《單片機(jī)原理及其C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》課件-第3章

第3章MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部資源3.1單片機(jī)的中斷系統(tǒng)3.2單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器3.3單片機(jī)的串行通信本章小結(jié)

3.1單片機(jī)的中斷系統(tǒng)

3.1.1單片機(jī)中斷系統(tǒng)的概念當(dāng)CPU正在處理某事件的時(shí)候，外部或者內(nèi)部發(fā)生的某一事件請(qǐng)求CPU迅速去處理時(shí)，CPU暫時(shí)中止當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)處理程序去處理所發(fā)生的事件。中斷服務(wù)處理完該事件后，再返回到原來(lái)被中止的地方繼續(xù)原來(lái)的工作，這樣的過(guò)程稱為中斷。中斷過(guò)程如圖3-1所示。圖3-1中斷響應(yīng)過(guò)程

3.1.2單片機(jī)中斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成

MCS-51系列單片機(jī)的中斷系統(tǒng)有5個(gè)中斷源，且有2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)(高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí))，每個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)都可以由軟件來(lái)設(shè)定，也可實(shí)現(xiàn)兩級(jí)中斷服務(wù)程序嵌套。MCS-51單片機(jī)中斷系統(tǒng)的組成：4個(gè)與中斷有關(guān)的特殊功能寄存器(TCON、SCON的相關(guān)位作中斷源的標(biāo)志位)、中斷允許控制寄存器IE、中斷優(yōu)先級(jí)管理(IP寄存器)和中斷順序查詢邏輯電路等。

1．中斷系統(tǒng)的組成

MCS-51系列單片機(jī)的中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-2所示。中斷系統(tǒng)共有5個(gè)中斷源，其中，中斷入口地址是固定的，詳見(jiàn)表3-1。圖3-2MCS-51系列單片機(jī)的中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

TCON為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的控制寄存器，字節(jié)地址為88H，可位尋址，該寄存器中既包括了定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1的溢出中斷請(qǐng)求標(biāo)志位TF0和TF1，也包括了兩個(gè)外部中斷請(qǐng)求的標(biāo)志位IE1和IE0。寄存器TCON的格式如圖3-3所示。圖3-3TCON中的中斷請(qǐng)求標(biāo)志位

寄存器TCON中與中斷系統(tǒng)有關(guān)的各標(biāo)志位的功能如下：

(1)?IT0：選擇外部中斷請(qǐng)求0為跳沿觸發(fā)方式還是電平觸發(fā)方式。

(2)?IE0：外部中斷請(qǐng)求0的中斷請(qǐng)求標(biāo)志位。

(3)?IT1：外部中斷請(qǐng)求1為跳沿觸發(fā)方式還是電平觸發(fā)方式，功能與IT0類似。

(4)?IE1：外部中斷請(qǐng)求1的中斷請(qǐng)求標(biāo)志位，功能與IE0類似。

(5)?TF0：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0的溢出中斷請(qǐng)求標(biāo)志位。

(6)?TF1：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1的溢出中斷請(qǐng)求標(biāo)志位，功能和TF0類似。

SCON為串行口控制寄存器，字節(jié)地址為98H。SCON的低二位鎖存串行口的發(fā)送中斷和接收中斷的中斷請(qǐng)求標(biāo)志為TI和RI，其格式如圖3-4所示。圖3-4SCON中的中斷請(qǐng)求標(biāo)志位

(1)?TI：發(fā)送中斷請(qǐng)求標(biāo)志位。

CPU將一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器SBUF時(shí)，就啟動(dòng)一幀串行數(shù)據(jù)的發(fā)送，串口每發(fā)送完一幀串行數(shù)據(jù)后，硬件自動(dòng)置TI標(biāo)志位為“1”。CPU響應(yīng)該中斷時(shí)，TI標(biāo)志并不自動(dòng)清零，必須在中斷服務(wù)程序中用軟件對(duì)TI標(biāo)志清零。

(2)?RI：接收中斷請(qǐng)求標(biāo)志位。

在串口接收完一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，硬件自動(dòng)對(duì)RI標(biāo)志位置“1”。CPU響應(yīng)中斷時(shí)，RI標(biāo)志并不自動(dòng)清零，必須在中斷服務(wù)程序中用軟件對(duì)RI標(biāo)志位清零。

3.1.3中斷控制

MCS-51的CPU對(duì)中斷源的開(kāi)放或屏蔽由片內(nèi)的中斷允許寄存器IE控制，字節(jié)地址為A8H，可位尋址，中斷允許寄存器IE的格式格式如圖3-5所示。圖3-5中斷允許寄存器IE的格式

1．中斷允許寄存器IE

中斷允許寄存器IE對(duì)中斷的開(kāi)放和關(guān)閉為兩級(jí)控制，有一個(gè)總的中斷控制位EA(IE.7位)。當(dāng)EA=0時(shí)，所有的中斷請(qǐng)求被屏蔽，CPU對(duì)任何中斷請(qǐng)求都不接受；當(dāng)EA=1時(shí)，CPU開(kāi)放中斷，但5個(gè)中斷源的中斷請(qǐng)求是否允許，還要由IE中的低5位所對(duì)應(yīng)的5個(gè)中斷請(qǐng)求控制位的狀態(tài)來(lái)決定。IE中各位的功能如下：

