單片機技術(shù)實驗指導書

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目錄

第1章單片機的硬件基礎(chǔ)2

第2章C51單片機的內(nèi)部資源12

第3章C51單片機的系統(tǒng)擴展30

第4章串行通信接口35

第5章51單片機系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)48

第6章MCS51系列單片機實驗56

實驗?擴展存儲器讀寫實驗56

實驗二P1口輸入、輸出實驗58

實驗三P3口輸出控制繼電器實驗60

實驗四光電隔離實驗61

實驗五簡單I/O實驗（交通燈控制）62

實驗六外部中斷實驗（急救車與交通燈）64

實驗七定時器實驗66

實驗八計數(shù)器實驗68

實驗九8255輸入、輸出實驗70

實驗十8255掃描鍵盤、顯示實驗72

實驗H??一8155輸入、輸出實驗74

實驗十二8155掃描鍵盤、顯示實驗76

實驗十三8279顯示實驗78

實驗十四8279顯示電子鐘實驗80

實驗十五8279鍵盤顯示實驗（電子秒表）83

實驗十六串并轉(zhuǎn)換實驗86

實驗十七單片機串行口與PC機通訊實驗88

實驗十九D/A轉(zhuǎn)換實驗90

實驗二十A/D轉(zhuǎn)換實驗91

實驗二十二電子音調(diào)實驗93

實驗二十三語音芯片實驗96

實驗二十四LCD顯示實驗99

實驗二十五LED點陣顯示實驗101

實驗二十六直流電機轉(zhuǎn)速測量實驗104

實驗二十七步進電機控制實驗107

實驗二十八溫度測量與顯示實驗109

實驗二十九X25045讀寫及看門狗溢出實驗112

實驗三十時鐘顯示（HT1380）實驗118

實驗三H-—D/A（TLC5615）轉(zhuǎn)換實驗123

實驗三十二A/D（TLC1543）轉(zhuǎn)換實驗126

實驗三十三A/D/A綜合運用實驗130

實驗三十四CAT93c46讀寫實驗131

實驗三十六單片機系統(tǒng)中的紅外通信實驗134

實驗三十七PS2鍵盤掃描碼讀取顯示實驗142

EAT59851實驗指導W

第1章單片機的硬件基礎(chǔ)

重點內(nèi)容：

?單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

?單片機引腳功能

?單片機的工作時序

?單片機的工作方式

?單片機的最小系統(tǒng)

?本章小結(jié)

一、單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1、中央處理器

51單片機內(nèi)部有一個8位的面向控制、功能強大的微處理器，其主要功能是運算和控制整個系統(tǒng)協(xié)

調(diào)工作。它由運算器和控制器兩部分組成。

1.運算器

運算器主要實現(xiàn)對操作數(shù)的算術(shù)運算、邏輯運算和位操作。主要包括算術(shù)邏輯運算部件(ALU)、

累加器A、寄存器B、程序狀態(tài)字PSW、暫存器、布爾外理器以及十進制調(diào)整電路等部件。

(1)算術(shù)與邏輯部件ALU(ArithmeticalLogicUnit)

算術(shù)邏輯單元ALU是計算機中必不可少的數(shù)據(jù)處理單元之一，主要對數(shù)據(jù)進行算術(shù)邏輯運算。從

結(jié)構(gòu)上看，該單元實質(zhì)是一個全加器，它的運算結(jié)果將對程序狀態(tài)字PSW產(chǎn)生影響。該單元主要

完成以下操作：

?力口、減、乘、除運算；

?增量(加1)減量(減1)運算；

?十進制數(shù)調(diào)整；

?位操作中的置位、復位和取反操作；

?與、或、異或等運算操作；

?數(shù)據(jù)傳送操作。

②累加器A

累加器A是CPU中最繁忙、使用頻度最高的一個特殊功能寄存器，簡稱為ACC或A寄存器，其作

用為：

?累加器A作為ALU的輸入數(shù)據(jù)源之一，也是ALU的輸出；

?CPU中的數(shù)據(jù)傳送大多數(shù)都通過累加器，累加器A是一個非常重要的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站。

③寄存器B

寄存器B是一個8位寄存器，是為ALU進行乘、除運算而設(shè)置的。在執(zhí)行乘法運算指令的時候，

寄存器B用于存放其中的一個乘數(shù)和乘積的高8位數(shù)。在執(zhí)行出發(fā)運算的時候，寄存器B用于存放

除數(shù)和余數(shù)。在其他情況下，B寄存器可以作為一個普通的寄存器使用。

④程序狀態(tài)字

程序狀態(tài)字PSW(ProgramStatusWords)是一個8位的專用寄存器，用于存儲程序運行中的各種狀

態(tài)信息。它被逐位定義，可以位尋址，

⑤暫存器

用以暫存進入運算器之前的數(shù)據(jù)。

⑥布爾處理器

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MCS-51單片機技術(shù)實驗基礎(chǔ)

