《单片机原理及应用》课件-第2章

第2章单片机基本结构和工作原理2.1单片机的组成和内部结构2.2单片机的外部引脚及功能2.3单片机的存储器结构2.4单片机的I/O电路2.5单片机的辅助电路2.6单片机的工作时序和工作方式思考与练习

2.1单片机的组成和内部结构

2.1.1单片机的组成

单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和I/O端口等多种基本功能部件,如图2-1所示。单片机有基本型和增强型两种,基本型的代表产品为8051,增强型的代表产品为8052,两者的主要区别在于内部存储器的大小和定时器/计数器的个数不同。图2－1MCS51单片机的功能框图

单片机内部通常包含下列一些部件:

·一个8位CPU;

·一个片内振荡器及时钟电路;

·4KBROM程序存储器(8031没有片内ROM,增强型为8KB);

·128BRAM数据存储器(增强型为256B);

·两个16位定时器/计数器(增强型为三个);

·可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器空间的控制电路;

·32条可编程的I/O口(四个8位并行I/O端口);

·一个可编程全双工串行口;

·具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构(增强型为六个中断源)。

2.1.2单片机的内部逻辑结构

单片机的各功能部件通过内部总线连接在一起,其中包括算术逻辑单元(ALU)、累加器(ACC或A)、ROM、RAM、指令寄存器(IR)、程序计数器(PC)、定时器/计数器、I/O接口电路、程序状态字寄存器(PSW)、堆栈指针(SP)、数据指针(DPTR)等,详细的内部结构如图2－2所示。图2－2MCS51单片机的内部结构

2.1.3CPU的内部结构

单片机内部核心部分是一个8位高性能微处理器CPU,由运算器和控制器等部件组成(即图2－2中虚线框内部分),它是单片机的头脑和心脏,用以完成各种运算和控制操作。

1.运算器

运算器的主要功能是进行算术运算和逻辑运算、位运算、数据中转与处理,并将操作结果的状态信息送至程序状态字寄存器中。运算器主要包括算术逻辑单元、累加器、B寄

存器、暂存寄存器、程序状态字寄存器等。

(1)算术逻辑单元(ALU)。算术逻辑单元是运算器的核心部件,实质上是全加器,可以用于对数据进行加、减、乘、除等算术运算,还能对数据进行与、或、异或、循环、置1、清0等逻辑运算,并具有数据传送、程序转移等功能。ALU不能由程序读写。

(2)累加器(ACC或A)。累加器是一个8位寄存器。很多运算都要通过累加器提供操作数,多数运算结果也在ACC中存放。

(3)B寄存器。B寄存器是为乘法和除法而设置的。在进行乘法和除法运算时,A和B组成寄存器对,记为AB。在不执行乘法和除法运算时,B寄存器可以作为一个普通寄存

器使用。

(4)暂存寄存器(TMP1和TMP2)。暂存寄存器用于暂时存储数据总线或其他寄存器送来的操作数,作为ALU的数据源,向ALU提供操作数。暂存寄存器不能由程序读写。

(5)程序状态字寄存器(PSW)。程序状态字寄存器是一个8位的专用寄存器,主要用于存放当前运算结果的状态。

2.控制器

控制器的主要功能是识别指令,并根据指令的性质控制单片机内部的各个功能部件,使其协调工作。单片机执行指令严格受控制器的控制,它们从程序存储器中读取指令,送

入寄存器,然后进行译码,译码的结果与时序电路结合,发出操作信号。程序的执行就是不断重复这一过程。

控制器包含程序计数器、指令寄存器、指令译码器、数据指针、堆栈指针、定时与控制逻辑电路等。

(1)程序计数器(PC)。程序计数器是一个16位专用寄存器,用于存放将要执行指令的地址,具有自动加1功能。PC没有对应的寄存器,程序无法直接设置其中的数据。当CPU取指时,PC的内容首先送至内部地址总线上,然后从程序存储器中取出指令,PC内容自动加1,以保证程序的顺序执行。