(1)?EA：中斷允許總控制位。

?EA=0：CPU屏蔽所有的中斷請(qǐng)求(CPU關(guān)中斷)。

?EA=1：CPU開(kāi)放所有的中斷請(qǐng)求(CPU開(kāi)中斷)。

(2)?ES：串行口中斷允許位。

?ES=0：禁止串行口中斷。

?ES=1：允許串行口中斷。

(3)?ET1：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1的溢出中斷允許位。

?ET1=0：禁止T1溢出中斷。

?ET1=1：允許T1溢出中斷。

(4)?EX1：外部中斷1中斷允許位。

?EX1=0：禁止外部中斷1中斷。

?EX1=1：允許外部中斷1中斷。

(5)?ET0：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0的溢出中斷允許位。

?ET0=0：禁止T0溢出中斷。

?ET0=1：允許T0溢出中斷。

(6)?EX0：外部中斷0中斷允許位。

?EX0=0：禁止外部中斷0中斷。

?EX0=1：允許外部中斷0中斷。

MCS-51復(fù)位后，IE清零，所有中斷請(qǐng)求被禁止。IE中與各個(gè)中斷源相應(yīng)的位用指令置“1”或清零，即可允許或禁止各中斷源的中斷申請(qǐng)。若使某一個(gè)中斷源被允許中斷，除了IE相應(yīng)的位被置“1”外，還必須使EA位置“1”。

2．中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP

MCS-51的中斷請(qǐng)求源有兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，每一個(gè)中斷請(qǐng)求源可由軟件定為高優(yōu)先級(jí)中斷或低優(yōu)先級(jí)中斷，也可實(shí)現(xiàn)兩級(jí)中斷嵌套。所謂兩級(jí)中斷嵌套，就是MCS-51正在執(zhí)行低優(yōu)先級(jí)中斷的服務(wù)程序時(shí)，可被高優(yōu)先級(jí)中斷請(qǐng)求所中斷，處理完畢高優(yōu)先級(jí)中斷后，再返回低優(yōu)先級(jí)服務(wù)程序繼續(xù)執(zhí)行的過(guò)程。

關(guān)于各中斷源的中斷優(yōu)先級(jí)的關(guān)系，可歸納為下面兩條基本規(guī)則：

(1)低優(yōu)先級(jí)可被高優(yōu)先級(jí)中斷，反之則不能。

(2)同級(jí)中斷不會(huì)被它的同級(jí)中斷源所中斷。若CPU正在執(zhí)行高優(yōu)先級(jí)的中斷，則不能被任何中斷源所中斷。

MCS-51的片內(nèi)有一個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP，其字節(jié)地址為B8H，可位尋址，可以用程序改變其內(nèi)容，即可進(jìn)行各中斷源中斷優(yōu)先級(jí)的設(shè)置。IP寄存器的格式如圖3-6所示。圖3-6中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP的格式

中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP各位的含義：

(1)?PS：串行口中斷優(yōu)先級(jí)控制位。

?PS=1：高優(yōu)先級(jí)中斷。

?PS=0：低優(yōu)先級(jí)中斷。

(2)PT1：定時(shí)器T1中斷優(yōu)先級(jí)控制位。

?PT1=1：高優(yōu)先級(jí)中斷。

?PT1=0：低優(yōu)先級(jí)中斷。

(3)?PX1：外部中斷1中斷優(yōu)先級(jí)控制位。

?PX1=1：高優(yōu)先級(jí)中斷。

?PX1=0：低優(yōu)先級(jí)中斷。

(4)?PT0：定時(shí)器T0中斷優(yōu)先級(jí)控制位。

?PT0=1：高優(yōu)先級(jí)中斷。

?PT0=0：低優(yōu)先級(jí)中斷。

(5)?PX0：外部中斷0中斷優(yōu)先級(jí)控制位。

?PX0=1：高優(yōu)先級(jí)中斷。

?PX0=0：低優(yōu)先級(jí)中斷。

中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器IP的各位都可由軟件置“1”和清零，以改變各中斷源的中斷優(yōu)先級(jí)。

MCS-51復(fù)位后，IP的內(nèi)容為0，各個(gè)中斷源均為低優(yōu)先級(jí)中斷。

MCS-51的中斷系統(tǒng)有兩個(gè)不可尋址的“優(yōu)先級(jí)激活觸發(fā)器”，一個(gè)用來(lái)指示某高優(yōu)先級(jí)的中斷正在執(zhí)行，所有后來(lái)的中斷均被阻止；另一個(gè)用來(lái)指示某低優(yōu)先級(jí)的中斷正在執(zhí)行，所有同級(jí)中斷都被阻止，但不阻斷高優(yōu)先級(jí)的中斷請(qǐng)求。

若同時(shí)收到幾個(gè)同一優(yōu)先級(jí)的中斷請(qǐng)求時(shí)，優(yōu)先響應(yīng)哪一個(gè)中斷取決于內(nèi)部的查詢順序。查詢順序如下：外部中斷0、T0溢出中斷、T1溢出中斷、串口中斷的中斷優(yōu)先級(jí)依次降低，即外部中斷0的中斷優(yōu)先級(jí)最高，串口中斷的中斷優(yōu)先級(jí)最低。

