單片機原理及應用(08)

1、主編 黃劼2008 2第一章 緒緒 論論 一、 計算機發(fā)展簡史v第一臺計算機ENIAC誕生于1946年2月15日v以電子管為基本元件，時鐘頻率100KHz， 運算速度5000次加法/每秒v計算機經過了幾代的更新?lián)Q代，到今天已經形成了一個龐大的計算機家族。1.1單片機與微型計算機的區(qū)別單片機與微型計算機的區(qū)別 第一臺電子計算機電子計算機技術的發(fā)展到現(xiàn)在，已電子計算機技術的發(fā)展到現(xiàn)在，已經經歷了五代：經經歷了五代：v電子管計算機；v晶體管計算機；v集成電路計算機；v大規(guī)模集成電路計算機；v超大規(guī)模集成電路計算機。 計算機可分為不同類型，通常所說的“計算機”，本課程將要學習的 電子計算機 數(shù)字式電子

2、計算機 數(shù)字式微型電子計算機微 機二、馮諾依曼結構微機基礎結構v匈牙利籍數(shù)學家馮諾依曼提出了以儲存器為中心的計算機結構方案v1946年6月，他又提出了“程序存儲”和“二進制運算”的思想v現(xiàn)在的計算機大部分仍是這種結構，即即硬件部分由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大功能部件組成v微型計算機通過印刷電路板和電纜把上述功能部件有機地連接在一起，以“系統(tǒng)”的形式出現(xiàn)，在軟件配合下，實現(xiàn)相應的計算和控制功能。v單片機則是把構成一臺微型計算機所必需的功能部件集成到一個芯片內，以“芯片”的形式出現(xiàn)，在軟件配合下，實現(xiàn)計算和控制功能。v單片機在本質上仍然是一種馮諾依曼結構的數(shù)字式微型電子計算機，

3、其全稱是單片微型計算機Single chip computer，又稱為微控制器 Microcontrollerv微型計算機的基本理論和有關概念微型計算機的基本理論和有關概念同樣適用于單片機系統(tǒng)同樣適用于單片機系統(tǒng)三、單片機和微型計算機的區(qū)別 v微型計算機多用于科學計算和事務處理等方面，計算復雜且要求計算速度快，因此微機的特點是存儲容量大且運算速度快v單片機集成度高、體積小、功耗低、實時處理能力強，主要應用于控制領域v單片機和微型計算機的區(qū)別不在單片機和微型計算機的區(qū)別不在本質上，而在于針對性及適用對本質上，而在于針對性及適用對象的不同象的不同v第一階段(19741978)單片機形成 以Inte

4、l公司MCS48系列單片機為代表v第二階段(19781983)性能完善提高 以Intel公司MCS51系列單片機為代表v第三階段(19831990) 16位單片機和高性能8位機并行發(fā)展 以Intel公司MCS96系列單片機為代表12 單片機的發(fā)展歷史和趨勢單片機的發(fā)展歷史和趨勢 v第四階段(1990) 1990年2月，i800860超級單片機問世，運算速度為1.2億次/秒，可進行32位整數(shù)運算和64位浮點運算，片內具有3維圖形處理器。 實質是將大型計算機單片化，可完成更為復雜的控制功能。 1.3 MCS51單片機的特點和型號體系 v基本系列：8051子系列： 包括8031/8751/8051三

5、個具體型號； v增強系列：8052子系列： 包括8032/8752/8052三個具體型號 vCOMS基本系列： 包括80C31/87C51/80C51三個具體型號v所有型號指令和引腳完全兼容所有型號指令和引腳完全兼容 不同系列的差異在于：v基本系列： 片內程序存儲器4K，片內數(shù)據存儲器128Byte，2個定時計數(shù)器； v增強系列： 片內程序存儲器8K，片內數(shù)據存儲器256Byte ，3個定時計數(shù)器；vCOMS系列： COMS工藝制造，功耗低，電壓范圍廣。又可分為C51和C52兩個子系，區(qū)別同上。同系列不同型號的差異在于：v805X片內有4K的ROM作為程序存儲器；v875X片內有4K的EPRO

6、M作為程序存儲器；v803X沒有片內程序存儲器；v其它功能部件完全一樣，指令和引腳也其它功能部件完全一樣，指令和引腳也完全兼容完全兼容。 v近年多家公司購買了8051的內核，推出了眾多兼容機型，使用較廣泛的有： ATMEL公司融入FLASH存儲器技術的AT89系列Philips公司的80C51、80C552系列； 華邦公司的W78C51、W77C51高速低價系列 ADI公司的ADC8xx高精度ADC系列； Cygnal公司的C8051F系列高速SOC單片機。 MCS-51單片機常用型號性能 1.4 MCS51單片機的應用領域 v工業(yè)過程實時控制 v數(shù)據采集與處理 v機電一體化產品 v辦公自動化

7、設備 v智能儀器 v家電控制 v汽車電子產品 v商業(yè)營銷設備 第2章 MCS51單片機硬件組成單片機硬件組成 v本章將介紹MCS51單片機的基本組成；單片機存儲器的組織結構；I/O接口的結構和工作原理；單片機的基本工作方式以及單片機的基本時序v通過本章的學習，應該對單片機的整體結構和工作原理有全面的了解，上述內容是學習和使用單片機指令系統(tǒng)以及設計單片機控制系統(tǒng)的基礎。 2.1 MCS51單片機內部資源單片機內部資源 v一個8位微處理器(CPU) v128B片內數(shù)據存儲器(RAM)v4K片內程序存儲器(ROM)v21個專用寄存器，實現(xiàn)對內部功能部件的控制和數(shù)據運算v4個8位并行I/O接口(P0、

8、P1、P2、P3) v兩個16位定時/計數(shù)器v一個全雙工串行口v一套完善的中斷管理和處理系統(tǒng) v不同的具體型號，可能在以下方面有所不同片內數(shù)據存儲器容量不同片內程序存儲器容量和器件類型不同定時器數(shù)量不同串口數(shù)量不同MCS51單片機的基本結構示意 MCS51單片機的基本結構示意 vMCS51單片機的P0、P2和P3并行接口在CPU控制下，可構成地址、數(shù)據和控制總線，用于外部設備擴展，MCS51單片機可以擴展：片外數(shù)據存儲器單元和I/O接口地址共64KB64KB片外程序存儲器 2.2 單片機的中央處理器單片機的中央處理器 v單片機的CPU字長為8位，即對數(shù)據的處理、傳輸均按8位二進制數(shù)(一個字節(jié))

