第2章

MCS-51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1MCS-51單片機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

2.2MCS-51單片機(jī)的CPU及其特點(diǎn)

2.2.1控制器

（1）程序計(jì)數(shù)器PC（ProgramCounter）（2）指令寄存器IR（InstructionRegister）（3）指令譯碼器ID（InstructionDecoder）（4）振蕩器及定時(shí)控制電路（5）堆棧指示器SP（StackPointer）2.2.2運(yùn)算器

（1）算術(shù)邏輯單元ALU（ArithmeticLogicUnit）（2）累加器ACC（Accumulator）（3）寄存器B（4）程序狀態(tài)寄存器PSWD7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OVF1P寄存器工作區(qū)2.3MCS-51單片機(jī)的封裝

與引腳功能

2.4MCS-51單片機(jī)的存儲(chǔ)空間

2.5MCS-51單片機(jī)輔助電路及CPU時(shí)序

（2）CPU時(shí)序振蕩周期（fSOC）：是指為單片機(jī)提供定時(shí)信號(hào)振蕩源的信號(hào)周期。當(dāng)使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，為外接石英晶體振蕩器（晶振）的固有周期；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，為外部時(shí)鐘周期。由于常見的單片機(jī)系統(tǒng)都是使用內(nèi)部時(shí)鐘，因此有時(shí)也把晶振固有周期當(dāng)作振蕩周期，把振蕩周期稱為晶振周期，對(duì)應(yīng)的頻率稱為晶振頻率。時(shí)鐘周期：也稱為狀態(tài)周期或S周期，是振蕩周期的兩倍。機(jī)器周期：是單片機(jī)的基本操作周期，由6個(gè)時(shí)鐘周期組成。即機(jī)器周期為時(shí)鐘周期的6倍，為振蕩周期的12倍。外部設(shè)備一般都以機(jī)器周期為時(shí)間單位，對(duì)于應(yīng)用來說，必須明白機(jī)器周期和振蕩周期之間的關(guān)系。指令周期：CPU執(zhí)行一條指令所占用的時(shí)間稱為指令周期。指令周期一般以機(jī)器周期為單位，一個(gè)指令周期通常由1~4個(gè)機(jī)器周期組成。指令周期既與指令的長(zhǎng)度有關(guān)，又與指令是訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器還是內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有關(guān)。所謂指令長(zhǎng)度，就是一條指令機(jī)器碼占用的存儲(chǔ)器的單元（字節(jié)）數(shù)。2.5.2復(fù)位電路與復(fù)位狀態(tài)

2.6MCS-51單片機(jī)主要硬件資源

2.6.1并行接口

2.6.2定時(shí)/計(jì)數(shù)器

（1）定時(shí)/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)方式寄存器TMOD控制寄存器TCON方式0方式1方式2方式3（僅T0有）2.6.3串行接口