3.1.4響應(yīng)中斷的條件

一個(gè)中斷請(qǐng)求如果要被響應(yīng)，需滿足以下必要條件：

(1)?IE寄存器中的中斷允許總控制位EA=1。

(2)該中斷源發(fā)出中斷請(qǐng)求，即該中斷源對(duì)應(yīng)的中斷請(qǐng)求標(biāo)志為“1”。

(3)該中斷源的中斷允許位=1，即該中斷沒(méi)有被屏蔽。

(4)無(wú)同級(jí)或更高級(jí)中斷正在被服務(wù)。

各個(gè)中斷的中斷入口地址如表3-2所示。

中斷響應(yīng)是有條件的，并不是查詢到所有中斷請(qǐng)求都能被立即響應(yīng)，當(dāng)遇到下列三種情況之一時(shí)，中斷響應(yīng)被封鎖。

(1)?CPU正在處理同級(jí)的或更高優(yōu)先級(jí)的中斷。

(2)所查詢的機(jī)器周期不是當(dāng)前正在執(zhí)行指令的最后一個(gè)機(jī)器周期，只有在當(dāng)前指令執(zhí)行完畢后，才能進(jìn)行中斷響應(yīng)。

(3)正在執(zhí)行的指令是RETI或是訪問(wèn)IE或IP的指令，需要再去執(zhí)行完一條指令，才能響應(yīng)新的中斷請(qǐng)求。

如果存在上述三種情況之一，CPU將丟棄中斷查詢結(jié)果，不能對(duì)中斷進(jìn)行響應(yīng)。

3.1.5外部中斷的響應(yīng)時(shí)間

以外部中斷為例，在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2期間，INT0和INT1引腳的電平被鎖存到TCON的IE0和IE1標(biāo)志位，CPU在下一個(gè)機(jī)器周期才會(huì)查詢這些值，這時(shí)如果滿足中斷響應(yīng)條件，下一條要執(zhí)行的指令將是一條硬件長(zhǎng)調(diào)用指令，使該程序轉(zhuǎn)至中斷源矢量地址入口。硬件長(zhǎng)調(diào)用指令本身要花費(fèi)2個(gè)機(jī)器周期，這樣從外部中斷請(qǐng)求有效到開(kāi)始執(zhí)行中斷服務(wù)程序的第一條指令，中間要隔3個(gè)機(jī)器周期，這是最短的響應(yīng)時(shí)間，如果遇到中斷受阻的情況，則中斷響應(yīng)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)一些。

3.1.6外部中斷的觸發(fā)方式

1.電平觸發(fā)方式

當(dāng)IT=0時(shí)，外部中斷為電平觸發(fā)方式。該方式下CPU在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2期間對(duì)引腳采樣，若測(cè)得為低電平，則認(rèn)為有中斷申請(qǐng)，隨即使IE相應(yīng)標(biāo)志位置位；若測(cè)得為高電平，認(rèn)為無(wú)中斷申請(qǐng)或中斷申請(qǐng)已撤除，隨即清除IE相應(yīng)標(biāo)志位。在電平觸發(fā)方式中，CPU響應(yīng)中斷后不能自動(dòng)清除IE標(biāo)志位，也不能由軟件清除IE標(biāo)志位，所以在中斷返回前必須撤消引腳上的低電平，否則將再次中斷造成出錯(cuò)。

所有電平方式適合于外中斷以低電平輸入且中斷服務(wù)程序能清除外部中斷請(qǐng)求(即外部中斷輸入電平又變?yōu)楦唠娖?的情況。

2.下降沿觸發(fā)方式

當(dāng)IT=1時(shí)，外部中斷設(shè)置為邊沿觸發(fā)方式。CPU在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2期間采樣INT引腳，若在連續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期采樣到先高后低的電平變化，則將IE相應(yīng)標(biāo)志置“1”，此標(biāo)志一直保持到CPU響應(yīng)中斷時(shí)，才由硬件自動(dòng)清除，這樣不會(huì)丟失中斷，但輸入的負(fù)脈沖寬度至少保持1個(gè)機(jī)器周期(若晶振頻率為12MHz，則為1μs)，才能被CPU采樣到。外部中斷的跳沿觸發(fā)方式適合于以負(fù)脈沖形式輸入的外部中斷請(qǐng)求。

3.1.7單片機(jī)中斷請(qǐng)求的撤銷

CPU響應(yīng)某中斷請(qǐng)求后，在中斷返回(RETI)之前，該中斷請(qǐng)求應(yīng)該撤消，否則會(huì)引起另一次中斷。單片機(jī)各中斷源請(qǐng)求撤消的方法各不相同，分別如下：

(1)定時(shí)器0和定時(shí)器1的溢出中斷，CPU在響應(yīng)中斷后，就由硬件自動(dòng)清除TF0或TF1標(biāo)志位。

(2)外部中斷請(qǐng)求的撤消與設(shè)置的中斷觸發(fā)方式有關(guān)。對(duì)于邊沿觸發(fā)方式的外部中斷，CPU在響應(yīng)中斷后，也是由硬件自動(dòng)將IE0或IE1標(biāo)志位清除的。對(duì)于電平觸發(fā)方式的外部中斷請(qǐng)求的撤銷，除了標(biāo)志位清零之外，還需在中斷響應(yīng)后把中斷請(qǐng)求信號(hào)引腳從低電平強(qiáng)制改變?yōu)楦唠娖?，電平方式外部中斷?qǐng)求的撤銷電路如圖3-7所示。圖3-7電平方式外部中斷請(qǐng)求的撤銷電路