布爾處理器（位處理器）是51單片機ALU所具有的一種功能。單片機指令系統(tǒng)的位處理指令集（17

條位操作指令），存儲器中的位地址空間，以及借用程序狀態(tài)寄存器PSW中的進位標志CY做為位

操作“累加器”，構(gòu)成了51單片機內(nèi)的布爾處理器。它可對直接尋址的位（bit）變量進行位處理，如

置位、清零、取反、測試轉(zhuǎn)移以及邏輯“與"、"或”等位操作，使用戶在編程時可以利用指令完成原

來單憑復雜的硬件邏輯鎖完成的功能，并可方便地設(shè)置標志等。

⑦十進制調(diào)整電路

顧名思義，用來進行十進制調(diào)整的電路。

2.控制器

控制器是控制計算機系統(tǒng)各種操作的部件，其功能是控制指令的讀取、譯碼和執(zhí)行，對指令的執(zhí)行

過程進行定時控制，并根據(jù)執(zhí)行結(jié)果決定其后的操作。它包括時鐘發(fā)生器、定時控制邏輯、復位電

路、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、程序計數(shù)器PC、程序地址寄存器、數(shù)據(jù)指針DPTR、堆棧指

針SP等。

2、存儲器結(jié)構(gòu)

51系列單片機的存儲組織采用的是哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)，即將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器截然分開，

程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器具有各自獨立的尋址方式、尋址空間和控制系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)對于單片機“面

向控制”的實際應(yīng)用極為方便。

在物理結(jié)構(gòu)上，51系統(tǒng)單片機有4個存儲器空間：

?程序存儲器：片內(nèi)程序存儲器和片外程序存儲器；

?數(shù)據(jù)存儲器：片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器。

51單片機內(nèi)部有一個8位的面向控制、功能強大的微處理器，其主要功能是運算和控制整個系統(tǒng)協(xié)

調(diào)工作。它由運算器和控制器兩部分組成。

1.運算器

運算器主要實現(xiàn)對操作數(shù)的算術(shù)運算、邏輯運算和位操作。主要包括算術(shù)邏輯運算部件（ALU）、

累加器A、寄存器B、程序狀態(tài)字PSW、暫存器、布爾外理器以及十進制調(diào)整電路等部件。

2、存儲器結(jié)構(gòu)

1.存儲原理

為了探討計算機的存儲原理，先讓我們做一個實驗：這里有兩盞燈，我們知道燈只有亮和滅兩種狀

態(tài)，我們能用'0'和來代替這兩種狀態(tài)，規(guī)定亮為'1',滅為'0'?，F(xiàn)在這兩盞燈總共有兒種狀態(tài)呢？

我們列表來看一下，如圖所示：

存儲器是利用電平的高低來存放數(shù)據(jù)的。它是由大量寄存器組成的，其中每一個寄存器就稱為個

存儲單元。它可存放一個有獨立意義的二進制代碼。一個代碼由若干位（bit）組成，代碼的位數(shù)稱

為位長，習慣上也稱為字長。

2.內(nèi)部程序存儲器

51單片機程序存儲器是用來存放經(jīng)過調(diào)試正確的應(yīng)用程序和表格之類的固定數(shù)據(jù)的。

3.內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器

數(shù)據(jù)存儲器由隨機存儲器RAM組成，這種存儲器又叫讀寫存儲器。它不僅能讀取存放在存儲單元

中的數(shù)據(jù)，還能隨時寫入新的數(shù)據(jù)，寫入后原來的數(shù)據(jù)就丟失了。斷電后RAM中的信息全部丟失。

因此，RAM用來存放運算中的數(shù)據(jù)、中間結(jié)果及最終結(jié)果。

4.特殊功能寄存器

在51單片機內(nèi)部有一個CPU用來運算、控制，有四個并行I/O口，有程序存儲器，有數(shù)據(jù)存儲器,

此外還有定時/計數(shù)器，串行I/O口，中斷系統(tǒng)，以及一個內(nèi)部的時鐘電路。對并行I/O口的讀寫只

要將數(shù)據(jù)送入到相應(yīng)I/O口的鎖存器就可以了，那么對于定時/計數(shù)器，串行I/O口等怎么用呢？在

單片機中有一些獨立的存儲單元是用來控制這些器件的，被稱之為特殊功能寄存器（SFR）。

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5.存儲器結(jié)構(gòu)特點

單片機的存儲器結(jié)構(gòu)與微型計算機有很大的不同。它的兩個重要的特點是：一是把數(shù)據(jù)存儲器和程

序存儲器截然分開，二是存儲器有內(nèi)外之分。對于面向控制應(yīng)用且又不可能具有磁盤的單片機系統(tǒng)

來說，程序存儲器是至關(guān)重要的，但數(shù)據(jù)存儲器也不可少。為此單片機的存儲器分為數(shù)據(jù)存儲器和

程序存儲器，其地址空間、存取指令和控制信號各有一套。

3、I/O端口結(jié)構(gòu)

51系列單片機有1個8位雙向并行I/O端口P0和3個8位準雙向并行I/O端口P1?P3。每一位端口

都由口鎖存器、輸出鎖存器和輸入緩沖器組成。它們已被歸入專用寄存器之列，并且具有字節(jié)尋址

和位尋址功能。

1.P0端口

圖表示了P0端口中某一位的電路結(jié)構(gòu)。由圖可見，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。當對P0口進行寫操作時，

