单片机原理及应用复习资料.docx
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单片机原理及应用复习资料
单片机原理、接口及应用
51系列单片机内部结构如图1-1所示。
1.1.2CPU
CPU是单片机的核心部件。
它由运算器和控制器等部件组成。
1.运算器
运算器的功能是进行算术运算:
加、减、乘、除、加1、减1、比较、BCD码十进制调整等
逻辑运算:
与、或、异或、求反、循环等逻辑操作
位操作:
内部有布尔处理器,它以进位标志位C为位累加器,用来处理位操作。
可对位置“1”、对位清零、位判断等。
操作结果的状态信息送至状态寄存PSW。
2.程序计数器PC
程序计数器PC是16位的寄存器,用来存放即将要执行的指令地址,可对64KB程序存储器直接寻址。
执行指令时,PC内容的低8位经P0口输出,高8位经P2口输出。
3.指令寄存器
指令寄存器中存放指令代码。
CPU执行指令时,由程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器,经指令译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号,完成指令功能。
1.2存储器
MCS-51的储存器结构与常见的微型计算机的配置方法不同,它将程序存储器和数据存储器分开,各有自己的寻址方式、控制信号和功能。
程序存储器用来存放程序和始终要保留的常数。
数据存储器存放程序运行中所需要的常数和变量。
从物理空间看,MCS-51有四个存储器地址空间:
片内数据存储器、片外数据存储器
片内程序存储器、片外程序存储器
MCS-51存储器物理结构见下图所示:
引脚EA的接法决定了程序储存器的0000~0FFFH4KB地址范围是在单片机片内还是片外。
1.2.1程序储存器
程序存储器用来存放编制好的始终保留的固定程序和表格常数。
程序储存器以程序计数器PC作为地址指针,通过16位地址总线,可寻址的地址空间为64KB。
在8051/8751/89C51片内,分别内置最低地址空间的4KBROM/EPROM程序储存器(内部程序储存器),而在8031片内,则无内部程序储存器,必须外部扩展EPROM。
MCS-51单片机中64KB内、外程序储存器的地址是统一编排的。
8031单片机无内部程序存储器,地址从0000H~FFFFH都是外部程序存储空间。
应始终接地,
对于内部有ROM的单片机(51、52系列),引脚接高电平,使程序从内部ROM开始执行。
当PC值超出内部ROM的容量时,会自动转向外部程序存储器空间。
外部程序存储器地址空间为1000H~FFFFH。
访问程序存储器使用MOVC指令。
程序存储器中的几个特殊地址的使用:
地址用途
0000H复位操作后的程序入口
0003H外部中断0服务程序入口
000BH定时器0中断服务程序入口
0013H外部中断1服务程序入口
001BH定时器1中断服务程序入口
0023H串行口中断服务程序入口
由于两入口地址之间的存储空间有限,因此在编程时,通常在这些入口地址开始的两三个地址单元中,放入一条转移类指令,已使相应的程序转到指定的程序存储器区域中执行。
1.2.2外部数据存储器
用于存放随机读写的数据。
外部I/O口地址影像区。
MCS-51单片机的外部数据存储器和外部I/O口实行统一编址,并使用相同的作选通控制信号,均使用MOVX指令访问。
MCS-51单片机最多可扩展64KB外部数据存储器
1.2.3内部数据储存器
内部数据存储器是使用最多的地址空间,存放随机读写的数据
通用寄存器区
堆栈区
运算操作数存放区
指令(算术运算、逻辑运算、位操作运算等)的操作数只能在此地址空间或功能寄存器地址空间。
内部数据存储器的地址分配
51系列单片机内部数据存储器地址范围为00~7FH。
各区域地址见下表。
(1)地址0~1FH的前32个单元称为寄存器区
用途:
①作通用寄存器R0~R7。
②R0与R1可作间址寄存器使用。
使用时应注意:
32个单元的寄存器区分为四组,使用时只能选其中一组寄存器。
寄存器的选组由程序状态字PSW的RS1和RS0位定。
RS1RS0选寄存器组
000组
011组
102组
113组
初始化时或复位时,自动选中0组。
