单片机 | 51单片机原理

【金善愚】 单片机应用原理篇 笔记整理
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一、引脚分布介绍

1.分类

三类

• 电源及晶振引脚(共4只)
• 控制引脚(共4只）
• 端口引脚(共32只)

2.电源引脚

• Vcc(40脚):电源端，接+5V电源。
• Vss(20脚):接地端。

3.时钟引脚(2根)

• XTAL1(19脚)：接外部晶振和微调电容的一端。
• XTAL2(18脚)：接外部晶振和微调电容的另一端。

4.控制引脚(4根)

• RST/Vpp(9脚)：复位信号/备用电源输入引脚。
  ○ 当RST引脚保持两个机器周期的高电平后，就可以使80C51完成复位操作。
  ○ 该引脚的第二功能是VBp，即备用电源的输入端，具有掉电保护功能。
  ○ 若在该引脚接+5V备用电源，在使用中若主电源VCC掉电，可保护片内RAM中的信息不丢失。 ○

• ALE(30脚)：地址锁存允许信号输出。
  ○ 当CPU访问片外存储器时，ALE输出信号控制锁存PO口输出的低8位地址，从而实现PO口数据与低位地址的分时复用。
  ○ 当80C51上电正常工作后，自动在ALE端输出频率为fosc/6的脉冲序列(fosc代表振荡器的频率)。

• EA(31脚)：外部程序存储器地址允许输入端。
  ○ 当EA接高电平时，CPU执行片内ROM指令，但当PC值超过OFFFH时，将自动转去执行片外ROM指令;
  ○ 当EA接低电平时，CPU只执行片外ROM指令。对于80C31，由于其无片内ROM，故其EA必须接低电平。

• PSEN(29脚)：片外ROM读选通信号端。

5.端口引脚(32根)

• P0.0 ~ P0.7 (39 ~ 32脚) —— P0口
• P1.0 ~ P1.7 ( 1 ~ 8脚) —— P1口
• P2.0 ~ P2.7 (21 ~ 28脚) —— P2口
• P3.0 ~ P3.7 (10 ~ 17脚) —— P3口

1、P0口既可以作为普通I/O口，又可以作为外部扩展时的数据总线和地址总线的低8位，分时复用；作为普通I/O口时，外部要接上拉电阻。
2、P1口可以作为普通I/O口使用，内部带上拉电阻
3、P2口可以作为普通I/O口使用，又可作为外部扩展时地址总线的高8位，作为普通I/O时，内部带上拉电阻
4、P3口可以作为普通I/O口使用，又具有第二功能，作为普通I/O时，内部带上拉电阻

二、存储器结构及空间分布介绍

1.存储器的划分方法

冯诺依曼结构 与 哈佛结构

(51单片机是改进的哈佛结构，分时复用，但是物理存储空间分开，总线统一。)

2.程序存储器（ROM）

1. 作用:存放程序、表格或常数，具有非易失性
2. 特点:片内ROM与片外ROM可有2种组合方案

方案1：4KB以内的地址在片内ROM,大于4KB的地址在片外ROM中(图中折线)，两者共同构成64KB空间;
方案2：片内ROM被禁用，全部64KB地址都在片外ROM中(图中直线)。

2种组合方案由EA引脚的电平状态决定:EA=1时为方案1，EA=0时为方案2

注意：ROM有6个特殊储存器单元——用于程序引导

存器单元	存器内容
0000H	主程序入口地址
0003H	INT0中断程序入口地址
000BH	T0中断程序入口地址
0013H	INT1中断程序入口地址
001BH	T1中断程序入口地址
0023H	RI/TI中断程序入口地址

中断程序执行过程：某一突发事件 → 相应中断入口地址自动装入PC → 引导两次跳转 → 执行相应中断服务程序

主程序一般应安排在0030H地址以后（有中断需要时)

3.数据存储器（RAM）

作用:存放程序运行结果

(1) 低128字节的区域

①工作寄存器区(O0H ~1FH)
②可位寻址区(20H ~2FH)
③用户RAM区(30H ~7FH)

①区共有32个存储单元；
  每个单元都有1个8位地址(字节地址)
  每个单元都有1个寄存器名称(RO~R7)
  32个单元分为4组(第0～第3组)
  CPU只能选一组为当前工作寄存器组

当前工作寄存器组取决于PSW的设置
CPU复位后RS1和RSO默认值为0，即默认第0组为当前工作寄存器组。

②区共有16个存储单元;共有128个位地址
  每个单元都有一个字节地址每个单元都有8个不同的位地址

③区共有80个存储单元;
  每个单元都有一个字节地址，但没有位地址,也没有寄存器名
  此区可作为堆栈区和中间数据存储区使用——用户RAM区

⚠️【注意】：①区和③区只能按字节进行数据存取操作，②区则可按字节和位两种方式存取操作。

  

