【文章內(nèi)容簡介】 輸入） 15 T1（定時器 1外部輸入） 16 WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖） 17 RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖） 表 P3各口線的第二功能定義 9 晶體振蕩電路 1. 時鐘信號的產(chǎn)生 在 MCS51 芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳 XTAL1，其輸出端為引腳 XTAL2 。而在芯片的外部， XTAL1 和 XTAL2 之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，這就是單片機(jī)的時鐘電路，如圖。 時鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖經(jīng)過觸發(fā)器進(jìn)行二分頻之后，才成為單片機(jī)的時鐘脈沖信號。一般地，電容 C1 和 C2 取 30 pF 左右，晶體的振蕩頻率范圍是 ～12 MHz。晶體振蕩頻率高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也高，單片機(jī)運(yùn)行速度也就快。MCS51 在通常應(yīng)用情況下，使用振蕩頻率為 6 MHz 或 12 MHz。 1XTAL 1XTAL 2C 1C 2晶振8051至內(nèi)部時鐘電路 圖 時鐘振蕩 電路 2. 時序 時序是用定時單位來說明的。 MCS51 的時序定時單位共有 4個，從小到大依次是：節(jié)拍、狀態(tài)、機(jī)器周期和指令周期。下面分別加以說明。 1) 節(jié)拍與狀態(tài) 把振蕩脈沖的周期定義為節(jié)拍（用 P表示）。振蕩脈沖經(jīng)過二分頻后，就是單片機(jī)的時鐘信號的周期，其定義為狀態(tài)（用 S 表示）。 這樣，一個狀態(tài)就包含兩個節(jié)拍，具前半周期對應(yīng)的拍節(jié)叫節(jié)拍 1（ P1），后半周期對應(yīng)的節(jié)拍叫節(jié)拍 2(P2）。 2) 機(jī)器周期 MCS51 采用定時控制方式 , 因此它有固定的機(jī)器周期。規(guī)定一個 機(jī)器周期 10 的寬度為 6 個狀態(tài)，并依次表示為 S1～ S6。由于一個狀態(tài)又包括兩個節(jié)拍，因此，一個機(jī)器周期總共有 12 個節(jié)拍，分別記作 S1P S1P ? 、 S6P2。由于一個機(jī)器周期共有 12 個振蕩脈沖周期 , 因此機(jī)器周期就是振蕩脈沖的十二分頻。 當(dāng)振蕩脈沖頻率為 12 MHz 時，一個機(jī)器周期為 1μ s；當(dāng)振蕩脈沖頻率為 6 MHz時，一個機(jī)器周期為 2μ s。 本設(shè)計采用的晶振頻率為 12MHz。 3) 指令周期 指令周期是最大的時序定時單位 , 執(zhí)行一條指令所需要的時間稱為指令周期。它一般由若干個機(jī)器周期組成。不同的指令，所需要的 機(jī)器周期數(shù)也不相同。通常，包含一個機(jī)器周期的指令稱為單周期指令，包含兩個機(jī)器周期的指令稱為雙周期指令，等等指令的運(yùn)算速度與指令所包含的機(jī)器周期有關(guān)，機(jī)器周期數(shù)越少的指令執(zhí)行速度越快。 單片機(jī)執(zhí)行任何一條指令時都可以分為取指令階段和執(zhí)行指令階段 。 ALE 引腳上出現(xiàn)的信號是周期性的，在每個機(jī)器周期內(nèi)出現(xiàn)兩次高電平。第一次出現(xiàn)在S1P2 和 S2P1 期間，第二次出現(xiàn)在 S4P2 和 S5P1 期間。 ALE 信號每出現(xiàn)一次， CPU就進(jìn)行一次取指操作，但由于不同指令的字節(jié)數(shù)和機(jī)器周期數(shù)不同，因此取指令操作也隨指令不同而有小的差異。 上電復(fù)位電路 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作 ， 其主要紅能是把程序計數(shù)器 PC 內(nèi)容初始化為0000H，也就是使單片機(jī)從 0000H 單元開始執(zhí)行程序，同時 使 CPU 和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作 。 