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。

地址/數(shù)據(jù)VCC

P1端口某一位的電路結(jié)構(gòu)如圖2.7所示。因為P1口通常是作為通用I/O口使用的，所以在電路

結(jié)構(gòu)上與P0口有一些不同之處，主要表現(xiàn)為2點：首先它不再需要多路轉(zhuǎn)接電路MUX；其次是電

路的內(nèi)部有上拉電阻，與場效應(yīng)管共4同組成輸出驅(qū)動電路。為此，P1口作為輸出口使用時，已經(jīng)

能向外提供推拉電流負載，無需再外接上拉電阻。當P1口作為輸入口使用時，同樣也需先向其鎖

存器寫“1”,使輸出驅(qū)動電路的FET截止。

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MCS-51單片機技術(shù)實驗基礎(chǔ)

P2端口的電路如圖2.8所示。P2口電路比Pl口電路多了一個多路轉(zhuǎn)接電路MUX,這又正好與

P0口一樣。P2口可以作為通用I/O口使用，這時多路轉(zhuǎn)接電路開關(guān)倒向鎖存器Q端。通常情況下,

P2口是作為高位地址線使用而不作為數(shù)據(jù)線使用，此時多路轉(zhuǎn)接電路開關(guān)應(yīng)倒向相反方向。

VCC

P3端口某一位的電路如圖2.9所示。P3口的特點在于，為適應(yīng)引腳信號第二功能的需要，增加

了第二功能控制邏輯。對于于第二功能信號有輸入和輸出兩類。

第二輸出功能VCC

第：輸入功能

4、定時器/計數(shù)器結(jié)構(gòu)

8051有兩個16位定時器/計數(shù)器T0和T1,分別與2個8位寄存器TOL、T0H及TIL、T1H對應(yīng)。

8051的定時器/計數(shù)器可以工作在定時方式或計數(shù)方式。

1.定時方式

定時方式實現(xiàn)對單片機內(nèi)部的時鐘脈沖或分頻后的脈沖進行計數(shù)。

2.計數(shù)方式

實現(xiàn)對外部脈沖的計數(shù)，讀者將對定時器/計數(shù)器將在后續(xù)章節(jié)中進行具體學習。

5、中斷系統(tǒng)

在單片機系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計中，中斷是一個必不可少的概念。

在程序的執(zhí)行過程中，有時候需要停下手頭的工作轉(zhuǎn)而執(zhí)行其他的一些重要工作，并在執(zhí)行完后返

回到原來的執(zhí)行的程序中，然后繼續(xù)執(zhí)行未完成的任務(wù)。這就是中斷的?般過程。

8051有5個中斷源，兩個中斷優(yōu)先級控制，可以實現(xiàn)兩個中斷服務(wù)嵌套。兩個外部中斷INTO、INT1,

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兩個定時器中斷TO、T1,還有一個串行口中斷。

中斷的控制由中斷允許寄存器IE和中斷優(yōu)先級寄存器IP實現(xiàn)。關(guān)于中斷的設(shè)置和實現(xiàn)將在后續(xù)章

節(jié)進行具體講解學習。

二、單片機引腳功能

2、引腳及功能

1.供電引腳

供電引腳接入AT89s51的工作電源。

?VCC：電源正級，一般為+5V。

?GND：電源地。

2.I/O引腳

顧名思義，就是輸入/輸出引腳。

?P0：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。

對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位

地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié);

在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。

?Pl：P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，pl輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯

電平。對P1端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，

被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和PL2分別作定時器/計數(shù)

器T2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和時器/計數(shù)器T2的觸發(fā)輸入（P1.1"2EX）,具體功能見表2.7。

在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。

?P2：P2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯

電平。對P2端口寫力”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時,

被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（HL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址

讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX@DPTR）時，P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口

使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX@RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸

出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。

?P3：P3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/OU,p2輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯

電平。對P3端口寫T時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時,

被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（HL）。P3口亦作為AT89s52特殊功能（第二

功能）使用，見表2.8。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。

3.控制引腳

控制引腳包括RST、ALE、、，此類引腳提供控制信號，有些引腳具有復用功能。

?RST：復位輸入。晶振工作時，RST腳持續(xù)2個機器周期高電平將使單片機復位。看門狗計時

完成后，RST腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以

使此功能無效。DISRTO默認狀態(tài)下，復位高電平有效。

?ALE/PROG:地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出

脈沖。在flash編程時，此引腳也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定

頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器

時，ALE脈沖將會跳過。如果需要，通過將地址為8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無效。

這一位置“1”，ALE僅在執(zhí)行MOVX或MOVC指令時有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個

ALE使能標志位（地址為8EH的SFR的第0位）的設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。

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MCS-51單片機技術(shù)實驗基礎(chǔ)

?PSEN：外部程序存儲器選通信號。當AT89s52從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，PSEN在

每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，PSEN將不被激活。

?EA/VPP：訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲器讀取

指令，EA必須接GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA應(yīng)該接VCC。在flash編程期間，EA也接收

12伏VPP電壓。

外接晶振引腳

外接晶振引腳與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成一個振蕩器，他提供了單片機的時鐘控制信號，也可采用外

部晶體振蕩器。

?XTAL1：接外部晶體的一個引腳，在單片機內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端。若采用外部