(2)高128字节RAM区

每个存储单元都有一个字节地址，但只有其中21个单元可以使用，并有相应寄存器名称。
其中，字节地址末位是0或8的SFR，都具有位地址。

三、复位、时钟与时序

1.复位与复位电路

1. 复位 —— 使单片机恢复原始默认状态的操作。
   复位时片内各寄存器的初始值

寄存器名称	默认复位值	寄存器名称	默认复位值
PC	0000 H	TMOD	00 H
A	00 H	TCON	00 H
PSW	00 H	TH0	00 H
B	00 H	TL0	00 H
SP	07 H	TH1	00 H
DPTR	0000 H	TL1	00 H
p0 ~ p3	FF H	SCOM	00 H
IP	xxx0 0000 B	SBUF	xxxx xxxx B
IE	0xx0 0000 B	PCOM	0xxx0 000 B

  表中X表示可以是任意值，B表示是二进制

  在上电复位(冷启动)时的SRAM的内容为随机值，而在按键复位(热启动)时SRAM的内容保持不变。

  ⚠️注意:在用keil开发的程序中, keil 软件默认会在编译过程中加入把RAM初始化为00H

2. 复位条件
   为使电路正确复位，需要使RST信号保持至少24个时钟周期(两个机器周期)的高电平。
   

2.时钟电路

单片机需要统一的时钟控制，其时钟系统可以有两种方案。

方案一：外部时钟方式

方案二：内部时钟方式

晶振常见有：6MHz、11.0592MHz、12MHz
（其中11.0592MHz 方便对应波特率，误差小）

3.单片机时序

1. 时序的概念
   ● 时序是对象(或引脚、事件、信息)间按照时间顺序组成的序列关系。
   ● 时序可以用状态方程、状态图、状态表和时序图4种方法表示,其中时序图最为常用。
   ● 时序图亦称为波形图或序列图，纵坐标表示不同对象的电平，横坐标表示时间(从左往右为时间正向轴),通常坐标轴可省略。

2. 举例：
   
   (1) 最左边是引脚的标识，表示该图反映了RS、R/W、E、D0~D7四类引脚的序列关系。
   (2) 交叉线部分表示电平的变化，如高电平和低电平。
   (3) 封闭菱形部分表示数据有效范围（偶尔使用文字 Valid Data）。
   (4) 水平方向的尺寸线表示持续时间的长度。

3. 时序关系：
   ● RS和R/W端首先变为低电平；
   ● 随后D0~D7端出现有效数据;
   ● R/W低电平tsp1之后，E端出现宽度为tpw的正脉冲；
   ● E脉冲结束并延时tHD1后，RS和R/W端恢复高电平；
   ● E脉冲结束并延时tHD2后，DO~D7端的本次数据结束;
   随后DO~D7端出现新的数据，但下次E脉冲应在tc时间后才能出现根据这些信息便可以进行相应的软件编程了。

4. 时钟的度量单位：
   时钟周期（或节拍）P、状态周期S、机器周期、指令周期
   
   ● 1个状态周期（S）= 2个节拍（P)
   ● 1个机器周期 = 6个状态（S）= 12个节拍（P）
   ● 1个指令周期约为1～4个机器周期
   
   机器周期是CPU完成一个操作的最短时间
   例如：晶振为11.0592M，则时钟周期 = 1/11059200s
   （12MHz→1us；6MHz→2us）

四、并行I/O接口

51单片机有32只I/O引脚，分属于4个端口（P0～P3）

• 可作为并行I/0输出通道（例如，数码管显示器连接通道)
• 可作为并行I/0输入通道（例如，按键/开关连接通道)
• 可作为串行通信通道（例如，双机通讯的连接通道)
• 可作为外部设备的连接通道(例如，存储器扩展通道)

由于工作任务不同，4个端口的内部结构也不同。
了解4类端口的内部结构对于正确使用这些I/O端口非常重要。
以下按照先易后难的原则进行学习，即P1→P3→P0→P2

1.P1口

1个位的内部结构

(1)输出信号
复位时，锁存器自动置1，默认以高电平输出

(2) 读引脚
读引脚置1时，读入引脚值
⚠️在读入前在内部总线先写1，保证场效应管是截止的状态，使外部引脚不受影响，以免出错。

(3) 读锁存器
P1.0 = ~ P1.0; //靠读锁存器实现的

P1口的要点:
1、P1口具有通用I/O口方式，可实现输出、读引脚（输入）和读锁存器三种功能；
2、P1口为准双向通用口，作为通用输入口时应先使P1.n→1，作为通用输出口时是无条件的。