一旦选中一组,其它三组只能作为数据存储器使用,而不能作为寄存器使用。
设置多组寄存器可以方便保护现场。
(2)20H~2FH为位地址区
共16个单元,每单元有八个位,每位有一个位地址,共128位,位地址范围为00H~7FH,该区既可位寻址,又可字节寻址。
如MOV20H,C(这里C是Cy进位标志位),该指令是将Cy内容送20H位,如果Cy=1,位20H值为“1”。
(3)除选中的寄存组以外的存储器均可以作为通用RAM区。
(4)堆栈区
8XX51单片机的堆栈设在内部RAM区,深度不大于128字节,初始化时SP指向07H。
注:
对51基本型单片机只有00H-7FH单元128字节的RAM区。
对52增强型的单片机还有80H-FFH组成的高128字节RAM区(共256字节RAM)。
1.3特殊功能寄存器
MCS-51单片机共有21个字节的特殊功能寄存器用英文缩写SFR(SpecialFuctionRegister)表示。
1.用途:
A累加器、状态标志寄存器
单片机内部各部件专用的控制、状态寄存器
并行口、串行口影射寄存器
2.地址空间:
21个特殊功能器不连续的分布在80H~FFH128个字节地址空间,见表1-2。
地址为X0H和X8H是可位寻址的寄存器,表1-2中用“*”表示。
表1-2中还标注了各SFR的名称、字节地址、可寻址位的位地址和位名称。
21个特殊功能寄存器的名称及主要功能介绍如下,详细的用法见后面各节的内容。
A—累加器,自带有全零标志Z,A=0则Z=1;A≠0则Z=0。
该标志常用于程序分支转移的判断条件。
B—寄存器,常用于乘除法运算(见第2章)。
PSW—程序状态字。
主要起着标志寄存器的作用,其8位定义见表1-3。
其中
CY:
进/借位标志
反映最高位的进位借位情况,加法为进位、减法为借位。
CY=1,有进/借位;CY=0,无进/借位。
AC:
辅助进/借位标志
反映高半字节与低半字节之间的进/借位,
AC=1有进/借位;AC=0无进/借位。
FO:
用户标志位。
可由用户设定其含义。
RS1,RS0:
工作寄存器组选择位。
OV:
溢出标志
反映补码运算的运算结果有无溢出
有溢出OV=1,无溢出OV=0。
-:
无效位。
P:
奇偶标志
运算结果有奇个“1”,P=1;运算结果有偶个“1”,P=0。
影响标志位的指令及其影响方式见第2章。
SP—堆栈指针。
8XX51单片机的堆栈设在片内RAM,
对堆栈的操作包括压入(PUSH)和弹出(POP)两种方式,并且遵循后进先出的原则,但在堆栈生成的方向上,与8086正好相反8XX51单片机的堆栈操作遵循先加后压,先弹后减的顺序,按字节进行操作。
此外还有如下寄存器,它们将在后面章节介绍:
IP——中断优先级控制寄存器。
IE——中断允许控制寄存器。
TMOD——定时器/计数器方式控制寄存器。
TCON——定时器/计数器控制寄存器。
TH0,TL0——定时器/计数器0。
TH1,TH1——定时器/计数器1。
SCON——串行端口控制寄存器。
SBUF——串行数据缓冲器。
PCON——电源控制寄存器。
注:
在52子系列中,高128字节RAM和SFR的地址是重叠的,究竟访问哪一块可通过不同的寻址方式加以区分,访问高128字节RAM采用寄存器间址,访问SFR则只能采用直接寻址,访问低128字节RAM时,两种寻址均可采用。
1.4时钟电路与复位电路
内部振荡方式:
在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)如图1-3所示。
由于单片机内部有一个高增益运算放大器,当外接晶振后,就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。
1.4.2基本时序单位
单片机的时序单位有:
。
状态周期:
振荡频率经单片机内的二分频器分频后提供给片内CPU的时钟周期。
因此,一个状态周期包含2个振荡周期。
机器周期(MC):
1个机器周期由6个状态周期及12个振荡周期组成。
是计算机执行一种基本操作的时间单位。
4种时序单位中,振荡周期和机器周期是单片机内计算其他时间值(例如,波特率、定时器的定时时间等)的基本时序单位。
例:
单片机外接晶振频率12MHZ时的各种时序单位:
振荡周期=1/fosc=1/12MHZ=0.0833us