振蕩器，該引腳接收振蕩器的信號，即把此信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。

?XTAL2：借外部晶體的另一端，在單片機內(nèi)部接到反相放大器的輸出端，當采用外接晶體振蕩

器時，此引腳可以不接。

三、單片機工作時序

1、時鐘電路

時鐘信號可以由兩種方式產(chǎn)生：一種是內(nèi)部方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路產(chǎn)生時鐘信號；另一種

為外部方式，時鐘信號由外部引入。

51單片機有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入、

輸出端。外接石英晶體和陶瓷電容構(gòu)成自激振蕩器。這種方式稱為內(nèi)部時鐘方式。如果振蕩器已起

振，則在XTAL2引腳上輸出3V左右的正弦波。振蕩器的頻率取決于晶振的頻率。電容C1和C2

主要作用是幫助起振（諧振），其值的大小對振蕩頻率也有影響。因此常用調(diào)節(jié)C1或C2的容量大

小對頻率進行微調(diào)，電容容量在通常在20pF~100pF之間選擇，當時鐘頻率為12MHz時典型值為

30Pf?

2、時序定時單位

（1）拍節(jié)與狀態(tài)

把振蕩脈沖的周期定義為拍節(jié)（用P表示）。振蕩脈沖經(jīng)過二分頻后，就是單片機的時鐘信號的周

期，其定義為狀態(tài)（用S表示）。這樣，?個狀態(tài)就包含兩個拍節(jié)，具前半周期對應(yīng)的拍節(jié)叫拍節(jié)1

（P1）,后半周期對應(yīng)的拍節(jié)叫拍節(jié)2（P2）。

（2）機器周期

51單片機采用定時控制方式，因此它有固定的機器周期。規(guī)定一個機器周期的寬度為6個狀態(tài)，并

依次表示為S1?S6。由于一個狀態(tài)又包括兩個拍節(jié)，因此一個機器周期總共有12個拍節(jié)，分別記

作S1P1、S1P2S6P2。由于一個機器周期共有12個振蕩脈沖周期，因此機器周期就是振蕩脈

沖的十二分頻。當振蕩脈沖頻率為12MHz時，一個機器周期為ips；當振蕩脈沖頻率為6MHz時,

一個機器周期為2pSo

（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。它一般由若干個機器

周期組成。不同的指令，所需要的機器周期數(shù)也不相同。通常，包含一個機器周期的指令稱為單周

期指令，包含兩個機器周期的指令稱為雙周期指令，等等指令的運算速度與指令所包含的機器周期

有關(guān)，機器周期數(shù)越少的指令執(zhí)行速度越快。MCS-51單片機通常可以分為單周期指令、雙周期指

令和四周期指令等三種。四周期指令只有乘法和除法指令兩條，其余均為單周期和雙周期指令。

單片機執(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，時序如圖2.13所示，（a）為單字

節(jié)單周期指令；（b）為雙字節(jié)單周期指令；（c）為單字節(jié)雙周期指令。

7

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3、指令的執(zhí)行時序

圖(a),(b)所示分別給出了單字節(jié)單周期利雙字節(jié)單周期指令的時序。單周期指令的執(zhí)行始于

S1P2,這時操作碼被鎖存到指令寄存器內(nèi)?若是雙字節(jié)，則在同一機器周期的S4讀第二字節(jié).若

是單字節(jié)指令，則在S4仍有讀操作，但被讀入的字節(jié)無效，且程序計數(shù)器PC并不增量。圖(c)

給出了單字節(jié)雙周期指令的時序，兩個機器周期內(nèi)進行4次讀操作碼操作。因為是單字節(jié)指令，所

以，后三次讀操作都是無效的。

f|T~

ALE」

????????(??)?7?7??

二

S1S2S3S4S5S6

(a)

7?7?7797??997?7

匚

S1S2S3S4S5S6

(b)

7777?777(?7)

S1IS2IS3IS4IS5IS6IS1IS2IS3IS4IS5S6

(c)

四、單片機工作方式

1、復位方式

1.上電自動復位

上電復位電路只需在RST端接?個電容至VCC和?個電阻至VSS即可，如圖2.14所示。加電瞬間，

RST端出現(xiàn)一段時間的高電平，只要高電平保持至少2個機器周期，51單片機就會執(zhí)行復位操作，

然后把RST恢復為低電平?電路中，時間常數(shù)RC越大，上電時保持高電平的時間越長，當振蕩頻

率為12MHz時，典型值C=10|JF,R=8.2kC,當時鐘頻率選用6MHz時，C=22pF,R=1kC。上述

參數(shù)比實際要求的值大很多，但通常設(shè)計人員并不關(guān)心多出的復位時間。

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MCS-51單片機技術(shù)實驗基礎(chǔ)

+5

T

MCS-51

圖2.14上電復位電路，

2人工復位

除了上電復位外，有時還需要人工復位。將一個按鈕開關(guān)并聯(lián)于上電自動復位電路，就是人工復位

電路,如圖2.15?