1.P3口

1个位的内部结构

P3口的第二功能：

(1)输出信号
作为通用I/O口时，第二输出功能置1。外部引脚电平由内部总线决定。
作为第二功能时，内部总线保持为1。外部引脚电平由第二输出功能端决定。

(2) 读引脚
读引脚置1时，读入引脚值
⚠️在读入前在内部总线先写1，保证场效应管是截止的状态，使外部引脚不受影响，以免出错。

(3) 读锁存器
P1.0 = ~ P1.0; //靠读锁存器实现的

P3口的要点:
1、P3口具有通用I/O口方式，可实现输出、读引脚（输入）和读锁存器三种功能；
2、P3口为准双向通用口，作为通用输入口时应先使P3.n→1，作为通用输出口时应先使第二输出端→1；
3、P3口具有第二功能方式，可实现第二输出和第二输入两种功能。

1.P0口

控制端置1时，P0口作为 地址和数据总线（低8位）

P0口的要点:
1、P0口具有通用IO口方式，可实现输出、读引脚（输入）和读锁存器三种功能；
2、P0口为准双向通用口，作为通用输入口时应先使P0.n→1，作为通用输出口时应先使第二输出端→1 ；
3、作为通用I/O口方式时，需要外接上拉电阻；
4、P0口具有地址/数据分时复用方式，可实现地址/数据输出、数据输入两种功能；
5、地址/数据分时复用方式时无需外接上拉电阻；
6、分时复用方式的数据输入时无需程序写1操作。

1.P2口

控制端置1时，P2口作为 地址和数据总线（高8位）

P2口的要点:
1、P2口具有通用I/O口方式，可实现输出、读引脚（输入）和读锁存器三种功能；
2、P2口为准双向通用口，作为通用输入口时应先使P2.n→1，作为通用输出口时应先使控制端→1；
3、作为通用I/O口方式时，无需外接上拉电阻；
4、P2口具有地址输出方式，可实现地址输出功能。

五、中断基本概念

1.中断

中断系统是为使CPU具有对外界紧急事件的实时处理能力而设置的。

举例：用日常生活的中断现象

中断是指在突发事件到来时先中止当前正在进行的工作，转而去处理突发事件，待处理完成后，再返回到原先被中止的工作处，继续进行随后的工作。

51单片机的中断：

2.中断源

中断源数量和种类越多，MCU处理突发事件的能力就越强。

80C51单片机共有5种中断源。

外部中断（2个） —— 中断源信号由外部引脚P3.2和P3.3输入（低电平触发、下降沿触发【程序设定】）
定时器中断（2个）—— 定时的时候是对内部机器周期进行计数，不需要外部引脚；计数（频率测量）的时候，需要外部引脚P3.4和P3.5【可扩展】
串口中断（1个）—— 引脚P3.0和P3.1

• 中断事件出现后，系统将调用与该中断源相对应的中断函数进行中断处理
• 汇编语言中规定了5个特殊的ROM单元用于引导中断程序的调用，这些单元的地址称为中断向量。
• 汇编编程时，需要在此单元处放置一条指向中断程序入口地址的跳转语句，以便引导中断程序的执行。
• 对于C51语言，调用中断函数时不用中断向量，而要用到与中断源相应的中断号。
• 80C51的中断源、中断向量及中断号的对应关系如下表所示。

51单片机的中断源	中断源名称	中断向量	中断号
P3.2 引脚的电平/脉冲状态	$\overline{\text{INT0}}$	0003H	0
定时/计数器0的溢出标志位状态	T0	000BH	1
P3.3 引脚的电平/脉冲状态	$\overline{\text{INT1}}$	0013H	2
定时/计数器1的溢出标志位状态	T1	001BH	3
串口数据缓冲器的工作状态	TX/RX	0023H	4

3.中断的几个概念

• 中断源：中断管理系统能够处理的突发事件；
• 中断请求：中断源向CPU提出的处理请求；
• 中断响应过程：由中断管理系统处理突发事件的过程；
• 中断函数：针对中断源和中断请求提供的服务函数；
• 中断嵌套：在中断服务过程中执行更高级别的中断服务。

4.中断实现的功能

1. 分时操作
   CPU可以使多个外设同时工作，并分时为各外设提供服务，从而大大提高了CPU的利用率和输入/输出的速度。
2. 实时处理
   当计算机用于实时控制时，请求CPU提供服务是随机发生的。有了中断系统，CPU就可以立即响应并加以处理。
3. 故障处理
   当计算机运行中出现如电源断电、存储器校验出错、运算溢出等错误时，CPU可及时转去执行故障处理程序，减小或消除故障产生的影响。

