第二章 单片机应用系统设计基础

1第二章单片机应用系统设计基础一、综述单片机系统设计重要性单片机用来构成工业测、控系统，其应用系统的硬件设计包括单片机系统设计、多方位接口和多种类型的电路结构等内容。而单片机系统设计是最主要的内容。单片机的定义如果将运算器、控制器、数据与程序存储器、输入/输出接口集成在一块单硅片上，那么这种芯片就被称为单片机。MCS-51单片机的种类8051、8751、803128051、8751、8031提供的资源：它们均具有—8位CPU、4个并行I/O口、2个T/C、1个全双工的串行口、5个中断源、21个SFR、128个字节RAM。8051内部有—4KROM程序存储器；8751内部有—4KEPROM程序存储器；8031内部—外接EPROM程序存储器。它们均可以构成一个完整的8位计算机。3二、单片机存储器空间程序存储器：8051-内部4KROM外接60KEPROM或EEPROM（EA=1）/外接64KEPROM或EEPROM（EA=0）8751-内部4KEPROM外接60KEPROM或EEPROM8031-外接64KEPROM或EEPROM4内部数据存储器：8051、8731、8031均有128个字节的RAM地址为00H~7FH，21个SFR地址离散分布在80H~FFH中。221个位寻址空间其中128位地址00H~7FH（在RAM20H~2FH单元中）93位（80H~FFH）离散分布在21个SFR中（地址被8整除）。外部数据存储器：8051、8731、8031均可以外接64K字节的RAM，其地址为0000H~FFFFH。5三、输入／输出（I/0）P0口（39脚～32脚）：*三态双向8位三态I／O口，既可输入又可输出。*每个接口由一个锁存器专用寄存器P0、一个输出驱动器和一个输入缓冲器组成。*它是一个复用口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能驱动8个LSTTL负载。*P0在单片机不需要扩展时，可作为一般的I/O口使用。P1口（l脚～8脚）*8位准双向I/O口，由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I／O，*P1口能驱动4个LSTTL负载。6P2口（21脚～28脚）*8位准双向I／O口。在访问外部存储器时，可以作为扩展电路高8位地址总线输出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。*P2可以驱动4个LSTTL负载。P3口（10脚～17脚）*8位准双向I/O口，在MCS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。*P3口能驱动4个LSTTL负载。7关于P3口的说明作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。作为第二功能使用时，各引脚的定义如表所示。值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。0INT1INTRD口线引脚第二功能P3．010RXD（串行输入口）P3．111TXD（串行输出口）P3．212（外部中断0）P3．313（外部中断1）P3．414T0（定时器0外部输入）P3．515T1（定时器1外部输入）P3．616外部数据存储器写脉冲P3．717外部数据存储器读脉冲8P1口和P3口的输入端与P0口不同:P1和P3口有内部上拉电阻。P1口和P3口的每一位都可独立设置成输入或输出位。注意：当P1（P3）的某一位设成输入时，要先应向该位的锁存器写“1”，输入输出驱动场效应管截止，该输入口线被上拉成高电平，只有在外部输入源为低电平时，才被拉低。所以被称为“准双向”口。9四、MCS-51定时器/计数器MCS-51有几个定时器/计数器？MCS-51有2个定时器/计数器T0和T1在单片微机控制系统中为什么要使用它们？在单片微机控制系统中，常要求一些外部实时时钟，以实现定时或延时；也常要求有一些外部计数器，以实现对外部事件进行计数。T0/T1是几位的计数器/定时器？