(2)指令寄存器(IR)。指令寄存器是一个8位寄存器,用于寄存等待执行的指令。IR不能由程序读写。

(3)指令译码器(ID)。指令译码器对指令寄存器中的指令进行译码,产生执行该指令所需的一系列控制时序信号,以执行相应的操作。ID不能由程序读写。

(4)数据指针(DPTR)。数据指针(DPTR)是一个16位专用寄存器,通常在访问外部数据存储器时作地址指针使用。

(5)堆栈指针(SP)。堆栈指针(SP)是一个8位专用寄存器,用于存放堆栈栈顶的地址。

(6)定时与控制逻辑电路。定时与控制逻辑电路是控制器的核心部件之一,它的任务是产生各种控制信号,协调各功能部件的工作。单片机内部设有振荡电路,只需外接石英晶体(晶振)和微调电容就可产生振荡脉冲信号,经过二分频后,生成时钟信号,是单片机的基本节拍,单片机就是在这个节拍的控制下协调工作的。

2.1.4单片机的其他结构模块

1.内部RAM

MCS51单片机的内部RAM用于存放单片机运行时的数据,其寻址范围为256字节,其中低128字节可以作为内部随机访问存储器,高128字节被特殊功能寄存器占用。

2.内部ROM

MCS－51单片机中的ROM主要用来存放程序,也可以存放一些常数和表格。单片机运行时,ROM中的内容是不能修改的。MCS－51系列单片机可分为内部无ROM型(如

8031)和内部有ROM型(如8051)两种。在多数情况下,无论是8031还是8051,都必须根据实际需要外接EPROM型程序存储器。而对于后来出现的,内部含有E2PROM或Flash

ROM类型程序存储器的AT89CXX/AT89SXX系列单片机(如市面上最常见的AT89S51和AT89C51,内置4KB的FlashROM),通常不需要外部扩展程序存储器。

3.定时器/计数器

MCS51单片机有两个16位定时器/计数器,能够实现精确定时和对外部脉冲信号计数,可以用于定时控制、延时,以及对外部事件进行计数和检测等。

4.中断

MCS51单片机有五个中断源,即两个外部中断、两个定时/计数中断和一个串行通信中断,同时有两个中断优先级。

5.串行通信口

MCS51单片机有一个采用通用异步工作方式的全双工串行通信口(串行口),可以同时接收和发送数据。

6.I/O口

MCS－51单片机有四个8位的并行端口,分别为P0、P1、P2和P3,这些端口可以用于输入或输出,除了P1外,每个I/O口还有第二功能(详见2.4节)。

7.内部总线

如图2－2所示,单片机所有功能模块都是通过内部总线连接起来的,从而构成一个完整的单片计算机系统。单片机内部的地址信号、数据信号和控制信号都是通过内部总线传

送的。

2.2单片机的外部引脚及功能

MCS－51系列单片机根据不同的型号,其引脚数目和封装形式也有很大差别。常见的有40引脚的双列直插(DIP)封装形式和44引脚的PLCC封装形式,新型的单片机还有44引脚的TQFP封装形式。图2－3所示是两种常见封装形式的引脚配置图。图2－389C51芯片的引脚及封装形式

2.2.1I/O引脚

I/O引脚即输入/输出端口,在某一时刻只能作为输入口或输出口使用,所以是准双向口,MCS51单片机有P0(

P0.0~P0.7)、P1(P1.0~P1.7)、P2(P2.0~P2.7)、P3(P3.0~P3.7)四个8位准双向输入/输出端口,每个端口都有锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。四个I/O端口都可作为输入/输出口使用,其中P0、P2和P3口还可以组成三总线,用于外围芯片扩展(详见第7章)。

