《单片机原理及应用》课程教案
第三次课 2学时 主要内容： 第二部分 单片机的原理与结构（3） 2.5 并行I/O端口 2.6 时钟电路与时序 2.7 复位操作和复位电路 重点： P0～P3端口功能及使用中应注意的问题 机器周期、时钟周期、指令周期的定义，及时钟周期、频率的计算 复位后，特殊功能寄存器的初值 难点： P0端口的功能 2.5 并行I/O端口 4个双向的8位并行I/O端口(Port) ，记作P0～P3 属于特殊功能寄存器，还可位寻址。 2.5.1 P0端口 （讲解时强调端口完成的功能） P0口某一位的电路包括： (1) 一个数据输出锁存器，用于数据位的锁存 (2) 两个三态的数据输入缓冲器。 (3) 一个多路转接开关MUX，设置多路转接开关的目的:P0口既作通用I/O口，又可作为系统的地址/数据线口。 (4) 数据输出的驱动和控制电路，由两只场效应管（FET）组成，上面的场效应管构成上拉电路。 P0口传送地址或数据时，CPU发出控制信号为高电平，打开上面的与门，使多路转接开关MUX打向上边，使内部地址/数据线与下面的场效应管处于反相接
通状态。这时的输出驱动电路由于上下两个FET处于反相，形成推拉式电路结构，大大提高负载能力。 P0口作通用的I/O口使用。这时，CPU发来的“控制”信号为低电平，上拉场效应管截止，多路转接开关MUX打向下边，与D锁存器的Q*端接通。 （1）作输出口使用 来自CPU的“写入”脉冲加在D锁存器的CP端，内部总线上的数据写入D锁存器，并向端口引脚P0.x输出。注意：由于输出电路是漏极开路（因为这时上拉场效应管截止），必须外接上拉电阻才能有高电平输出。 （2）作输入口使用 应区分“读引脚”和“读端口”（或称“读锁存器”）。“读引脚”信号把下方缓冲器打开，引脚上的状态经缓冲器读入内部总线；“读锁存器”信号打开上面的缓冲器把锁存器Q端的状态读入内部总线。 2.5.2 P1端口 字节地址90H，位地址90H～97H。P1口只作为通用的I/O口使用，在电路结构上与P0口有两点区别： （1）因为P1口只传送数据，不再需要多路转接开关MUX。 （2）由于P1口用来传送数据，因此输出电路中有上拉电阻，这样电路的输出不是三态的，所以P1口是准双向口。 因此： （1）P1口作为输出口使用时，外电路无需再接上拉电阻。 （2）P1口作为输入口使用时，应先向其锁存器先写入 “1”，使输出驱动电路的FET截止。 2.5.3 P2端口 字节地址为A0H，位地址A0H～A7H。 在实际应用中，因为P2口用于为系统提供高位地址，有一个多路转接开关MUX。但MUX的一个输入端不再是“地址/数据”，而是单一的“地址”，因为P2口只作为地址线使用。当P2口用作为高位地址线使用时，多路转接开关应接向“地址”端。正因为只作为地址线使用，口的输出用不着是三态的，所以，P2口也是一个准双向口。
P2口也可以作为通用I/O口使用，这时，多路转接开关接向锁存器Q端。 2.5.4 P3端口 P3口的字节地址为B0H，位地址为B0H～B7H。 P3口的第二功能定义，应熟记。 P3口的第二功能定义： 口引脚 第二功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 INT0* （外部中断0） P3.3 INT1* （外部中断1） P3.4 T0（定时器0外部计数输入） P3.5 T1（定时器1外部计数输入） P3.6 WR* （外部数据存储器写选通） P3.7 RD* （外部数据存储器读选通） 2.5.5 P0～P3端口功能总结 使用中应注意的问题： （1）P0～P3口都是并行I/O口，都可用于数据的输入和输出，但P0口和P2口除了可进行数据的输入/输出外，通常用来构建系统的数据总线和地址总线，所以在电路中有一个多路转接开关MUX，以便进行两种用途的转换。而P1口和P3口没有构建系统的数据总线和地址总线的功能，因此，在电路中没有多路转接开关MUX。