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单片机原理

所谓单片机就是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上 ,但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把 一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲:一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、 应用和开发提供了便利条件。同时,学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

随着大规模集成电路的出现及其发展,将计算机的CPU 、RAM 、 ROM 、定时/数器和多种I/O接口集成在一片芯片上,形成芯片级的计算机,因此单片机早期的含义称为单片微型计算机,直译为单片机 。

一、单片机的特点 :

1 、具有优异的性能价格比

2 、集成度高、体积小、可靠性高

3 、控制功能强

4 、低电压、低功耗

二、单片机的应用 :

1 、在智能仪器仪表中的应用:在各类仪器仪表中引入单片机,使仪器仪表智能化,提高测试的自动化程度和精度,简化仪器仪表的硬件结构,提高其性能价格比。

2 、在机电一体化中的应用:机电一体化产品是指集机械、微电子技术、计算机技术于一本,具有智能化特征的电子产品。

3 、在实时过程控制中的应用:用单片机实时进行数据处理和控制,使系统保持最佳工作状态,提高系统的工作效率和产品的质量。

4 、在人类生活中的应用:目前国外各种家用电器已普通采用单片机代替传统的控制电路。

5 、在其它方面的应用:单片机除以上各方面的应用,它还广泛应用于办公自动化领域、商业领域、汽车及通信、计算机外部设备、模糊控制等各领域中。

三、单片机的基本组成 :

它由 CPU 、存储器(包括 RAM 和 ROM )、 I/O 接口、定时 / 计数器、中断控制功能等均集成在一块芯片上,片内各功能通过内部总线相互连接起来。

输入 / 输出引脚 P0 、 P1 、 P2 、 P3 的功能 :P0.0~P0 。 7 : P0 口是一个 8 位漏极开路型双向 I/O 端口。在访问片外存储器时,它分时作低 8 位地址和 8 位双向数据总线用。在EPROM 编程时,由 P0 输入指令字节,而在验证程序时,则输出指令字节。验证程序时,要求外接上拉电阻。 P0 能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL 负载。

P1. 0 ~P1. 7 ( 1~8 脚): P1 是一上带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。在 EPROM 编程和验证程序时,由它输入低 8 位地址。 P1 能驱动 4 个 LSTTL 负载。

在 8032/8052 中, P1. 0 还相当于专用功能端 T2 ,即定时器的计数触发输入端; P1. 1 还相当于专用功能端T2EX ,即定时器 T2 的外部控制端。P2.0~P2.7 ( 21~28 脚): P2 也是一上带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。在访问外部存储器时,由它输出高 8 位地址。在对 EPROM 编程和程序验证时,由它输入高 8 位地址。 P2 可以驱动 4 个 LSTTL 负载。P3. 0 ~P3. 7 ( 10~17 脚): P3 也是一上带内部上拉电阻的双向 I/O 口。在 MCS-51 中,这 8 个引脚还用于专门的第二功能。 P3 能驱动 4 个 LSTTL 负载。

P3. 0 RXD (串行口输入)

P3. 1 TXD (串行口输出)

P3. 2 INT0 (外部中断 0 输入)

P3. 3 INT1 (外部中断 1 输入)

P3. 4 T0 (定时器 0 的外部输入)

P3. 5 T1 (定时器 1 的外部输入)

P3. 6 WR (片外数据存储器写选通)

P3. 7 RD (片外数据存储器读选通)

四、单片机的MCS-51 的寻址方式:

1 、立即寻址 如: MOV A , #40H

2 、直接寻址 如: MOV A , 3AH

3 、寄存器寻址 如: MOV A , Rn

4 、寄存器间接寻址 如: MOV A , @Rn

5 、基址加变址寻址 如: MOVC A , @A+DPTR

6 、相对寻址 如: SJMP 08H

7 、位寻址 MOV 20H , C

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五、单片机的指令:

MOV : 片内 RAM 传送

MOVX : 片外 RAM 传送

MOVC : ROM 传送

XCH : 交换(和 A 交换)

SWAP : A 内半字节交换

ADD :不带进位加

ADDC :带进位加

SUBB :带进位减

INC :加 1

DEC :减 1

MUL :乘法

DIV :除法

DAA :调整

六、单片机的计数初值的计算

定时或计数方式下计数初值如何确定,定时器选择不同的工作方式,不同的操作模式其计数值均不相同。若设最大计数值为 M ,各操作模式下的 M 值为:

模式 0 : M=2 13 =8192

模式 1 : M=2 16 =65536

模式 2 : M=2 8 =256

模式 3 : M=256 ,定时器 T0 分成 2 个独立的 8 位计数器,所以 TH0 、 TL0 的 M 均为 256 。

因为 MCS-51 的两个定时器均为加 1 计数器,当初到最大值( 00H 或 0000H )时产生溢出,将 TF 位置 1 ,可发出溢出中断,因此计数器初值 X 的计算式为: X=M- 计数值式中的 M 由操作模式确定,不同的操作模式计数器的长不相同,故M值也不相同。而式中的计数值与定时器的工作方式有关。

1 、单片机的计数工作方式时

计数工作方式时,计数脉冲由外部引入,是对外部冲进行计数,因此计数值根据要求确定。其计数初值: X=M- 计数值

例如:某工序要求对外部脉冲信号计 100 次, X=M-100

2 、单片机的定时工作方式时

定时工作方式时,因为计数脉冲由内部供给,是对机器周期进行计数,故计数脉冲频率为 f cont =f osc × 1/12 、计数周期 T=1/f cont =12/f osc 定时工作方式的计数初值 X 等于:

X=M- 计数值 =M-t/T=M- ( f osc × t ) /12

式中: f osc 为振荡器的振荡频率, t 为要求定时的时间。

定时器有两种工作方式 :即定时和计数工作方式。由 TMOD 的 D6 位和 D2 位选择,其中 D6 位选择 T1 的工作方式, D2 位选择 T0 的工作方式。 =0 工作在定时方式, =1 工作在计数方式。并有四种操作模式:

1 、模式 0 : 13 位计数器, TLi 只用低 5 位。

2 、模式 1 : 16 位计数器。

3 、模式 2 : 8 位自动重装计数器, THi 的值在计数中不变, TLi 溢出时, THi 中的值自动装入 TLi 中。

4 、模式 3 : T0 分成 2 个独立的 8 位计数器, T1 停止计数。

MCS-51 有 5 个中断源,可分为 2 个中断优先级,即高优先级和低优先级,中断自然优先级:

外部中断 0 ;定时器 0 中断; 外部中断 1 ;定时器 1 中断 ;

串行口中断 ;定时器 2 中断

( 1 )同级或高优先级的中断正在进行中;

( 2 )现在的机器周期还不是执行指令的最后一上机器周期,即正在执行的指令还没完成前不响应任何中断;

( 3 )正在执行的是中断返回指令 RET1 或是访问专用寄存器 IE 或 IP 的指令,换而言之,在 RETI 或者读写 IE 或 IP 之后,不会马上响应中断请求,至少要在执行其它一要指令之扣才会响应。

(一)单片机的中断响应条件

CPU 响应中断的条件有:

( 1 )有中断源发出中断请求;

( 2 )中断总允许位 EA=1 ,即 CPU 开中断;

( 3 )申请中断的中断源的中断允许位为 1 ,即没有被屏蔽。

七、单片机的串行口工作方式及帧格式

MCS-51 单片机串行口可以通过软件设置四种工作方式:

方式 0 :这种工作方式比较特殊,与常见的微型计算机的串行口不同,它又叫同步移位寄存器输出方式。在这种方式下,数据从 RXD 端串行输出或输入,同步信号从 TXD 端输出,波特率固定不变,为振荡率的 1/12 。该方式是以 8 位数据为一帧,没有起始位和停止位,先发送或接收最低位。

方式 2 :采用这种方式可接收或发送 11 位数据,以 11 位为一帧,比方式 1 增加了一个数据位,其余相同。第 9 个数据即 D8 位具有特别的用途,可以通过软件搂控制它,再加特殊功能寄存器 SCON 中的 SM2 位的配合,可使 MCS-51 单片机串行口适用于多机通信。方式 2 的波特率固定,只有两种选择,为振荡率的 1/64 或 1/32 ,可由 PCON 的最高位选择。

方式 3 :方式 3 与方式 2 完全类似,唯一的区别是方式 3 的小组特率是可变的。而帧格式与方式 2- 样为 11 位一帧。所以方式 3 也适合于多机通信。


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