【正文】 同類型的指令取指、執(zhí)行時(shí)序發(fā)生的狀態(tài)和周期是不相同的，圖 、單周期，雙字節(jié)、單周期，單字節(jié)、雙周期指令的取指 /執(zhí)行時(shí)序。 圖 /執(zhí)行時(shí)序 對(duì)于雙字節(jié)單周期指令如圖 ，例如 MOV A， data， SlP1狀態(tài)時(shí)讀入該條指令的操作碼“ 74， S4P1狀態(tài)時(shí)讀入該條指令的第二字節(jié)“立即數(shù)”。 圖 /執(zhí)行時(shí)序 事實(shí)上，每個(gè)機(jī)器周期取指都發(fā)生兩次，無(wú)論指令執(zhí)行時(shí)是否需要更多的 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 49 頁(yè) 第 頁(yè) 22 代碼字節(jié)，如果取得的代碼是指令所需要的，例如立即數(shù)等，送入數(shù)據(jù)通道并進(jìn)行操作 ； 如果取得的代碼是指令所不需要的，例如額外取指等， CPU直接將其丟棄，程序計(jì)數(shù)器的值也不增加。下圖分別給出了MCS51單片機(jī) CMOS型芯片的片上振蕩器電路和由時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生 2組內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)的電路。實(shí)際電路中 P1， N1管子較大。此時(shí) P3， N3， N5管導(dǎo)通，P3， N5構(gòu)成了一個(gè)傳遞門而 P4， N4， N3構(gòu)成了一個(gè)倒相器，傳輸門相當(dāng)于一個(gè)較大電阻 (1M左右 )，與倒相器一起做為外部晶振、電容的反饋回路，產(chǎn)生芯片內(nèi)所需要的時(shí)鐘信號(hào)。從而得到 2組時(shí)鐘 C1=， C2=CLK 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 49 頁(yè) 第 頁(yè) 24 和 C3=， C4= E=0時(shí)， C1恒為低而 C2恒為高，此時(shí)不提供 C1， C2時(shí)鐘信號(hào)，芯片不正常工作，處于低功耗狀態(tài)。 2．算術(shù)運(yùn)算單元 ALU 算術(shù)運(yùn)算單元 ALU是 CPU核心中十分重要的部件，主要用于對(duì)數(shù)據(jù)和邏輯進(jìn)行操作。 ALU做乘法運(yùn)算b5H*89H時(shí)， b5. 89分別為乘數(shù)、被乘數(shù)。然后， TMP2與 B寄存器里的值共同右移，如果移動(dòng)后 B寄存器最后一位是“ 1，則 TMP2中的值加上最初放入 TMP2中的乘數(shù)值 (部分積 )，而 B寄存器中的值保持不變。 事實(shí)上，本芯片中乘法運(yùn)算的算法原理與普通的豎式乘法運(yùn)算所采用的左移相加是完全一致的。 ALU做除法運(yùn)算 ASH=04H， a5為被除數(shù)， 04為除數(shù)。 TMP2與 B寄存器的內(nèi)容需要共同右移 8次，才得到最后的運(yùn)算結(jié)果。例如表 32中從“ 00000101 00101000”變化到 1100000001 00101000。 表 除法運(yùn)算過(guò)程 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 49 頁(yè) 第 頁(yè) 26 TMP2(Bin) B(Bin) TMP2(Hex) B(Hex) 0000 0000 1010 0101 00 a5 0000 0001 0100 1010 01 4a 0000 0010 1001 0100 02 94 0000 0101 0010 1000 02 28 0000 0001 0010 1000 01 28 0000 0010 0101 0001 02 51 0000 0100 1010 0010 04 A2 0000 0000 1010 0010 00 A2 0000 0001 0100 0101 01 45 0000 0010 1000 1010 02 8a 0000 0101 0001 0100 05 14 0000 0001 0001 0100 01 14 0000 0010 0010 1001 02 29 芯片中除法運(yùn)算的算法原理和常見(jiàn)的豎式除法運(yùn)算所采用的右移相減也是相一致的。如果仍然以被除數(shù)的最高位做參照，整個(gè)過(guò)程還是從高位到低位，從左到右的比較相減過(guò)程。由于采樣識(shí)別至少裔要兩個(gè)機(jī)器周期完成，此時(shí)最大計(jì)數(shù)速率為振蕩器頻率的 1/24。 