9、進行vMCS51系列單片機是8位機 vMCS51系列單片機的CPU由運算器、控制器及相應的專用寄存器組成運算器運算器v運算器由算術/邏輯部件(ALU)為核心，加上累加器ACC、暫存寄存器、程序狀態(tài)字寄存器PSW以及布爾處理器、BCD碼運算調整電路等構成v運算器的功能包括：算術運算；邏輯運算；位操作?？刂破骺刂破?v控制器是CPU的指揮調度中樞，它包括：定時控制邏輯、指令寄存器、指令譯碼器、數(shù)據指針DPTR、程序計數(shù)器PC、堆棧指針SP、地址寄存器、地址緩沖器等v運行時控制器對指令進行譯碼，然后通過定時和控制電路在規(guī)定時刻發(fā)出所需的內、外部控制信號，協(xié)調各部分的工作，完成指令規(guī)定的操作。 程序計

10、數(shù)器程序計數(shù)器PC(Program Counter) v程序計數(shù)器PC是16位的寄存器，用來存放即將要執(zhí)行的指令地址v可對64KB程序存儲器直接尋址。v讀取指令時，PC內容的低8位經P0口輸出，高8位經P2口輸出。v當CPU按照PC指示的地址取出一條指令后，PC值將自動增加，指向下一條指令的首字節(jié)地址。 指令寄存器指令寄存器 v指令寄存器用來存放指令代碼。vCPU執(zhí)行指令時，由程序存儲器中讀取的指令代碼送入指令存儲器，經指令譯碼器譯碼后由定時與控制電路發(fā)出相應的控制信號，完成指令功能。 MCS51控制器示意圖2.3 MCS51單片機存儲器體系結構單片機存儲器體系結構 v存儲器是微型計算機的重要

11、組成部分，將要或正在執(zhí)行的程序代碼、運算的原始數(shù)據、中間結果以及與外部設備進行交換的信息都需要存儲在存儲器中v存儲器中哪里存放數(shù)據，哪里存放指令或者哪個存儲器存放數(shù)據，哪個存儲器存放指令以及存儲器地址與I/O口地址如何區(qū)分是微型計算機設計時必須解決的問題，這一問題是通過存儲器的配置方式來解決的 2.3.1 微型計算機存儲器的配置方式 v微型計算機存儲器的配置方式有兩種: Harvard結構與非Harvard結構 vMCS51系列單片機的存儲器配置方式采用Harvard結構；vMCS-98系列單片機以及80X86系列微處理器采用非Harvard結構的存儲器配置方式。 2.3.2 51單片機存儲器

12、體系結構 v存儲器配置方式采用Harvard結構，單片機的存儲器有程序存儲器和數(shù)據存儲器之分；v片內已經集成了一定容量的存儲器，如果片內存儲器容量不夠時，51系列單片機允許在片外擴展存儲器；v51單片機系統(tǒng)在物理上有4個獨立的存儲空間，它們分別是：一. 片內程序存儲器片內程序存儲器vMCS51單片機片內有4K程序存儲器，地址范圍為0000H0FFFHv8051采用只讀存儲器(Read Only Memory，ROM)作程序存儲器；v8751采用紫外線擦除、可編程只讀存儲器(EPROM)；v8031片內沒有程序存儲器v近年推出的新型號的兼容機型一般采用閃存(FLASH Memory)作程序存儲器

13、。2.3.2.1單片機的物理存儲空間單片機的物理存儲空間vMCS51單片機可擴展64K片外程序存儲器，地址范圍為0000H0FFFFHv對片外程序存儲器的讀取由/PSEN信號控制。二. 片外程序存儲器片外程序存儲器 三三. 片內數(shù)據存儲器片內數(shù)據存儲器 MCS51單片機內部有一定數(shù)量的RAM單元用于存放數(shù)據，稱為片內數(shù)據存儲器，片內數(shù)據存儲器數(shù)量的配置因子系列不同略有區(qū)別：v51子系列：片內有128個(地址為00和7FH)RAM單元，高128個單元中(地址為80和0FFH)零星地分布著21個特殊功能寄存器(SFR)。v52子系列：片內有256個(地址為00和0FFH)RAM單元，高128個單元

14、中(地址為80和0FFH)零星地分布著26個特殊功能寄存器(SFR)。 片內數(shù)據存儲器的功能劃分 v片內數(shù)據存儲器在分為數(shù)據存儲單元和特殊功能寄存器區(qū)兩大部分的基礎上，對低128字節(jié)的RAM單元又進一步劃分為工作寄存器區(qū)位尋址區(qū)一般數(shù)據存儲區(qū)（包括堆棧區(qū)）1.工作寄存器區(qū)v片內RAM 00H1FH 32個字節(jié)作為工作寄存器；v這32個字節(jié)分成4組，作為4個工作寄存器組。每組包含8個字節(jié)，分別稱為R0、R1R7，作為8個工作寄存器使用 ；v由于每一組中都有R0、R1R7等8個工作寄存器，因此每個Rn在物理上都對應著4個不同的存儲器單元，而一個工作寄存器到底對應于哪個RAM單元是由“當前工作寄存器

15、組”的設定決定的；v任一時刻只有一組工作寄存器是“當前工作寄存器”，當前工作寄存器組可用程序狀態(tài)字PSW中的RS1和RS0兩位選擇。 工作寄存器與RAM單元的對應關系 2.位尋址區(qū) v位尋址區(qū)位于片內RAM的20H到2FH 共16個字節(jié)單元，每個單元8位均可位尋址，共有128個可直接尋址位；v這128個位從20H字節(jié)單元的第0位到2FH字節(jié)單元的第7位，依次賦予地址00H7FH v這些地址稱為位地址，注意與字節(jié)地址的區(qū)別片內RAM位尋址區(qū)地址表字節(jié)地址位地址D0D1D2D3D4D5D6D720H00H01H02H03H04H05H06H07H21H08H09H0AH0BH0CH0DH0EH0F