8051 單片機(jī)采用兩種復(fù)位方式：一種是加電自動復(fù)位，另一種為開關(guān)復(fù)位。 單片機(jī)復(fù)位的條件是：必須使 RST/VPD 或 RST 引（ 9）加上持續(xù)兩個機(jī)器周期（即 24 個振蕩周期）的高電平。 2μ s以上時間的高電平，在 RST 引腳出現(xiàn)高電平后的第二個機(jī)器周期執(zhí)行復(fù)位。單片機(jī)常見的復(fù)位電路如圖 （ a），（ b）所示。圖 （ a）為上電復(fù)位電路，它是 通過外部復(fù)位電路的 電容充電來實現(xiàn)的。 在電源 Vcc 的上升時間不超過 1ms 就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。 在接電瞬間， RESET 端的電位與 VCC 相同，隨著充電 11 電流的減少， RESET 的電位逐漸下降。只要保證 RESET 為高電平的時間大于兩個機(jī)器周期，便能正常復(fù)位。 (a) 上電復(fù)位電路 ， (b) 按鍵復(fù)位電路 MCS 51VCCVCCRESETVSS22 ? F1 k ?MCS 51VCCVCCRESETVSS22 ? FRESETR 1R 2 ( a ) ( b )200 ? 圖 單片機(jī)常見的復(fù)位電路； 8051 單片機(jī)的并行 I/O口 1. P0 口 8位雙向口線，其第一功能是作為通用的 I/O 口， CPU 在傳送輸入/輸出數(shù)據(jù)時。輸出數(shù)據(jù)可以鎖存，輸入數(shù)據(jù)可以緩存；第二功能是當(dāng) CPU 訪問外部存儲器時，分時提供低 8 位地址和 8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線。 電路中包含有一個數(shù)據(jù)輸出鎖存器、兩個三態(tài)數(shù)據(jù)輸入緩沖器、一個數(shù)據(jù)輸出的驅(qū)動電路和一個輸出控制電路。當(dāng)對 P0 口進(jìn)行寫操作時，由鎖存器和驅(qū)動電路構(gòu)成數(shù)據(jù)輸出通路。由于通路中已有輸出鎖存器，因此數(shù)據(jù)輸出時可以與外設(shè)直接連接，而不需再加數(shù)據(jù)鎖存電路 。 2. P2 口 8 位雙向口線。其第一功能是當(dāng)不帶片外存儲 器時，作為通用 I/O口；第二功能是 8051 帶片外存儲器時，與 P0 口配合，傳送片外存儲器的高 8位。 8051 單片機(jī) 的 中斷系統(tǒng) 8051 單片機(jī)中斷系統(tǒng)共有 6個中斷源，即 2 個外部中斷， 2 個定時器中斷和2個串行中斷 。本文采用的是定時器中斷。 定時器中斷是為滿足定時或計數(shù)的需要而設(shè)置的。在單片機(jī)芯片內(nèi)部有 2 個定時器 T0 和 T1，所以定時器中斷也有 2個：定時器 1 中斷和定時器 0中斷。當(dāng) 12 計數(shù)器溢出時，表明定時時間到計數(shù)值滿，這時內(nèi)部電路就產(chǎn)生中斷請求 。 中斷控制是指提供給用戶使用的中斷 控制手段。具體到 8051，中斷控制的內(nèi)容共有四項：中斷允許控制、中斷請求控制、中斷優(yōu)先控制和外中斷觸發(fā)方式控制。這些控制內(nèi)容分布在 4 個控制寄存器中：中斷允許寄存器、定時器控制寄存器、串行控制寄存器和中斷優(yōu)先級寄存器 。中斷控制是通過硬件實現(xiàn)的，但須進(jìn)行軟件設(shè)置。 1) 中斷允許控制寄存器 IE 該寄存器用于控制是否允許使用中斷。本設(shè)計所使用的標(biāo)志位如下： EA:中斷允許總控制位。 EA=0，中斷總禁止，禁止所有中斷。 EA=1，中斷總允許，其后 中斷的禁止或允許由各類中斷自行設(shè)置。 ET1：定時器中斷允許控制位。 ET1=0,禁止定時器中斷。 ET1=1,允許定時器中斷。 可見， 8051 通過中斷允許控制寄存器對中斷允許實行兩級控制：中斷系統(tǒng)總控制和各類中斷單獨(dú)控制。本設(shè)計中，只有當(dāng) EA=1 時，開放中斷系統(tǒng)，這時才能由定時器中斷控制位控制定時器中斷的允許與禁止。 2) 定時器控制寄存器 TCON 寄存器地址為 88H，位地址為 8FH88H。雖然該寄存器名稱為定時器控制寄存器，但多數(shù)位都是為中斷控制而設(shè)置的。