cp為機(jī)器周期時(shí)鐘，低位 D觸發(fā)器的 Q輸出信號(hào)做為下一位的時(shí)鐘輸入。如果置初值 ，則通過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線將觸發(fā)器置初值。 模式控制寄存器 TMOD用于控制定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0和 1的操作模式，其長(zhǎng)度為 8位。電壓、電流方波經(jīng)波形邏輯處理 ， 然后再經(jīng)光電耦合、全波相位合成為周期是 2π的脈沖序列 ， 圖 所示的脈沖寬度即為要檢測(cè)的功率因數(shù)角。 () 由Δ t = tu ti 即可求出 φ 值。計(jì)數(shù)脈沖是用 8031的 ALE脈沖四分頻后獲得。 圖 8031的 Uca電壓過(guò)零點(diǎn)。用兩線同時(shí)觀測(cè)時(shí) c和 d點(diǎn)波形時(shí)，應(yīng)與圖 Ud和 Uc的相對(duì)應(yīng)關(guān)系一致，即 Uc與Ud的后沿是對(duì)齊的，當(dāng) a角改變時(shí)，它們的后沿始終是對(duì)齊的，僅 Ud的前沿隨 a角的大小而改變，表明線電壓，線電流間信號(hào)極性配合正確，若發(fā)現(xiàn) Uc與 Ud是前沿對(duì)齊， Ud后沿隨 a角而變化，則表明極性配合不正確，只要將變壓器或者電流互感器中之一反相即可糾正。 開(kāi)始執(zhí)行本程序時(shí)，不論 Uca處于正半周，負(fù)半周，是否過(guò)零點(diǎn)，均可確保是從 Uca由正變到負(fù)過(guò)零點(diǎn)時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù) ，由負(fù)變正過(guò)零點(diǎn)時(shí)停止計(jì)數(shù)。此處設(shè)計(jì)成子程序形式，執(zhí)行完成后 φ 角的二進(jìn)制 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 49 頁(yè) 第 頁(yè) 32 在 31H中，小數(shù)部分在 30H中，符號(hào)在 33H中； 00H表示阻性或感性； 80H表示容性， φ 角的十進(jìn)制結(jié)果則在 32H中。若進(jìn)一步再完成查表程序，接 φ角查正玄或余玄表，即可得功率因數(shù)。用 8031內(nèi)部定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T0和 T1對(duì) G3與 G4門輸出進(jìn)行計(jì)數(shù)。 由變壓器 TR取得 Uca線電壓信號(hào)和由電流互感器取得線電流 Ib信號(hào)均由檢查器轉(zhuǎn)換成響應(yīng)的方波信號(hào)。 以上是模擬法決定 φ 值 ， 另外還可以采用數(shù)值法。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 49 頁(yè) 第 頁(yè) 28 圖 /計(jì)數(shù)器內(nèi)部電路原理圖 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 49 頁(yè) 第 頁(yè) 29 3 功率因數(shù)角的測(cè)量方法 功率因數(shù)角 功率因數(shù)角的測(cè)量原理 系統(tǒng)電壓經(jīng)傳感器和波形變換后得到周期為 2π的方波信號(hào) ， 如圖 所示 。從置入的初值開(kāi)始，直到狀態(tài)變化為“ 1111111111111111， 當(dāng)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器執(zhí)行計(jì)數(shù)功能時(shí)，最低位時(shí)鐘變化來(lái)自于外部引腳 T0. T1處的變化。從‘ 000000000000000039。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 49 頁(yè) 第 頁(yè) 27 圖 /計(jì)數(shù)器內(nèi)部電路示意圖 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 TO、 Tl均由兩組 8位寄存器構(gòu)成，圖 I組對(duì)應(yīng) TH1， H組對(duì)應(yīng) TL1； I’對(duì)應(yīng) THO， II’對(duì)應(yīng) TLO。