2.2.2控制引脚

RST:复位输入端,高电平有效。当振荡器运行时,在

在RST引脚上出现两个机器周期以上的高电平使单片机复位。

ALE/PROG:当访问外部存储器时,ALE(地址锁存使能)的输出用于锁存地址的低位字节;当不访问外部存储器时,A

ALE端以固定频率(为振荡频率的1/6)输出脉冲信号,所以ALE可以用作其他器件的时钟源。需要注意的是,每当访问外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。在对片内ROM编程(写数据)时,该引脚的第二功能用于输入编程脉冲PROG。

PSEN:外部程序存储器取指令使能端,低电平有效。在访问外部ROM时,该信号自动产生,每个机器周期输出两个脉冲。

EA/VPP:外部程序访问允许端。当EA为高电平时,CPU从内部程序存储器执行指令,当PC值超过片内程序存储器最大地址范围时,将自动转向外部存储器执行程序。当EA为低电平时,CPU只从外部程序存储器执行指令。在片内ROM编程期间,该引脚的第二功能用于加12V的编程允许电源VPP。

2.2.3电源与晶振引脚

VCC:电源端,通常的电源电压为+5V。

GND:接地端。

XTAL1:接外部晶振的一个引脚。在单片机内部,它是构成片内振荡器反相放大器的输入端。当采用外部时钟时,该引脚接外部时钟信号。

XTAL2:接外部晶振的另一个引脚。在单片机内部,它是构成片内振荡器反相放大器的输出端。当采用外部时钟时,此引脚应悬空。

2.3单片机的存储器结构

从物理上看,MCS－51单片机有4个存储空间:内部程序存储器、外部(片外)程序存储器、内部数据存储器、外部数据存储器。从开发者的角度看,MCS－51单片机有3个存储地址空间:芯片内外统一的程序存储空间、内部数据存储空间和外部数据存储空间。

2.3.1程序存储器

程序存储器常用来存放程序、表格和常数,也称为ROM。ROM以程序计数器(PC)作为地址指针,通过16位地址总线寻址,可寻址的地址空间为64KB,地址范围为0000H~FFFFH。MCS51单片机可分为内部无ROM型(8031)和内部有ROM型(8051)两种。

1.片内与片外程序存储器的选择

对于无内部ROM型的单片机,必须使用外部ROM,这时EA引脚必须接低电平。对于有内部ROM型的单片机,但不使用内部ROM,如8051内部是掩模ROM,一般不用此ROM,这时EA引脚也必须接低电平,外部ROM的地址从0000H开始。对于内部含有FlashROM的AT89C/AT89S系列单片机,可以使用内部ROM。如果要使用内部ROM,则则EA引脚必须接高电平,当程序执行超出内部存储空间时,单片机会自动转向外部空间,内部ROM的地址范围是0000H~0FFFH,外部ROM的地址从1000H开始。无论是否使用内部ROM,其程序存储器的地址结构和组织结构是一样的,如图2－4所示。图2－4程序存储器

2.程序存储器低端的特殊单元

在程序存储器中,前面若干个单元地址是中断程序的入口地址,在编写程序时要把这些单元预先进行处理(详见第4章),如表2－1所示。其中0000H为单片机复位后执行的

第一条指令的存放地址。其余为中断向量,即单片机中断服务程序的第一条指令存放地址。

3.程序存储器中的程序代码及其观察

在单片机应用系统开发过程中,程序存储器中程序代码(十六进制)可以在KeilμVision集成开发环境的观察窗口中看到(详见9.2.4小节),程序存储器的映射关系及观察界面如图2－5所示。图2－5程序存储器映射关系及观察界面

2.3.2数据存储器

数据存储器常用来存放数据,也称为RAM。MCS－51单片机的数据存储器无论在物理上或逻辑上都分为两个地址空间:一个为内部数据存储器(内部RAM),如图2－6所示,

访问内部RAM用MOV指令,使用8位地址,其寻址空间为256B;另一个为外部数据存储器(外部RAM),如图2－7所示,访问外部RAM用MOVX指令,通常用数据指针DPTR来寻址,使用16位地址,其寻址空间为64KB。图2－6内部数据存储器图2－7外部数据存储器

