汽車電腦與總線技術(shù)(張華)第三章-2

汽車單片機與車載網(wǎng)絡技術(shù)MCS-51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理(二)一.MCS-51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)與封裝(一).MCS-51單片機根本結(jié)構(gòu)及功能(二)MCS-51單片機引腳分布及功能89C51的引腳結(jié)構(gòu)圖，有雙列直插封裝〔DIP〕方式和方形封裝方式。下面分別表達這些引腳的功能。89C51的引腳結(jié)構(gòu)1．電源引腳VCC和VSSVCC〔40腳〕：電源端，接+5V。VSS〔20腳〕：接地端，有時標為GND。2．時鐘信號引腳XTAL1和XTAL2XTAL1〔19腳〕：接外部晶振和微調(diào)電容的一端，也是外部時鐘源的輸入端。XTAL2〔18腳〕：接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，采用外部時鐘源時該腳懸空。判斷單片機的振蕩電路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脈沖信號輸出。3．控制信號引腳RST、ALE、和RST〔9腳〕：復位信號輸入端，高電平有效。ALE〔30腳〕：地址鎖存允許信號端。CPU訪問片外存儲器時該引腳輸出信號作為鎖存低8位地址的控制信號。單片機正常工作時該引腳不斷向外輸出正脈沖信號，頻率為振蕩頻率的1/6。〔29腳〕：片外程序存儲允許輸出信號端。單片模式時該引腳不接?！?1腳〕：外部程序存儲器地址允許輸入端。當引腳接高電平時，CPU從片內(nèi)ROM訪問并從內(nèi)部程序存儲器中的指令執(zhí)行；當引腳接低電平時，CPU只訪問片外ROM并執(zhí)行片外程序存儲器中的指令。4．輸入/輸出端口P0、P1、P2和P3P0口〔32～39腳〕：8位漏極開路型雙向并行I/O口。P1口〔1～8腳〕：8位具有內(nèi)部上拉電阻的準雙向I/O口。P2口〔21～28腳〕：8位具有內(nèi)部上拉電阻的準雙向I/O口。P3口〔10～17腳〕：8位具有內(nèi)部上拉電阻的準雙向I/O口，每一位又具有特殊功能〔第二功能〕，如表2-1所示。表2-1P3口引腳與特殊功能表端口引腳

特殊功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2

（外部中斷0）P3.3

（外部中斷1）P3.4T0（定時器0的外部輸入）P3.5T1（定時器1的外部輸入）P3.6

（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7

（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）(三)MCS-51單片機內(nèi)部存儲器CPU訪問存儲器時，一個地址對應唯一的存儲器單元，可以是ROM，也可以是RAM，并用同類訪問指令，此種存儲器結(jié)構(gòu)稱為普林斯頓結(jié)構(gòu)。MCS-51單片機的存儲器在物理上是分開的，共有4個存儲空間：片內(nèi)程序存儲器、片外程序存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器，這種程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的結(jié)構(gòu)形式稱為哈佛結(jié)構(gòu)。MCS-51單片機的存儲器從邏輯上劃分為3個存儲地址空間：片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64KB程序存儲器地址空間〔0000H～FFFFH〕，64KB片外數(shù)據(jù)存儲器地址空間〔0000H～FFFFH〕，256字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器地址空間。CPU訪問片內(nèi)、片外ROM指令用MOVC，訪問片外RAM指令用MOVX，訪問片內(nèi)RAM指令用MOV。圖2-3為MCS-51單片機的存儲器配置。1、

程序存儲器

程序存儲器用來存放調(diào)試好的應用程序和表格常數(shù)。內(nèi)部有ROM的單片機，在正常運行時應把引腳接高電平，使程序從內(nèi)部ROM開始執(zhí)行，當PC值超過內(nèi)部ROM地址空間時，自動轉(zhuǎn)向外部ROM去執(zhí)行程序。對內(nèi)部無ROM的單片機，應始終接低電平，迫使CPU從外部ROM取指令。圖2-3MCS-51單片機的存儲器配置64KB程序存儲器中的7個入口地址具有特殊功能。0000H單元：程序的起始地址，系統(tǒng)復位后PC的值為0000H，0000H～0002H單元用于初始化，一般在起始地址單元中設置一條絕對轉(zhuǎn)移指令使之轉(zhuǎn)向主程序處執(zhí)行。其他6個特殊功能的入口地址分別對應6種中斷源的中斷效勞程序入口地址，如表2-2所示。通常在中斷入口地址處寫一條跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到中斷效勞程序處執(zhí)行。