由于P0口可作为地址/数据复用线使用，需传送系统的低8位地址和8位数据，因此MUX的一个输入端为“地址/数据”信号。而P2口仅作为高位地址线使用，不涉及数据，所以MUX的一个输入信号为“地址”。 （2）在4个口中只有P0口是一个真正的双向口，P1～P3口都是准双向口。原因:P0口作为系统的数据总线使用时，为保证数据的正确传送，需要解决芯片内外的隔离问题，即只有在数据传送时芯片内外才接通；不进行数据传送时，芯片内外应处于隔离状态。为此，要求P0口的输出缓冲器是一个三态门。 在P0口中输出三态门是由两只场效应管（FET）组成，所以是一个真正的双向口。而其它的三个口P1～P3中，上拉电阻代替P0口中的场效应管，输出缓冲器不是三态的，因此不是真正的双向口，只能称其为准双向口
（3）P3口的口线具有第二功能，为系统提供一些控制信号。因此在P3口电路增加了第二功能控制逻辑。这是P3口与其它各口的不同之处。 2.6 时钟电路与时序 时钟电路用于产生MCS-51单片机工作所必需的时钟控制信号。 2.6.1 时钟电路 时钟频率直接影响单片机的速度，电路的质量直接影响系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式。 2.6.2 机器周期、指令周期与指令时序 单片机执行的指令的各种时序均与时钟周期有关
一、时钟周期 单片机的基本时间单位。若时钟的晶体的振荡频率为fosc，则时钟周期Tosc=1/fosc。如fosc=6MHz，Tosc=166.7ns。
二、机器周期 CPU完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。执行一条指令分为几个机器周期。每个机器周期完成一个基本操作。MCS-51单片机每12个时钟周期为一个机器周期，一个机器周期又分为6个状态：S1～S6。每个状态又分为两拍：P1和P2。因此，一个机器周期中的12个时钟周期表示为：S1P
1、S1P
2、S2P
1、S2P
2、„、S6P2。
三、指令周期 执行任何一条指令时，都可分为取指令阶段和指令执行阶段 。取指令阶段，PC中地址送到程序存储器，并从中取出需要执行指令的操作码和操作数。指令执行阶段，对指令操作码进行译码，以产生一系列控制信号完成指令的执行。 ALE信号是为地址锁存而定义的，以时钟脉冲1/6的频率出现，在一个机器周期中，ALE信号两次有效（但要注意，在执行访问外部数据存储器的指令MOVX时，将会丢失一个ALE脉冲） 2.7 复位操作和复位电路 2.7.1 复位操作 单片机的初始化操作，摆脱死锁状态。
引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可使MCS-51复位。复位时，PC初始化为0000H，使MCS-51单片机从0000H单元开始执行程序。除PC之外，复位操作还对其它一些寄存器有影响，见表2-6(P34)。 SP=07H ，P0-P3的引脚均为高电平。 在复位有效期间，ALE脚和PSEN*脚均为高电平，内部RAM的状态不受复位的影响。 2.7.2 复位电路 片内复位结构：
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。 最简单的上电自动复位电路:
按键手动复位，有电平方式和脉冲方式两种。 电平方式：
脉冲方式：
两种实用的兼有上电复位与按钮复位的电路。
图2-19中（b）的电路能输出高、低两种电平的复位控制信号，以适应外围I/O接口芯片所要求的不同复位电平信号。 74LS122为单稳电路，实验表明，电容C的选择约为0.1mF较好。 第四次课 2学时 主要内容： 第三部分 寻址方式，指令系统（1） 3.1 指令系统概述 3.2 指令格式 3.3 指令系统的寻址方式 3.4.1 数据传送类指令 重点：指令系统的寻址方式 数据传送类指令