而每個(gè)機(jī)器周期是 12個(gè) 振蕩器周期的 12倍，因此“定時(shí)器”功能也可以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)機(jī)器周期，當(dāng)執(zhí)行“計(jì)數(shù)器”功能時(shí)，寄存器在相應(yīng)的外部槍入管腳 T0. T2處信號(hào)發(fā)生從 1到 0的轉(zhuǎn)換時(shí)加 1。事實(shí)上，這里在進(jìn)行除法運(yùn)算時(shí)首先將被除數(shù)補(bǔ)齊為雙字節(jié)，即將 TMP2做高位字節(jié)，并置為“ 00000000” 。運(yùn)算完成之后，將 TMP2中的值送入累加器。最終乘法運(yùn)算結(jié)果的低 8位就放入累加器，而高 8位放入 B寄存器。整個(gè)除法運(yùn)算過(guò)程中，累加器的值保持 a5不變化。這里的乘法運(yùn)算相當(dāng)于從第二個(gè)乘數(shù)的最高位開(kāi)始相乘，以其為參照就是右移相加。運(yùn)算完成后將 B寄存器中的內(nèi)容送到累加器，并且將 TMP2的內(nèi)容送到 B寄存器中。乘法運(yùn)算的整個(gè)過(guò)程之中，累加器保持 b5值不變化。 ALU可以進(jìn)行加、減、乘、除算術(shù)運(yùn)算，分別以 b5*89= 60(高位 )DD(低位 )H和 a5=04=02H(商 )29H(余數(shù) )為例說(shuō)明 ALU如何進(jìn)行乘法以及除法運(yùn)算。由反饋回的時(shí)鐘信號(hào)共同作用的設(shè)計(jì)方法可以保證同組時(shí)鐘完全同步。 圖 產(chǎn)生 2組內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)電路 分析圖 ： (1)CLK端為時(shí)鐘信號(hào)，與 XTAL1端時(shí)鐘信號(hào)頻率相同。電路的這種設(shè)計(jì)方法可以保護(hù)管子 P1， N1在誤操作芯片電源時(shí)不被擊穿。而 XTAL1， XTAL2均 為 CMOS型芯片的外引腳，因此在 XTAL1， XTAL2端均加上保護(hù)電路如虛線框內(nèi)電路 電路 2所示，相當(dāng)于分別連接了 2個(gè)二極管。使用片上振蕩器時(shí)，在芯片的引腳 XTAL1和 XTAL2之間連接一個(gè)晶體或者陶瓷諧振器，并且 XTAL1和 XTAL2到地之間各連接一個(gè)小電容 (例如 ： 選用石英晶振、 30PF電容 )。 對(duì)于單字節(jié)雙周期指令如圖 ，第一個(gè)機(jī)器周期 SiP1狀態(tài)時(shí)讀入所需的指令操作碼， S4P1以及第二個(gè)機(jī)器周期 SIP1， S4P1狀態(tài)不斷讀入下一條指令的操作碼并丟棄。 S4P1狀態(tài)時(shí)讀入下一條指令的操作碼，此時(shí)讀入的操作碼被丟棄，芯片不執(zhí)行相關(guān)操作。 MCS51單片機(jī)的時(shí)序功能分析 MCS51單片機(jī)的機(jī)器周期是由內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器定義的序列狀態(tài)組成，每個(gè)機(jī)器周期包括 6個(gè)狀態(tài)，從 S1到 S6。當(dāng)執(zhí)行外部程序存貯器內(nèi)的程序時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)都是 PSEN兩次有效， ALE兩次槍出高電平，用于鎖存地址的低位字節(jié)。工作狀態(tài)下，每當(dāng) ALE是 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 49 頁(yè) 第 頁(yè) 20 高電平的第一個(gè)時(shí)鐘 (SlP2， S4P2)， P2口被拉低而 PO口為高阻態(tài)。振蕩器開(kāi)始振蕩后，可以通 過(guò)在 RST引腳上加上兩個(gè)機(jī)器周期的高電平來(lái)使芯片實(shí)現(xiàn)復(fù)位。其中，微處理器由運(yùn)算器和控制邏輯組成，主要包括累加器 (ACC).B寄存器、臨時(shí)存儲(chǔ)器 (TMP TMP2)、算術(shù)運(yùn)算單元 ALU等。 (7)具有兩個(gè)優(yōu)先級(jí)的 5個(gè)中斷源。 (3)8bit最優(yōu)化的用于控制應(yīng)用程序的 CPU。電源以及時(shí)鐘 ： Vss， XTAL1， XTAL2。