MC5—51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)功能較強(qiáng)的全雙工的異步通訊串行口。所謂全雙工就是兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間串行接收、發(fā)送數(shù)據(jù)可同時(shí)進(jìn)行；所謂異步通訊，就是收、發(fā)雙方不需要用一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)來控制同步傳送。要傳送的串行數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)幀（若干位二進(jìn)制數(shù)）形式一幀一幀地發(fā)送，通過傳輸線由接收數(shù)據(jù)設(shè)備一幀一幀地接收。串行通訊基本概念異步通訊的基本概念通訊雙方必須統(tǒng)一規(guī)定通訊字符的格式、發(fā)送字符位與附加信息位的次序以及發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)傳送速率。通常將對(duì)這些信息的約定叫作通訊規(guī)約或通訊協(xié)議，通訊雙方只有遵守相同的通訊規(guī)約，才能使通訊能夠順利進(jìn)行。在某些通用領(lǐng)域中，為了使不同的廠家開發(fā)的產(chǎn)品能夠相互通訊，國家或行業(yè)規(guī)定了專門的標(biāo)準(zhǔn)通訊規(guī)約，對(duì)于特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，可以由用戶自行規(guī)定簡(jiǎn)易的通訊規(guī)約。所謂波特率就是指串行數(shù)據(jù)傳送的速率，即單位時(shí)間內(nèi)傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)。波特率的單位為位/秒（BIT/S，一般記作bps）。實(shí)際上，要想通訊雙方的波特率完全相同是不可能的，為了保證通訊的可靠性，通訊雙方的波特率誤差應(yīng)不大于2.5%。奇偶校驗(yàn)是串行通訊中采用的一種簡(jiǎn)單的檢驗(yàn)方法，以提高傳送的正確度。所謂奇(偶)校驗(yàn)就是利用奇偶校驗(yàn)位的1，和數(shù)據(jù)中1的數(shù)目湊成奇(偶)數(shù)。二者湊成奇數(shù)的稱為奇校驗(yàn)，湊成偶數(shù)的稱為偶校驗(yàn)。通過比較發(fā)送端和接收端的數(shù)據(jù)“1”奇偶位數(shù)是否相符，可以大致判斷數(shù)據(jù)傳送過程中是否發(fā)生錯(cuò)誤，如果奇偶位數(shù)不符，則傳送過程肯定出錯(cuò)，所接收的數(shù)據(jù)無效，應(yīng)予重新傳送。起始位和停止位，發(fā)送時(shí)一般由計(jì)算機(jī)硬件電路自動(dòng)生成，接收時(shí)也由計(jì)算機(jī)硬件電路自動(dòng)處理，用戶發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)不必自行處理。在串行通訊中，通訊雙方在發(fā)送、接收中有三種工作方式：?jiǎn)喂し绞?、半雙工方式和全雙工方式。1）單工方式單工方式只允許通訊雙方的數(shù)據(jù)按一個(gè)固定方向傳送，即發(fā)送的計(jì)算機(jī)專門發(fā)送，接收的計(jì)算機(jī)專門接收。2）半雙工方式半雙工方式允許通訊的雙方分時(shí)使用同一信道進(jìn)行雙向傳輸。當(dāng)甲方發(fā)送時(shí)，乙方接收；反之，當(dāng)乙方發(fā)送時(shí)，甲方接收。在空閑時(shí)，甲、乙雙方一般都處于接收狀態(tài)以便隨時(shí)響應(yīng)對(duì)方呼叫。3）全雙工方式全雙工方式中，通訊的甲乙雙方既是發(fā)送器又是接收器，可以同時(shí)發(fā)送或接收。雙方都有獨(dú)立的發(fā)送器和接收器，兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳輸通道是分開的這三種數(shù)據(jù)傳輸方式在接收和發(fā)送控制上有差別，但發(fā)送和接收的基本工作原理是一樣的。串行口結(jié)構(gòu)串行口控制寄存器1、串行口控制寄存器SCONSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI2、電源控制寄存器PCONSMOD3、中斷控制寄存器串行口的工作方式1）方式0方式0在實(shí)際系統(tǒng)中較少用到。串行口的工作方式0為同步移位寄存器輸人輸出方式，一般與外接移位寄存器相連，用以擴(kuò)展并行I/O口，這種方式不適用于MCS-5l與其它計(jì)算機(jī)之間的串行通訊。方式0以8位數(shù)據(jù)為一幀，不設(shè)起始位和停止位，先發(fā)送或接收最低位，波特率是固定的，為fosc／12。方式0的幀格式如下：…D0D1D2D3D4D5D6D7…①方式0發(fā)送發(fā)送過程中，當(dāng)CPU執(zhí)行一條將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器SBUF的指令時(shí)，內(nèi)部電路自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)正脈沖觸發(fā)信號(hào)，串行口開始把SBUF中的8位數(shù)據(jù)以fosc／12的固定波特率從RXD引腳串行輸出，低位在先，TXD引腳輸出同步移位時(shí)鐘，發(fā)送完8位數(shù)據(jù)后置“1”中斷標(biāo)志位TI。