(3)串行口的中斷。CPU響應(yīng)后，無(wú)法知道是接收中斷還是發(fā)送中斷，還需測(cè)試這兩個(gè)中斷標(biāo)志位的狀態(tài)，以判定是接收操作還是發(fā)送操作，然后才能清除。硬件不能自動(dòng)清除TI和RI標(biāo)志位，因此CPU響應(yīng)中斷后，須在中斷服務(wù)程序中用軟件清除相應(yīng)的中斷標(biāo)志位，以撤消中斷請(qǐng)求。

3.1.8單片機(jī)中斷服務(wù)子程序的設(shè)計(jì)

中斷系統(tǒng)的運(yùn)行必須與中斷服務(wù)子程序相配合才能正確使用。

1．中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)的任務(wù)

中斷服務(wù)子程序的基本任務(wù)有如下四個(gè)：

(1)設(shè)置中斷允許控制寄存器IE，允許相應(yīng)的中斷請(qǐng)求源中斷。

(2)設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP，確定并分配所使用的中斷源的優(yōu)先級(jí)。

(3)對(duì)于外部中斷源，還要設(shè)置中斷請(qǐng)求是采用電平觸發(fā)還是跳沿觸發(fā)。

(4)編寫中斷服務(wù)程序，處理中斷請(qǐng)求。

2．中斷服務(wù)子程序的處理

CPU響應(yīng)中斷結(jié)束后即轉(zhuǎn)至中斷服務(wù)程序入口。從中斷服務(wù)程序的第一條指令開(kāi)始到返回指令為止，這個(gè)過(guò)程稱為中斷處理或稱為中斷服務(wù)。一般情況下，中斷處理包括兩部分：一是保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)；二是中斷源服務(wù)。

3．中斷服務(wù)子程序的返回

中斷處理程序的最后一條指令是中斷返回指令，它的功能是將斷點(diǎn)彈出送回PC中，使程序能返回到原來(lái)被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。

3.1.9單片機(jī)外部中斷擴(kuò)充方法

MCS-51單片機(jī)為用戶提供了兩個(gè)外部中斷請(qǐng)求輸入端。在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，兩個(gè)外部中斷請(qǐng)求源往往不夠用，需對(duì)外部中斷源進(jìn)行擴(kuò)充。

1.利用定時(shí)器擴(kuò)充外部中斷源法

單片機(jī)系統(tǒng)中有兩個(gè)定時(shí)器、兩個(gè)內(nèi)部中斷標(biāo)志和外部計(jì)數(shù)輸入引腳。

2.中斷和查詢結(jié)合法

利用單片機(jī)的兩根外部中斷輸入線，每一根中斷輸入線可以通過(guò)線或的關(guān)系連接多個(gè)外部中斷源，同時(shí)利用輸入端口線作為各中斷的識(shí)別線。多外部中斷連接法電路見(jiàn)圖3-8中的多外部中斷源連接方法。

圖3-8多外部中斷連接法電路

3.2單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

實(shí)現(xiàn)定時(shí)/計(jì)數(shù)有軟件延時(shí)、數(shù)字電路硬件定時(shí)和可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器三種主要方法：(1)軟件定時(shí)是讓機(jī)器執(zhí)行一個(gè)程序段，這個(gè)程序段本身沒(méi)有具體的執(zhí)行目的，通過(guò)正確的挑選指令和安排循環(huán)次數(shù)實(shí)現(xiàn)軟件延時(shí)。由于執(zhí)行每條指令都需要時(shí)間，執(zhí)行這一段程序所需要的時(shí)間就是延時(shí)時(shí)間。這種軟件定時(shí)占用CPU的執(zhí)行時(shí)間，降低了CPU的工作效率。

(2)數(shù)字電路硬件定時(shí)可采用小規(guī)模集成電路器件555，外接定時(shí)部件(電阻和電容)構(gòu)成。這樣的定時(shí)電路簡(jiǎn)單，但要改變定時(shí)范圍，必須改變電阻和電容，且在硬件連接好后，修改不方便。

(3)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器是為方便微機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用而研制的，它即可硬件定時(shí)，又可以通過(guò)軟件編程來(lái)確定定時(shí)時(shí)間。MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0

和T1。

3.2.1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)與工作原理

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的實(shí)質(zhì)是加1計(jì)數(shù)器(16位)，由高8位和低8位兩個(gè)寄存器組成。TMOD是定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作方式寄存器，用于確定工作方式和功能；TCON是控制寄存器，用于控制T0、T1的啟動(dòng)和停止及設(shè)置溢出標(biāo)志。

1．定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)

MCS-51單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的邏輯結(jié)構(gòu)如圖3-9所示。圖3-9MCS-51單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器邏輯結(jié)構(gòu)框圖

2.定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作原理

定時(shí)/計(jì)數(shù)器對(duì)內(nèi)部的機(jī)器周期個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)就實(shí)現(xiàn)了定時(shí)，對(duì)片外脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)就是計(jì)數(shù)功能。

在作定時(shí)器使用時(shí)，輸入的時(shí)鐘脈沖是由晶體振蕩器的輸出經(jīng)12分頻后得到的，所以定時(shí)器也可看作是對(duì)單片機(jī)機(jī)器周期個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)器，當(dāng)晶體振蕩器連接確定后，機(jī)器周期的時(shí)間也就確定了，這樣就實(shí)現(xiàn)了定時(shí)功能。