状态周期=2/fosc=2/12MHZ=0.167us
机器周期=12/fosc=12/12MHZ=1us
指令周期=(1~4)机器周期=1~4us
上电后,由于电容充电,使
RST持续一段高电平时间。
当单片
机已在运行过程中时,按下复位键
也能使RST持续一段时间的高电平,从而实现上电且开关复位的操作。
通常选择
C=10f,R=10K。
单片机的复位操作是使SFR寄存器进入初始化,不改变片内RAM区中的内容。
几个主要特殊功能寄存器复位状态归纳如下:
PC=0000H程序计数器为零表明单片机复位后程序从0000H地址单元开始执行。
A=00H 表明累加器已被清零。
PSW=00H 表明选寄存器0组为工作寄存器组。
SP=07H 表明堆栈指针指向片内RAM07H单元,根据堆栈操作的先加后压法则,第一个被压入的数据被写入08H单元中。
P0~P3=FFH 表明已向各端口线写入1,各端口既可用于输入又可用于输出。
记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态,对于熟悉单片机操作,减短应用程序中的初始化部分是十分必要的。
其它的特殊功能寄存器复位后的状态见教材表1-4。
1.5引脚功能
各个引脚的功能说明如下:
Vss:
接地端。
Vcc:
电源端,接+5V。
XTAL1,XTAL2:
接外部晶体或外部时钟。
RST/VPD:
①复位信号输入。
②接备用电源,当VCC掉电后,在低功耗条件下保持内部RAM中的数据。
ALE/PROG:
①ALE地址锁存允许。
ALE输出脉冲的频率为振荡频率的1/6。
②PROG对8751单片机片内EPROM编程时,编程脉冲由该引脚引入。
PSEN:
程序存储器允许。
输出读外部程序存储器的选通信号。
EA/VPP:
①EA=0,单片机只访问外部程序存储器。
EA=1,单片机访问内部程序存储器。
②在8751单片机片内EPROM编程期间,此引脚引入21V编程电源VPP。
在增强型的52系列单片机中,P1.0、P1.1除为端口线外,还为定时/计数器2的外部引脚T2和T2EX。
P0.0~P0.7:
P0口,数据/低八位地址复用总线端口。
P1.0~P1.7:
P1口,静态通用端口。
P2.0~P2.7:
P2口,高八位地址总线端口。
P3.0~P3.7:
P3口,双功能静态端口。
1.6小单片机是集CPU、存储器、I/O接口于一体的大规模集成电路芯片。
MCS-51系列单片机是目前市场上应用最广泛的单片机机型。
本章重点是单片机的内部结构和存储器结构
51系列单片机内部包含:
一个8位的CPU。
4KB程序存储器ROM(视不同产品型号不同:
8031内部无ROM;8051内部为掩模式ROM;8751为EPROM;89C51内部为FLASHEEPROM)。
128字节RAM数据存储器。
两个16位定时器/计数器。
可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器空间的控制电路。
32条可编程的I/O线(四个8位并行I/O端口)。
一个可编程全双工串行口。
具有两个优先级嵌套中断结构的五个中断源。
★掌握51系列单片机各存储空间的地址分配,使用特点及数据操作方法。
现将此内容归纳于教材表1-5中,此表是编程和硬件扩展的基础,相当重要,务必要熟记和掌握。
MCS-51单片机的编程语言可以是汇编语言也可以是高级语言(如C语言),高级语言编程快捷,但程序长,占用存储空间大,执行慢;汇编语言产生的目标程序简短,占用存储空间小,执行快,能充分发挥计算机的硬件功能。
无论是高级语言还是汇编语言,源程序都要转换成目标程序(机器语言)单片机才能执行。
目前很多公司将编辑器、汇编器、编译器、连接/定位器、符号转换程序做成集成软件包,用户进入该集成环境,编辑好程序后,只需点击相应菜单就可以完成上述的各步,如WAVE、
KEIL,WAVE集成软件的使用见附录。
汇编的方法:
汇编的方法有两种
1.手工汇编:
人工查指令表,查出程序中每条指令对应的机器代码。
早期的计算机使用。
2.机器汇编:
用计算机中的汇编程序对用户源程序进行汇编。
用机器汇编要提供给汇编一些信息,遵循汇编程序的一些约定。
这些由伪指令指定。
1)确定程序中每条汇编语言指令的指令机器码
2)确定每条指令在存储器中的存放地址
