特点◆CPU利用率高◆

能同时与多个外设进行数据交换——只要适当安排多个中断优先级,以及同优先级中断(源)的查询顺序即可。3.中断源

在计算机控制系统中，把引起中断的事件称为中断源。常见的中断源有：*外部中断，如CPU某些特定引脚电平变化引起的中断*各类定时/计数器溢出中断*串行发送结束请求中断*串行接收有效请求中断。*电源掉电中断。4.中断优先级

解决多个中断请求同时有效时，先响应哪一中断问题。5.中断开关(禁止或允许中断)

为避免某一处理过程被中断，中断控制器给每一个中断源都设置了一个中断请求屏蔽位，用于禁止或允许相应中断源的中断请求传送到CPU6.中断处理过程中断何时被查询—CPU何时查询中断标志？中断何时被响应—CPU在什么情况下响应中断请求？中断发生后，中断响应的过程—用几个机器周期完成?2.5.289C52中断控制系统MCS-51系列中断控制器可管理5个中断源（共分2个中断优先级）。

增强型MCS-51系列（如89C52）中断控制器可管理6个中断源（共分4个中断优先级）。一、89C52中断系统结构图2-15图2-15（1）6个中断源（2）相应中断标志二、89C52的6个中断源和相应标志CPU在每个机器周期的S5P2拍，采样各中断源，发现某一中断有效时，置“1”相应中断标志。6个中断源对应8个中断标志：*外部中断0中断标志IE0

*定时器T0中断标志TF0*串行接收结束中断标志RI*串行发送结束中断标志TI*外部中断1中断标志IE1*定时器T1中断标志TF1*外部触发中断标志

EXF2*定时器T2溢出中断标志TF28个中断标志存放在TCON、TCON2（定时/计数控制寄存器）和SCON（串行口控制寄存器）中。图2-15-1图2-15-3图2-15-2三、中断控制1.中断允许控制寄存器IE图2-15-4

由于IE寄存器具有按位寻址功能，因此可通过位操作指令，允许或禁止其中的任一中断，如：SETBEA ;开中断SETBEX0 ;允许ITN0中断CLRES ;禁止串行口中断

标准MCS-51内核CPU只有两个中断优先级，由IP寄存器控制；

标准MCS-51中断优先级控制寄存器IP各位含义如图2-15-5所示。2.中断优先级控制寄存器IP

增强型MCS-51内核CPU有四个中断优先级，由中断优先级寄存器IP和IPH控制

IPH的含义如图2-15-6优先级由IP和IPH对应位编码决定IPH.XIP.X优先级000级（优先级最低）011级102级113级当IPH为XX000000B时，IP决定优先级3.硬件查询顺序MCS-51约定当同一优先级中断请求有效时，CPU响应顺序为：中断号外中断INT00定时/计数器T0溢出中断1外中断INT12定时/计数器T1溢出中断3串行口中断4定时/计数器T2溢出中断52.5.3外部中断触发方式*负电平触发和下降沿触发两种方式*外部中断触发方式由TCON控制（1）电平触发(方式位=0)•低电平有效•

在S5P2，将外部中断(如P3.2)输入反相后，锁存入IE0或IE1(置1中断有效标志)图2-15-1•在中断服务程序结束前，中断源必须撤消其低电平•下降沿有效•如S5P2采样到一个高电平，下周期的S5P2采样到一个低电平，IE0或IE1锁存‘1’。•高、低电平至少要维持一个机器周期（2）边沿触发(方式位=1)尽量不用电平触发方式，除非有脉冲干扰环境时2.5.4中断响应过程及中断服务程序入口地址中断响应时序*锁存中断（置1中断标志）M1的S5P2

*查询中断请求标志M2的S6*中断调用M3——M4*进入中断服务程序M5以后图2-15-71.中断响应条件(1)当前不处于同级或更高级中断响应中(2)当前机器周期必须是当前指令的最后一个机器周期，否则等待。(3)如果当前指令是中断返回指令RETI，或读写中断容许（控制）寄存器IE、优先级寄存器IP或IPH，则必须再执行一条指令后才能响应中断请求。(避免中断控制寄存器尚未稳定时，响应中断，出现不确定后果)

