单片机

概述

基本参数

• 8位CPU
• 4KB程序存储器（ROM）
• 128B的数据存储器（RAM）
• 32条I/O口线
• 111条指令，大部分为单字节指令
• 21个专用寄存器
• 2个可编程定时/计数器
• 5个中断源，2个优先级
• 1 个全双工串行通信口
• 外部数据存储器寻址空间为64KB
• 外部程序存储器寻址空间为64KB
• 逻辑操作位寻址功能
• 多种封装形式
• 单一+5V电源供电

引脚

• 4组8位并行I/O口: P0、P1、P2、P3口, 共32位
• RST/Vp: 两个以上机器周期的高电平复位
• ALE/~PROG:
  • 访问外部数据存储器: 输出用于锁存地址的低位字节
  • 访问内部程序存储器: 输出时钟频率6分频的脉冲信号
  • 访问外部程序存储器: 会跳过一个ALE脉冲, 用于输入编程脉冲
• ~PSEN: 用于读外部程序存储器的选通信号，低电平有效
• ~EA/Vpp: 高电平时使用内部4KB程序存储器; 低电平时全部使用外部程序存储器
• XTAL1: 接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接地
• XTAL2: 接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部振荡器时，此引脚接收外部振荡器的信号

P3口第二功能

结构

寄存器组

PSW程序状态字寄存器

工作寄存器组

SP堆栈指针

module SP_reg();
    reg [7:0] SP;
    always @(posedge clk) begin
        if (!rstn) begin
            SP <= 07H;
        end
        else if (PUSH) begin
            SP <= SP + 1;				//先加后存
            RAM[SP] <= input_data;
        end
        else if (POP) begin
            output_data <= RAM[SP];
            SP <= SP - 1;
        end
    end
endmodule

存储器结构

• 全局复位0000H
• 中断入口地址3+8n(n为中断向量号)

特殊功能寄存器(SFR)地址

工作时序

并行I/O端口

P0

1.作为普通I/O口

• 输出为漏极开路电路, 需要外接上拉电阻(5k~10k)才可正常工作
• 输入需要先将写锁存器中写入'1’才可正常读入

2. 作为地址/数据总线

• 输出为推挽式输出, 提高负载能力, 无需外接上拉电阻
• 输入同普通I/O口

P1

P1口与P0区别主要在P1口用内部上拉电阻代替了P0中的T1场效应管.

• 读引脚时需要先将写锁存器中写入'1’才可正常读入

P2

P2口与P1口主要区别为P2口可作为高8位地址输出.

• 读引脚时需要**先将写锁存器中写入'1’**才可正常读入

P3

P3口与P1口主要区别为P3口需要配置处于第一还是第二功能 的运行状态下, 其它与P1口一样

中断系统

中断相关寄存器

TCON寄存器

• TF1/0: 定时/计数器T1/0的溢出中断标记. 由硬件置位
• TR1/0: 定时/计数器T1/0的开关控制位. 高电平开启, 低电平关闭. 由软件置位
• IE1/0: INT1/0中断请求标志位. 由硬件置位
• IT1/0: INT1/0触发方式控制位. 高电平为负跳变触发, 低电平为负电平触发. 由软件置位
• 具体见定时/计数器部分

SCON寄存器

• TI/RI: 串行口发送, 接收中断
• 具体见串口通信部分

IE中断允许寄存器

• EA: 中断总控制位
• ES: 串行口中断控制位
• ET1/0: 定时/计数器T1/0中断控制位
• EX1/0: 外部中断1/0中断控制位
• 以上均为高电平开启中断, 低电平关闭

IP中断优先寄存器

• PS: 串行口
• PT1/0: 定时/计数器T1/0
• PX1/0: 外部中断1/0

默认中断优先级: 根据中断号小的优先处理

IP寄存器中置1的中断情况为高优先级, 会被优先处理(多个高优先级根据默认中断优先排序), 再处理低优先级的中断

中断编程

主程序

void main()
{
    EA=1;		// 打开总中断
    EX0=1;		// 打开外部中断0
    IT0=1;		// 设置触发方式为下降沿
    ...
    while(1);
}

中断服务程序

void INT() interrupt 中断号 using 寄存器工作组
{
    EA=0;		// 根据需要关闭总中断或者对应中断
    ...			// 中断服务程序
    EA=1;		// 重新开启中断
}