中斷向量入口地址表中斷源入口地址外部中斷00003H定時計數(shù)器T0溢出000BH外部中斷10013H定時計數(shù)器T1溢出001BH串行口中斷0023H定時計數(shù)器T2溢出或T2EX輸入負跳變002BH2、數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器RAM用于存放運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖等。數(shù)據(jù)存儲器地址空間由內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)存儲器空間組成，當訪問片內(nèi)RAM時，用MOV類指令；當訪問片外RAM時，那么用MOVX類指令。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器在物理上又分為三局部：低128BRAM、高128BRAM〔僅52系列〕和特殊功能存放器〔SFR〕。(1)．片外RAM片外RAM與片內(nèi)RAM的低地址局部〔0000H～00FFH〕是重疊的。片內(nèi)RAM使用MOV指令，片外64KBRAM空間專門為MOVX指令所用，采用R0、R1或DPTR存放器間接尋址方式訪問。如MOVXA，@DPTR。(2)．片內(nèi)RAM〔1〕低128BRAM〔00H～7FH〕片內(nèi)RAM的低128BRAM由工作存放器區(qū)、位尋址區(qū)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)組成，如下圖。圖2-4低128BRAM區(qū)00H～1FH地址安排為4組工作存放器區(qū)，每組有8個工作存放器〔R0～R7〕，共占32個單元，見表2-3。通過對程序狀態(tài)字PSW中RS1、RS0的設置，每組存放器均可選作CPU的當前工作存放器組。表2-3工作存放器地址表RS1RS0寄存器組R0R1R2R3R4R5R6R700工作寄存器組000H01H02H03H04H05H06H07H01工作寄存器組108H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH10工作寄存器組210H11H12H13H14H15H16H17H11工作寄存器組38H19H1AH1BH1CH1DH1EH1FH內(nèi)部RAM中的20H～2FH是16個單元的位尋址區(qū)，這16個單元共有128位，其位地址為00H～7FH。所謂位尋址是指CPU能直接對這些位進行置“1〞、清“0〞、求反、傳送等邏輯操作。

數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是片內(nèi)RAM中30H～7FH的80個單元，只能以存儲單元的形式使用，一般常把堆棧開辟于此區(qū)中。〔2〕高128BRAM〔80H～0FFH〕

該存儲區(qū)僅52子系列有，只可用間接尋址方式訪問?！?〕特殊功能存放器〔SFR〕〔80H～0FFH〕該區(qū)存放相應功能部件的控制命令的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，MCS-51系列單片機的特殊功能存放器共有22個，可直接尋址的有21個。①程序計數(shù)器PC〔ProgramCounter〕。PC是16位計數(shù)器，內(nèi)容為將要執(zhí)行的指令地址，有自動加1功能，以實現(xiàn)程序順序執(zhí)行。PC沒有地址，不可以尋址。但在執(zhí)行轉(zhuǎn)移、調(diào)用、返回等指令時自動改變其內(nèi)容實現(xiàn)程序執(zhí)行順序的改變。②累加器A〔ACC，Accumulator〕。ACC為8位存放器，用于寄放操作數(shù)，也是ALU運算結(jié)果的暫存單元，也是數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，在變址尋址方式中把累加器作為變址存放器使用。因此累加器A使用非常頻繁。③存放器B。8位存放器，主要用于乘、除運算。④程序狀態(tài)字PSW〔ProgramStatusWord〕。8位存放器，存放指令執(zhí)行的狀態(tài)信息。PSW的各位定義如下：位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位標志CYACF0RS1RS0OV—PPSW各位的功能如下：CY〔PSW.7〕進位標志。加減法運算時如果結(jié)果的最高位〔D7位〕向上有進位或借位，CY置1，否那么清0。在位操作時CY又作為位累加器使用。AC〔PSW.6〕半進位標志。加減運算時如果運算結(jié)果低半字節(jié)〔D3位〕向高半字節(jié)有進位或借位，AC置1，否那么清0。F0〔PSW.5〕用戶標志位。RS1、RS0〔PSW.4、PSW.3〕工作存放器組選擇控制位。用軟件對RS1、RS0作不同組合，以確定工作存放器的組號。OV〔PSW.2〕溢出標志。帶符號數(shù)補碼運算時，如果有溢出，即當運算結(jié)果超出－128～＋127的范圍時，OV置1；無溢出時OV清0?！睵SW.1〕為保存位。P〔PSW.0〕奇/偶標志。每個指令周期均由硬件來置位或清0，以指出累加器A中1的個數(shù)的奇偶性。假設1的個數(shù)為奇數(shù)，那么P置位，否那么清0。⑤堆棧指針SP。堆棧是一個特殊的存儲區(qū)，暫存數(shù)據(jù)和地址，它是按“先進后出〞的原那么存放數(shù)據(jù)的。第一個進棧的數(shù)據(jù)所在的存儲單元稱為棧底，最后進棧數(shù)據(jù)的存儲單元叫做棧頂，SP是8位特殊功能存放器，始終指向棧頂在片內(nèi)RAM中的位置，每存或取一字節(jié)數(shù)據(jù)SP就自動加或減1，系統(tǒng)復位后SP的初始值為07H，即堆棧實際從08H單元開始工作。⑥數(shù)據(jù)指針DPTR。DPTR是16位的特殊功能存放器，由高8位字節(jié)DPH和低8位字節(jié)DPL組成。用于存放16位地址，作間址存放器和基址存放器使用，以便訪問片外RAM和ROM。DPTR可以作為2個獨立的8位存放器DPH和DPL使用。⑦并行I/O接口P0、P1、P2和P3。均為8位，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入或輸出?！菜摹矼CS-51單片機I/O端口電路、時鐘電路與工作方式1MCS-51單片機I/O端口的結(jié)構(gòu)及使用方法MCS-51單片機內(nèi)有4個8位并行I/O口，稱為P0、P1、P2和P3。每個端口都是8位準雙向I/O口，共占32個引腳。每個端口都包含一個鎖存器，一個輸出驅(qū)動器和一個輸入緩沖器。在具有片外擴展存儲器的系統(tǒng)中，P2口送出高8位地址，P0口為雙向總線，分時送出低8位地址和數(shù)據(jù)的輸入/輸出?！?〕P0口P0口的字節(jié)地址為80H，位地址為80H～87H。圖2-5所示為P0口某一位的結(jié)構(gòu)圖。它由一個輸出鎖存器、2個三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動電路及控制電路組成。圖中控制信號C的狀態(tài)決定轉(zhuǎn)換開關(guān)的位置。當C=0時，開關(guān)處于圖示位置；當C=1時，開關(guān)撥向反相器輸出端位置。圖2-5P0口某位結(jié)構(gòu)圖〔2〕P1口P1口的字節(jié)地址為90H，位地址為90H～97H。圖2-6所示為P1口某一位的結(jié)構(gòu)圖。它由一個輸出鎖存器、2個三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動電路組成。輸出驅(qū)動電路只有一個場效應管VT1，同時內(nèi)部帶上拉電阻。圖2-6P1口某位結(jié)構(gòu)圖〔3〕P2口P2口的字節(jié)地址為0A0H，位地址為0A0H～0A7H。圖2-7所示為P2口某一位的結(jié)構(gòu)圖。它由一個輸出鎖存器、2個三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動電路及控制電路組成。輸出驅(qū)動電路只有一個場效應管VT1，同時內(nèi)部帶上拉電阻。圖2-7P2口某位結(jié)構(gòu)圖〔4〕P3口P3口的字節(jié)地址為0B0H，位地址為0B0H～0B7H。圖2-8所示為P3口某一位的結(jié)構(gòu)圖。它由一個輸出鎖存器、3個三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動電路組成。輸出驅(qū)動電路只有一個場效應管VT1，同時內(nèi)部帶上拉電阻。比P1口多了一個第二功能控制局部的邏輯電路。圖2-8P3口某位結(jié)構(gòu)圖2、MCS-51單片機時鐘電路時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需的時鐘信號。單片機是一個復雜的同步時序電路，因此必須受控于唯一的時鐘信號，而時序所研究的那么是指令執(zhí)行時各信號之間的相互時間關(guān)系。〔1〕單片機時鐘電路