如果不满足以上条件，将忽略该机器周期对中断标志的查询结果，下一机器周期继续查询

在中断响应过程中，如果在M4周期的S6状态查询到优先级更高的中断标志为1(即在M2～M3机器周期内优先级更高的中断请求出现)，在M5、M6机器周期将响应高优先级中断，而不执行低优先级中断服务程序。2.中断响应过程及中断服务程序入口地址如果满足中断响应条件，将进入中断响应过程：CPU先将对应中断的优先级触发器置1(每一中断源对应一个中断优先级触发器)，阻止CPU再响应同级或更低级中断请求。(2)将程序计数器PC当前值压入堆栈，以保证执行完中断服务程序后正确返回(3)将相应中断源入口地址装入PC，以便执行中断服务程序。以上过程由硬件完成(4)中断响应时，应清除中断标志（硬件清除和软件清除

进入中断服务程序后，CPU能自动清除下列中断请求标志位：定时器T0中断请求标志TF0；定时器T1中断请求标志TF1；边沿触发方式下外中断INT0的中断请求标志IE0；边沿触发方式下外中断INT1的中断请求标志IE1；

不能自动清除的中断标志有：*串行发送结束中断标志TI*串行接收有效中断标志RI*定时/计数器T2溢出中断标志TF2*定时/计数器T2外触发标志EXF2*电平触发方式下的外中断标志IE0和IE1

以上中断标志，需要在中断服务程序中，用“CLR位地址”指令清除。中断服务程序入口地址如下中断源 入口地址外部中断INT0 0003H定时/计数器T0溢出中断 000BH外部中断INT1 0013H定时/计数器T1溢出中断001BH串行口中断 0023H定时/计数器T2溢出中断002BH

实际的中断服务程序放在存储器区（0033H后）内的任意位置(一般放在主程序后)外中断INT0的中断服务程序如下：

ORG0003H

LJMPINT0 ;在中断入口处放一条长跳转指令(5)中断返回“RETI”的功能*先将对应中断的优先级触发器清零(以便返回后CPU能够响应同级或更低级的中断请求)*将堆栈内的两个字节(断点)弹到程序计数器PC重点：*S5P2检测中断源*置位中断标志*该中断能否传递到CPU取决于中断控制寄存器是否容许（开关）中断。*如外部中断为低电平触发时，其低电平保持时间不能小于一个机器周期。*如外部中断为下降沿触发时，其高、低电平保持时间必须大于一个机器周期。2.5.5中断初始化及中断服务程序结构1.中断初始化是设置TCON、IE及IP、IPH寄存器内容*确定外中断触发方式(低电平触发还是下降沿触发)*开中断*设置中断优先级例：通过指令将外中断INT0定义为下降沿触发，优先级为3(最高)，并允许中断程序4-12.中断服务程序结构与子程序类似，结构如下：子程序与中断服务程序区别：

(1)中断出现是随机的(2)中断服务程序入口地址(也称为中断向量)由硬件决定，与CPU类型有关，不能更改。而子程序入口地址由用户自行安排。(3)子程序中可以任意调用另一子程序，但中断过程有优先级程序4-2(4)尽管子程序返回指令RET和中断返回指令RETI均会将栈顶两个字节信息装入PC，恢复断点，但RETI还清除相应中断优先级触发器，因此中断返回指令不可用子程序返回指令RET代替。(5)电平触发时的“同一触发，多次响应”的问题

中断应用举例例1：利用中断对多个故障进行显示，

当系统无故障时，4个故障源输入端X1—X4全为低电平，显示灯全灭，当某部分出现故障，其对应故障源输入由低电平变为高电平，从而引发单片机中断，中断服务程序的任务是判定故障，并用对应发光管进行显示。试编制应用程序。如图Z-1中断部分要点小结：◆中断源、中断优先级、中断开关、中断处理过程、中断响应时序、中断响应条件

◆中断允许控制寄存器IE

◆中断优先级控制寄存器IP

◆清除中断标志（硬件清除和软件清除）

2.651指令系统（汇编语言）2.6.1指令格式

操作码目的操作数源操作数例：MOVA，#00H操作数可以是数据，也可以是地址例：MOV21H，A2.6.2指令的机器代码例：MOVA，#FFH机器代码：74FFH2.6.3寻址方式寻址方式——CPU在执行某条指令时，找到该指令所用操作数的