本設(shè)計所采用的標(biāo)志位如下： TF1：定時器 T1 計數(shù)溢出標(biāo)志位。當(dāng)計數(shù)器產(chǎn)生計數(shù)溢出時，相應(yīng)的溢出標(biāo)志位由硬件置 1，并自動產(chǎn)生定時中斷請 求。此外，也可以作為狀態(tài)位供查詢使用。 8051 單片機(jī)的 定時 /計數(shù)器 在單片機(jī)控制應(yīng)用中，定時和計數(shù)的需求很多，為此在單片機(jī)中都有定時器/計數(shù)器， 8051 中有兩個 16位定時器 /計數(shù)器，本設(shè)計使用的是定時器 T1。 定時 /計數(shù)器的定時功能 定時器的定時功能是通過計數(shù)器的計數(shù)來實現(xiàn)的，此時的計數(shù)脈沖來自單片機(jī)芯片內(nèi)部，每個機(jī)器周期有一個計數(shù)脈沖，即每個機(jī)器周期計數(shù)器加 一個機(jī)器周期等于 12個振蕩脈沖周期，因此，計數(shù)頻率為振蕩頻率的 1/12。此 13 單片機(jī)采用 12MHz 晶振，則計數(shù)頻率為 1MHz，即每微秒計數(shù)器 加 1。這樣，在使用定時器時既可以根據(jù)計數(shù)值計算出定時時間 ，也可以通過定時時間的要求算出計數(shù)器的預(yù)置值。 用于 定時 /計數(shù)器控制的寄存器 在 8051 單片機(jī)中，與定時器有關(guān)的控制寄存器共有 3 個，分別是定時器控制寄存器、工作方式控制寄存器和中斷允許控制寄存器。中斷允許控制寄存器已在前面的中斷一節(jié)中講過，這里不再贅述。我們來了解前兩個寄存器。 1. 定時器控制寄存器 (TCON) TCON 寄存器地址為 88H，位地址為 8FH88H。 定時器控制寄存器中， 本設(shè)計與定時器有關(guān)的控制位有 1 位，即 TR1運(yùn)行控制位。 TR1=0， 停止定時器工作； TR1=1，啟動定時器工作。控制計數(shù)啟停只需用軟件方法使其置 1 或清 0 即可。 2．定時器方式選擇寄存器 (TMOD) TMOD 寄存器用于設(shè)定定時器的工作方式。寄存器地址為 89H，但它沒有位地址，不能進(jìn)行尋址，只能用字節(jié)傳送指令設(shè)置其內(nèi)容。 14 第三章 8051 單片機(jī)與 8155 的接口設(shè)計 并行 I/O 接口 8155 8155 內(nèi)部功能結(jié)構(gòu) 及引腳 在實訓(xùn)電路中采用一種可編程的接口芯片 8155， Intel 公司研制的 8155 不僅具有兩個 8 位的 I/O 端口 (A 口、 B 口 )和一個 6 位的 I/O 端口 (C 口 )，而且還可以提供 256 B 的靜態(tài) RAM 存儲器和一個 14 位的定時 /計數(shù)器。 8155 和單片機(jī)的接口非常簡單，目前被廣泛應(yīng)用。 8155 有 40 個引腳，采用雙列直插封裝，其引腳圖和組成框圖如下圖所示。 圖 8155 的引腳圖和結(jié)構(gòu)框圖 下面 我們對 8155 的引腳分類說明如下： (1) 地址 /數(shù)據(jù)線 AD0～ AD7（ 8 條）：是低 8 位地址線和數(shù)據(jù)線的共用輸入總線，常和 51 單片機(jī)的 P0 口相連，用于分時傳送地址數(shù)據(jù)信息，當(dāng) ALE=1 時，傳送的是地址。 (2) I/O 口總線（ 22 條）： PA0～ PA PB0～ PB7 分別為 A、 B 口線，用于和C B A AD0 12 PA0 21 AD1 13 PA1 22 AD2 14 PA2 23 AD3 15 PA3 24 AD4 16 PA4 25 AD5 17 PA5 26 AD6 18 PA6 27 AD7 19 PA7 28 PB0 29 CE 8 PB1 30 RD 9 PB2 31 WR 10 PB3 32 IO/M 7 PB4 33 ALE 11 PB5 34 PB6 35 PB7 36 TIMEROUT 6 PC0 37 PC1 38 TIMERIN 3 PC2 39 PC3 1 PC4 2 RESET 4 PC5 5 8155 256 字節(jié) 靜態(tài) RAM 14 位 定時 計數(shù)器 TIMER IN TIMER OUT VCC(163。171。5 V) VSS(GND) PA0161。171。