内部RAM有最灵活的地址空间分割,它分成物理上独立而又性质不同的几个区:由00H~7FH(0~127)单元组成的低128字节地址空间的RAM区;由80H~FFH(128~255)单元组成的高128字节地址空间的特殊功能寄存器(又称SFR)区。

内部RAM按使用方法分为以下几个部分。

1.工作寄存器区

单片机对工作寄存器的操作具有指令数量多、程序代码短、执行速度快的特点。在程序设计时,应尽可能地使用工作寄存器。内部RAM的00H~1FH区域为工作寄存器区。

工作寄存器一共有4组,每组又包括8个寄存器,记为R0~R7。4组工作寄存器可根据PSW(程序状态字寄存器,详见2.3.3小节)中的RS1、RS0选择,如表2－2所示。

2.位寻址区

内部RAM的20H~2FH区域为位寻址区,见表2－3,这16个单元中的每一位都有一个位地址,位地址范围为0H~7FH。位寻址区的每一位都可以视作软件触发器,可以

由程序直接进行位处理。通常把程序的各种状态标志、位控制变量等设在位寻址区内。同样,位寻址区的RAM单元也可以作为一般的数据存储器按字节使用。

3.普通存储区

内部RAM的30H~7FH区域为普通存储区,只能按字节寻址,一般用于存放程序执行过程中的临时数据。

4.堆栈区

在一个程序中,往往需要设定一个后进先出(或者先进后出)的缓冲区,用以保存某些重要数据和地址,这种后进先出的缓冲区称为堆栈区。堆栈区原则上可以设在内部RAM的任意区域内,只需注意不要与已使用的RAM重叠。栈顶的位置由堆栈指针SP确定。

2.3.3特殊功能寄存器

单片机内的锁存器、定时器、串行口数据缓冲器以及各种控制寄存器和状态寄存器都是以特殊功能寄存器(SFR)形式出现的,它们分布在内部RAM的80H~FFH地址空间范

围内。MCS－51基本型单片机有21个SFR,表2－4给出了MCS－51单片机的特殊功能寄存器的名称和地址。

在特殊功能寄存器中,地址尾数是0或8的寄存器(比如ACC、PSW、SCON等)不仅可以按字节访问,也可以按位访问。特殊功能寄存器A、B、PSW、SP、DPTR等在RAM中的映射关系如图2－8所示。图2－8特殊功能寄存器在RAM中的映射及观察界面

下面介绍几个常用的特殊功能寄存器。

1.累加器

累加器是一个8位的寄存器,ACC表示地址(E0H),寄存器名称为A。它通过暂存器与ALU相连,它是CPU工作中使用最频繁的寄存器,用来存放一个操作数或中间结果。

累加器在指令中通常用“A”表示,在位操作和堆栈操作指令中则用“ACC”表示。MCS－51单片机中,只有一个累加器,大部分单操作数指令的操作数取自累加器,许多双操作数指令的一个操作数也取自累加器,在变址寻址方式中累加器被作为变址寄存器使用。

2.程序状态字寄存器

程序状态字寄存器(PSW)是一个8位的专用寄存器,主要用于存放当前运算结果的状态。地址为D0H,可以按位进行访问,格式如下(第一行是位地址,第二行是位名称,若不能按位操作,则第一行为空格。本书类似内容均采用此种表示方法):

其中F0、RS1、RS0可以用软件设置(即通过编写程序设置),Cy、Ac、OV和P由CPU决定(即由单片机内部自动设置)。

Cy(进位标志位):当有进位或借位时,Cy=1;否则,Cy=0。在执行某些算术和逻辑指令时,可以被硬件(指单片机内部的CPU,表示功能可以自动完成)或软件(表示开发者编写的程序)置1或清0。在布尔处理器中,它被作为位累加器使用。Cy在程序中一般用C表示。

