電子系統設計〔一〕

－－單片機原理及設計根底

朱為

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第一講51單片機原理及根本結構主要內容：一、概述二、MCS-51單片機的結構三、MCS-51單片機的功能單元介紹

一、單片機概述單片微型計算機簡稱單片機,它是把組成微型計算機的各個部件:中央處理器，儲存器,輸入/輸出接口電路,定時器/計數器等,制作在一塊集成電路中,構成一個完整的微型計算機.8位單片機占整個單片機市場的60%以上,8位單片機的舊的機種正在被淘汰,新的機型不斷涌現.8位單片機以其功能強,品種多,正廣泛應用于各個領域,是單片機的主流機種.隨著集成電路工藝的不斷改進,8位單片機的價格也在不斷降低.單片機的應用領域工業方面:電機控制,工業機器人,過程控制,數 字控制儀器儀表方面:智能儀器,醫療器械,色譜儀,示 波器民用方面:電子玩具,高級電視游戲機,錄像機, 激光盤驅動電訊方面:調制解調器,智能線路運行控制.導航與控制:導彈控制,智能武器裝置數據處理:圖形終端,磁帶機,打印機汽車方面:點火控制,變速器控制,排氣控制二、MCS-51單片機的結構1、內部結構和主要功能2、引腳功能說明3、時鐘、復位電路4、I/O端口5、存儲器配置6、最小系統7、CPU時序8031內部結構示意圖主要性能：128字節片內數據RAM32根可編程I/0口線5個中斷源〔1個串口、2個定時器、2個外部中斷〕1個可編程串行接口2個獨立的16位可編程定時/計數器64K外部程序存儲器空間64K外部數據存儲器空間8031引腳功能介紹VCC +5VGND 地ALE 地址鎖存允許/PSEN 程序存儲器允許EA/VPP 為0－訪問外部程序存儲器 為1－訪問內部程序存儲器RST 復位信號輸入

XTAL1、XTAL2 外部晶振P0.0~P0.7 I/O端口〔P0口〕P1.0~P1.7 I/O端口〔P1口〕P2.0~P2.7 I/O端口〔P2口〕P3.0~P3.7 I/O端口〔P3口〕 12345768910111213141516181917202122242325262729283031323334353637383940P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST(RXD)P3.0(TXD)P3.1(INT0)P3.2(INT1)P3.3(T0)P3.4(T1)P3.5(WR)P3.6(RD)P3.7XTAL2XTAL1GNDVCCP0.0(AD0)EA/VPPP0.1(AD1)P0.2(AD2)P0.3(AD3)P0.4(AD4)P0.5(AD5)P0.6(AD6)P0.7(AD7)ALE/PROGPSENP2.7(A15)P2.6(A14)P2.5(A13)P2.4(A12)P2.3(A11)P2.2(A10)P2.1(A9)P2.0(A8)8031引腳圖時鐘、復位電路時鐘電路：復位電路：VSSXTAL2XTAL1XTAL2XTAL1VSSNCExternalOscillatorSignalRST+5VI/O端口－P0口1．P0端口