②方式0接收方式0接收時(shí)，REN為串行口接收允許控制位，REN=0，禁止接收；REN=1，允許接收。當(dāng)向CPU串行口控制寄存器SCON寫入控制字（設(shè)置為方式0，并置“1”REN位，同時(shí)RI=0），內(nèi)部電路自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)正脈沖觸發(fā)信號(hào)，串行口開始接收數(shù)據(jù)。引腳RXD為數(shù)據(jù)輸入端，TXD為移位脈沖輸出端，接收器也以fosc／12的固定波特率采樣RXD引腳的數(shù)據(jù)信息，當(dāng)接收器接收到8位數(shù)據(jù)時(shí)置“1”中斷標(biāo)志TI。在方式0下，SCON中的TB8、RB8位沒用，發(fā)送或接收完8位數(shù)據(jù)由硬件置“1”TI或RI中斷標(biāo)志位，CPU響應(yīng)TI或RI中斷。TI或RI標(biāo)志位必須由用戶軟件清0。方式0時(shí)SM2位(多機(jī)通訊控制位)必須為0。2）方式1SM0、SMl兩位為0、1時(shí)，串行口以方式1工作。方式1真正用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的串行通訊，TXD腳和RXD腳分別用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。方式1收發(fā)一幀的數(shù)據(jù)為10位，1個(gè)起始位(0)，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位(1)，先發(fā)送或接收最低位。…起始位D0D1D2D3D4D5D6D7停止位…方式1時(shí)，串行口作為波特率可變的8位異步通訊接口。方式1的波特率由下式確定：式中的SMOD為PCON寄存器的最高位的值(0或1)。如果系統(tǒng)晶振頻率為fOSC，定時(shí)器T1工作于方式2（8位自動(dòng)重裝入方式），定時(shí)常數(shù)為N（即計(jì)滿N個(gè)機(jī)器周期數(shù)后溢出），則定時(shí)器T1溢出率由下式確定：實(shí)際應(yīng)用中，往往是給定波特率，然后根據(jù)上述兩式求出定時(shí)常數(shù)N①方式1發(fā)送串行口以方式1輸出時(shí)，數(shù)據(jù)位由TXD引腳輸出，發(fā)送一幀信息為10位，1位起始位“0”，8位數(shù)據(jù)位(低位在前)和1位停止位“1”。當(dāng)CPU將一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)寫到SBUF時(shí)，內(nèi)部電路自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)正脈沖觸發(fā)信號(hào)，就啟動(dòng)發(fā)送。②方式1接收串行口以方式1接收時(shí)，數(shù)據(jù)從RXD引腳輸入。當(dāng)CPU檢測(cè)到起始位的負(fù)跳變時(shí)，開始接收。以上關(guān)于方式1的發(fā)送和接收過程的介紹，目的在于幫助大家了解這種方式下的串行數(shù)據(jù)傳遞的原理，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，數(shù)據(jù)的檢測(cè)過程都是由硬件電路自動(dòng)完成的，用戶使用時(shí)不必進(jìn)行檢測(cè)操作。3）方式2串行口工作于方式2和方式3時(shí)，被定義為9位異步通訊接口。每幀數(shù)據(jù)均為11位，l位起始位“0”，8位數(shù)據(jù)位(先低位后高位)，一位可由用戶自行設(shè)定為“1”或“0”的第9位數(shù)據(jù)和一位停止位“1”?！鹗嘉籇0D1D2D3D4D5D6D7D8停止位…方式2的波特率由下式確定：①方式2發(fā)送發(fā)送前，先根據(jù)通訊協(xié)議由軟件設(shè)置SCON寄存器的TB8位(例如，雙機(jī)通訊時(shí)的奇偶校驗(yàn)位或多機(jī)通訊時(shí)的地址／數(shù)據(jù)的標(biāo)志位)。當(dāng)CPU執(zhí)行一條將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器SBUF的指令時(shí)，內(nèi)部電路自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)正脈沖觸發(fā)信號(hào)，即可啟動(dòng)發(fā)送過程。串行口能自動(dòng)把TB8取出，并裝入到第9位數(shù)據(jù)位的位置，再逐一發(fā)送出去。發(fā)送完畢，則把TI位置“1”。②方式2接收當(dāng)串行口的SCON寄存器的SM0、SM1兩位為1、0，且REN=l時(shí)，允許串行口以方式2接收數(shù)據(jù)。接收時(shí)，數(shù)據(jù)由RXD引腳輸入，接收11位信息。當(dāng)位檢測(cè)邏輯采樣到