3)提供错误信息
4)提供目标执行文件(*.OBJ/*.HEX)和列表文件(*.LST)
二.伪指令常用伪指令及功能:
1.起始指令ORGnn
功能:
定义程序或数据块的起始地址。
指示此语句后面的程序或数据块以nn为起始地址,连续存放在程序存储器中。
指令地址机器码源程序
ORG2000H
2000H7830MAIN:
MOVR0,#30H
2002HE6MOVA,@R0
…
3.字定义标号:
DW(字常数或表达式)
作用:
指示在程序存储器中以标号为起始地址
的单元里存放的数为字数据(即16位的二进制数),例如:
GH:
DW1234H,5678H,08
5.等值指令标号EQU(数值表达式)
表示EQU两边的量等值,用于为标号或标识符赋值。
例如:
X1EQU2000H
X2EQU0FH
…
MAIN:
MOVDPTR,#X1;DPTR=2000HADDA,#X2;A=A+0FH
6.位定义标号BIT[位地址]
作用:
同EQU指令,不过定义的是位操作地址。
例如AICBITP1.1。
汇编语言程序设计步骤
一.确定方案和计算方法
二.了解应用系统的硬件配置、性能指标
三.建立系统数学模型,确定控制算法和操作步骤
四.合理分配存储器单元和了解I/O接口地址
常用程序结构
顺序程序、分支程序、
循环程序、子程序
顺序程序设计
例3-1编程将外部数据存储器的000EH和000FH单元的内容相换。
ORG0000H
MOVP2,#0H;送地址高八位至P2口
MOVR0,#0EH;R0=0EH
MOVR1,#0FH;R1=OFH
MOVXA,@R0;A=(000EH)
MOV20H,A;(20H)=(000EH)
MOVXA,@R1;A=(000FH)
XCHA,20H;A=(000EH),(20H)=(000FH)
MOVX@R1,A
MOVA,20H
MOVX@R0,A;交换后的数送各单元
SJMP$
END
3.3顺序程序设计
顺序程序(简单程序),程序走向只有一条路径
例3-3分解压缩式BCD码,使其成为非压缩式BCD码。
ORG0000H
MOVR0,#40H;设指针
MOVA,@R0;取一个字节
MOVR2,A;暂存
ANLA,#0FH;清0高半字节
INCR0
MOV@R0,A;保存数据个位
例2用单片机加重力传感器作磅秤,秤出重量后算出行李运费价格,其秤出的重量以10kg为1个计价单位G,G已存入40H单元。
计价方法
为50kg以内按3元,50kg以上
分段计价:
50kg按3元计价
,超过部分按2元计价。
由此列出算式:
1.利用转移地址表实现转移
例3-7根据R3的内容转向对应的程序,R3的内容为0~n,处理程序的入口符号地址分别为PR0~PRn(n<128)。
分析:
将PR0—PRn入口地址列在表格中,每一项占两个单元,PRn在表中的偏移量为2n,因此将R3的内容乘2即得PRn在表中的偏移地址,从偏移地址2n和2n+1两个单元分别取出PRn的高八位地址和低八位地址送DPTR寄存器,用JMP@A+DPTR指令(A先清零)即转移到PRn入口执行。
ORG0000H
MOVA,R3;R3→A
ADDA,ACC;A*2
MOVDPTR,#TAB
PUSHACC
MOVCA,@A+DPTR;取地址表中高字节
MOVB,A;暂存于B
INCDPL
POPACC
MOVCA,@A+DPTR;取地址表中低字节
MOVDPL,A
MOVDPH,B;DPTR为表中地址
CLRA;A=0
JMP@A+DPTR;转移
TAB:
DWPR0,PR1,PR2,…..,PRn;转移地址表
END
2.利用转移指令表实现转移
例3-8设有五个按键0、1、2、3、4其编码分别为3AH、47H、65H、70H、8BH,要求根据按下的键转向不同的处理程序,分别为PR0、PR1//PR2、PR3、PR4,设按键的编码已在B寄存器中,编出程序。
AJMPPR0的机器码为2110H,PR1入口地址为0220HAJMPPR1的机器码为4120H,转移指令表JPT的内容如下所示。
设B=65H,键值为2:
ORG0000H
MOVDPTR,#TAB;置键码表首址
MOVA,#0;表的起始位的偏移量为0
NEXT:
PUSHACC
MOVCA,@A+DPTR;A=键码表的编码
CJNEA,B,AGAN;将B中值和键码表的值比较