PA7 IO/M CE ALE RD WR RESET AD0161。171。AD7 PB0161。171。PB7 PC0161。171。PC7 15 外設(shè)之間傳遞數(shù)據(jù)； PC0～ PC5 為 C 端口線，既可與外設(shè)傳送數(shù)據(jù)，也可以作為A、 B 口的控制聯(lián)絡(luò)線。 (3) 控制總線（ 8 條）： ? RESET：復(fù)位線，通常與單片機(jī)的復(fù)位端相連，復(fù)位后， 8155 的 3 個端口都為輸入方式。 ? WR, RD：讀 /寫線，控 制 8155 的讀、寫操作。 ? ALE：地址鎖存線，高電平有效。它常和單片機(jī)的 ALE 端相連，在 ALE的下降沿將單片機(jī) P0 口輸出的低 8 位地址信息鎖存到 8155 內(nèi)部的地址鎖存器中。因此，單片機(jī)的 P0 口和 8155 連接時，無需外接鎖存器。 ? CS：片選線，低電平有效。 ? IO/M： RAM 或 I/O 口的選擇線。當(dāng) =0 時，選中 8155 的 256 B RAM；當(dāng)=1 時，選中 8155 片內(nèi) 3 個 I/O 端口以及命令 /狀態(tài)寄存器和定時 /計數(shù)器。 ? TIMERIN、 TIMEROUT：定時 /計數(shù)器的脈沖輸入、輸出線 作片外 RAM 使用 當(dāng) CE=0， IO/M=0 時， 8155 只能做片外 RAM 使用，共 256 B。其尋址范圍由以及 AD0～ AD7 的接法決定，這和前面講到的片外 RAM 擴(kuò)展時討論的完全相同。當(dāng)系統(tǒng)同時擴(kuò)展片外 RAM 芯片時，要注意二者的統(tǒng)一編址。對這 256 B RAM 的操作使用片外 RAM 的讀 /寫指令 “MOVX”。 作擴(kuò)展 I/O 口使用 當(dāng) CE=0， IO/M=1 時，此時可以對 8155 片內(nèi) 3 個 I/O 端口以及命令 /狀態(tài)寄存器和定時 /計數(shù)器進(jìn)行操作。與 I/O 端口和計數(shù)器使用有關(guān)的內(nèi)部寄存器共有 6個，需要三位地址來區(qū)分 。 1) 命 令 /狀態(tài)寄存器 ? 和接口芯片 8255 一樣，芯片 8155 I/O 口的工作方式的確定也是通過對8155 的命令寄存器寫入控制字來實現(xiàn)的。 8155 控制字的格式如下圖所示。 ? 命令寄存器只能寫入不能讀出，也就是說，控制字只能通過指令 MOVX @DPTR, A 或 MOVX @Ri, A 寫入命令寄存器。 16 ? 狀態(tài)寄存器中存放有狀態(tài)字，狀態(tài)字反映了 8155 的工作情況。 狀態(tài)字的各位定義如下圖所示。 A 口中斷請求標(biāo)志： 0: 無。 1: 有A 口緩沖器： 0: 空。 1: 滿A 口中斷允許： 0: 禁止。 1: 允許B 口中斷請求標(biāo)志： 0: 無。 1: 有B 口緩沖器： 0: 空。 1: 滿B 口中斷允許： 0: 禁止。 1: 允許定時器中斷標(biāo)志:1: 有定時器溢出中斷0: 讀狀態(tài)字后或硬件復(fù)位后I N T EBT I M E R B B F I N T RBI N T EAI N T RAA B F ? 狀態(tài)寄存器和命令寄存器是同一地址，狀態(tài)寄存器只能讀出不能寫入，也就是說，狀態(tài)字只能通過指令 MOVX A ， @DPTR 或 MOVX A， @Ri 來讀出，以此來了解 8155 的工作狀態(tài)。 2) 定時 器高、低 8 位寄存器 ： 關(guān)于 定時 /計數(shù)器高、低 8 位寄存器的使用，我們將在后面講到定時器使用時再作介紹。 I/O 口的工作方式 當(dāng)使用 8155 的三個 I/O 端口時，它們可以工作于不同的方式，工作方式的選擇取決于寫入的控制字。其中， A、 B 口可以工作于基本 I/O 方式或選通 I/O方式， C 口可工作于基本 I/O 方式，也可以作為 A、 B 選通方式時的控制聯(lián)絡(luò)線。 方式 2 時， A、 B、 C 口都工作于基本 I/O 方式，可以直接和外設(shè)相連，采用 “MOVX”類的指令 進(jìn)行輸入 /輸出操作。方式 3 時， A 口為選通 I/O 方式，由C 口的低三位作聯(lián)絡(luò)線，其余位作 I/O 線； B 口為基本 I/O 方式。方式 4 時， A、B 口均為選通 I/O 方式，