3.2.2T0和T1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的控制

MCS-51系列單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器是一種可編程序的部件，在定時(shí)/計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作之前，CPU必須將一些命令(稱為控制字)寫入該定時(shí)/計(jì)數(shù)器，這個(gè)過(guò)程稱為定時(shí)/計(jì)數(shù)器的初始化。在初始化程序中，要將工作方式控制字寫入模式控制寄存器TMOD，工作狀態(tài)控制字(或相關(guān)位)寫入控制寄存器TCON。

1．定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的模式控制寄存器TMOD

特殊功能寄存器TMOD為定時(shí)器的模式控制寄存器，占用的字節(jié)地址為89H，不可以進(jìn)行位尋址，該寄存器TMOD的定義格式如圖3-10所示。如果要定義定時(shí)器的工作方式，需要采用字節(jié)操作指令賦值，其中高4位用于定時(shí)器T1，低4位用于定時(shí)器T0。系統(tǒng)復(fù)位時(shí)TMOD所有位均為0。圖3-10模式控制寄存器TMOD的定義格式

2．控制寄存器TCON

TCON的字節(jié)地址為88H，可進(jìn)行位尋址(位地址為88H～8FH)，用于控制定時(shí)器的啟、停及定時(shí)器的溢出標(biāo)志和外部中斷觸發(fā)方式等，控制寄存器TCON的定義格式如圖3-11

所示。圖3-11控制寄存器TCON的定義格式

其中低4位與外部中斷有關(guān)，在前面已經(jīng)詳細(xì)介紹，高4位的功能如下：

(1)?TF0、TF1：分別為定時(shí)器T0、T1的計(jì)數(shù)溢出標(biāo)志位。

(2)?TR0、TR1：分別為定時(shí)器T0、T1的運(yùn)行控制位，可由軟件置“1”或清零。

3.2.3T0和T1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作方式

定時(shí)/計(jì)數(shù)器可以通過(guò)特殊功能寄存器TMOD中的控制位的設(shè)置來(lái)選擇定時(shí)器方式或計(jì)數(shù)器方式；通過(guò)M1、M0兩位的設(shè)置選擇4種工作方式，分別為方式0、方式1、方式2和方式3?，F(xiàn)以定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0為例加以說(shuō)明。

1．方式0

當(dāng)M1M0為00時(shí)，定時(shí)器選定為方式0工作。在這種方式下，16位寄存器(由特殊功能寄存器TL0和TH0組成)只用了13位，TL0的高3位未用，由TH0的8位和TL0的低5位組成一個(gè)13位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，其最大的計(jì)數(shù)次數(shù)為213次。如果單片機(jī)采用6MHz晶振，機(jī)器周期為2?μs，則該定時(shí)器的最大定時(shí)時(shí)間為214μs。定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作方式0的邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖3-12所示。

圖3-12定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作方式0的邏輯結(jié)構(gòu)圖

2．方式1

當(dāng)M1M0為01時(shí)，定時(shí)器選定為方式1工作。在這種方式下，16位寄存器由特殊功能寄存器TL0和TH0組成一個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，其最大的計(jì)數(shù)次數(shù)應(yīng)為216次。如果單片機(jī)采用6MHz晶振，機(jī)器周期為2μs，則該定時(shí)器的最大定時(shí)時(shí)間為217μs。定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作方式1的邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖3-13所示。除了計(jì)數(shù)位數(shù)不同外，方式1與方式0的工作過(guò)程相同。圖3-13定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作方式1的邏輯結(jié)構(gòu)圖

3．方式2

方式2是自動(dòng)重裝初值的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。方式0和方式1當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)，計(jì)數(shù)器變?yōu)槿?，因此再循環(huán)定時(shí)的時(shí)候，需要反復(fù)重新用軟件給TH和TL寄存器賦初值，這樣會(huì)影響定時(shí)精度。方式2就是針對(duì)此問(wèn)題而設(shè)置的。

當(dāng)M1M0為10時(shí)，定時(shí)器選定為方式2工作。在這種方式下，8位寄存器TL0作為計(jì)數(shù)器，TL0和TH0裝入相同的初值，當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)，在置1溢出中斷標(biāo)志位TF0的同時(shí)，TH0的初值自動(dòng)重新裝入TL0。在這種工作方式下其最大的計(jì)數(shù)次數(shù)應(yīng)為28次。如果單片機(jī)采用6MHz晶振，機(jī)器周期為2μs，則該定時(shí)器的最大定時(shí)時(shí)間為29μs。定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作方式2的邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖3-14所示。圖3-14定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作方式2的邏輯結(jié)構(gòu)圖

4.方式3

當(dāng)M1M0為11時(shí)，定時(shí)器選定為方式3工作。方式3只適用于定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0，定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1不能工作在方式3。

定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0分為兩個(gè)獨(dú)立的8位計(jì)數(shù)器：TL0和TH0，定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作方式3的邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖3-15所示。圖3-15定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作方式3的邏輯結(jié)構(gòu)圖

3.2.4計(jì)數(shù)器模式對(duì)輸入信號(hào)的要求

T0(P3.4)和T1(P3.5)兩個(gè)引腳作為計(jì)數(shù)輸入端，外部輸入的脈沖在出現(xiàn)從1到0的負(fù)跳變時(shí)有效，計(jì)數(shù)器進(jìn)行加1。計(jì)數(shù)方式下，單片機(jī)在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2時(shí)對(duì)外部計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行采樣。如果前一個(gè)機(jī)器周期采樣為高電平，后一個(gè)機(jī)器周期采樣為低電平，則為一個(gè)有效的計(jì)數(shù)脈沖，在下一個(gè)機(jī)器周期的S3P1進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于采樣計(jì)數(shù)脈沖需要兩個(gè)機(jī)器周期，即24個(gè)振蕩周期，因此計(jì)數(shù)脈沖的頻率最高為振蕩脈沖頻率的。