16、H22H10H11H12H13H14H15H16H17H23H18H19H1AH1BH1CH1DH1EH1FH24H20H21H22H23H24H25H26H27H25H28H29H2AH2BH2CH2DH2EH2FH26H30H31H32H33H34H35H36H37H27H38H39H3AH3BH3CH3DH3EH3FH28H40H41H42H43H44H45H46H47H29H48H49H4AH4BH4CH4DH4EH4FH2AH50H51H52H53H54H55H56H57H2BH58H59H5AH5BH5CH5DH5EH5FH2CH60H61H62H63H64H65H66H67H2D

17、H68H69H6AH6BH6CH6DH6EH6FH2EH70H71H72H73H74H75H76H77H2FH78H79H7AH7BH7CH7DH7EH7FH3.普通數(shù)據存儲區(qū) v30H7FH為普通數(shù)據存儲區(qū)，可用于輸入/輸出和中間運算結果的暫存；v如果程序結構簡單，不需要多個寄存器組交換，部分工作寄存器區(qū)也可作為普通數(shù)據存儲區(qū)使用；v如果系統(tǒng)不需要進行位操作，位尋址區(qū)也可作為普通數(shù)據存儲區(qū)使用；v注意：堆棧也安排在片內數(shù)據存儲器內，使用時要避免堆棧區(qū)和普通數(shù)據存儲區(qū)沖突。 4.特殊功能寄存器 v片內有21個特殊功能寄存器，離散地分布在片內RAM區(qū)的80H0FFH單元，特殊功能寄存器可分為以下

18、幾類：與運算器相關的寄存器：ACC，B，PSW 指針類寄存器：SP，DPTR 與并行口相關的寄存器：P0，P1，P2，P3 與中斷相關的寄存器：IE，IP 與定時/計數(shù)器相關的寄存器：TMOD，TCON，TH0，TL0，TH1，TL1與串行口相關的寄存器：SBUF，SCON，PCON PSW位地址及位名稱vCY：也可寫作C，進位標志。vAC：輔助進位標志。vF0：用戶標志位。vRS1、RS0：當前工作寄存器組選擇位vOV：溢出標志位。vP：奇偶標志位。特殊功能寄存器地址分布表符 號名 稱字節(jié)地址* P0P0口輸入輸出寄存器80HSP堆棧指針81HDPL數(shù)據指針DPTR低字節(jié)82HDPH數(shù)據指針

19、DPTR高字節(jié)83H* TCON定時/計數(shù)器控制寄存器88HTMOD定時/計數(shù)器方式寄存器89HTL0定時/計數(shù)器0初值寄存器低字節(jié)8AHTL1定時/計數(shù)器1初值寄存器低字節(jié)8BHTH0定時/計數(shù)器0初值寄存器高字節(jié)8CHTH1定時/計數(shù)器1初值寄存器高字節(jié)8DH* P1P1口輸入輸出寄存器90HPCON電源控制寄存器97H* SCON串行口控制寄存器98HSBUF串行口數(shù)據緩沖器99H* P2P2口輸入輸出寄存器A0H* IE中斷允許寄存器A8H* P3P3口輸入輸出寄存器B0H* IP中斷優(yōu)先級寄存器B8H* PSW程序狀態(tài)字D0H* ACC累加器E0H* BB寄存器F0H按字節(jié)訪問，但每

20、位有規(guī)定含義按字節(jié)訪問，但每位有規(guī)定含義位地址/位名字節(jié)地址位地址/位名字節(jié)地址四. 片外數(shù)據存儲器 v當片內數(shù)據存儲器不夠用時，可通過三總線結構，最多擴展64K片外數(shù)據存儲器，地址范圍為0000H0FFFFH。v對片外數(shù)據存儲器的讀寫由/RD和/WR信號控制v具體系統(tǒng)可在64K限度內根據需要擴展，對于片外程序存儲器的擴展也是按這一原則進行。vMCS51的I/O接口和片外數(shù)據存儲器共用64K地址空間，擴展時要存儲器和I/O數(shù)據讀寫沖突。2.3.2.2 MCS51單片機的邏輯存儲空間 v單片機系統(tǒng)中，內部數(shù)據存儲器和外部數(shù)據存儲器不僅在物理上存在，而且可以同時使用；v內部程序存儲器和外部程序存儲

21、器空間雖然在物理同時存在，但在具體系統(tǒng)中，兩個程序存儲器空間的低4K只能任選其一，不能同時使用，v具體使用哪4K由/EA引腳決定： /EA接地，使用片外低4K；反之使用片內低4K。v因此，單片機在邏輯上只有3個存儲空間，即內部數(shù)據存儲器、外部數(shù)據存儲器和程序存儲器。 存儲空間結構示意圖 片內數(shù)據存儲器程序存儲器外部數(shù)據存儲器0000H0FFFH 存儲器結構小節(jié) MCS51單片機的存儲器的體系結構比較復雜， 該體系結構是硬件系統(tǒng)設計和控制軟件編制的基礎！vMCS51單片機的存儲器按所在位置不 同有片內和片外之分： 片內存儲器集成在芯片內部； 片外存儲器又稱外部存儲器，是根據系統(tǒng)需要，用存儲器芯片

22、擴展而成51系統(tǒng)可擴展64K程序存儲器和64K數(shù)據存儲器具體系統(tǒng)中，片外存儲器的容量可能不同v MCS51單片機的存儲器按在系統(tǒng)中的作 用分為程序存儲器和數(shù)據存儲器：程序存儲器：用于存放編寫的程序，CPU從程序存儲器獲取指令、進行譯碼和執(zhí)行 數(shù)據存儲器：存放運算的中間結果、輸入/輸出的數(shù)據等4“數(shù)據”和“指令”在本質上都是二進制代碼，51單片機根據二進制代碼所在的存儲器空間不同，對其有不同的解釋vMCS51單片機的存儲器使用的器件可以 是ROM、RAM、EPROM、EEPROM 以及FLASH 等不同器件的存儲特性不同，與其在系統(tǒng)是程序存儲器還是數(shù)據存儲器沒有必然聯(lián)系所有類型的存儲器芯片都既可

