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物联网控制技术期末复习 知识点总结 第二章 单片机

news 来源：原创 2025/6/6 17:16:04

单片机

将组成微型计算的各个功能部件：中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM、EPROM）、定时/计数器、串行口、I/O接口电路等集成在一块集成电路芯片中，从而构成完整的微型计算机。故称为单晶片微型计算机，简称单片机，也称为微控制器（Micro Controller Unit, MCU）。
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51单片机的体系结构

51单片机与微机系统的区别与联系

内部结构

MCS-51单片机的内部结构组成： CPU(进行运算、控制)、RAM(数据存储器)、ROM(程序存储器）、I/O口(串口、并口）、内部总线和中断系统等。组成框图、内部结构如下：
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CPU的组成

组成：运算器、控制器
（1）运算器：完成算数运算和逻辑运算
（8位算数逻辑运算单元ALU、8位累加器A、8位寄存器B、程序状态字寄存器PSW、8位暂存寄存器TMP1和TMP2）
（2）控制器：取指令、译码、执行信号
（程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、堆栈指针SP、数据指针DPTR、定时控制逻辑、振荡器OSC）

存储器的组成

片内数据存储器、片内程序存储器、片外数据存储器、片外程序存储器。

存储器的访问

片内数据存储器RAM：MOV
片内/片外程序存储器TOM：MOVC
片外程序存储器RAM：MOVX
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存储空间的分布

三个逻辑空间：
（1）片内外同一寻址的64KB程序存储器空间，地址范围为0000H~FFFFH。
（2）64KB的片外数据存储器空间，地址范围也为0000H~FFFFH。
（3）256B的片内数据存储器空间，地址范围为00H~FFH。
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特殊功能寄存器（SFR）

理解程序计数器PC、累加器、工作寄存器、程序状态字PSW、数据指针DPTR、堆栈指针SP、I/O专用寄存器P0~P3。

程序计数器PC

程序计数器PC在物理上是独立的，它不属于SFR存储器块。PC是一个16位的计数器，专门用于存放CPU将要执行的指令地址（即下一条指令的地址），寻址范围为64KB，PC有自动加1功能，不可寻址，用户无法对它进行读写，但是可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以控制程序执行的顺序。

累加器A

累加器A是8位寄存器，又记做ACC，是一个最常用的专用寄存器。在算术/逻辑运算中用于存放操作数或结果。

工作寄存器R0~R7

内部RAM的工作寄存器区00H～1FH共32个字节被均匀地分成四个组（区），每个组（区）有8个寄存器，分别用R0～R7表示，称为工作寄存器或通用寄存器，其中，R0、R1还经常用于间接寻址的地址指针。在程序中通过程序状态字寄存器（PSW）第3、4位设置工作寄存器区。

程序状态字PSW

程序状态字PSW是8位寄存器，用于存放程序运行的状态信息，PSW中各位状态通常是在指令执行的过程中自动形成的，但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变。

数据指针DPTR

数据指针DPTR是16位的专用寄存器，即可作为16位寄存器使用，也可作为两个独立的8位寄存器DPH（高8位）、DPL （低8位）使用。DPTR主要用作16位间址寄存器，访问程序存储器和片外数据寄存器。

堆栈指针SP

堆栈指针SP是一个8位寄存器，用于指示堆栈的栈顶，它决定了堆栈在内部RAM中的物理位置。

I/O专用寄存器P0~P3

片内有4个8位并行I/O接口P0, P1, P2和P3，在SFR中相应有4个I/O口寄存器P0, P1, P2和P3。

端口线P0~P3的特点

P0口

8位双向三态I/O口，可作为外部扩展时的数据总线/低8位地址总线的分时复用口。又可作为通用I/O口，每个引脚可驱动8个TTL负载。

P1口

8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可作为通用I/O口。每个引脚可驱动4个TTL负载。

P2口

8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可作为外部扩展时的高8位地址总线。又可作为通用I/O口，每个引脚可驱动4个TTL负载。

P3口

8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻。它是双功能复用口，作为通用I/O口时，功能与P1口相同，常用第二功能。每个引脚可驱动4个TTL负载。作为第二功能使用时，各位的作用如下表所示。
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控制线ALE、EA

ALE

地址锁存允许/编程引脚。当访问外部程序存储器时，ALE的输出用于锁存地址的低位字节，以便P0口实现地址/数据复用。当不访问外部程序存储器时，ALE端将输出一个1/6时钟频率的正脉冲信号。

知识延伸解释
复用：
“复用” 是指 同一个物理引脚（P0口的引脚）在不同的时间段被用来传输不同类型的信息——地址信息和数据信息。
复用技术的精髓——时间分割
同一组引脚，不同时间干不同的事：在总线周期的前半部分（通常是地址建立阶段）： P0口被用作低8位地址总线（A0-A7）。在总线周期的后半部分（数据读写阶段）： P0口被用作8位双向数据总线（D0-D7）。