3.2.5定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的初始化編程

MCS-51定時(shí)/計(jì)數(shù)器的初始化編程過(guò)程如下。

1.初始化的步驟

(1)確定工作方式、操作模式、啟動(dòng)控制方式：寫入TMOD、TCON寄存器。

(2)設(shè)置定時(shí)或計(jì)數(shù)器的初值：可直接將初值寫入TH0、TL0或TH1、TL1中。16位計(jì)數(shù)初值必須分兩次寫入對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器。

(3)根據(jù)要求是否采用中斷方式：直接對(duì)IE位賦值。開(kāi)放中斷時(shí)，對(duì)應(yīng)位置“1”；采用程序查詢方式時(shí)，IE相應(yīng)位清零進(jìn)行中斷屏蔽。

(4)啟動(dòng)定時(shí)器工作：可使用TR0=1或者TR1=1啟動(dòng)。T0或T1若設(shè)置為軟啟動(dòng)，即GATE設(shè)置為0時(shí)，以上指令執(zhí)行后，定時(shí)器即可開(kāi)始工作。

2.計(jì)數(shù)初值的計(jì)算

若設(shè)最大計(jì)數(shù)值為2n，n為計(jì)數(shù)器位數(shù)，各操作模式下的2n值為：

模式0：2n=8192，n=13。

模式1：2n=65536，n=16。

模式2：2n=256，n=8。

模式3：2n=256，n=8，定時(shí)器T0分成兩個(gè)獨(dú)立的8位計(jì)數(shù)器，所以TH0、TL0的最大計(jì)數(shù)值均為256。

單片機(jī)中的T0、T1定時(shí)器均為加1計(jì)數(shù)器，當(dāng)加到最大值(00H或0000H)時(shí)產(chǎn)生溢出，將TF0或者TF1位置“1”，可發(fā)出溢出中斷，因此計(jì)數(shù)器初值X的計(jì)算式為：X=2n?-?計(jì)

數(shù)值。

(1)計(jì)數(shù)工作方式時(shí)，對(duì)外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)初值為：X=2n-計(jì)數(shù)值。

(2)定時(shí)工作方式時(shí)，對(duì)機(jī)器周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，故計(jì)數(shù)脈沖頻率為fcont=fosc/6，計(jì)數(shù)周期T=1/fcont，定時(shí)工作方式的計(jì)數(shù)初值X=2n-計(jì)數(shù)值=2n-t／T=2n-(fosc×t)/(12或6)。

3.3單片機(jī)的串行通信3.3.1串行口的結(jié)構(gòu)與功能MCS-51系列單片機(jī)有一個(gè)可編程的全雙工串行通信接口，它既可作為UART，也可作為同步移位寄存器，其幀格式可為8位、10位或11位，并可以設(shè)置各種不同的波特率，通過(guò)引腳RXD(P3.0，串行數(shù)據(jù)接收端)和引腳TXD(P3.1，串行數(shù)據(jù)發(fā)送端)與外界進(jìn)行通信。該接口不僅能同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，還可作為一個(gè)移位寄存器使用。MCS-51系列單片機(jī)串行口的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-16所示，主要由發(fā)送控制器、接收控制器和串行控制寄存器組成。圖3-16MCS-51串行口結(jié)構(gòu)框圖

由圖3-16可知，發(fā)送電路由發(fā)送SBUF和發(fā)送控制器等組成；接收電路由接收SBUF、接收移位寄存器和接收控制器等組成。發(fā)送SBUF和接收SBUF都是8位數(shù)據(jù)緩沖寄存器：發(fā)送SBUF用于存放將要發(fā)送的數(shù)據(jù)，接收SBUF用于存放串行口接收到的數(shù)據(jù)。CPU可以通過(guò)執(zhí)行讀取和接收指令對(duì)它們進(jìn)行存取，具體過(guò)程如下：

(1)兩個(gè)在物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器SBUF，占用同一地址99H，可同時(shí)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。發(fā)送緩沖器只能寫入，不能讀出；接收緩沖器只能讀出，不能寫入。

(2)串行發(fā)送與接收的速率與移位時(shí)鐘同步，定時(shí)器T1作為串行通信的波特率發(fā)生器，T1溢出率經(jīng)2分頻(或不分頻)又經(jīng)16分頻作為串行發(fā)送或接收的移位時(shí)鐘。移位時(shí)鐘的速率即波特率。

(3)接收器是雙緩沖結(jié)構(gòu)，在前一個(gè)字節(jié)被接收緩沖器讀出之前，第二個(gè)字節(jié)即開(kāi)始被接收，但當(dāng)?shù)诙€(gè)字節(jié)接收完畢而前一個(gè)字節(jié)CPU未讀取時(shí)，就會(huì)丟失前一個(gè)字節(jié)

內(nèi)容。

(4)串行口的發(fā)送：SBUF=temp，一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，TI=1。

(5)串行口的接收：當(dāng)一幀數(shù)據(jù)接收完畢，RI=1，temp=SBUF。

(6)串行口是一個(gè)可編程接口，由串行口控制寄存器SCON和電源控制寄存器PCON設(shè)置。

3.3.2串行口的控制寄存器

要控制單片機(jī)的串口必須對(duì)相應(yīng)的控制寄存器進(jìn)行設(shè)置，和串口相關(guān)的寄存器有串行口控制寄存器(SCON)和串行口電源控制寄存器(PCON)。