圖2.15人工復位電路，

2、程序執(zhí)行方式

程序的執(zhí)行方式是單片機的基本工作方式。由于復位后PC=OOOOH,因此程序執(zhí)行總是從地址0000H

開始。

1.連續(xù)執(zhí)行方式

連續(xù)執(zhí)行方式是單片機執(zhí)行的基本工作方式，所要執(zhí)行的代碼放在程序存儲器ROM中（可以是片內(nèi)

或片外），CPU不斷地從程序存儲器中取指令、分析并執(zhí)行。

2.單步執(zhí)行方式

程序的執(zhí)行處于外加脈沖（通常用一個按鍵產(chǎn)生）的控制下，一般利用中斷來實現(xiàn)程序的單步執(zhí)行。

9

EAT59851實驗指導W

3、低功耗方式

對于51單片機來說，有待機方式和掉電保護方式兩種低功耗方式。通過設(shè)置電源控制寄存器PCON

的相關(guān)位，可以指定當前的工作方式為低功耗方式。PCON寄存器格式如表2.10所示。

表2.1。PCON寄存器格式"

to序。B7KB6+B5PB4,B3。B2。日B5

位符號QSMO加仲23GF1-GF0-PD小IDL-

1.待機方式

如果使用指令使PCON寄存器IDL位置“1”，則進入待機方式。這時振蕩器仍然工作，并向邏輯中

斷、串行口和定時器/計數(shù)器電路提供時鐘，但向CPU提供時鐘的電路被阻，因此CPU不能工作，

與CPU相關(guān)的如SP、PC、PWS、ACC以及全部通用寄存器也被“凍結(jié)”在原狀態(tài)。

在待機方式下，中斷功能應(yīng)繼續(xù)保留，一便采用中斷方法退出待機方式。為此，應(yīng)該引入一個外中

斷請求信號，在單片機響應(yīng)中斷的同時，IDL位被硬件自動清“0”，單片機就退出待機模式而進入正

常工作方式。

2.掉電保護方式

PCON寄存器的PD位控制單片機進入掉電保護方式。因此對于51單片機，在檢測到電源故障時，

除進行信息保護外，還應(yīng)把PD位置“1”，使之進入掉電保護方式。此時單片機一切工作都停止，只

有內(nèi)部RAM單元的內(nèi)容被保存。

五、單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)包括單片機及其所需的必要的電源、時鐘、復位等部件，能使單片機處于正常的運

行狀態(tài)。電源、時鐘等電路是使單片機能運行的必備條件，可以將最小系統(tǒng)作為應(yīng)用系統(tǒng)的核心部

分，通過對其進行存儲器擴展、A/D擴展等，因此51單片機最小系統(tǒng)的功能主要如下：

?能夠運行用戶程序。

?用戶可以復位單片機。

?具有相對強大的外部擴展功能。

最小系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2.16所示。

圖2.16單片機最小系統(tǒng)框圖，

六、本章小結(jié)

本章主要介紹了單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本組成，詳細介紹了MCS-51單片機的中央處理器、存儲器

10

MCS-51單片機技術(shù)實驗基礎(chǔ)

結(jié)構(gòu)、輸入輸出接口、弓I腳、中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器以及單片機工作方式和最小系統(tǒng)等內(nèi)容，為

以后的學習打下堅實的基礎(chǔ)。

通過本章的學習，讀者應(yīng)該掌握以下幾個知識點：

1.了解單片機單片機的基本結(jié)構(gòu)和組成。

2.理解單片機的運行基本原理。

3.知道單片機最小系統(tǒng)的組成。

11

EAT59851實驗指導W

第2章C51單片機的內(nèi)部資源

重點內(nèi)容：

?輸入'輸出控制

?中斷系統(tǒng)

?定時/計數(shù)器

?本章小結(jié)

一、輸入'輸出控制

單片機I/O口即輸入/輸出接口，它可對開關(guān)量進行檢測、判斷、處理，從而去控制開關(guān)量設(shè)備。單

片機I/O口是單片機與外界發(fā)生聯(lián)系的窗口，只有了解和掌握I/O口的特點、性能、原理，才能真

正發(fā)揮I/O口的功能，才能使單片機作為一種嵌入式微控制器，應(yīng)用到各種領(lǐng)域，發(fā)揮單片機的功

能。

下面是reg51.h和reg52.h中并行I/O口的定義。使用I/O口時,不用關(guān)心I/O口的具體地址，直接

使用P0、Pl、P2、P3這些變量名就可以了。

sfrP0=0x80;/*8位I/O□P0*/

sfrPl=0x90;/*8位I/O口P1*/

sfrP2=OxAO;/*8位I/O口P2*/

sfrP3=OxBO;/*8位I/O口P3*/

在I/O口直接用做輸入/輸出時，CPU既可以把它們看做數(shù)據(jù)口，也可以看做狀態(tài)口，這是由用戶決

定的。下面看是有關(guān)I/O應(yīng)用的例子。

【例2-1】I/O應(yīng)用

設(shè)計一電路，監(jiān)視某開關(guān)K,用發(fā)光二極管LED顯示開關(guān)狀態(tài),如果開關(guān)合上，LED燈亮；否則,