Ac(辅助进位标志):当进行加减运算时,若低4位向高4位产生进位或借位,则由硬件将其置1,否则清0,Ac被用于BCD码调整。

F0(用户标志位):F0是开发者可以定义的一个状态标记,用软件来使它置1或清0。该标志位状态一经设定,可由软件检测F0的值来控制程序执行的方向。

RS1、RS0(工作寄存器组选择控制位):可以用软件来置1或清0,以改变工作寄存器组在RAM中的区域。RS1、RS0与工作寄存器组的对应关系如表2－2所示。

OV(溢出标志位):当执行算术运算指令时,由硬件置1或清0,以指示溢出状态。D6位和D7位不同时产生进位或借位时,OV=1,否则OV=0。

P(奇偶标志位):每次指令执行结束后,都由硬件来置1或清0,以表示累加器A中1的个数的奇偶性。若1的个数为奇数,则P置1,否则P清0。

3.数据指针

数据指针(DPTR)是一个16位的专用地址指针寄存器。编程时,DPTR既可以作为16位寄存器,也可以拆成两个独立的8位寄存器,即DPH(高8位字节)和DPL(低8位字节),分别占据83H和82H两个地址。DPTR通常在访问外部数据存储器时作地址指针使用,用于存放外部数据存储器的存储单元地址。由于外部数据存储器的寻址范围为64KB,故把DPTR设计为16位,通过DPTR寄存器间接寻址方式可以访问0000H~FFFFH全部64KB的外部数据存储器空间。

4.堆栈指针

堆栈指针(SP)是一个8位寄存器,地址是81H,用于指示堆栈顶部在内部RAM中的位置。可以把SP看成一个地址指针,它总是指向堆栈顶端的存储单元。MCS－51单片机

的堆栈是增量式的,即进栈时,SP的内容是增加的(SP指针先自动加1,然后向SP指针指向的存储单元送入一个数),出栈时,SP的内容是减少的。单片机复位后,SP初始化默认值为07H,使得堆栈事实上由08H单元开始。

5.I/O端口的专用寄存器

P0~P3口寄存器实际上就是P0~P3(引脚)专用的锁存器,用P0~P3表示。MCS51系列单片机没有专门的端口操作指令,均采用统一的MOV指令,直接读写P0~P3,使用极为方便。

6.串行数据缓冲器

串行数据缓冲器(SBUF)用于存放待发或已接收到的数据,它实际上由两个独立的寄存器组成:一个是发送缓冲器,另一个是接收缓冲器。这两个寄存器共享一个地址99H。

2.4单片机的I/O电路

MCS－51单片机本身提供了四个8位的并行接口,分别记为P0、P1、P2和P3,共有32根I/O口线。P0~P3都是准双向端口,每一根I/O口线都能独立地用作输入或输出(可以按位访问)。I/O口作为输入口之前,应先向端口写1,以保证读入正确的输入状态。单片机初始上电时,所有的I/O口均处于高电平,这时I/O口直接作为输入口,则不需要向端口写1。

2.4.1P0口

1.P0口的结构

P0口是一个多功能的8位双向并行接口。P0口某位的内部电路结构如图2－9所示,它包含一个输出锁存器(D触发器)、两个三态缓冲器(三态门1和三态门2)、一个输出驱

动电路和一个输出控制电路。图2－9P0口的内部电路结构

2.P0口的功能

MCS－51单片机的P0口有两种功能:通用I/O接口或地址/数据分时复用总线。

1)通用I/O接口

输出:CPU内部发出控制电平0封锁与门,使与门输出为0,上方的场效应管V1处于截止状态,因此输出驱动级是漏极开路的开漏电路。这样,当写脉冲加在D触发器的CLK端时,与内部数据总线相连的D端数据取反后出现在Q端,再经下方的场效应管V2反相,在P0引脚上出现的数据就正好是内部总线的数据。但要注意,由于P0口输出驱动电路工作于开漏状态,因此P0作为输出口时需要外接上拉电阻。