POPACC
RLA;如相等,序号乘2得分支表内偏移量
MOVDPTR,#JPT;置分支表首址
JMP@A+DPTR
AGAN:
POPACC;不相等比较下一个
INCA;序号加1
CJNEA,#5,NEXT
SJMP$;键码查完还没有B中按键编码程序结束
JPT:
AJMPPR0;分支转移表
AJMPPR1
AJMPPR2
AJMPPR3
AJMPPR4
TAB:
DB3AH,47H,65H,70H,8BH;键码表
END
例3-9设计一个延时10ms的延时子程序,已知单片机使用的晶振为6MHz。
分析:
延时时间与两个因素有关:
晶振频率和循环次数。
由于晶振采用6MHz,一个机器周期是2μs,用单循环可以实现1ms延时,外循环10次即可达10ms延时。
内循环如何实现1ms延时呢,程序中可先以未知数MT代替,从附录A查每条指令机器周期计算程序的执行时间。
ORG0020H
MOVR0,#0AH;外循环10次
DL2:
MOVR1,#MT;内循环MT次
DL1:
NOP
NOP;空操作指令
DJNZR1,DL1
DJNZR0,DL2
RET
例3-10编写多字节数×10程序。
内部RAM以20H为首址的一片单元中存放着一个多字节符号数,字节数存放在R7中,存放方式为低位字节在低地址,高位字节在高地址,要求乘10后的积仍存放在这一片单元中。
分析用R1作该多字节的
地址指针,部分积的低位仍
存放于本单元,部分积的高
位存放于R2,以便和下一
位的部分积的低位相加。
以R7作字节数计数。
编程如下:
ORG0000H
CLRC;清进位位C
MOVR1,#20H;R1指示地址
MOVR2,#00H;存积的高八位寄存器R2清0
S10:
MOVA,@R1;取一字节送A
MOVB,#0AH;10送B
PUSHPSW
MULAB;字节乘10
POPPSW
ADDCA,R2;上次积高八位加本次积低八位
MOV@R1,A;送原存储单元
MOVR2,B;积的高八位送R2
INCR1;指向下一字节
DJNZR7,S10;未乘完去SH10,否则向下执行
MOV@R1,B;存最高字节积的高位
SJMP$
例如1223650989比较大小
MCS-51单片机有着优异的位逻辑功能,可以方便的实现各种复杂的逻辑运算.这种用软件替代硬件的方法,可以大大简化甚至完全不用硬件,但比硬件要多花运算时间。
例3-17编写一程序,以实现图3-4中的逻辑运算电路.
程序如下:
START:
MOVC,P2.2
ORLC,TF0
ANLC,P1.1
MOVF0,C
MOVC,IE1
ORLC,/25H
ANLC,F0
ANLC,/26H
MOVP1.3,C
SJMP$
例3-18设累加器A的各位ACC.0~ACC.7分别记为X0~X7,编制程序用软件实现下式:
Y=X0X1X2+X0X1X2+X0X1X2X3+X4X5X6X7
X0BITACC.0
X1BITACC.1
X2BITACC.2
X3BITACC.3
X4BITACC.4
X5BITACC.5
X6BITACC.6
X7BITACC.7
ORG0000H
MOVC,X0
ANLC,X1
ANLC,X2
MOV00H,C;X0X1X2
MOVC,X0
ANLC,/X1
MOV01H,C;X0X1
ANLC,/X2
ORLC,00H
MOV00H,C
MOVC,X2
ANLC,01H
ANLC,X3;X0X1X2X3
ORLC,/00H
MOV00H,C
MOVC,X7
ANLC,/X6
ANLC,/X5
ANLC,/X4;X4X5X6X7
ORLC,00H;最终结果
Y→C
SJMP$
子程序是构成单片机应用程序必不可少的部分,通过ACALL和LCALL两条子程序调用指令,可以十分方便地用来调用任何地址处的子程序。
子程序节省占用的存储单元,使程序简短、清晰,善于灵活的使用子程序,是程序设计的重要技巧之一。
子程序必须以RET指令结尾.
在调用子程序时,有以下几点应注意:
1)保护现场。
如果在调用前主程序已经使用了某些存储单元或寄存器,在调用时,这些寄存器和存储单元又有其他用途,就应先把这些单元或寄存器中的内容压入堆栈保护,调用完后再从堆栈中弹出以便加以恢复。
如果有较多的寄存器要保护,应使主、子程序使用不同的寄存器组。
2)设置入口参数和出口参数。
用之前主