LED等滅。

分析：設(shè)計電路圖如圖7.1所示。開關(guān)接在P1.4口，LED燈接在P1.0口，當開關(guān)斷開時，P1.4為

Vcc,對應(yīng)數(shù)字量為“1”，開關(guān)合上時，P1.1電平為0,對應(yīng)數(shù)字量為"0"。根據(jù)LED的解法，當P1.0

輸出為“0”時,LED燈亮，反之輸出為“1”時,燈則熄滅。

程序清單如下：

用C語言編程如下：

#include<reg51.h>

sbitpl_O=PlAO;

sbitpl」=P『l;/*定義位變量*/

voidmain()

{

pl_0=0;/*使發(fā)光二極管滅*/

for(；；)

{

P1J=1；

if(pl_l=O)

pl_0=l;

elsepl0=0;}

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MCS-51單片機技術(shù)實驗基礎(chǔ)

P1.0(ADO)PO.O

Pl.l(ADl)PO.l

Pl.2(AD2)P0.2

Pl.3(AD3)P0.3

Pl.4(AD4)P0.4

P1.5(M0SI)(AD5)P0.5

P1.6(MISO)(AD6)P0.6

P1.7(SCK)(AD7)P0.7

P3.3(INT1)(A8)P2.0

P3.2(INT0)(A9)P2.1

(A10)P2.2

P3.5(T1)(AU)P23

P3.4(T0)(A12)P2.4

(A13)P2J

EATVPP(A14)P2.6

8

(A15)P2.7vcc

XTAL1

1840T

XTAL2VCC

20_________

GND

9Io

RST(RXD)P3.0-辛

(TXD)P3.150-

P3.7(RD)ALEyPROG

/P3.6(WR)PSEN

RI

rAT89s51

\c=tl_

F

10K—

圖71例7」圖

二、中斷系統(tǒng)

1、中斷的基本概念

首先有關(guān)中斷的幾個基本概念。

1.中斷

所謂中斷，是指CPU在正常運行程序時，由于內(nèi)部/外部事件或由程序預先安排的事件，引起CPU

中斷正在運行的程序，而轉(zhuǎn)到為內(nèi)部/外部事件或為預先安排的事件服務(wù)的程序中去，服務(wù)完畢，再

返回去執(zhí)行波暫時中斷的程序。

2.中斷源

中斷源即引起中斷的原因，中斷申請的來源，中斷源可以是I/O設(shè)備、故障、時鐘、調(diào)試中人為設(shè)

置。

3.中斷優(yōu)先級和中斷的嵌套

當有多個中斷源同時向CPU申請中斷時，CPU優(yōu)先響應(yīng)最需緊急處理的中斷請求，處理完畢再響

應(yīng)優(yōu)先級別較低的，這種預先安排的響應(yīng)次序就叫做中斷優(yōu)先級。值得一提的是，在中斷系統(tǒng)中,

高優(yōu)先級的中斷請求能中斷正在進行的較低級的中斷源處理，我們把這叫做中斷的嵌套。

4.中斷系統(tǒng)

能實現(xiàn)中斷功能并能對中斷進行管理的硬件和軟件稱為中斷系統(tǒng)。

中斷請求是在執(zhí)行程序的過程中隨機發(fā)生的，中斷系統(tǒng)要解決的問題是：

13

EAT59851實驗指導W

（1）CPU在不斷地執(zhí)行指令中，是如何檢測到隨機發(fā)生的中斷請求的？

（2）如何使中斷的雙方（CPU方和中斷源方）均能人為控制——允許中斷或禁止中斷？

（3）由于中斷產(chǎn)生的隨機性，因此不可能在程序中使用調(diào)用子程序指令或轉(zhuǎn)移指令，那么如何在實

現(xiàn)正確的轉(zhuǎn)移，從而更好地為該中斷源服務(wù)呢？

（4）中斷源有多個，而CPU只有一個，當有多個中斷源同時有中斷請求時，用戶怎么控制CPU按

照自己的需要安排響應(yīng)次序？

（5）中斷服務(wù)完畢，如何正確地返回到原斷點處？

2、中斷源及其中斷的入口地址

51單片機有5個中斷源，3個在片內(nèi)，2個在月?外，它們在程序存貯器中有固定的中斷入口地址，當

CPU響應(yīng)中斷時，硬件自動形成這些地址，由此進入中斷服務(wù)程序；5個中斷源有兩級中斷優(yōu)先級,

可形成中斷嵌套；這6個中斷源的符號、名稱、產(chǎn)生條件及中斷服務(wù)程序的入口地址如表7-1。

表7-151單片機的中斷源“

符號~名稱2中斷弓1起原因。中斷服務(wù)程序入口Q

INTO-1外部＞P3.2引腳的＜0003HQ

中斷。2低電平或下降沿信號2

INTlr外部，P3.3引腳的一0013H*3

中斷2低電平或下降沿信號2

T(P定時器。中斷?定時計數(shù)器0讓數(shù)早雪溢出“OOOBHP

T12定時器1中斷?定時計數(shù)器1讓教鼠零溢出OOIBH^

T2~定時器2中斷?定時計數(shù)器2中斷。002BHP

（TF2或T2EX信號）。

TI/RI丁串行口“串行通信完成一幀數(shù)據(jù)，0023HQ

中斷。發(fā)送或接收引起中斷。

3、中斷控制相關(guān)的寄存器

1.中斷允許控制寄存器IE（地址0A8H）

每個中斷源都可以通過置位或清除中斷允許寄存器IE中的相關(guān)中斷允許控制位分別使得中斷源有

效或無效。1E還包括一個中斷允許總控制位EA,它能一次禁止所有中斷。中斷允許寄存器格式如

下表72

14

MCS-51單片機技術(shù)實驗基礎(chǔ)