總線I／O端口，雙向，三態，數據地址分時復用，該端口除用于數據的輸入／輸出外，在8031單片機外接程序存儲器時，還分時地輸出／輸入地址／指令。由于P0端口輸出的信號無鎖存，輸入的信息有讀端口引腳和讀端口鎖存器之分P0.x引腳P0端口的一位結構P0端口結構：D鎖存器CLQQMUX&●●●●●讀鎖存器讀引腳內部總線寫鎖存器輸入緩沖器輸入緩沖器1T1T2VCC控制地址/數據P0.XD鎖存器CLQQ●讀鎖存器讀引腳內部總線寫鎖存器輸入緩沖器輸入緩沖器P1.X●VccR●P1.x引腳P1端口結構：P2端口結構：D鎖存器CLQQMUX●●●讀鎖存器讀引腳內部總線寫鎖存器控制地址VccR內部上拉電阻P2.x引腳1P2.x●I/O端口－P3口〔雙功能口〕P3.0－RXD 串行接口P3.1－TXDP3.2－/INT0 外部中斷輸入P3.3－/INT1P3.4－T0 定時/計數器輸入P3.5－T1P3.6－/WR 外部數據讀、寫P3.7－/RDPortPinAlternateFunctionsP3.0P3.2P3.1P3.3P3.4P3.6P3.5P3.7RXD(serialinputport)TXD(serialinputport)INT0(externalinterruput0)INT1(externalinterruput1)T0(timmer0externalinput)T1(timmer1externalinput)WR(externaldatamemorywritestrobe)RD(externaldatamemoryreadstrobe)I/O端口－P3口〔雙功能口〕P3端口結構：D鎖存器CLQQ●讀鎖存器讀引腳內部總線寫鎖存器第二輸出功能替代輸入功能P3.X●VccR●P3.x引腳&內部上拉電阻●●存儲器組織內部RAM組織RS1RS0R0~R70000~07H0區0108~0FH1區1010~17H2區1118~1FH3區PSW.7PSW.0程序狀態字PSWCYACFORS1RS0OVP－字節地址：MSBLSB7FH00H~07H08H~0FH10H~17H18H~1FH存放器0組存放器1組存放器2組存放器3組0001020304050607080F1018202830384048505860687078172737475767771F2F3F4F5F6F7F位地址通用RAM區位地址區存放器區內部RAMSFR存放器〔1〕特殊功能 功能名稱 地址 復位后存放器 的狀態B *通用存放器 F0H 00HA *累加器 E0H 00HPSW *程序狀態存放器 D0H 00HIP *中斷優先存放器 B8H 00HP3 *P3口數據存放器 B0H FFHIE *中斷允許存放器 A8H 00HP2 *P2口數據存放器 A0H FFHSBUF 串行口發送/接收緩沖器99H 不定SCON *串行口控制存放器 98H 00HP1 *P1口數據存放器 90H FFHSFR存放器〔2〕特殊功能 功能名稱 地址復位后存放器 的狀態 TH1 T1計數器高8位 8DH 00HTH0 T0計數器高8位 8CH 00HTL1 T1計數器低8位 8BH 00HTL0T0計數器低8位 8AH 00HTMOD定時/計數器方式字存放器89H00HTCON 定時控制存放器88H 00HPCON波特率選擇存放器87H00HDPH 地址存放器高8位83H00HDPL 地址存放器低8位82H00HSP 堆棧指示器 81H 07HP0 P0口數據存放器 80H FFHMSBLSB位地址字節地址寄存器符號F0HE0HD0HB8HB0HA8HA0H98H90H88H80HBAPSWIPP3IEP2SCONP1TCONP0B7B0B6B5B4B3B2B1F7F0F6F5F4F3F2F1A7A0A6A5A4A3A2A1E7E0E6E5E4E3E2E1CYPACF0RS1RS0OV-D7D0D6D5D4D3D2D1-PX0--PSPT1PX1PT0BFB8BEBDBCBBBAB9P3.7P3.0B7B0B6B5B4B3B2B1EAEX0--ESET1EX1ET0AFA8AEADACABAAA9P2.7P2.0A7A0A6A5A4A3A2A1SM0RISM1SM2RENTB8RB8TI9F989E9D9C9B9A99P1.7P1.09790969594939291TF1IT0TR1TF0TR0IE1IT1IE08F888E8D8C8B8A89P0.7P0.08780868584838281SFR中的位地址P1口XTAL1XTAL2P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7PSENEARST8031P2口ALEP0口VCCVSS373GEI/O口A8~A15A0~A7地址總線ABD0~D7數據總線DB8031最小系統CPU時序－外部程序存儲器讀ALEPSENA0~A7INSTRINA0~A7A8~A15A8~A15PORT0PORT2TLHLLTLHPLTAVLLTLLIVTPLPHTPLIVTLLAXTPXIXTPXIZTAVIVEXTERNALPROGRAMREADCYCLECPU時序－外部數據存儲器讀DATAINALETWHLHTLLAXTAVLLTLLDVTLLWLTRLRHTRLAZTRLDVTRHDXTAVWLTRHDZTAVDWPSENRDP0P2A0~A7FromR1ORDPLA0~A7FromPCLINSTR.INP2.0~P2.7ORA8~A15FROMDPHA8~A15FROMPCHEXTERNALDATAMEMORYREADCYCLEALETWHLHTLLAXTAVLLTLLWLTWLWHTQVWXTWHQXTAVWLPSENWRP0P2A0~A7FromR1ORDPLDATAOUTA0~A7FromPCLINSTR.INP2.0~P2.7ORA8~A15FROMDPHA8~A15FROMPCHEXTERNALDATAMEMORYWRITECYCLECPU時序－外部數據存儲器寫三、MCS-51單片機的功能單元介紹1、中斷系統2、定時/計數器3、串行接口1、中斷系統1)、中斷結構圖2)、中斷控制存放器3)、中斷響應條件4)、中斷響應過程5)、中斷響應示意圖1)、中斷結構圖TF0IE0TF1IE1R1/T1≥1T1R1T1T0rr1INT101rr001INT0EX0EAPx中斷源中斷選擇中斷標志中斷源允許全局中斷允許中斷優先級寄存器查詢電路高級中斷請求低級中斷請求中斷入口中斷入口0111110000PT1PX1PT0PSET0EX1ET1ES中斷源中斷源中斷充許寄存器●●●●●●●●●●●●●●●2)、中斷控制存放器