六、80C51中断的系统结构

1.中断系统的结构

80C51系列单片机的中断系统有5个中断源，两个优先级，可实现二级中断服务嵌套。

中断信号分别沿5条水平路径由左向右进行传送。其中，TCON、SCON、IE、IP是相关SFR。

IT0、IT1 选1 是下降沿触发，选0是低电平触发【程序】。触发后IE0随之置1【硬件】。

2.中断请求标志

TCON的中断标志

SCON的中断标志

中断的控制

• EX0(IE.0)：外部INT0中断允许位。
• ET0(IE.1)：定时/计数器T0中断允许位
• EX1(IE.2)：外部INT1中断允许位。
• ET1(IE.3)：定时/计数器T1中断允许位
• ES (IE.4)：串行口中断允许位
• EA (IE.7)：CPU 中断允许（总允许)位

中断优先级的控制

• PX0 (IP.0)：外部中断INT0中断优先级设定位。
• PT0 (IP.1)：定时/计数器 T0中断优先级设定位。
• PX1 (IP.2)：外部中断INT1中断优先级设定位。
• PT1 (IP.3)：定时/计数器T1中断优先级设定位。
• PS (IP.4)：串行口中断优先级设定位。

3.中断的优先级（默认）

各中断源响应优先级 及 中断服务程序入口表

中断优先级处理有三条原则：
1、CPU同时接收到几个中断时，首先响应优先级别最高的中断请求。
2、正在进行的中断过程不能被新的同级或低优先级的中断请求所中断。
3、正在进行的低优先级中断服务，能被高优先级中断请求所中断。

⚠️注意：单片机复位时，IP初值为0 —— 默认所有中断源均为低级中断。

举例：

• 80C51单片机的INT0、INT1引脚分别输入 压力超限 及 温度超限 中断请求信号，定时器/计数器0作为 定时检测 的实时时钟，用户规定的中断优先权排队次序为 ：
• 压力超限 → 温度超限 → 定时检测
• 要求确定IE、IP的内容，以实现上述要求
   

答案：
IE：1xx0 0111 （87H）
IP：xxx0 0101 （05H）

七、定时/计数器的结构及原理

定时/计数器是单片机系统一个重要的部件，其工作方式灵活、编程简单、使用方便,可用来实现定时控制、延时、频率测量、脉宽测量、信号发生、信号检测等。此外，定时/计数器还可作为串行通信中波特率信号发生器。

2.结构

C/T*位 置0 为定时功能；置1 为 计数功能；

• 定时器:对片内机器时钟(周期方波)进行计数
• 计数器:对Tx引脚输入的脉冲进行计数

2.工作原理

1. 80C51内部两个16位的定时/计数器  T0 T1
   注:单片机型号不同，内部定时器个数也不同

2. T0由两个8位的 SFR TH0 和 TL0 构成 T1由两个8位的 SFR TH1 和 TL1 构成

3. 具有定时或事件计数的功能，可用于：1)内部定时控制   2)外部事件计数和检测等

4. 定时/计数器的实质是：加一计数器

5. 每个定时/计数器都可以由软件设置为
   定时工作方式（C/T*）= 0
   计数工作方式（C/T*）= 1

6. T0和T1受特殊功能寄存器TMOD和TCON控制

7. 定时/计数器一旦启动（TRx=1），便可和CPU并行工作，对提高CPU工作效率和简化外围电路大有益处

3.工作方式之定时

1. 定时方式时，定时器计数脉冲由51单片机的片内振荡器经12分频后产生的。
2. 每经过一个机器周期，定时器(T0或T1)的数值加1，直至计数满产生溢出。

4.工作方式之计数

1. 计数方式时，通过引脚P3.4 (T0）或 P3.5 (T1)对外部脉冲信号进行计数。
2. 当输入脉冲信号产生由1至0的下降沿时，定时器的值加1，在每个机器周期，CPU采样引脚P3.4 (T0）和P3.5 (T1）的输入电平。若前一个机器周期采样值为高，下一个机器周期采样值为低，则计数器加1。
3. 由于检测一个1至0的跳变需要2个机器周期，故最高计数频率为振荡频率的二十四分一。
4. 虽然对输入信号的占空比无特殊要求，但为了确保某个电平在变化之前至少被采样-次，要求电平保持时间至少是一个完整的机器周期。

4.与定时/计数器相关的SFR

SFR	含义
TH (Timer High)	定时器/计数器0高字节(8Ch)
TL0 (Timer Low)	定时器/计数器0低字节(8Ah)
TH1	定时器/计数器1高字节(8Dh)
TL1	定时器/计数器1低字节(8Bh)

七、定时/计数器的工作方式

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总结

以上就是本文要讲的内容。

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