表7-2中斷允許寄存器IE〉

符bi功能2

號。

?JT中斷鼠熊狂提皴EA=O,中斷總禁止；EA=1,各中斷由各

EAP7V自的控制值設(shè)定“

—6Q未定義。

ET2<5~定時褐2中斷允許控制值。

ESC串行口中斷允許控制值“

ETb3，，定時器1中斷允許控制位

EX1+2W外部中斷1允許控制位。

ETO+IQ定時器0中斷允許控制值。

EXCkOP外部中斷1允許控制值?

2.定時器/計數(shù)器控制寄存器（TCON）（地址88H）

該寄存器用于保存外部中斷請求以及定時器的計數(shù)溢出。寄存器的內(nèi)容及位地址表7-3如下:

表7-3定時/計數(shù)器控制寄存器TCON中與中斷有關(guān)的位，，

符號2bit*,功能Q

du定時/計數(shù)器1溢出中斷請求標志位.當定時器1計數(shù)溢出時，由硬件置位

TF27"（TF1=1），并且申語中斷.當CPU響應(yīng)中斷時，由硬件自動清零（TF1=Q）.,

26Q?J

TF0<5d定時/計數(shù)器。溢出中斷請求標志位.其功能及操作情況同TF1.

*33

3外部中斷1請求標志位.當外部中斷1儂據(jù)觸發(fā)方式滿足條件產(chǎn)生中斷請求時，

IE1P3P由硬件置位（IE1=1），當CPU響應(yīng)中斷時，由硬件自動清零（IE1=O）.Q

?J外部中斷1觸發(fā)方式選擇位.由軟件設(shè)置.為“1”時，中斷采用下降沿觸發(fā)方

u式，INT1引腳上高到低的嬲舞可引起中斷.為“0”時，中斷采用電平觸發(fā)

27方式，INT1引腳上低電平可引起中斷.?

IE0「1P外部中斷。請求標志位.其功能及操作情況同IE1.。

rroc外部中斷。觸發(fā)方式選擇位.其功能及操作情況同IT1.Q

3.串行口控制寄存器（SCON）（98H）

串行口控制寄存器與中斷有關(guān)的控制位共2位，如表7-4所示

15

EAT59851實驗指導W

表7-4串行口控制寄存器SCON中與中斷有關(guān)的位，

符號“bitQ功能，

?2-7^串口的其他位，見233串口寄存器.

TIP2串行口發(fā)送中斷諳求標志位.當串行口發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后請求中斷時，由硬件

置位（TI=1）.必須由軟件清零.2

RI/g串行口接收中斷請求標志位.當串行口接收完一幀數(shù)據(jù)后諳求中斷時，由硬件

置位（RI=1）。必須由軟件清零.?

4.中斷優(yōu)先級寄存器IP（地址8BH）

單片機采用了自然優(yōu)先級和人工設(shè)置高、低優(yōu)先級的策略，即可以由程序員設(shè)定那些中斷是高優(yōu)先

級、哪些中斷是低優(yōu)先級。AT89s52可設(shè)置兩個中斷優(yōu)先級，必有一些中斷處于同一級別，處于同

一級別的，就由自然優(yōu)先級確定。六個中斷源的自然優(yōu)先級（由高到低排列）為：

外部中斷0一〉定時器0中斷一＞外部中斷1一＞定時器1中斷一》串口中斷一〉定時器2中斷。中

斷優(yōu)先級由中斷優(yōu)先級寄存器IP（見表7-5）來設(shè)置的，IP中某位設(shè)為1,相應(yīng)的中斷就是高優(yōu)先

級，否則就是低優(yōu)先級。

表7-5中斷優(yōu)先級寄存器IP-'

符號2bit3功能”

―7.6r未定義。

PT2c5-T2中斷優(yōu)先皴控制位.PT2=1設(shè)定定時器T2為高優(yōu)先級中斷；PT2=0

為低優(yōu)先級中斷.?

PSd42串行口中斷優(yōu)先級控制位.PS=1設(shè)定串行口為高優(yōu)先級中斷；PS=O

為低優(yōu)先級中斷.。

PT1^3PT1中斷優(yōu)先皴控制位.PT1=1設(shè)定定時器T1為高優(yōu)先級中斷；PT1=0

為低優(yōu)先級中斷."