定时/计数器

8051内部有两个16位可编程定时/计数器, 定时器脉冲来自机器周期(晶振频率的12分频)

相关寄存器

TCON控制寄存器

可按位寻址

• TF1/0: 定时/计数器T1/0的溢出中断标记.
  • 中断服务方式: 由硬件自动置位, 清除
  • 软件查询方式: 需由软件清0
• TR1/0: 定时/计数器T1/0的开关控制位. 高电平开启, 低电平关闭. 由软件置位
• IE1/0: INT1/0中断请求标志位. 由硬件置位
• IT1/0: INT1/0触发方式控制位. 高电平为负跳变触发, 低电平为负电平触发. 由软件置位

TMOD工作方式寄存器

• M1,0: 工作方式选择
• C/~T: 定时/计数控制. 0为定时方式, 1为计数方式
• GATE: 0时定时器不受外部控制, 1时定时器需要在P3.2(P3.3)引脚处于高电平时开始计数

工作方式

方式0

13位定时/计数器, 最大数值8192

方式1

16位定时/计数器, 最大数值65536

方式2

自动重装8位定时/计数器, 最大数值256

TH作为初值寄存器, TL用于计数, 每次溢出后自动将TH装载入TL中

方式3

只适用于定时/计数器T0, 如果设置T1在方式3下则不会工作.

TH和TL分别为一个8位定时/计数器, 最大数值256

• TH占用原先T1的中断请求位, 所以T1一定不能有中断请求以免混乱, 但可工作在方式0,1,2下
• TH只能是定时器, TL可以设置为计数器

编程方式

中断方式

主程序

void main()
{
    TMOD = 0x01;				// 设置定时器0为工作方式1
    TH0 = (65536 - 50000)/256;	// 使用(最大值-计数时长)/256方式赋值高8位
    TL0 = (65536 - 50000)%256;	// 示例中为50ms
    EA = 1;					    // 开总中断
    ET0 = 1;					// 开T0中断
    TR0 = 1;					// 启动T0
    while(1);
}

定时器0中断服务程序

void tim0() interrupt 1
{
    TH0 = (65536 - 50000)/256;
    TL0 = (65536 - 50000)%256;	 // 重新赋初值
    ...						   	 // 服务程序
}

查询方式

void main()
{
    TMOD = 0x10;
    TR1 = 1;
    while(1)
    {
        TH1 = (65536 - 50000)/256;	// 装入初值
        TL1 = (65536 - 50000)%256;
        while(!TF1);				// 等待溢出
        ...
        TF1 = 0;					// 软件清除标志位
    }
}

串口通信接口

相关寄存器

SCON串口控制寄存器

• SM0/1: 串口工作方式选择

  • {SM0,SM1}=工作方式

• SM2: 多机通信控制位

  • 0: 单片机通信
  • 1: 多机通信

• REN: 接收允许位

  • 高电平允许

• TB8/RB8: 发送/接收数据第9位

  • SM2=0, 则TB8/RB8为发送/接收数据的奇偶标志位
  • SM2=1
    • TB8/RB8=1, 则发送/接收的是地址信息
    • TB8/RB8=0, 则发送/接收的是数据信息

• TI/RI: 发送/接收中断标志. 硬件置位, 软件清位

PCON电源控制寄存器

• SMOD: 高电平时波特率翻倍, 低电平时波特率为原值

SBUF串口缓冲寄存器

SUBF包括两个8位寄存器, 字节地址均为99H. 分为发送寄存器和接收寄存器, 在物理结构上是完全独立的, 依靠写入还是读取区分两个寄存器.

工作方式

UART方式0

UART 作为一个8位的移位寄存器使用, 波特率为$F_{osc}/12$.

RXD发送数据(从LSB开始), TXD发送同步移位脉冲. 不支持全双工

输入/出时序图:

uart0输出	uart0输入

UART方式 1

10位数据的异步通信口.

TXD为数据发送引脚, RXD为数据接收引脚.

UART方式2

方式2为11位数据的异步通信口, 波特率为$F_{osc}/64*(SMOD+1)$.

TXD为数据发送引脚, RXD为数据接收引脚.

UART方式3

除了波特率可调外与方式2完全相同

T1定时器波特率生成