23、作數(shù)據存儲器也可作程序存儲器用ROM、EPROM、EEPROM作程序存儲器，用 RAM作數(shù)據存儲器 由于單片機存儲器有內外和程序/數(shù)據之分，所以單片機在物理上有物理上有 4 個存儲空間，且地址有重疊。在使用是要特別注意： 1）在具體系統(tǒng)中，片內、外程序存儲在具體系統(tǒng)中，片內、外程序存儲器的低器的低4K只能任選其一，不能同時使用。只能任選其一，不能同時使用。 具體使用哪4K由/EA引腳決定： /EA接地，使用片外低4K； 反之使用片內低4K 。因此，單片機在邏輯上只有邏輯上只有 3 個存儲空間。2）訪問不同的地址空間指令不同。）訪問不同的地址空間指令不同。 分別使用分別使用MOV，MOVX，MO

24、VC指令訪問內部指令訪問內部數(shù)據存儲器、外部數(shù)據存儲器和程序存儲。數(shù)據存儲器、外部數(shù)據存儲器和程序存儲。3）使用MOV，MOVX，MOVC指令訪問不同存儲訪問不同存儲器空間時，單片機器空間時，單片機CPU發(fā)出的控制信號不同發(fā)出的控制信號不同：vMOVC訪問片外程序存儲器時，產生/PSEN信號；vMOVX讀寫片外數(shù)據存儲器時產生/RD和/WR信號。4）訪問程序存儲器和片外數(shù)據存儲器時使用16位地址，訪問片內數(shù)據存儲器時使用8位地址容易混淆的概念：容易混淆的概念：數(shù)據存儲器與RAM；程序存儲器與ROM。 數(shù)據存儲器與程序存儲器是指它在單片機系統(tǒng)中所處的地位和功能，取決于受控于單片機CPU的何種信號

25、。 RAM與ROM是指不同類型的存儲器器件，它們特性不同。 在51單片機系統(tǒng)中一般用一般用RAM作數(shù)據存儲器，ROM作程序存儲器。 但兩者概念完全不同完全不同。 一個存儲器芯片在單片機系統(tǒng)中到底是程序存儲器還是數(shù)據存儲器不取決于它是ROM/RAM/EPROM或是其他器件，而僅僅取決于它受控于單片機什么信號受控于PSEN信號的是程序存儲器；受控于RD/WR信號的是數(shù)據存儲器。 2.4 MCS51單片機的并行單片機的并行I/O接口接口 2.4.1 P0口的結構 它由一個輸出鎖存器、兩個三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅動及控制電路組成P0口既可作一般I/O口使用，也可作低8位地址線和數(shù)據線使用P0口作一般I/

26、O口使用時，內部控制端為低電平P0口的位結構圖 P0口作一般I/O口使用時，是準雙向口2.4.2 P1口的結構 vP1口是通用準雙向靜態(tài)口，輸出有鎖存vP1口內部用上拉電阻代替了P0口的場效應管T1，因此作輸出時不需外接上拉電阻vP1口有輸入、輸出和讀修改寫3種工作方式 2.4.3 P2口的結構 vP2口既可作通用I/O口，又是高8位地址總線v和其它口區(qū)別在于多了IO/地址轉換部分2.4.4 P3口的結構 當處于第一功能時，第二功能輸出線為1P3用作第二功能使用 當CPU不對P3口進行字節(jié)或位尋址時，內部硬件自動將口鎖存器的Q端置1，這時，P3口作為第二功能使用。I/O口第第 二二 功功 能能

27、I/O口第第 二二 功功 能能P3.0串行數(shù)據接收端P3.4T/C0外部脈沖輸入端P3.1串行數(shù)據發(fā)送端P3.5T/C1外部脈沖輸入端P3.2外部中斷0輸入P3.6寫片外數(shù)據存儲器P3.3外部中斷1輸入P3.7讀片外數(shù)據存儲器2.4.5 并行I/O口小結 1.驅動能力vP0P3口可兼容CMOS和TTL電平vP0口的每一位口線可以驅動8個LSTTL負載。在作為通用 I/O口時，由于輸出驅動電路是開漏方式，需外接上拉電阻；當作為地址/數(shù)據總線使用時，口線輸出不是開漏的，無須外接上拉電阻。vP1、P2、P3口的每一位能驅動4個LSTTL負載。它們的輸出驅動電路內部有上拉電阻，所以可以方便地由集電極開

28、路（OC門）電路或漏極開路電路驅動，無須外接上拉電阻。2.各端口的應用功能vP0口：不進行系統(tǒng)擴展時，可作一般I/O口使用；進行系統(tǒng)擴展時，是低8位地址和數(shù)據分時復用總線vP1口：單純I/O口vP2口：不進行系統(tǒng)擴展時，可作一般I/O口使用；進行系統(tǒng)擴展時，作高8位地址總線vP3口：雙功能口，其第二功能是大部分控制總線v某位作第一功能輸入或作第二功能使用時，其內部鎖存器必須置1(復位后內部鎖存器已經置1)v復位后，32個引腳均為高電平，故在初始化時應考慮是否滿足外接電路外接電路的要求。2.5 MCS51單片機引腳介紹 1.電源引腳 2.外接晶振引腳3.控制信號和其他電源引腳4.輸入輸出引腳1.

29、 電源引腳vVCC：電源端，單片機的工作電源，接5V；vVSS：接地端；vVPP：與/EA引腳復用，對內部有EPROM的芯片編程時的編程電壓輸入端；v/PROG：與ALE引腳復用，內部EPROM的芯片編程時的編程脈沖入端；vVPD：與RST引腳復用，備用電源輸入端，當主電源下降或斷點時， VPD可為片內數(shù)據存儲器提供電源，實現(xiàn)掉電保護； 2. 控制信號引腳vALE(Address Latch Enable)：地址鎖存允許信號輸出端 v/PSEN(Program Select Enable)：外部程序存儲器輸出允許控制信號v/EA：程序存儲器低端部分選擇控制端，/EA =0，程序存儲器低端部分在