ALE使能：
当单片机输出地址时，它会同时产生一个ALE（地址锁存使能） 信号（通常是一个高电平脉冲）。
ALE有效时： 地址锁存器是透明的，P0口上的地址信息直接通过锁存器送到地址总线的低8位（A0-A7）。
当ALE信号由高变低（下降沿）时： 地址锁存器将此刻出现在其输入端的地址信息（即P0口上的值）锁存并保持在它的输出端（A0-A7），即使P0口上的电平之后发生了变化。
ALE无效后： P0口就可以释放出来，用于传输数据（D0-D7）。此时地址锁存器的输出保持不变，继续为外部存储器提供稳定的低8位地址。

总结：
P0口的“地址/数据复用”就是指P0口的引脚在CPU访问外部存储器的过程中，先当地址线用，锁存住地址后，再当数据线用。 利用时间分割和外部地址锁存器（由ALE信号控制）来分离地址信息和数据信息。

EA

允许访问片外程序存储器/编程电源引脚。对于片内无程序存储器的MCS-51单片机（如8031），EA 必须接地。片内有程序存储器的MCS-51单片机（如8051）,EA必须接高电平。

51单片机的时序

时序：CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序称为时序。
时序是用定时单位来描述的，MCS-51的时序单位有四个，分别是时钟周期（节拍）、状态、机器周期和指令周期。

MCS-51的时序单位

（1）时钟周期

又称为振荡周期、节拍（用P表示），定义为单片机提供时钟信号的振荡源（OSC）的周期。它是时序中的最小单位。

（2）状态S

单片机振荡脉冲经过二分频后即得到整个单片机工作系统的状态。一个状态有两个节拍，前半周期对应的节拍定义为P1，后半周期对应的节拍定义为P2。

（3）机器周期

通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。
MCS-51中规定一个机器周期包含12个时钟周期，即有6个状态，分别表示为S1～S6。
若晶振为6MHz，则机器周期为2μs，若晶振为12MHz，则机器周期为1μs。

知识延伸与解释：晶振
机器周期（Machine Cycle） 是单片机执行一个基本操作（如取指令、读存储器等）所需的时间单位。在8051中，1个机器周期 = 12个时钟周期（Clock Cycle）。
时钟周期（Clock Cycle） 是单片机最小的时间单位，由 晶振频率（Crystal Frequency） 直接决定：时钟周期 = 1/fosc，其中fosc是晶振频率（单位：Hz）。

​

（4）指令周期

执行一条指令所需要的时间称为指令周期。它是时序中的最大单位。一个指令周期通常含有1～4个机器周期。
指令所包含的机器周期数决定了指令的运算速度，机器周期数越少的指令，其执行速度越快。
以机器周期为单位，指令可分为单周期、双周期和四周期指令。

指令的取指/执行时序

ALE信号是用于锁存低8位地址的选通信号，每出现一次该信号，单片机即进行一次读指令操作。当指令为多字节或多周期指令时，只有第一个ALE信号进行读指令操作，其余的ALE信号为无效操作（或读操作数操作）。
单周期和双周期指令的取指时序图如下：
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访问片外ROM/RAM指令的时序

（1）片外ROM读时序

从外部程序存储器读取指令，必须有两个信号进行控制：ALE信号和PESN信号（外部ROM读选通脉冲）。
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（2）片外RAM读时序

第一个机器周期是取指周期，是从ROM中读取指令数据，第二个机器周期才开始读取外部数据存储器RAM中的内容。有三个信号进行控制：ALE信号、PSEN 信号（外部ROM读选通脉冲）和RD信号（外部RAM读选通脉冲）。
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MCS-51单片机的片上接口及其应用

定时/计数器

工作原理

定时器
计数输入信号来自内部振荡信号，在每个机器周期内定时器的计数器做一次“+1”运算。因此定时器亦可视为计算机机器周期的计数器。
计数器
计数输入信号来自外部引脚T0（P3.4）、T1（P3.5）上的计数脉冲，外部每输入一个脉冲，计数器做一次“+1”运算。
当加到计数器为全1时，再输入一个脉冲就使计数器回零，且计数器的溢出使TCON中TF0或TF1置1，向CPU发出中断请求（定时/计数器中断允许时）。如果定时/计数器工作于定时模式，则表示定时时间已到；如果工作于计数模式，则表示计数值已满。

控制方式

方式控制寄存器TMOD

TMOD用于设置定时/计数器的工作方式，是一可编程的特殊功能寄存器，字节地址为89H，不可位寻址。其中低4位控制T0，高4位控制T1。
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GATE：门控位。GATE＝0时，软件使TCON中的TR0或TR1为1，就可以启动定时/计数器工作；GATA＝1时，要用软件使TR0或TR1为1，同时外部中断引脚为高电平，才能启动定时/计数器工作。
C/T：定时/计数模式选择位。0为定时模式；1为计数模式。
M1和M0：工作方式选择位。
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定时器/计数器控制寄存器TCON