输入:P0口作为I/O口使用时的另一种情况是数据由引脚输入,这时使用下方的三态输入缓冲器(三态门2)直接读端口引脚处的数据。以上操作称为“读信号”操作。

2)地址/数据分时复用总线

在单片机应用系统中,P0口作为地址/数据总线使用分为两种情况。

一种是以P0引脚输出地址/数据信息。这时,CPU内部发出控制信号1,打开与门,使得多路开关将内部地址/数据线经反相器与场效应管的栅极接通。若地址/数据信号为0,则该0信号一方面经与门使上方的场效应管V1截止,另一方面经反相器使下方的场效应管V2导通,从而使引脚输出0信号;反之,若地址/数据信号为1,则上方的场效应管V1导通,下方的场效应管V2截止,引脚输出1信号。显然在上述情况中,不必外接上拉电阻。

另一种情况是P0口由与其连接的外部存储器输入数据。为了确保数据的正确输入,CPU在访问外部存储器期间,会在读入数据之前自动地向P0口的锁存器写入FFH。因此,对于用户而言,当P0口作为地址/数据总线使用时,它是一个真正的双向口。

3.负载能力

P0口输出时能驱动8个LSTTL负载,即输出电流不小于800μA。

2.4.2P1口

1.P1口的结构

图2－10所示是P1口其中1位的结构原理图,P1口由8个这样的电路组成。图中的锁存器起输出锁存作用。场效应管与上拉电阻组成输出驱动器,以增大负载能力。三态门

2是输入缓冲器,三态门1在端口操作时使用。图2－10P1口的内部电路结构

2.P1口的功能

MCS－51单片机的P1口只有一种功能———通用I/O接口。

P1口工作于输出方式:此时数据data经内部总线送入锁存器锁存。如果某位的数据为1,则该位锁存器输出端Q=1,Q=0,使V1截止,从而在引脚P1.X上出现高电平;反之,如果数据为0,则Q=1,Q=0,使V1导通,P1.X上出现低电平。

P1口工作于输入方式:控制器发出的读信号打开三态门2,引脚P1.X上的数据经三态门2进入芯片的内部总线。在执行输入操作时,如果锁存器原来寄存的数据Q=0,那么由于Q=1,将使V1导通,引脚被始终钳位在低电平上,不可能输入高电平。为此,用作输入前,必须先用输出指令置Q=1,使V1截止。单片机复位后,P1口线的状态都是高电平,可以直接用作输入。

3.负载能力

P1口输出时能驱动4个LSTTL负载,即输出电流不小于400μA。

2.4.3P2口

1.P2口的结构

图2－11所示是P2口其中1位的结构原理图,P2口由8个这样的电路组成。P2口的位结构比P1口多了一个转换控制部分。图2－11P2口的内部电路结构

2.P2口的功能

1)通用I/O接口

当P2口作为通用I/O口使用时,多路开关(MUX)打向锁存器的输出端Q,构成一个准双向口。其功能与P1口相同,有输入、输出工作方式。

2)地址总线

P2口的另一种功能是作为系统扩展的地址总线口。当计算机从片外ROM中取指令,或者执行访问片外RAM、片外ROM的指令时,多路开关打在右边,P2口上出现程序计数器(PC)的高8位地址或数据指针(DPTR)的高8位地址(A7~A15,低8位地址由P0输出)。上述情况下,锁存器的内容不受影响。所以,取指或访问外部存储器结束后,由于模拟开关打向左边,使输出驱动器与锁存器Q端相连,引脚上将恢复原来的数据。

一般来说,如果系统扩展了片外ROM,取指的操作将连续不断,P2口不断送出高8位地址,这时P2口就不应再作为通用I/O口使用。如果系统扩展了片外RAM,需要由P2口、P0口送出16位地址,则P2口也不再作为通用I/O接口。