PX1*2P外部中斷1優(yōu)先級控制位.PX1=1設(shè)定定時器外部中斷1為高優(yōu)先級

中斷；PX1=。為低優(yōu)先級中斷.2

PTO'P12T0中斷優(yōu)先級控制位.PTO=1設(shè)定定時器T0為高優(yōu)先級中斷；PTO=O

為低優(yōu)先皴中斷.。

PXO^0~外部中斷0優(yōu)先級控制位.PXO=1設(shè)定定時器外部中斷0為高優(yōu)先級

中斷；FXO=O為低優(yōu)先級中斷.」

4、中斷響應(yīng)過程

單片機在每個機器周期的S5P2期間，順序采樣每個中斷源，CPU在下一個機器周期S6期間按優(yōu)先

級順序查詢中斷標志，如查詢到某個中斷標志為1,將在再下一個機器周期S1期間按優(yōu)先級進行中

斷處理。中斷得到響應(yīng)后自動清除中斷標志，由硬件將程序計數(shù)器PC內(nèi)容壓入堆棧保護，然后將

對應(yīng)的中斷矢量裝入程序計數(shù)器PC,使程序轉(zhuǎn)向中斷矢量地址單元中去執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。

在下列三種情況之一時，CPU將封鎖對中斷的響應(yīng)：

（1）CPU正在處理一個同級或更高級別的中斷請求。

（2）現(xiàn)行的機器周期不是當前正執(zhí)行指令的最后個周期。我們知道，單片機有單周期、雙周期、

三周期指令，當前執(zhí)行指令是單字節(jié)沒有關(guān)系，如果是雙字節(jié)或四字節(jié)的，就要等整條指令都執(zhí)行

16

MCS-51單片機技術(shù)實驗基礎(chǔ)

完了，才能響應(yīng)中斷（因為中斷查詢是在每個機器周期都可能查到的）。

（3）當前正執(zhí)行的指令是返回指令（RETD或訪問IP、IE寄存器的指令，則CPU至少再執(zhí)行一條

指令才應(yīng)中斷。這些都是與中斷有關(guān)的，如果正訪問IP、正則可能會開、關(guān)中斷或改變中斷的優(yōu)先

級，而中斷返回指令則說明本次中斷還沒有處理完，所以都要等本指令處理結(jié)束，再執(zhí)行一條指令

才可以響應(yīng)中斷。

具體地說，CPU響應(yīng)中斷的過程分為以下幾個步驟：

（1）保護斷點，即保存下一將要執(zhí)行的指令的地址，就是把這個地址送入堆棧。

（2）尋找中斷入口，根據(jù)6個不一樣的中斷源所產(chǎn)生的中斷，查找6個不一樣的入口地址。這6個

中斷源的編號和入口地址如表7-6所示各中斷服務(wù)程序入口地址僅間隔8字節(jié)，編譯器在這些地址

放入無條件轉(zhuǎn)移指令，跳轉(zhuǎn)到服務(wù)程序的實際地址。。以上工作是由計算機自動完成的，與編程者無

關(guān)。

（3）執(zhí)行中斷處理程序。

（4）中斷返回：執(zhí)行完中斷指令后，

就從中斷處返回到主程序，繼續(xù)執(zhí)行。

表7-6中斷源鼐號及程序入口地址，

編號”中斷源，入口地址2

外部中斷0-0003H^

1P定時器/計數(shù)器0QOOOBH^

2"外部中斷"0。13H口

3r定時器/計數(shù)器U001BHP

串行口中斷二0U23HQ

定時器/計數(shù)器2-002BH<

5、C51中斷的程序設(shè)計

C51使用戶能編寫高效的中斷服務(wù)程序，編譯器在規(guī)定的中斷源的矢量地址中放入無條件轉(zhuǎn)移指令,

使CPU響應(yīng)中斷后自動地從矢量地址跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序的實際地址，而無需用戶去安排。中斷服

務(wù)程序定義為函數(shù)，函數(shù)的完整定義如下：

返回值函數(shù)名（[參數(shù)]）[模式][BA]interruptn[usingm]

下面分別介紹后面3個參數(shù)：

再入：通過屬性關(guān)鍵字reentrant將函數(shù)定義為再入函數(shù)，這樣函數(shù)才能才能遞歸調(diào)用。這是因為在

C51中，普通函數(shù)（非再入的）不能遞歸調(diào)用，只有再入函數(shù)才可被遞歸調(diào)用。

interruptn:表示將函數(shù)聲明為中斷服務(wù)函數(shù)，n為中斷源編號，它可以是0?31間的整數(shù)，不允

許為帶運算符的表達式。n通常取以下值：

0外部中斷0；

1定時器/計數(shù)器。溢出中斷

2外部中斷1；

3定時器/計數(shù)器1溢出中斷

4串行口發(fā)送與接收中斷

Usingm：定義函數(shù)所使用的工作寄存器組，m的取值范圍為0?3,可缺省，它對目標代碼有如下

作用：函數(shù)入口處將當前寄存器保存，使用m指定的寄存器組，函數(shù)退出時原寄存器組恢復。選不

同的工作寄存器組，可方便實現(xiàn)寄存器組的現(xiàn)場保護。

值得注意的是，中斷服務(wù)函數(shù)不允許用于外部函數(shù)，因為它對目標代碼有下面這些影響：

17

EAT59851實驗指導W

①當調(diào)用函數(shù)時，SFR中的ACC、B、DPH、DPL和PSW實際需要時應(yīng)該入棧。

②如果不使用寄存器組切換，中斷函數(shù)所需的所有工作寄存器Rn都入棧。

③函數(shù)退出前，所有工作寄存器出棧。