8位特殊功能寄存器，字节地址为88H，可以位寻址，位寻址为88H～8FH，用来存放控制字。
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初始化编程

  1. 确定工作方式——对方式寄存器TMOD赋值。
  2. 预置定时或计数初值，直接将初值写入TL0、TH0或TL1、TH1中。
  3. 根据需要对中断允许寄存器有关位赋值，以开放或禁止定时器/计数器中断。
  4. 启动定时器/计数器，使TCON中的TR1或TR0置“1”，计数器即按确定的工作方式和初值开始计数或定时。

举例说明：
设置定时器0工作方式1，晶振频率为12MHz，定时器50ms中断一次。
则程序开始处对定时器及中断寄存器的初始化设置如下：

TMOD=0x01;  //设置定时器工作方式
TH0=(65535-50000)/256;  //装初值
TL0=(65535-50000)%256;
EA=1;  //打开总中断
ET0=1;  //打开定时器0中断
TR0=1;  //启动定时器0

初值计算

设计数器最大计数值为M，选择不同的工作方式，最大计数值M不同。
方式0：M＝213＝8192
方式1：M＝216＝65536
方式2、3：M＝28＝256
置入计数初值X可计算如下：
① 计数方式时：
X＝M－计数值（X即为计数值的补码）
例如：要计100个数，则计数初值X=M－100
② 定时方式时：
（M－X）×T＝定时值
故，X＝M－定时值/T
其中T为计数周期，是单片机时钟的12分频，即单片机机器周期。当晶振为6MHz时，T＝2μs，当晶振为12MHz时，T＝1μs。

51单片机的中断系统

中断

当CPU正在处理某事件的时候，外部发生的某一事件请求CPU迅速去处理，于是CPU暂时中止当前的工作，转去处理所发生的事件。中断服务处理完该事件后，再返回到原来被中止的地方继续原来的工作，这样的过程称为中断。
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中断过程

中断响应（入口地址）、中断处理（保存现场、寄存器工作区切换、中断撤销）、中断返回

中断源

（MCS-51：外2，内2，串1，外2可拓展）
INT0：来自P3.2引脚上的外部中断请求
INT1：来自P3.3引脚上的外部中断请求
T0：片内定时器/计数器0溢出中断请求
T1：片内定时器/计数器1溢出中断请求
串行口：完成一帧发送（TI）或接收（RI）中断请求

中断涉及控制寄存器

中断允许控制器

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EA：总中断允许控制位。0：屏蔽所有中断；1：打开所有中断。

中断优先级寄存器IP

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PX0：外部中断0的中断优先级控制位。
PT0：定时/计数器T0中断优先级控制位。
PX1：外部中断1的中断优先级控制位。
PT1：定时/计数器T1中断优先级控制位。
PS：串行口中断优先级控制位。

中断标志优先顺序

中断源中断标志优先顺序
外部中断0高
定时/计数器0↓
外部中断1↓
定时/计数器1↓
串行口低

中断编程应用

汇编语言中断编程

  1. 中断入口地址设定
  2. 中断允许、优先级设定
  3. 中断服务程序
    - 保护现场
    - 切换工作寄存器区
    - 执行中断工作
    - RETI
ORG 0000H                ;主程序
LJMP START
ORG 0003H
LJMP INT0INORG 0040H
START:SETB EASETB EX0     ;下降沿触发，EX0允许INT0中断...ORG 0100H
INT0IN:                       ;四个区                     R0~R7区1：00H~07HPUSH PSW   ; 区2或区3都可以     R0~R7区2：08H~0FHSETB RS0; --设置工作寄存器区3  R0~R7区3：10H~17HSETB RS1; --11第3区                    R0~R7区4：18H~1FH...POP PSWRETI              ;保存中断返回地址

C51中断编程

  1. 主程序（允许中断、中断优先级）
  2. 中断函数（interrupt、保护现场）
中断函数

中断函数使用interrupt m进行修饰。当函数定义时用了interrupt m修饰符，系统编译时把对应函数转化为中断函数，自动加上程序头段和尾段，并按MCS-51系统中断的处理方式自动把它安排在程序存储器中的相应位置。
在该修饰符中，m的取值为0~31，对应的中断情况如下：
0——外部中断0
1——定时/计数器T0
2——外部中断1
3——定时/计数器T1
4——串行口中断
5——定时/计数器T2
其它值预留。

编写MCS-51中断函数的注意事项：
1. 中断函数不能进行参数传递
2. 中断函数没有返回值
3. 不能直接调用中断函数
4. 中断函数中调用的其他函数所使用的寄存器必须与中断函数相同
5. 中断函数最好写在文件的尾部

实例：
编写一个用于统计外中断0的中断次数的中断服务程序。

extern int x;
void int0() interrupt 0 using 1
{x++;
}

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