【笔记】微机原理及接口技术5 -- MCS51单片机概述

MCS-51

CPU

由两个部分组成：运算器和控制器

运算器：算术逻辑单元（ALU）、位处理器、累加器 ACC 等组成；
控制器：主要有内部晶振和一些定时、控制逻辑组成

存储器

拥有三个存储器地址空间

1. 程序存储器地址空间
2. 内部数据存储器地址空间
3. 外部数据存储器地址空间

累加器 ACC：一个最常用的专用寄存器，大部分单操作数指令的操作数取自累加器，指令系统中采用 A 作为累加器的助记符

程序状态字 PSW：一个 8 位寄存器，它包含了程序状态信息

栈指针 SP：它指示出栈顶在内部 RAM 块中的位置；SP 的初值越小，堆栈深度就可以越深

数据指针 DPTR：一个 16 位专用寄存器，当对 64KB 外部数据存储空间寻址时，可作为间址寄存器使用

IO 专用寄存器：统一使用 MOV 指令操作

串行数据缓存器SBUF：用于存放欲发送或已接受的数据，由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，另一个是接受缓冲器

定时器与计数器

时序系统

XTAL1 作为芯片内部振荡电路的输入端，XTAL2 为其输出端

标准内部时钟
在 XTAL1 和 XTAL2 上面接定时原件，内部振荡电路实现自激振荡

外部时钟方式？
下图展示了 HMOS 型芯片的外部时钟连接方式

单片机复位

计算机启动，系统默认进入复位状态；
复位状态下 CPU 和其余转筒寄存器均设置默认值；

在单片机的 RESET 引脚上出现 24 个时钟振荡脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就能实现复位

下图表示内部复位的典型格式，RESET 接外部复位电路，而施密特触发器可以用来进行整形操作

简单复位电路有上电复位和手动复位两种
不管是哪一种复位电路都要保证在 RESET 引脚上提供 10ms 以上稳定的高电平

低功耗

目前存在两种低功耗模式

1. 空闲方式
2. 掉电保护方式

空闲方式中，仅 CPU 停止工作，但振荡器仍然运行，中断控制器等仍然在时钟控制下进行。

掉电保护方式中，片内振荡器停止工作，片内所有功能全部停止工作，而 RAM 等寄存器内容可维持不变

低功耗工作方式是通过 电源控制寄存器PCON 来确定的

PCON.0=1 进入空闲方式
可以使用中断、硬件复位两种方式退出空闲方式

PCON.1=1 进入掉电保护方式
只能使用硬件复位的方式退出掉电保护方式
不建议通过降低 VCC 电压使得其“不自然的”进入掉电保护状态！

定时器计数器原理

重点关注以下图形，C51 和 STM32 的定时器和计数器对应寄存器名称和布局都差不多，学会了就直接融会贯通即可

T0 由 TH0 和 TL0 构成，T1 由 TH1 和 TL1 构成
TMOD用于控制和确定各个定时器/计数器的功能和工作模式
TCON用于控制定时器/计数器 T0、T1 的启动和停止计数，同时包含定时器/计数器的状态

下图为定时器与计数器的工作原理图

• 计数脉冲有两个源：一个是片内振荡器输出经 12 分频得到；一个是外部脉冲 TX
• C/T 用于设置使用内部振荡（0）还是外部振荡（1）
• 控制信号有效时（闭合），开始计数
• 计数开始，每获得一个脉冲则让加 1 计数器给计数器加 1
• 当计数器全 1 时，发生溢出，计数器归零，置位 TCON 表示定时时间到或者计数值满

控制寄存器 TCON 可以设置以下几个主要的位

• TF1：定时器 1 溢出标志位，当定时器/计数器 1 计满溢出时，由硬件置 1
• TR1：定时器 1 运行控制位，置位时，启动定时器/计数器工作；清零时，停止工作
• TF0：定时器 0 溢出标志位
• TR0：定时器 0 运行控制位

定时器与计数器工作模式

定时器/计数器的初始化流程

1. 确定定时器的工作模式，设置 TMOD
2. 写入定时初值到 TH0、TL0 或 TH1、TL1 中；
3. 设置 IE，开放定时器中断；
4. 将 TR0 或 TR1 置位，启动定时器/计数器工作。

串行通讯

串行口基本结构

• 收发缓冲器 SBUF 可同时收发数据
• 发送缓冲器只能写入不能读出，接收缓冲器只能读出不能写入
• SBUF 的作用是设置针对接收缓存区操作还是发送缓冲器操作

串行口控制寄存器 SCON 设置串行通信接口的工作方式及收发方式
电源控制寄存器 PCON

波特率解释

• 波特率指串行口每秒发送（或接收）的位数
• 工作方式 0 中，波特率为时钟频率的 1/12，即 fosc/12
• 工作方式 2 中，波特率取决于 PCON 中的 SMOD 值

中断系统

下图展示了中断系统的程序框图
下面介绍当设置对应寄存器的值后对应含义

• IT0=1 设置 INT0 为脉冲触发，下降沿有效
• IT0=0 设置 INT0 为电平触发，低电平有效
• IE0 INT0 请求标志位
• TF0 T0 定时计数溢出标志位
• EA=1 CPU 开放所有中断
• EX0=0 禁止 INT0 中断
• ET0=0 禁止 T0 中断
• PX0 外部中断 0 优先级设定位
• PT0 定时器 T0 中断优先级设定位
• PX1 外部中断 1 优先级设定位
• PT1 定时器 T1 中断优先级设定位
• PS 串行口中断优先级设定位。

外部中断 0：对应引脚 INT0
外部中断 1：对应引脚 INT1

外部中断有两种触发方式

1. 低电平有效：即 CPU 时刻监测 INT 输入电平，若为低电平则触发中断
2. 边沿触发：连续监测 INT 两次输入电平，若前一次为高电平，后一次为低电平，则触发中断

低电平或高电平的宽度至少要保持一个机器周期，即 12 个振荡周期以上

PX PT PS 可以设置中断的优先级，设置为 0 为低优先级，设置为 1 为高优先级

中断规则

• 低优先级中断请求不能打断高优先级的中断服务
• 高优先级中断请求可以打断低优先级的中断服务
• 一个中断一旦得到响应，与它同级的中断请求不能中断它
• 如果同级的多个中断请求同时出现，则按 CPU 查询次序确定哪个中断请求被响应

单片机的中断处理流程

分为 3 个阶段，即中断响应、中断处理和中断返回

中断响应

• 中断响应条件满足，且不存在中断阻断的情况，开始触发中断响应
• 中断系统通过硬件生成长调用指令（LCALL），其把断点地址压入堆栈保护起来
• 将对应的中断入口地址装入程序计数器 PC，使程序转向该中断入口地址，执行中断服务程序

中断处理

• 从入口地址开始执行，直至遇到指令 “RETI” 为止
• 过程包括：一是保护现场；二是处理中断源的请求

中断返回

• 由专门的中断返回指令 RETI 来实现的
• RETI 把断点地址取出，送回到程序计数器 PC 中去
• 通知中断系统已完成中断处理，将清除优先级状态触发器

PS:中断请求撤销（对于某些中断，如果不及时清除就会触发下一次中断）

1. 定时器溢出中断 TF0 或 TF1 是自动清除的，不用管
2. 边沿触发 IE0 或 IE1 也是自动清除
3. 串行口中断需要手动清除