T0/T1是16位的计数器/定时器，通过编程的方式可以用来设定为定时器或者为计数器。10计数器/定时器本质区别是什么？（西安教材P27）计数器/定时器的基本核心是一个加1计数器加1计数器的脉冲有两个来源：外部脉冲源；内部的时钟振荡器。*定时器对内部的时钟振荡器标准脉冲计数*计数器对外部脉冲计数11•与计数器/定时器相关的特殊功能寄存器有哪几个？ＴＭＯＤ工作方式控制寄存器ＧＡＴＥＣ／ＴＭ１Ｍ０ＧＡＴＥＣ／ＴＭ１Ｍ０Ｉ——————Ｔ１————ＩＩ————Ｔ０—————ＩＭ１Ｍ０方式０００１３位计数器０１１１６位计数器１０２计数初值可以重新装入的８位计数器１１３对Ｔ０分为两个独立的８位定时器／计数器，对Ｔ１停止计数Ｃ／Ｔ定时／计数方式选择位：Ｃ／Ｔ＝０定时，Ｃ／Ｔ＝１计数ＧＡＴＥ门控位：若ＧＡＴＥ＝１，则Ｔ０／Ｔ１计数受引脚ＩＮＴ０／ＩＮＴ0控制，ＧＡＴＥ＝０Ｔ０／Ｔ１计数不受引脚ＩＮＴ０／ＩＮＴ0控制。12•定时器控制寄存器ＴＣＯＮ—定时器控制寄存器ＴＦ１ＴＲ１ＴＦ０ＴＲ０ＩＥ１ＩＴ１ＩＥ０ＩＥ０Ｉ—用于Ｔ１—Ｉ—用于T０—ＩＩ———用于中断控制———ＩＴＦ１／ＴＦ０——溢出中断标志：溢出自动置１，硬件自动清０或供软件查询和清０ＴＲ１／ＴＲ０——定时器运行控制位，由软件置１或清０ＩＥ１ＩＴ１ＩＥ０ＩＥ０——用于中断控制13ＴＨ１、ＴＬ１、ＴＨ０、ＴＬ０功能：寄存计数初值，均可以通过软件赋值，系统复位时，均为００Ｈ讨论Ｔ１，当工作于方式０时，ＴＨ１是Ｔ１的高８位，ＴＬ１是Ｔ１的低５位，组成Ｔ１的１３位计数器，Ｔ１加１到１ＦＦＨ后，再加１便溢出，置ＴＦ１为“１”当工作于方式１时，ＴＨ１是Ｔ１的高８位，ＴＬ１是Ｔ１的低８位，组成Ｔ１的１６位计数器，Ｔ１加１到ＦＦＦＦＨ后，再加１便溢出，置ＴＦ１为“１”；当工作于方式２时，ＴＨ１是Ｔ１的计数初值寄存器，ＴＬ１是Ｔ１的８位计数器，组成Ｔ１的８位计数器，Ｔ１加１到ＦＦＨ后，再加１便溢出，置ＴＦ１为“１”，同时将ＴＨ１中的计数初值装入ＴＬ１，于是Ｔ１又在ＴＬ１的新值基础上计数，周而复始。（自动装入常数）14当工作于方式３时只使用于定时器Ｔ０，把Ｔ０分成两个独立的８位定时器／计数器，ＴＨ０——８位定时器，ＴＬ０——８位定时器／计数器15五、CPU时序及有关概念一条指令可以分解为若干基本的微操作，而这些微操作所对应的脉冲信号，在时间上有严格的先后次序，这些次序就是计算机的时序。时序是非常重要的概念，它指明单片机内部以及内部与外部互相联系所遵循的规律①指令周期：指为单片机提供定时信号的振荡源的周期。②时钟周期：又称状态周期或S周期，因为时钟发生器就是上述的2分频触发器，所以它是振荡周期的两倍，16③机器周期：一个机器周期由6个状态（12个振荡脉冲）组成，即6个时钟贮存器期，12个振荡周期。④指令周期：指执行一条指令所占用的全部时间，一个指令周期通常含有1~4个机器周期。17•单片机各种周期的相互关系若外接晶振为12MHZ，MCS-51单片机的四个周期的具体值为：振荡周期=1/12μs；时钟周期=1/6μs；机器周期=1μs；指令周期=1~4μs；18六、MCS-51单片机的辅助电路单片机的复位状态寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HACC00HB00HPSW00HSP07HDPTR0000HP0~P3FFHIP(××××00000)IE(0××00000)TMOD00HTCON00HTH000HTL000HTH100HTL100HSCON00HSBUF(××××××××)IE(0×××0000)19上电复位电路和开关复位组合电路20单片机的时钟电路内部时钟方式、外接时钟方式21七、MCS-51单片机的外部总线结构为什么要用地址锁存器？由于MCS-51单片机的P0口是分时复用的地址/数据总线，因此在进行程序存储存扩展时，又须利用地址锁存器将地址信号从地址/数据总线中分离出来。常用的地址锁存器通常用作单片机地址锁存的芯片有两类，一类是8D触发器，如74LS272、74LS377等，另一类是8位锁存器，如741S373、8282等。