30、片外；/EA =1，程序存儲器低端部分在片內vRST：復位信號輸入3.并行I/O接口引腳vP0.0P0.7：P0口，數(shù)據/低八位地址復用總線端口vP1.0P1.7：P1口，靜態(tài)通用端口vP2.0P2.7：P2口，高八位地址總線端口vP3.0P3.7：P3口，雙功能靜態(tài)端口 4. 時鐘電路引腳內部振蕩方式外部時鐘源接入方式HMOS型CHMOS型vXTAL1：內部振蕩電路輸入端； vXTAL2：內部振蕩電路輸出端。2.6 MCS51單片機時序基本概念 時 序vCPU不間斷地從程序存儲器取出指令，然后執(zhí)行指令，其速度可達每秒數(shù)十萬條指令。因此，CPU及相關部件必須按照一定節(jié)拍協(xié)調運行。而CPU及相關

31、部件的相互協(xié)調是由CPU發(fā)出的相關信號控制的。v把CPU發(fā)出的相關信號（反映在單片機相應管腳上）的電壓波形以相同的時間橫軸繪在同一個波形圖中，稱為時序圖，簡稱時序。v要在實時控制領域應用計算機控制必須了解 CPU 的時序。vCPU發(fā)出的時鐘脈沖控制信號有兩類：一類用于計算機內部，和外部無直接關系；另一類送到片外，用于控制/聯(lián)絡擴展的外部存儲器和外部設備，這類信號和硬件設計和軟件編程有直接關系?。?）振蕩周期 為單片機提供時鐘信號的振蕩源的周期，是所有信號的最小單位（2）時鐘周期 又稱為狀態(tài)周期S ，MCS51單片機規(guī)定兩個晶振周期作為一個時鐘周期，這兩個晶振周期分別稱為P1和P2節(jié)拍。（3）機

32、器周期 6個狀態(tài)周期為一個機器周期，是單片機完成一個基本操作的最短時間v有關概念和術語（4）指令周期 CPU執(zhí)行一條指令所需的時間 不同的指令執(zhí)行時間不一樣，即指令周期不一樣 MCS51的指令周期有1、2、4個機器周期3種 若外接晶振頻率為12MHz，則 振蕩周期1/12MHz= 1/12us=0.0833us 時鐘周期2振蕩周期0.167us 機器周期6時鐘周期12振蕩周期1us 指令周期14us有關周期信號關系圖2.6 單片機的復位方式及初始狀態(tài)v上電開機時 ，或者因為程序本身錯誤，或者受到外部干擾而“死機”，需要對計算機進行復位； vMCS51單片機的復位目的：完成設置PC指針初值設定有

33、關特殊功能寄存器的初值，是相關的功能部件復位后有一個確定的初始狀態(tài)。v復位由RST引腳上持續(xù)兩個以上機器周期的高電平實現(xiàn)。 常用復位電路上電復位電路上電復位和按鍵復位電路 特殊功能寄存器復位初值 特殊功能寄存器初始狀態(tài)特殊功能寄存器初始狀態(tài)A00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0P3FFHSBUFBIP00000BSCON00HIE000000BPCON0Bv指令是規(guī)定CPU執(zhí)行某類操作的命令vCPU具有的全部指令的集合稱為指令系統(tǒng)v指令系統(tǒng)是人機交互的紐帶v本章將介紹以下幾方面的內容：單片機

34、指令系統(tǒng)的格式、標識及其助記符；單片機指令系統(tǒng)的尋址方式；單片機指令系統(tǒng)的分類以及每條指令的意義。 第第3章章 MCS51單片機指令系統(tǒng)單片機指令系統(tǒng) 3.1 單片機指令系統(tǒng)的特點 vMCS51單片機的指令系統(tǒng)包含5種類型的指令，有7種尋址方式，其機器語言共有255種操作代碼，即機器碼v匯編語言使用42種助記符表示指令的功能v每種功能的指令所涉及的操作數(shù)可能有不同的尋址方式，因此，各種功能的指令與該指令所涉及的操作數(shù)可能有的尋址方式相組合，共構造出111條指令v即：MCS51單片機的指令系統(tǒng)一共有42種助記符，111條匯編語言指令，且用255個機器碼表示。 例如： ADD 加法助記符ADD A

35、，RnADD A，Ri尋址方式不同具體操作數(shù)有8個，所以機器碼有8個 具體操作數(shù)有2個，所以機器碼有2個 匯編指令助記符機器碼3.1 單片機指令系統(tǒng)的特點v指令系統(tǒng)長度：單字節(jié)指令49條；雙字節(jié)指令45條；三字節(jié)指令17條。v指令執(zhí)行時間：單機器周期指令64條；雙機器周期指令45條；只有乘、除兩條指令需要4個機器周期。v指令系統(tǒng)特點： 對存儲空間要求較少且執(zhí)行速度較快，可用較小的存儲空間存放完成功能較復雜的控制程序，精簡和高效，適于在實時測控領域使用。3.2 匯編語言格式及機器碼表示方法3.2.1 指令系統(tǒng)的匯編語言格式v指令通常包含操作碼(Operation Code)和操作數(shù)(Operan

36、d)兩個部分操作碼指明執(zhí)行的操作的性質與功能，即指示計算機執(zhí)行何種操作；操作數(shù)指出參加操作的數(shù)據或數(shù)據所在單元的地址。v指令系統(tǒng)的匯編語言格式為： 標號： 操作助記符 目的操作數(shù) ，源操作數(shù) ；注釋 3.2.2 指令系統(tǒng)的機器碼表示方法一、單字節(jié)指令v單字節(jié)指令中既包含操作碼的信息，也包含操作數(shù)的信息，單字節(jié)指令包括兩種情況：一種是指令的含義和對象都很明確，用一個字節(jié)已能完全表示，即沒有與這條指令功能相同而操作對象不同的指令。 例如，將累加器A的內容加1的指令 INC A即為單字節(jié)指令，指令的編碼為：0000 0100B，這類指令的機器碼編碼格式為：另一種情況是8位編碼含有操作碼和寄存器編碼。