难点：指令系统的寻址方式 第三部分 寻址方式，指令系统（1） 介绍MCS-51汇编语言的指令系统。 3.1 指令系统概述 MCS-51的基本指令共111条，按指令所占的字节来分： (1) 单字节指令49条； (2) 双字节指令45条； (3) 三字节指令17条。 按指令的执行时间来分： (1) 1个机器周期（12个时钟振荡周期）的指令64条； (2) 2个机器周期（24个时钟振荡周期）的指令45条； (3) 只有乘、除两条指令的执行时间为4个机器周期（48个时钟振荡周期）。12MHz晶振:机器周期为1ms。 3.2 指令格式 两部分组成，即操作码和操作数。 操作码用来规定指令进行什么操作，操作数则是指令操作的对象， 有单字节指令、双字节指令、三字节不同长度的指令，格式不同。 （1）单字节指令：指令只有一个字节，操作码和操作数同在一个字节中。 （2）双字节指令：一个字节为操作码，另一个字节是操作数。 （3）三字节指令：操作码占一个字节，操作数占二个字节。其中操作数既可能是数据，也可能是地址。 3.3 指令系统的寻址方式 寻址方式就是在指令中说明操作数所在地址的方法。共7种寻址方式。 1．寄存器寻址方式 操作数在寄存器中 MOV A，Rn ；（Rn）→A，n=0～7 表示把寄存器Rn的内容传送给累加器A 寻址范围包括： （1）4组通用工作寄存区共32个工作寄存器。 （2）部分特殊功能寄存器，例如A、B 以及数据指针寄存器DPTR等。
2．直接寻址方式 操作数直接以单元地址的形式给出： MOV A，40H 寻址范围： (1) 内部RAM的128个单元 (2) 特殊功能寄存器。除了以单元地址的形式外,还可用寄存器符号的形式给出。例如： MOV A，80H 与 MOV A，P0是等价的。直接寻址方式是访问特殊功能寄存器的唯一寻址方式 3.寄存器间接寻址方式 寄存器中存放的是操作数的地址，在寄存器的名称前面加前缀标志“@” 访问内部RAM或外部数据存储器的低256个字节时，只能采用R0或R1作为间址寄存器。例如：MOV A，@Ri ；i=0或1 其中Ri中的内容为40H，把内部RAM中40H单元的内容送到A。 寻址范围： （1）访问内部RAM低128个单元，其通用形式为@Ri （2）对片外数据存储器的64K字节的间接寻址，例如： MOVX A，@DPTR （3）片外数据存储器的低256字节 ，例如： MOVX A，@Ri （4）堆栈区，堆栈操作指令PUSH（压栈）和POP（出栈）使用堆栈指针（SP）作间址寄存器。 4．立即寻址方式 操作数在指令中直接给出，需在操作数前面加前缀标志“#”。例如： MOV A，#40H 5．基址寄存器加变址寄存器间址寻址方式 本寻址方式是以DPTR或PC作基址寄存器，以累加器A作为变址寄存器。 例如：指令 MOVC A，@A+DPTR 其中A的原有内容为05H，DPTR的内容为0400H，该指令执行的结果是把程序存储器0405H单元的内容传送给A。 说明： （1）本寻址方式是专门针对程序存储器的寻址方式，寻址范围可达到64KB。 （2）本寻址方式的指令只有3条：
MOVC A，@A+DPTR MOVC A，@A+PC JMP @A+DPTR 6．位寻址方式 MCS-51有位处理功能，可以对数据位进行操作，例如MOV C，40H 是把位40H的值送到进位位C。 寻址范围包括： （1）内部RAM中的位寻址区。位有两种表示方法，例如，40H；另一种是单元地址加上位，例如，(28H).0，指的是28H单元中的最低位。它们是等价的。 （2）特殊功能寄存器中的可寻址位 可寻址位在指令中有如下4种的表示方法： a.直接使用位地址。例如PSW.5的位地址为0D5H。 b.位名称的表示方法。例如：PSW.5是F0标志位，可使用F0表示该位。 c.单元地址加位数的表示方法。例如 :(0D0H).5。 d.特殊功能寄存器符号加位数的表示方法。