22•用作地址锁存器的常用芯片74LS27374LS373828223•MCS-51单片机的片外总线结构电路24地址总线（AB）：地址总线宽度为16位，因此，其外部存储器直接寻址为64K字节，16位地址总线由PO口经地址锁存器提供低8位地址（A0～A7，P2.0直接提供高8位地址（A8～A15）。数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，由P0口提供。控制总线（CB）：由P3的第2功能状态和4根独立控制线RESET、ALE、PSEN、EA等组成。25八、MCS-51单片机应用系统中的地址译码MCS-51单片机应用系统中的地址译码的规则1．程序存储器与数据存储器地址重叠使用；2．外围扩展芯片与数据存储器统一编址。它不仅占用数据存储器地址单元，而且使用数据存储器的读／写控制信号与读／写指令；3．地址总线宽度为16位，片外程序存储器与数据存储器可直按寻址范围各为64k字节。P2口提供高8位地址（A8～A15），P0口经外部锁存后提供低八位地址（A0～A7）。26•地址译码方法由于外围芯片与数据存储器统一编码，因此，单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。通常采用线选法和全地址译码方法。所谓线选法即是把单独的地址线（通常是P2口的某一根线）接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。若系统只扩展少量的RAM和I/O接口芯片，可采用线选法。27•线选法地址译码电路指出下列电路中各芯片的地址：外围器件地址选择线（A15～A0）片内地址单元数地址编码611611110××××××××××2KF000～F7FH825511101111111111××4EFFC～EFFFH8155RAM11011110××××××××256DE00～DEFFHI/O1111111111111×××6DFF8～DFFDH083210111111111111111BFFFH825301111111111111××47FFC～7FFFH271600000××××××××××2K0000H～0FFFH28•地址的书写原则上述地址选择译码中未用到的地址位均设成“1”状态（如6116、8255等），将它们推向高位，也可设成“0“状态如（2716）。只有一片程序存赌器，则将其片选端接地即可。但是，对于I/O接口芯片和数据存储器，在地址选择码中未用到的地址位均添“1”以免引起错误。29•线选法的优缺点优点：硬件电路结构简单缺点：由于所用片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。30•全地址译码全地址译码—它将低位地址线作为芯片的片内地址（取外部电路中最大的地址线位数），用译码器对高位地址线进行译码，译出的信号作为片选信号。一般采用74LS138作地址译码器（3-8）74LS139作地址译码器（2-4）31•74LS138功能表7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0YG1G2AG2BCBA1000001111111010000111111101100010111110111000111111011110010011101111100101110111111001101011111110011101111111其它状态×××1111111132•全地址译码电路33全地址译码法扩展芯片地址器件地址选择线（A15～A0）片内地址单元数地址编码6264000××××××××××××8K0000H～1FFFH825500111111111111××43FFC～3FFFH8155RAM01011110××××××××2565E00H～5EFFHI/O0101111111111×××65FF8H～5FFDH0832011111111111111117FFFH825310011111111111××49FFC～9FFFH2716000××××××××××××8K0000H～1FFFH34九、ＭＣＳ