1.串行口控制寄存器(SCON)的格式

串行口控制寄存器(SCON)用于設(shè)置串行口的工作方式、監(jiān)視串行口工作狀態(tài)、發(fā)送與接收的狀態(tài)控制等，它是一個(gè)既可字節(jié)尋址又可位尋址的特殊功能寄存器，地址為98H。串行口控制寄存器(SCON)的格式如圖3-17所示。圖3-17串行口控制寄存器(SCON)的格式

SCON各位的定義：

(1)SM0、SM1：工作方式選擇位。串行口工作方式選擇詳見(jiàn)表3-4。

(2)?SM2：方式2、方式3多機(jī)通信控制位。在方式2、3處于接收時(shí)，若SM2=1，且接收到第9位數(shù)RB8為0，則不能置位接收中斷標(biāo)志RI，接收數(shù)據(jù)失效；在方式1接收時(shí)，若SM2=1，則只有接收到有效的停止位，才能置位RI；在方式0時(shí)，SM2應(yīng)為0。

(3)?REN：串行口接收控制位，由軟件置位或清零。REN=1，允許接收；REN=0，禁止接收。

(4)?TB8：發(fā)送數(shù)據(jù)的第9位。在方式2和方式3中，要發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)存放在TB8位，可用軟件置位或清零。它可作為通信數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)位。在單片機(jī)的多機(jī)通信中，TB8常用來(lái)表示是地址幀還是數(shù)據(jù)幀，“1”表示地址幀，“0”表示數(shù)據(jù)幀。

(5)?RB8：在方式2和方式3中，接收到的第9位數(shù)據(jù)就存放在RB8。它可以是約定的奇偶校驗(yàn)位。在單片機(jī)的多機(jī)通信中用它作為地址或數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)位。在方式1中，若SM2=0，則RB8存放已接收的停止位；在方式0中，該位未用。

(6)?TI：發(fā)送中斷請(qǐng)求標(biāo)志。在一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完后被置位。在方式0時(shí)，發(fā)送第8位結(jié)束時(shí)由硬件置位；在方式1、2、3中，在停止位開(kāi)始發(fā)送時(shí)由硬件置位。置位TI意味著向CPU提供“發(fā)送緩沖器已空”的信息，CPU響應(yīng)后發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。在任何方式中，TI都必須由軟件清零。

(7)?RI：接收中斷請(qǐng)求標(biāo)志。在接收到一幀數(shù)據(jù)后由硬件置位。在方式0時(shí)，當(dāng)接收第8位結(jié)束時(shí)由硬件置位；在方式1、方式2、方式3中，在接收到停止位的中間點(diǎn)時(shí)由硬件置位。RI=1，表示請(qǐng)求中斷，CPU響應(yīng)中斷后，從SBUF取出數(shù)據(jù)。但在方式1中，當(dāng)SM2=1時(shí)，若未接收到有效的停止位，則不會(huì)對(duì)RI置位。在任何方式中，RI都必須由軟件清零。

由圖3-16可知，串行口的中斷無(wú)論是接收中斷還是發(fā)送中斷，當(dāng)CPU響應(yīng)中斷時(shí)都進(jìn)入0023H程序地址，執(zhí)行串行口的中斷服務(wù)子程序，這時(shí)由軟件來(lái)判別是接收中斷，還是發(fā)送中斷。而中斷標(biāo)志必須在中斷服務(wù)子程序中加以清除，以防出現(xiàn)一次中斷多次響應(yīng)的現(xiàn)象。

2.串行口電源控制寄存器(PCON)的格式

PCON為電源控制寄存器，是特殊功能寄存器，地址為87H。PCON中的第7位與串行口有關(guān)。串行口電源控制寄存器(PCON)的格式如圖3-18所示。圖3-18串行口電源控制寄存器(PCON)的格式

3.3.3串行口的工作方式

MCS-51單片機(jī)串行口有方式0、方式1、方式2和方式3四種工作方式，現(xiàn)對(duì)每種工作方式下的特點(diǎn)作進(jìn)一步的說(shuō)明。

1.方式0

方式0即同步移位寄存器輸入/輸出工作方式。8位串行數(shù)據(jù)的輸入或輸出都是通過(guò)RXD端，而TXD端用于輸出同步移位脈沖。波特率固定為單片機(jī)振蕩頻率(fosc)的1/12。

串行傳送數(shù)據(jù)8位為一幀(沒(méi)有起始、停止、奇偶校驗(yàn)位)，由RXD(P3.0)端輸出或輸入，低位在前，高位在后。TXD(P3.1)端輸出同步移位脈沖，可以作為外部擴(kuò)展的移位寄存器的移位時(shí)鐘，因而串行口方式0常用于擴(kuò)展外部并行I/O口。方式0的幀格式如圖3-19所示。

圖3-19方式0的幀格式

(1)方式0發(fā)送。

串行口可以外接串行輸入/并行輸出的移位寄存器，如74LS164，用以擴(kuò)展并行輸出口，方式0擴(kuò)展并行輸出口電路如圖3-20所示。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)，產(chǎn)生一個(gè)正脈沖，串行口即把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，逐位移入74LS164。8位全部移完，TI=1。如要再發(fā)送，必須先將TI清零。串行發(fā)送時(shí)，外部可擴(kuò)展一片(或幾片)串入/并出的移位寄存器，方式0的發(fā)送時(shí)序如圖3-21所示。圖3-20方式0擴(kuò)展并行輸出口圖3-21方式0的發(fā)送時(shí)序