例如:PSW.5。 7．相对寻址方式 在相对寻址的转移指令中，给出了地址偏移量，以“rel”表示，即把PC的当前值加上偏移量就构成了程序转移的目的地址： 目的地址=转移指令所在的地址 + 转移指令的字节数+ rel 偏移量rel是一带符号的8位二进制数补码数 。范围是：–128 ~ +127 。向地址增加方向最大可转移（127+转移指令字节）个单元地址，向地址减少方向最大可转移（128-转移指令字节）个单元地址。 3.4 MCS-51指令系统分类介绍 111条指令，按功能分类，可分为下面5大类： （1）数据传送类(28条) （2）算术操作类(24条) （3）逻辑运算类(25条) （4）控制转移类(17条) （5）位操作类(17条) 指令中符号的意义: Rn 当前寄存器区的8个工作寄存器R0～R7(n=0～7)。 Ri 当前选中的寄存器区中可作间接寻址寄存器的2 个寄存器R0、R1(i=0,1)。
Direct 直接地址，即8位的内部数据存储器单元或特殊功能寄存器的地址。 #data 包含在指令中的8位立即数。 #data16 包含在指令中的16位立即数。 rel 相对转移指令中的偏移量，为8位的带符号补 码数 DPTR 数据指针，可用作16位的地址寄存器。 bit 内部RAM或特殊功能寄存器中的直接寻址位。 C（或Cy） 进位标志位或位处理机中的累加器。 addr11 11位目的地址 addr16 16位目的地址 @ 间接寻址寄存器前缀，如@Ri，@A+DPTR (X) X中的内容。 ((X)) 由X寻址的单元中的内容。 → 箭头右边的内容被箭头左边的内容所取代。 3.4.1 数据传送类指令 使用最频繁的一类指令,通用格式： MOV ， 属“复制”性质，而不是“搬家”，数据传送类指令不影响标志位, CyOV，但不包括奇偶标志位P。 1．以累加器为目的操作数的指令 MOV A,Rn ; (Rn)→A，n=0～7 MOV A,@Ri ; ((Ri))→A,i=0,1 MOV A,direct ;（direct）→A MOV A,#data ; #data→A 例如： MOV A,R6 ;(R6)→A，寄存器寻址 MOV A,70H ;(70H)→A，直接寻址 MOV A,@R0 ;((R0))→A，间接寻址 MOV A,#78H ;78H→A，立即寻址 2.以Rn为目的操作数的指令
、Ac和
MOV Rn,A ; (A)→Rn,n=0～7 MOV Rn,direct ;（direct）→Rn,n=0～7 MOV Rn,#dat ; #data→Rn,n=0～7 功能：是把源操作数的内容送入当前一组工作寄存器区的R0～R7中的某一个寄存器。 3.以直接地址direct为目的操作数的指令 MOV direct,A ; (A)→direct MOV direct,Rn;(Rn)→direct, n=0～7 MOV direct1,direct2; MOV direct,@Ri ; ((Ri))→direct MOV direct,#data; #data→direct 功能：把源操作数送入直接地址指出的存储单元。direct指的是内部RAM或SFR的地址。 4.以寄存器间接地址为目的操作数的指令 MOV @Ri,A ;(A)→((Ri)),i=0,1 MOV @Ri,direct ; （direct）→((Ri)) MOV @Ri,#data ; #data→((Ri)) 5.16位数传送指令 MOV DPTR,#data16 ; #data16→DPTR 唯一的16位数据的传送指令 ,立即数的高8位送入DPH，立即数的低8位送入DPL。 6．堆栈操作指令 MCS-51内部RAM中可以设定一个后进先出（LIFO-Last In First Out）的区域称作堆栈.堆栈指针SP指出堆栈的栈顶位置。 (1)进栈指令 PUSH direct 先将栈指针SP加1，然后把direct中的内容送到栈指针SP指示的内部RAM单元中。 例如： 当（SP）=60H,（A）=30H,（B）=70H时，执行下列指令