37、 例如：將當前工作寄存器R0中的數(shù)據傳送到累加器A中的指令：MOV A，R0，機器碼為1110 1000B，這類指令的機器碼編碼格式為：二.雙字節(jié)指令v雙字節(jié)指令中，用第一字節(jié)表示操作碼，第二個字節(jié)表示參與操作的數(shù)據或數(shù)據存放的地址。vMCS51指令系統(tǒng)中有45條雙字節(jié)指令。這類指令的指令編碼格式為：MOV A,01HMOV A,02H MOV A,0FFH操作數(shù)本身一字節(jié)三. 三字節(jié)指令v三字節(jié)指令的第一字節(jié)是操作碼，后兩個字節(jié)是操作數(shù)。v操作數(shù)可以是數(shù)據(立即數(shù))，也可以是存放數(shù)據的地址，因此，三字節(jié)指令的編碼形式有以下四種情況：操作碼操作碼操作碼操作碼立即數(shù)地 址立即數(shù)地 址立即數(shù)立即數(shù)

38、地 址地 址例如：MOV 20H，#50Hv編碼為01110101B，00100000B，01010000B。十六進制表示為75H，20H，50H。v功能是將數(shù)據“50H”傳送到內部數(shù)據存儲器的20H單元中。v這類指令中的存儲單元有256個，需用一字節(jié)表示，數(shù)據也有256個，也需用一字節(jié)表示，因此需要用3個字節(jié)表示指令的具體功能3.2.3 指令中的符號標識v為了方便講解指令系統(tǒng)，本書用一些符號標識來代替若干相似的操作數(shù)，以用一條“指令”代表若干條同類指令，v在后續(xù)章節(jié)中用到的符號標識及含義如下： Rn(n=07)-當前選中的工作寄存器組中的寄存器R0R7之一；Ri(i=0，1)-當前選中的工作

39、寄存器組中的寄存器R0或R1； -間址寄存器前綴； #data -8位立即數(shù)；#data16-16位立即數(shù)；direct-片內數(shù)據存儲器地址及SFR地址(可用符號名稱表示)；addr11-11位目的地址；addr16-16位目的地址；rel-補碼形式表示的8位地址偏移量，值在128127范圍內； bit-片內數(shù)據存儲器可位尋址單元的位地址、SFR的位地址(可用符號名稱表示)； /位操作數(shù)的取反操作前綴；() 表示 地址單元或寄存器中的內容； 將箭頭右邊的內容送入箭頭左邊的單元中。 將箭頭左邊的內容送入箭頭右邊的單元中。 3.3 MCS51單片機指令系統(tǒng)的尋址方式 v指令執(zhí)行時，得到參與操作的數(shù)

40、據或者數(shù)據所在的地址單元的方法就是尋址方式。v51指令系統(tǒng)有七種尋址方式，即：寄存器尋址、立即尋址、直接尋址、寄存器間接尋址、變址尋址、相對尋址、位尋址。v一條指令執(zhí)行時，對源操作數(shù)和目的操作數(shù)都要尋址，本章針對源操作數(shù)對尋址方式進行介紹。3.3.2 直接尋址 v在指令中直接給出操作數(shù)的地址，即指令中操作數(shù)部分是存放操作數(shù)的地址，這種尋址方式稱為直接尋址。v直接尋址的尋址空間為片內數(shù)據存儲區(qū)，即地址為00H7FH的RAM單元和地址在80H0FFH的21個特殊功能寄存器v對于特殊功能寄存器一般采用其符號名稱，這主要是為了程序可讀性好，不論使用符號名稱還是具體地址，指令的功能和對應的機器碼都完全一

41、樣 v直接尋址還可用于對片內數(shù)據區(qū)中可位尋址單元的位和可位尋址的特殊功能寄存器的位進行尋址v的特殊功能寄存器的位的位地址表示方法與特殊功能寄存器地址的表示方法類似：既可用其位名稱也可用位地址，為了使程序可讀性好，一般使用位名稱代表其具體地址。 使用直接尋址要注意兩個問題 1. 注意區(qū)分操作數(shù)是字節(jié)地址還是位地址 MOV A，30HMOV C，30H 2. 注意寄存器尋址與直接尋址的區(qū)別 INC A機器碼為04H INC ACC 機器碼為05E0H INC 0E0H 3.3.3 立即尋址 v指令編碼中直接給出操作數(shù)(數(shù)據）的尋址方式稱為立即尋址。v立即數(shù)可以為一個字節(jié)，也可以是兩個字節(jié)，并要用符

42、號“#”來標識v由于立即數(shù)是一個常數(shù)，所以只能作為源操作數(shù)。v立即尋址所對應的尋址空間為程序存儲器。 例：MOV A，#5AH 5AH特殊功能寄存器區(qū)A74H5AH程序存儲器3.3.4 寄存器間接尋址 v指令中給出寄存器名，以該寄存器中的內容為地址，從該地址去取操作數(shù)的尋址方式稱為寄存器間接尋址。v尋址的存儲空間為片內數(shù)據存儲器或片外數(shù)據存儲器。 v為了和寄存器尋址相區(qū)別，寄存器名前加“”符號v尋址片內數(shù)據存儲器時，數(shù)據傳送采用“MOV”類指令，CPU不產生訪問外部數(shù)據存儲器的讀/寫信號，間接尋址寄存器采用寄存器R0或R1(堆棧操作時采用SP)；v尋址片外數(shù)據存儲器時，數(shù)據傳送采用“MOVX”

43、類指令，CPU將產生訪問外部數(shù)據存儲器的讀/寫信號，這時間接尋址寄存器有兩種選擇：采用R0和R1作間址寄存器，這時R0或R1提供低8位地址(外部數(shù)據存儲器多于256字節(jié)采用頁面方式訪問時，由P2口未使用的I/O引腳提供高位地址)；采用DPTR作為間址寄存器，提供16位地址，可訪問整個片外數(shù)據存儲器的64K空間。 例：假設DPTR內容為2000H， 片外數(shù)據存儲器2000H單元內容為30H，片外數(shù)據存儲器累加器A執(zhí)行 MOVX A,DPTR將以DPTR的內2000H為地址，把片外數(shù)據存儲器2000H單元內容30H傳送到累加器A3.3.5 變址尋址v以一個基地址加上一個偏移量形成操作數(shù)地址的尋址方