同級內部優先級外部中斷0最高定時器0外部中斷1定時器1串行口 最低IEEAESXXET1EX1ET0EX0全局中斷允許位串口中斷允許位INT0中斷允許位T0中斷允許位INT1中斷允許位T1中斷允許位IPPSXXPT1PX1PT0PX0串口中斷優先位INT0中斷優先位T0中斷優先位INT1中斷優先位T1中斷優先位X3)、中斷的響應條件中斷源有請求，CPU允許所有中斷源請求(EA＝1)，中斷允許存放器IE相應位置1。這樣，在每個機器周期內，單片機對所有中斷源都進行順序檢測，并可在任一個周期的S6期間，找到所有有效的中斷請求，并對其優先級排隊，只要滿足以下條件：

1. 無同級或高級中斷正在效勞；

2. 現行指令執行到最后一個機器周期且已結束；

3. 假設現行指令為RETI或需訪問特殊功能存放器IE或 IP的指令時，執行完該指令且緊隨其后的另一條 指令也已執行完。

單片機便在緊接著的下一個機器周期S1期間響應中斷，否那么將丟棄中斷查詢的結果。4)、中斷響應過程 單片機一旦響應中斷，首先置位響應的優先級有效觸發器，然后執行一個硬件子程序調用，把斷點地址壓入堆棧保護，然后將對應的中斷入口地址值裝入程序計數器PC，使程序轉向該中斷入口地址，以執行中斷效勞程序。

單片機響應中斷后，只保護斷點而不保護現場(如累加器A、程序狀態字存放器PSW的內容)，且不能去除串行口中斷標志TI和RI，也無法去除外部中斷請求信號INT0和INT1。故用戶在編制程序時應予以考慮。程序存儲器LJMPXXXXRETI中斷效勞程序轉移001BHT1中斷入口地址中斷效勞程序入口地址5)、中斷響應示意圖

特定程序入口地址：0000H 復位

中斷向量地址中斷源

0003H 外部中斷0

000BH 定時器0

0013H 外部中斷1

001BH 定時器1

0023H 串行口2、定時/計數器 1〕控制存放器〔TMOD、TCON〕2〕工作方式03〕工作方式14〕工作方式25〕工作方式3 定時器／計數器簡稱定時器，其作用主要包括產生各種時標間隔、記錄外部事件的數量等，是微機中最常用、最根本的部件之一。 803l單片機有2個16位的定時器／計數器：定時器0(T0)和定時器1(T1)。T0由2個定時存放器TH0和TL0構成，T1那么由TH1和TL1構成，它們都分別映射在特殊功能存放器中，從而可以通過對特殊功能存放器中這些存放器的讀寫來實現對這兩個定時器的操作。 用于定時器工作時，每一個機器周期定時存放器自動加l，所以定時器也可看作是計量機器周期的計數器。由于每個機器周期為12個時鐘振蕩周期，所以定時的分辨率是時鐘振蕩頻率的1／12。 用于計數器工作時，只要在單片機外部引腳T0(或T1)有從1到0電平的負跳變，計數器就自動加1。計數的最高頻率為振蕩頻率的l／24。1〕、控制字TF中斷請求標志(T0、T1)，高電平有效M0M1C/TGATEM0M1C/TGATET1T0GATE1－翻開0－關閉C/T1－計數狀態0－定時狀態M1、M0工作方式設置00－方式001－方式110－方式211－方式3IT0IE0IT1IE1TR0TF0TR1TF1TCON控制字TR定時/計數器(T0、T1)運行控制位，高電平有效IT外部中斷（INT0、INT1)觸發方式1－下降沿引起0－低電平引起IE外部中斷請求標志（INT0、INT1)，高電平有效TMOD控制字fosc振蕩器÷12&1≥1C/T=0C/T=1GATEINT1引腳T1引腳控制(高有效)…TL1D0D4TH1D0D7TF1中斷請求T1TR12〕、方式0 13位方式，由TL1的低5位和TH1的8位構成13位計數器〔TL1的高3位無效〕fosc振蕩器÷12&1≥1C/T=0C/T=1GATEINT1引腳T1引腳控制(高有效)…TL1D0D7TH1D0D7TF1T1TR13〕、方式1 16位方式，由TL1的8位和TH1的8位構成16位計數器中斷請求fosc振蕩器÷12&1≥1C/T=0C/T=1GATEINT1引腳T1引腳控制(高有效)…TF1TR1中斷請求TH1(8位)TL1(8位)●4〕、方式2