(2)方式0接收。

串行接收時(shí)，串行口可以擴(kuò)展一片(或幾片)并入/串出的移位寄存器，方式0擴(kuò)展并行入口電路如圖3-22所示，利用74LS165，用以擴(kuò)展并行輸入口。向串口的SCON寫入控制字(置為方式0，并置“1”REN位，同時(shí)RI=0)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)正脈沖，串行口即開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。RXD為數(shù)據(jù)輸入端，TXD端輸出的同步移位脈沖將74LS165逐位移入RXD端。8位全部移完，RI=1，表示一幀數(shù)據(jù)接收完。如要再發(fā)送，必須先將RI清零，方式0的接收時(shí)序如圖3-23所示。圖3-22方式0擴(kuò)展并行輸入口圖3-23方式0的接收時(shí)序

2.方式1

方式1時(shí)，一幀數(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，其幀格式如圖3-24所示。圖3-24方式1的幀格式

方式1時(shí)，其波特率是可變的，由定時(shí)器T1的計(jì)數(shù)溢出率決定。在串行通信中，常用定時(shí)器T1作為波特率發(fā)生器使用。通常選用定時(shí)方式2，避免因?yàn)橹匮b時(shí)間常數(shù)而帶來(lái)的定時(shí)誤差，其波特率由下式確定：

其中，SMOD為PCON寄存器最高位的值(0或1)。

T1溢出率為1s內(nèi)T1發(fā)生溢出的次數(shù)，它與T1的工作方式有關(guān)。

T1溢出率的計(jì)算方法：

(1)方式1發(fā)送。

在TI=0時(shí)，當(dāng)執(zhí)行一條數(shù)據(jù)寫發(fā)送緩沖器SBUF的指令，就啟動(dòng)發(fā)送。發(fā)送開(kāi)始時(shí)，內(nèi)部發(fā)送控制信號(hào)變?yōu)橛行В缓蟀l(fā)送電路自動(dòng)在8位發(fā)送字符前、后分別添加1位起始位和1位停止位，并在移位脈沖作用下，每經(jīng)過(guò)一個(gè)TX時(shí)鐘周期，便產(chǎn)生一個(gè)移位脈沖，并由TXD按照從低位到高位輸出一個(gè)數(shù)據(jù)位。8位數(shù)據(jù)位全部發(fā)送完畢后，TI也由硬件在發(fā)送停止位時(shí)置位，即TI=1，向CPU申請(qǐng)中斷。方式1的發(fā)送時(shí)序如圖3-25所示，圖中TX時(shí)鐘的頻率就是發(fā)送的波特率。圖3-25方式1的發(fā)送時(shí)序

(2)方式1接收。

接收操作可在RI=0和REN=1的條件下進(jìn)行。多接收器接收時(shí)，接收器以所選波特率的16倍速率采樣RXD端電平，檢測(cè)到RXD端輸入電平發(fā)生負(fù)跳變時(shí)(起始位)，開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。內(nèi)部16分頻計(jì)數(shù)器的16個(gè)狀態(tài)把傳送每一位數(shù)據(jù)的時(shí)間16等分，在每個(gè)時(shí)間的7、8、9這三個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)，位檢測(cè)器采樣RXD端電平，接收的值是3次采樣中至少有兩次相同的值，這樣可以防止外界的干擾。位檢測(cè)采樣的頻率為RX時(shí)鐘頻率的16分頻。方式1的接收時(shí)序如圖3-26所示，圖中RX時(shí)鐘的頻率就是接收的波特率。圖3-26方式1的接收時(shí)序

當(dāng)一幀數(shù)據(jù)接收完畢，須同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件，接收才真正有效：

①RI=0，即上一幀數(shù)據(jù)接收完成時(shí)，RI=1發(fā)出的中斷請(qǐng)求已被響應(yīng)，SBUF中的數(shù)據(jù)已被取走，說(shuō)明“接收SBUF”已空。

②SM2=0或收到的停止位=1(方式1時(shí)，停止位已進(jìn)入RB8)，則收到的數(shù)據(jù)裝入SBUF和RB8(RB8裝入停止位)，且置中斷標(biāo)志RI為“1”。

若上述兩個(gè)條件不能同時(shí)滿足，則收到的數(shù)據(jù)將丟失。

3.方式2和方式3

方式2和方式3下，串行口工作在11位異步通信方式。一個(gè)幀信息包含一個(gè)起始位(0)、8個(gè)數(shù)據(jù)位、一個(gè)可編程第9數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位(1)。其中可編程位是SCON中的TB8位，在8個(gè)數(shù)據(jù)位之后，可作奇偶校驗(yàn)位或地址/數(shù)據(jù)幀的標(biāo)志位使用，方式2和方式3的幀格式如圖3-27所示。方式2和方式3兩者的差異僅在于通信波特率有所不同：方式2的波特率是固定的，由主頻fosc經(jīng)32或64分頻后提供，方式3的波特率是可變的。圖3-27方式2和方式3的幀格式

方式2的波特率由下式確定：

方式3的波特率由下式確定：

(1)方式2(或3)發(fā)送。

發(fā)送前，先根