PUSH ACC ; (SP)+1=61H→SP,(A)→61H PUSH B ; (SP)+1=62H→SP,(B)→62H 结果：(61H)=30H,(62H)=70H,(SP)=62H (2)出栈指令 POP direct SP指示的栈顶（内部RAM单元）内容送入direct字节单元中，栈指针SP减1. 例如: 当 (SP)=62H，(62H)=70H，(61H)=30H,执行下列指令： POP DPH ;((SP))→DPH,(SP)-1→SP POP DPL ;((SP))→DPL,(SP)-1→SP 结果：(DPTR)=7030H，(SP)=60H 7.累加器A与外部数据存储器传送指令 MOVX A,@DPTR ;((DPTR))→A,读外部RAM/IO MOVX A,@Ri ;((Ri))→A,读外部RAM/IO MOVX @DPTR,A;(A)→((DPTR)),写外部RAM/IO MOVX @Ri,A ;(A)→((Ri)),写外部RAM/IO 功能：读外部RAM存储器或I/O中的一个字节，或把A中一个字节的数据写到外部RAM存储器或I/O中。 注意：RD*或WR*信号有效。 采用DPTR间接寻址，高8位地址（DPH）由P2口输出，低8位地址（DPL）由P0口输出。采用Ri（i=0,1）间接寻址，可寻址片外256个单元的数据存储器。Ri内容由P0口输出。8位地址和数据均由P0口输出，可选用其它任何输出口线来输出高于8位的地址（一般选用P2口输出高8位的地址）。MOV后 “X”表示单片机访问的是片外RAM存储器或I/O。 8.查表指令 共两条，用于读程序存储器中的数据表格的指令，均采用基址寄存器加变址寄存器间接寻址方式。 (1) MOVC A,@A+PC
以PC作基址寄存器，A的内容作为无符号整数和PC中的内容（下一条指令的起始地址）相加后得到一个16位的地址该地址指出的程序存储单元的内容送到累加器A。 注意：PSEN*信号有效。 例如: (A)=30H,执行地址1000H处的指令 1000H: MOVC A,@A+PC 本指令占用一个字节，执行结果将程序存储器中1031H的内容送入A。 优点：不改变特殊功能寄存器及PC的状态，根据A的内容就可以取出表格中的常数。 缺点：表格只能存放在该条查表指令后面的256个单元之内，表格的大小受到限制，且表格只能被一段程序所利用。 (2) MOVC A,@A+DPTR 以DPTR作为基址寄存器，A的内容作为无符号数和DPTR的内容相加得到一个16位的地址，把由该地址指出的程序存储器单元的内容送到累加器A. 例如 (DPTR)=8100H (A)=40H 执行指令 MOVC A,@A+DPTR 本指令的执行结果只和指针DPTR及累加器A的内容有关，与该指令存放的地址及常数表格存放的地址无关，因此表格的大小和位置可以在64K程序存储器中任意安排，一个表格可以为各个程序块公用。 两条指令是在MOV的后面加C，“C”是CODE的第一个字母，即代码的意思。 9．字节交换指令 XCH A,Rn XCH A,direct XCH A,@Ri 例如： (A)=80H，(R7)=08H，(40H)=F0H (R0)=30H，(30H)=OFH 执行下列指令： XCH A,R7 ;(A)与(R7)互换
XCH A,40H ;(A)与(40H)互换 XCH A,@R0 ;(A)与((R0))互换 结果：(A)=0FH,(R7)=80H,(40H)=08H,(30H)=F0H 10．半字节交换指令 XCHD A,@Ri 累加器的低4位与内部RAM低4位交换。例如： (R0)=60H,(60H)=3EH,(A)=59H执行完
指令,则(A)=5EH,(60H)=39H。 XCHD A,@RO