3.负载能力

P2口的负载能力和P1口的相同,输出时能驱动4个LSTTL输入。

2.4.4P3口

1.P3口的结构

图2－12所示是P3口其中1位的结构原理图,P3口由8个这样的电路组成。

图中的锁存器起输出锁存作用。P3口的8个锁存器组成特殊功能寄存器,场效应管V1与上拉电阻组成输出驱动器,以增大负载能力。三态门2是输入缓冲器,三态门1在端

口操作时使用,与非门在端口作为第二功能时使用。图2－12P3口的内部结构

2.P3口的功能

1)通用I/O接口

MCS51单片机的P3口为多功能口。当第二功能输出端保持高电平时,与非门对锁存器Q端是畅通的,这时,P3口实现第一功能,可作为通用I/O口使用,而且是一个准双向I/O口,其功能与P1口的相同。

2)第二功能

P3口除了作为准双向通用I/O接口使用外,每一根线还具有第二种功能,如表2－5所示。

3.负载能力

P3口的负载能力和P1口的相同,输出时能驱动4个LSTTL负载。

2.5单片机的辅助电路

辅助电路是单片机正常工作的必要条件。单片机辅助电路主要有时钟电路和复位电路。时钟电路给单片机提供时钟脉冲,保证单片机按照自身的时序自动工作起来;复位电路能对单片机进行初始化操作。对于AT89系列单片机,只要加入了正确的时钟电路和复位电路,就能构成单片机最小系统,即保证单片机系统正常工作的最简系统。

2.5.1时钟电路

单片机是一个典型的时序电路器件,需要时钟电路提供时钟脉冲以保证其按照“节拍”正常工作。振荡器产生的信号送到CPU,作为CPU的时钟信号,驱动CPU产生执行指令

功能的机器周期。

MCS－51单片机片内有一个由高增益反相放大器所构成的振荡电路,XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入和输出端,时钟可以由内部方式产生或由外部方式产生。

1.内部方式

内部方式是通过外接石英晶体器件和内部振荡电路共同形成时钟电路。如图2－13所示,在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件,内部振荡电路就产生自激振荡。定时元

件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率可以在1.2~24MHz之间选择,电容C1和C2的值为0~30pF,时钟频率基本上由晶振决定,电容的大小可起频率微调作用。图2－13使用内部振荡器的晶振连接

2.外部方式

外部方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内,即把外部振荡器的信号直接连到XTAL1端,XTAL2端悬空不用,如图2－14所示。对外部时钟信号无特殊要求,只要保证脉冲宽度,一般采用频率低于12MHz的方波信号。采用外部方式的好处是,可以通过外部时钟频率控制来改变单片机的机器周期,以降低电磁干扰(EMI)。一般应用很少使用外部方式。图2－14使用外部时钟的连接

2.5.2复位电路和复位状态

MCS－51系列单片机与其他微处理器一样,在启动时都需要复位,使CPU及系统各部件处于确定的初始状态,并从初始状态开始工作。在单片机系统设计并制作完成后,就要上电工作,在上电初期,由于单片机内部电压不稳定,程序执行会混乱,因而要等到电压稳定后才让单片机进行工作。同时,在单片机工作期间,由于外界干扰或其他原因使系统工作不正常,就需要进行上电复位和手动复位操作。如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)或更多,则则CPU可响应并将系统复位。

1.复位电路

单片机的复位可以通过多种方式实现,对应着不同的复位电路。复位的方法有三种,即上电复位、手动开关复位和WDT(看门狗)复位。

1)上电复位电路

上电复位电路如图2－15所示。只要在复位输入引脚RST上接一个电容至VCC端,下接一个电阻到地即可。对于CMOS型单片机,由于在RST端内部有一个下拉电阻,故可将外部电阻去掉,而将外接电容减至1μF。图2－15上电复位电路

2)手动复位电路

手动复位电路是上电复位和手动复位相结合的,主要用于单片机系统故障(死机)时的重新启动。可以人为地在复位输入端RST上加入高电平,一般采用的办法是在RST端和

正电源VCC之间接一个按钮。当按下按钮时,VCC的+5V电平就会直接加到RST端,虽然按下按钮的时间很短,但是也会使按钮保持接通数十毫秒的时间,所以手动复位能满足