單片機芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器，XTAL1為反相放大器的輸入端，XTAL2為輸出端，兩端跨接石英晶體和兩個電容就構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。電容器C1和C2通常取30pF左右，可穩(wěn)定頻率并對振蕩頻率有微調(diào)作用。振蕩脈沖頻率范圍為fosc=0～24MHz。

單片機的時鐘電路有兩種方式：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。如圖2-9所示。圖2-9單片機的時鐘電路〔2〕CPU時序的幾個概念節(jié)拍與狀態(tài)周期節(jié)拍〔用P表示〕是指振蕩脈沖的周期。振蕩脈沖經(jīng)過兩分頻后就是單片機的時鐘信號，把時鐘信號的周期定義為狀態(tài)〔用S表示〕。即一個狀態(tài)包含兩個節(jié)拍。時鐘周期也稱為狀態(tài)周期，它是計算機中最根本的時間單位。MCS-51單片機中一個時鐘周期為振蕩周期的2倍。機器周期和指令周期

一個機器周期是指CPU訪問存儲器一次所需要的時間，一個機器周期包括12個振蕩周期，分為6個狀態(tài)：S1～S6，每個狀態(tài)又分為兩個節(jié)拍。

指令周期是完成一條指令所需要的時間。MCS-51單片機系統(tǒng)中有單周期指令、雙周期指令和四周期指令。四周期指令只有乘、除兩條指令。振蕩周期=1/fosc狀態(tài)周期=2/fosc機器周期=12/fosc指令周期=〔1～4〕機器周期3、MCS-51單片機工作方式〔1〕復位操作

復位是單片機的初始化操作，使單片機系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。即把PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。RST引腳是復位信號的輸入端，復位信號高電平有效，有效時間應持續(xù)24個振蕩周期〔即兩個機器周期〕以上。

復位操作有上電自動復位和按鍵手動復位兩種方式，如圖2-10所示。

上電自動復位是在加電瞬間電容通過充電來實現(xiàn)的。通電瞬間，電容C1通過電阻R充電，RST端出現(xiàn)正脈沖，用以復位。

手動復位是指通過接通一按鍵開關(guān)，使單片機進入復位狀態(tài)。該復位方式可以在不斷電源電的前提下實現(xiàn)復位，需要復位時按下按鍵開關(guān)，電阻R1和R