44、式稱為變址尋址。v基址寄存器可以是數(shù)據指針DPTR或程序計數(shù)器PC，基地址則是基址寄存器的內容；v累加器A作為偏移量寄存器，其內容為偏移量v基址寄存器的內容與偏移量寄存器的內容之和作為操作數(shù)地址。變址尋址的尋址空間為程序存儲器。變址尋址的指令只有兩條，即： MOVC A，A+PC MOVC A，A+DPTR v兩條指令均訪問程序存儲器3.3.6 相對尋址 v相對尋址用于轉移類指令，該尋址方式以程序計數(shù)器PC的當前值(指讀出該2字節(jié)或3字節(jié)的轉移指令后，PC指向的下條指令的地址)為基準，加上指令中給出的相對偏移量 rel 形成目標地址，并將目標地址送入PC，使程序轉移到目標地址繼續(xù)執(zhí)行 v目標地

45、址源地址轉移指令的字節(jié)數(shù)rel v假設轉移指令 SJMP 08H從程序存儲器2000H單元開始存放，因為這條指令是兩字節(jié)指令，所以v目標地址2000H208H200AH3.3.7 位尋址 v對位地址中的內容進行操作的尋址方式稱為位尋址。v采用位尋址指令的操作數(shù)是8位二進制數(shù)中的某一位。下列指令均是位尋址指令：MOV C，20HSETB 30HCLR RI v位尋址指令中，操作數(shù)部分是要操作的數(shù)的位地址，因此，位尋址實質上是直接尋址。 位地址的表示方法1. 用位名稱(限特殊功能寄存器) 例如： CLR RS02. 用位地址(通用) 例如： CLR 0D3H3. 用“字節(jié)地址.位”的形式(通用)

46、例如： CLR 0D0H.3 4. 對于可位尋址的特殊功能寄存器，可用“特殊功能寄存器名.位” 例如： CLR PSW.35.通過BIT偽指令給位地址賦予名稱，然后使用名稱對位進行操作 例如： FLAG BIT 30H MOV C，F(xiàn)LAG 3.4 指令系統(tǒng)分類介紹指令系統(tǒng)分類介紹 v指令系統(tǒng)的111條指令，按照指令功能，可大致分為v數(shù)據傳送類指令、v算術操作類指令、v邏輯操作類指令、v程序轉移類指令、v位操作指令。注意v不同的指令尋址的存儲區(qū)不一樣，要操作某個地址單元中的數(shù)據，不僅地址要正確，還必須保證所使用的指令能尋址數(shù)據所在的那個邏輯存儲區(qū)。v必須清楚指令中源操作數(shù)和目的操作數(shù)所對應的邏

47、輯存儲區(qū) 3.4.1 數(shù)據傳送類指令 v傳送類指令是最基本，使用最多的一類指令，可實現(xiàn)數(shù)據傳送、存儲和交換等操作v這類指令一般不影響標志寄存器PSW的狀態(tài)，v例外：將數(shù)據傳送到累加器A時，會影響奇偶標志P 1.以累加器以累加器A為目的操作數(shù)的傳送指令為目的操作數(shù)的傳送指令 v源操作數(shù)的尋址方式可以是寄存器尋址、直接尋址、寄存器間接尋址、和立即尋址四種基本尋址方式 MOV A ， Rn ； (A)(Rn)MOV A ， direct ；(A)(direct)MOV A ， Ri ；(A)(Ri)MOV A， #data ；(A)#data 例：已知(A)30H，(R0)=40H，片內數(shù)據存儲區(qū)4

48、0H單元的內容為(40H)=50H：MOV A，R0 ；將R0中的數(shù)據取出送入A，(A)=40HMOV A，40H ；將40H單元數(shù)據送入A，(A)=50HMOV A，R0 ；以R0為間址寄存器，將其內容40H作為地址，再把該地址單元（片內數(shù)據存儲區(qū)40H單元）的內容送入A，(A)=50H。2.以寄存器Rn為目的操作數(shù)的傳送指令 vMOV Rn，direct； Rn (direct)vMOV Rn，#data； Rn #datavMOV Rn，A； Rn A 例：若片內數(shù)據存儲器50H單元的內容(50H)=40H， 執(zhí)行指令 MOV R6，50H 后，(R6)40H。 3.以直接地址為目的操作

49、數(shù)的傳送指令以直接地址為目的操作數(shù)的傳送指令 vMOV direct，A；(direct) (A)vMOV direct，Rn；(direct) (Rn)vMOV direct，direct1；(direct)(direct1)vMOV direct，Ri ；(direct)(Ri)vMOV direct，#data；(direct) #data 4. 以間接地址為目的操作數(shù)的傳送指令以間接地址為目的操作數(shù)的傳送指令 vMOV Ri ， A ； (Ri) (A)vMOV Ri ， direct ； (Ri) (direct)vMOV Ri ， #data ； (Ri) #data 5. 查表指

50、令查表指令 vMOVC A，A+DPTR ；(A)(A)+(DPTR) vMOVC A，A+PC ；(PC)(PC)+1，(A)(A)+(PC) 問題： 1 兩條指令尋址的存儲空間是哪個空間？ 2 兩條指令的查找范圍各是多大？6. 外部數(shù)據存儲器傳送指令 MOVX A，DPTR ；(A) (DPTR)MOVX DPTR，A ；(DPTR) (A)MOVX A，Ri ；(A) (P2Ri)MOVX Ri，A ；(P2Ri)(A) v注意：1. 該組指令既可訪問外部數(shù)據存儲器，也可訪問I/O單元2. 注意每條指令的數(shù)據傳輸方向3. 注意每條指令的16位外部地址的形成方法7.數(shù)據交換類指令vXCHA

51、 ， Rn ； (A) (Rn)vXCHA ， direct ； (A)(direct)vXCHA ， Ri ； (A)(Ri)vXCHDA ， Ri ； (A03)(Ri)03)vSWAPA ； (A03)(A47) 交換類指令數(shù)據傳送示意圖片內數(shù)據存儲器片內數(shù)據存儲器8. 16位數(shù)據傳送指令 MOV DPTR， #data16 ；(DPTR) #data16 9. 堆棧操作類指令堆棧操作類指令 PUSH direct ； (SP)(SP)+1，(SP)(direct) POP direct ； (direct)(SP)，(SP) (SP)1v壓棧時堆棧指針SP先加1，然后進行數(shù)據傳送；v彈