8位自動裝入時間常數方式。由TL1構成8位計數器，THl僅用來存放時間常數。啟動T1前，TL1和TH1裝入相同的時間常數，當TL1計滿后，除定時器回零標志TF1置位，具有向CPU請求中斷的條件外，TH1中的時間常數還會自動地裝入TL1，并重新開始定時或計數重裝初值控制fosc&1≥1C/T=0C/T=1GATEINT0引腳T0引腳控制(高有效)…TF0TR0中斷請求TH0(8位)TL0(8位)112TF1中斷請求控制(高有效)…fosc112TR15〕、方式3 2個8位方式。工作方式3只適用于定時器0。如果使定時器0為工作方式3，那么定時器1將處于關閉狀態。3、串行接口1〕、異步通信格式2〕、控制存放器SCON介紹3〕、控制存放器PCON介紹4〕、工作方式介紹MCS—51單片機具有一個采用通用異步接收器／發送器(UART)工作方式的全雙工串行通信接口，可以同時發送、接收數據。它具有兩個相互獨立的接收、發送緩沖器，兩個緩沖器共用一個地址(99H)，發送緩沖器只能寫入，不能讀出，接收緩沖器只能讀出，不能寫入。同時，該串行接口也可作為同步移位存放器使用，其中幀格式可有8位、10位和11位，并能置成多種波特率。1〕、異步通信格式波特率(BaudRate)

波特率，即數據傳送速率，表示每秒鐘傳送二進制代碼的位數，它的單位是位／秒。舉例：數據傳送的速率每秒為120個字符，每個字符包含10個代碼位(一個起始位、一個停止位、8個數據位)，這時，傳送的波特率為：

10×120位／秒＝1200波特(bps)0/10/1010/10/10/10/10/10/10/10/10/10/1010/1停止位起始位8位數據奇偶校驗停止位起始位第n個字符……第n+1個字符RITIRB8TB8RENSM2SM1SM0D7D6D5D4D3D2D1D0SM0SM1工作方式說明波特率000同步移位存放器fosc/1201110位異步收發可變10211位異步收發fosc/32或fosc/6411311位異步收發可變.REN： 允許接收控制位，用軟件置1或清0TI：發送中斷標志位，軟件清0

RI：接收中斷標志位，軟件清0TB8：準備發送的第9位數據位，軟件置1或0RB8：接收到的第9位數據SM2：用于主—從機多機通信的控制位。假設SM2＝1，那么允許多機通信2〕、串行口控制存放器SCON〔98H〕3〕、PCON控制存放器(87H)SMOD稱為波特率選擇位。在工作方式1、工作方式2和工作方式3時，假設SMOD＝1，那么波特率提高一倍；假設SMOD＝0，那么波特率不加倍。整機復位時，SMOD＝0(串行口每秒鐘發送／接收的位數稱為波特率)。IDLPDGF0GF1－－－SMODD7D6D5D4D3D2D1D08051內部總線SBUFSDCL零檢測器Q發送控制器啟動TX時鐘移位發送TI+發送控制器啟動RX時鐘接收移位RI串口中斷RENRI●S611111110輸入移位寄存器SBUF8051內部總線裝載SBUF讀SBUF●+●RXDP3.0替代輸出功能TXDP3.1替代輸出功能RXDP3.0替代輸入功能移位移位時鐘寫SBUF●1+5V8031P3.0P3.1P1.074LS164D1D2CPCLR128RXDTXD9345610111213147機器周期S1~S6S1~S6寫SBUFD0D1D2D3D4D5D6D7RXD(數據)TXD(移位時鐘)TI8031P3.0P3.1P1.074LS164D1CP92RXDTXD1+5V14715P1.1機器周期S1~S6S1~S6寫SCOND0D1D2D3D4D5D6D7RXD(數據)TXD(移位時鐘)RI方式0時序:方式1發送:內部總線發送緩沖器SBUFSDCL零檢測器Q發送控制器啟動TX時鐘移位發送TI+啟動RI串口中斷波特率發生器TCLK●+TXD（P3.1引腳）寫SBUF●T8÷16數據●串行口中斷÷161到０跳變檢測器采樣接收控制器裝載ＳＢＵＦ移位TIRI輸入移位存放器(9位)位檢測器接收緩沖存放器(SBUF)讀ＳＢＵＦＲ８內部總線波特率發生器(RCLK)接收時鐘開始1FFHRXD(P3.0引腳)●●●●方式1接收條件REN=1RI=0SM2=0或接收到的停止位＝1發送接收TX時鐘寫〞SBUF〞停止位起始位RX時鐘位檢測器采樣起始位RXD停止位SENDTXDTIRI方式1時序D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7●●●80c51內部總線TB8SBUFTXD(p3.1)零檢測器SDCLQ