例如 ：?jiǎn)纹瑱C(jī)與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品相結(jié)合后簡(jiǎn)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)控制智能化，成為新一代的機(jī)、電一體化產(chǎn)品 ； 利用單片機(jī)來(lái)構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等 ； 在大型工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，單片機(jī)進(jìn)行接口的控制與管理，與計(jì)算機(jī)主機(jī)并行工作，可以大大提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。他們的差別僅在于片內(nèi)有無(wú) ROM或 51單片機(jī)的原理。 單片機(jī)愈來(lái)愈廣泛地應(yīng)用于日常生活中的智能電氣產(chǎn)品以及家電中。 用單片機(jī)可以構(gòu)成各種工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元地址和存儲(chǔ)單元的內(nèi)容是不同的兩個(gè)概念，不能 混淆。 8031 CPU碢 C 指定的地址，從 ROM 相應(yīng)單元中取出指令字節(jié)放在指令寄存器中寄存，然后，指令寄存器中的指令代碼被譯碼器譯成各種形式的控制信號(hào)，這些信號(hào)與單片機(jī)時(shí)鐘振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖在定時(shí)與控制電路中相結(jié)合，形成按一定時(shí)間節(jié)拍變化的電平和時(shí)鐘，即所謂控制信息，在 CPU內(nèi)部協(xié)調(diào)寄存器之間的數(shù)據(jù)傳輸、運(yùn)算等操作。單片機(jī)動(dòng)作時(shí)應(yīng)按順序一條條取出指令來(lái)加以執(zhí)行。其功能在介紹位指令時(shí)再說(shuō)明。 (4)奇偶標(biāo)志 P。 (2)輔助進(jìn)位標(biāo)志 AC。 PSW CY AC FO RS1 RS0 OV P 對(duì)用戶來(lái)講，最關(guān)心的是以下四位。在進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算時(shí)，累加器 ACC 往往在運(yùn)算前暫存一個(gè)操作數(shù)（如被加數(shù)），而運(yùn)算后又保存其結(jié)果（如代數(shù)和）。由機(jī)器碼構(gòu)成 的用戶程序一旦 “ 進(jìn)入 ” 了單片機(jī)，再 “ 啟動(dòng) ” 單片機(jī)，就可讓它執(zhí)行輸入程序所規(guī)定的任務(wù)。這樣，每條指令有明顯的動(dòng)作特征，易于記憶和理解，也不容易出錯(cuò)。所以，在指令系統(tǒng)中有單字節(jié)指令，也有多字節(jié)指令。要單片機(jī)運(yùn)作，單片機(jī)系統(tǒng)中的所有指令，都必須以二進(jìn)制編碼的形式來(lái)表示。單片機(jī)用戶為解決自己的問(wèn)題所編的指令程序，稱為源程序（ Source Program）。但是怎樣才能辨別和執(zhí)行這些操作呢？這是在設(shè)計(jì)單片機(jī)時(shí)由設(shè)計(jì)人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的。單片機(jī)所以能自動(dòng)地進(jìn)行運(yùn)算和控制，正是由于人把實(shí)現(xiàn)計(jì)算和控制的步驟一步步地用命令的形式，即一條條指令（ Instruction）預(yù)先存入到存貯器中，單片機(jī)在 CPU的控制下，將指令一條條地取出來(lái)，并加以翻譯和執(zhí)行。但是，光有這樣的硬件，還只是有了實(shí)現(xiàn)計(jì)算和控制功能的可能性。 16位單片機(jī)除了 CUP為 16位以外，片內(nèi) RAM和 ROM的客量進(jìn)一步增大，片內(nèi) RAM增加為 232字節(jié)， ROM為 8K字節(jié)，且片內(nèi)帶有高速輸入 /輸出部件，多通道 10位 AID轉(zhuǎn)換器，具有 8級(jí)中斷等。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 49 頁(yè) 第 頁(yè) 13 2 8031 單片機(jī)功能及簡(jiǎn)介 單片機(jī)的基本概念 單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)分支，它的產(chǎn)生與發(fā)展大體同步，主要分為三個(gè)階段 ： 第一階段 (19741978)： 初級(jí)單片機(jī)階段。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 49 頁(yè) 第 頁(yè)