复位的时间要求。手动复位电路如图2－16所示。图2－16手动复位电路

3)WDT复位电路

WDT复位电路(看门狗复位电路)是利用MAX705等WDT专用芯片来实现复位的电路,如图2－17所示。WDT芯片内有一个不受外部控制的计数器,上电后即自动计数,一

旦计数溢出就发出对单片机的复位信号。为了不使计数器溢出,必须在计数器溢出前通过WDI口输入清0信号,使计数器复位清0。图2－17WDT复位电路

2.复位状态

系统复位后,许多特殊功能寄存器都将恢复到初始状态。各特殊功能寄存器的状态如表2－6所示,其中×为随机数。

手动复位或WDT复位后,片内RAM和片外RAM的内容保持不变,但在上电复位后为随机数。

2.5.3单片机最小系统

最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。由于89C51单片机有片内ROM,所以其最小应用系统即为配有时钟电路、复位电路和电源的单个单片机,如图2－18所示。由于资源的限制,最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。图2－1880C51/89C51最小应用系统

2.6单片机的工作时序和工作方式

2.6.1时序的基本概念1.时钟周期时钟周期也称振荡周期,是指为单片机提供时钟信号的振荡源的周期或外部输入时钟的周期。考虑到绝大部分单片机应用系统是采用石英晶体作为振荡源,一般来讲,时钟周期也就是1/fosc,fosc是石英晶体的振荡频率(简称晶振频率)。

2.机器周期

完成一条指令的一个基本操作步骤所需的时间称为机器周期。一个机器周期由6个状态组成,即S1~S6,每个状态又被分成两个节拍P1和P2,如图2－19所示。所以一个个机

器周期有112个振荡周期期,可以依次表示为S1P1,S1P2,…,S6P1,S6P2。如果石英晶体振荡频率fosc=12MHz,则机器周期为(1/fosc)×12=1μs。单片机的某些单周期指令的执行时间就是一个机器周期。

3.指令周期

单片机CPU执行一条指令所需的时间称为指令周期。MCS－51系列单片机执行不同指令所需时间也不尽相同,有单机器周期、双机器周期、四机器周期三种指令周期。如:

“MOVA,#data”(把一个数写入累加器中)就是一个单机器周期指令。附录B中给出了每条指令的机器周期数。

2.6.2单片机的工作时序

MCS－51单片机指令按照执行时间分为三类:单机器周期指令(简称单周期指令)、双机器周期指令(简称双周期指令)和四机器周期指令(简称四周期指令)。而按照指令占用存

储空间长度分,又有单字节指令、双字节指令和三字节指令(详见第3章)。所以有以下几种情况:

·单字节单周期指令;．

·单字节双周期指令;

·双字节单周期指令;

·双字节双周期指令;

·三字节双周期指令;

·单字节四周期指令。

图2－19给出了89C51单片机的取指和执行指令的时序关系。这些内部时钟信号不能从外部观察到,我们用XTAL1振荡信号作参考。从图中可以看到,低8位地址的锁存信号ALE在每个机器周期中两次有效:一次在S1P2与S2P1期间,另一次在S4P2与S5P1期间。这说明在一个机器周期内有两次取指操作。图2－19单片机取指和执行指令的时序关系

2.6.3单片机的工作方式

1.正常工作方式

当单片机完成复位后,进入正常工作方式,这时单片机由VCC供电。正常工作方式是单片机自动完成任务的工作方式。正常工作过程是单片机执行程序的过程,即一条条执行

指令的过程。

2.掉电工作方式

MCS51系列单片机的SFR中有一个电源控制寄存器(PCON),地址为87H。PCON寄存器的控制格式如下:

PCON各位可以进行读/写操作。PCON不能进行位操作,只能按字节操作。

SMOD:波特率加倍位(用途见第6章)。

GF1、GF0:通用标志位。

PD:掉电方式控制位。当PD位为1时,启用掉电方式。

IDL:待机方式控制