52、棧時先進行數(shù)據傳送，然后堆棧指針SP減1 v使用堆棧時要注意壓棧和彈棧的順序，并保證堆棧平衡傳送類指令小節(jié) v內數(shù)據存儲器數(shù)據傳送使用MOV、XCH、XCHD、SWAP、PUSH、POP等助記符；v程序存儲器數(shù)據傳送或稱查表指令使用 MOVC助記符，共兩條指令。v片外數(shù)據存儲器數(shù)據傳送使用 MOVX助記符，共四條指令；內部數(shù)據傳送途徑3.4.2 算術運算類指令 v該類指令可以完成加、減、乘、除以及加1、減1和十進制調整等運算v這類指令多數(shù)以A為源操作數(shù)之一，同時又使A為目的操作數(shù)。 1. 加法指令 vADD A， #data；(A) (A) + #data vADD A ， Rn；(A) (A

53、) + (Rn)vADD A ， direct；(A) (A) + (direct)vADD A ， Ri；(A) (A) + (Ri)2.帶進位加法指令帶進位加法指令ADDC A ， Rn ； (A) (A) + （Rn） + (CY)ADDC A ， direct ； (A) (A)+(direct)+ (CY)ADDC A ， Ri ； (A) (A)+ (Ri)+ (CY)ADDC A ， #data ； (A) (A) + #data + (CY)3.帶借位加法指令帶借位加法指令SUBB A ， Rn ； (A) (A) （Rn） (CY)SUBB A ， direct ； (A)

54、(A) (direct) (CY)SUBB A ， Ri ； (A) (A) (Ri) (CY)SUBB A ， #data ； (A) (A) #data (CY)4.加1和減1指令INC A ；(A)(A)+1INC Rn；(Rn)(Rn)+1INC direct ；(direct)(direct)+1INCRi；(Ri)(Ri)+1INCDPTR ；(DPTR)(DPTR)+1DEC A ；(A)(A)1DEC Rn；(Rn)(Rn)1DEC direct ；(direct)(direct)1DEC Ri；(Ri)(Ri)1DEC DPTR ；(DPTR)(DPTR)15.十進制調整指令

55、 DA A ；把A中的二進制數(shù)調整為BCD碼v調整要完成的任務：1)當累加器A中的低4位數(shù)出現(xiàn)了非BCD碼(10101111)或低4位產生進位(AC=1)，則應在低4位加6調整，以產生低4位正確的BCD結果。2)當累加器A中的高4位數(shù)出現(xiàn)了非BCD碼(10101111)或高4位產生進位(CY=1)，則應在高4位加6調整，以產生高4位正確的BCD結果。v執(zhí)行本指令后，PSW中的CY表示結果的百位值。例：設A的內容為BCD碼56，R3內容為BCD 碼69 ，要求兩數(shù)按10進制相加執(zhí)行指令 ADD A，R3 DA A01010110011010011011111101100110 調整 001001

56、011結果 125 10進制6.乘除指令乘除指令乘法 MUL AB ；(B)158(A)70 (A)(B)v乘數(shù)、被乘數(shù)分別存于A、Bv乘積低字節(jié)存于A。如果乘積大于0FFH，則高字節(jié)存于B，且置位溢出標志，否則溢出標志清零v進位標志CY總是為零 除 法DIV AB ；(A)商 (B)余數(shù) (A) /(B) v運算前，被除數(shù)、除數(shù)分別存于A、B；v運算后，商存于A，余數(shù)存于B；v進位標志CY清零；v若除數(shù)為零，置位溢出標志OV，否則清零OV。 3.4.3邏輯操作類指令1.邏輯與指令ANL A， Rn ；(A)(A)(Rn)ANL A， direct ；(A)(A)(direct)ANL A，

57、Ri ；(A)(A)(Ri)ANL A， #data ；(A)(A) #dataANL direct， A ；(direct)(direct)(A)ANL direct， #data ；(direct)(direct) #data2.邏輯或指令ORL A， Rn ；(A)(A)(Rn)ORL A， direct ；(A)(A)(direct)ORL A， Ri；(A)(A)(Ri)ORL A， #data ；(A)(A) #data ORL direct， A ；(direct)(direct)(A)ORL direct， #data ；(direct)(direct)#data3. 邏輯異或

58、指令XRL A， Rn ；(A)(A) (Rn)XRL A， direct ；(A)(A) (direct)XRL A， Ri ；(A)(A) (Ri)XRL A， #data ；(A)(A) # data XRL direct， A ；(direct)(direct)+(A)XRL direct， #data ；(direct)(direct) # datav與、或、異或三類指令都是按位進行邏輯運算，不影響CY、AC和OV標志位；v以A為目的操作數(shù)的指令影響P標志位。v如果操作數(shù)direct或Ri是并行I/O口地址，則內容取自I/O口鎖存器而非引腳內容；v當目的操作數(shù)direct是并行I/O

59、口地址是，這類指令是“讀修改寫”指令4. 累加器清零及取反指令CPL A ；(A)(/A)CLR A ；(A)0v這兩條指令影響P標志位;v第二條指令還影響Z標志5. 移位指令v所有移位指令只能對累加器A內容進行操作 v循環(huán)左移指令 RL A ；(An1)(An)，(A0)(A7)CyA7 A0v 循環(huán)右移指令 RR A ；(An)(An1)，(A7)(A0) v 帶進位位循環(huán)左移指令 RLC A ；(An1)(An)，(CY)(A7)， (A0)(CY) CyA7 A0v 帶進位位循環(huán)左移指令 RRC A ；(An)(An1)，(CY)(A0)， (A7)(CY) CyA7 A03.4.4

60、控制轉移類指令 v控制轉移類指令可改變程序執(zhí)行的順序，是實現(xiàn)判斷、分支以及循環(huán)等程序結構的必需指令v控制轉移類指令，可分為無條件轉移指令、條件轉移指令、調用子程序及返回指令及一條空操作指令1. 無條件轉移指令 LJMP addr16 ；PC addr16SJMP rel ；PC PC + 2 + relAJMP addr11 ；PC100 addr11 JMP A+DPTR；PC A + DPTRv第一條為長轉移指令，直接給出16位目標地址，可轉移到64K程序存儲器的任何單元 v第二條為相對轉移指令，操作數(shù)為偏移量，即目標地址與相對轉移指令的下一條指令之間的差值，因為該指令本身是一條兩字節(jié)指令