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1、8051单片机的工作方式单片机的工作方式 一,中央处理器CPU及时序 (一)中央处理器CPU MCS-51内部有一个功能很强的8位中央处理器CPU,它决定了单片机的主要功能特性,完成对指令的解释和运算,为执行指令提供所必须的运算,逻辑和控制线路.它由运算器,控制器和专用寄存器组等构成. 1.运算器 运算器包括算术逻辑运算部件ALU,累加器ACC,寄存器B,暂存器TMP1和TMP2,程序状态字寄存器PSW,十进制调整电路和以及布尔处理器等.该模块的主要功能是实现算术运算,逻辑运算,数据传送和位变量处理等.具体包括加,减,乘,除算术运算;与,或,异或,循环,求补等逻辑运算;十进制调整,加1,减1运
2、算;置1,清0,取反操作;数据传送操作等.同时还具有一般微机所不具有的位处理功能,这也是单片机能成为面向控制的微处理器的重要原因. 2.控制器 控制器控制着单片机系统完成各种操作.控制器一般包括时钟电路,复位电路,定时控制逻辑,指令寄存器IR,指令译码器ID,程序计数器PC和信息传送控制部件等.它以主振频率为基准,由定时控制逻辑发出CPU时序,将指令寄存器中存放的指令码取出送指令译码器进行译码,再由信息传送控制部件发出一系列的控制信号,控制单片机各部分运行,完成指令指定的功能. (二)时钟电路 时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号.单片机在时钟信号控制下,各部件之间协调一致地工作,时钟信号
3、控制着计算机的工作节奏. 如图2-5所示为MCS-51单片机的时钟电路.在图2-5a)中,引脚XTALl和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容,可以和芯片内部的振荡器构成一个稳定的自激振荡器,这就是单片机的时钟电路,这种方式称之为内部时钟源方式.电容器C和C的主要作用是帮助振荡器起振,且电容器大小对振荡频率有微调作用,典型值为C=C=30pF.振荡频率主要由石英晶振的频率确定,目前,51系列单片机的晶振频率范围是fosc为1.2MHz60MHz,其典型值为6MHz,12MHz,11.0592MHz,20MHz,24MHz,33 MHz,40MHz等. 8051的工作时钟也可以由外部时钟信号提
4、供,如图2-5b)所示,外部的时钟信号由XTAL2引脚引入.由于XTAL2端逻辑电平不是TTL的,故需外接一上拉电阻,外接的时钟频率应低于12MHz. 另外,80C51的外部时钟接法与8051不同,如图2-5c)所示,其外部时钟信号由XTALl脚引入,而XTAL2脚悬空. (三)CPU时序 1.时序的概念 所谓时序是指各种信号的时间序列,它表明了指令执行中各种信号之间的相互关系.单片机本身就是一个复杂的时序电路,CPU执行指令的一系列动作都是在时序电路控制下一拍一拍进行的.为达到同步协调工作的目的,各操作信号在时间上有严格的先后次序,这些次序就是CPU的时序. CPU的时序信号有两大类:一类用
5、于单片机内部,控制片内各功能部件;另一类信号通过控制总线送到片外,这类控制信号的时序在系统扩展中比较重要,我们应当了解. 2.时序的基本单位 8051单片机以晶体振荡器的振荡周期(或外部引入的时钟信号的周期)为最小的时序单位.所以片内的各种微操作都是以晶振周期为时序基准.如图2-6所示为8051单片机的时钟信号图. 由图中可以看出,8051单片机的基本定时单位共有四个,它们从小到大分别是: 晶振周期 由振荡电路产生的振荡脉冲的周期,又称节拍(如P1,P2). 时钟周期 它是晶振周期的两倍,也即一个时钟周期包含两个相互错开的节拍,也称S状态时间. 机器周期 MCS-51单片机有固定的的机器周期,
6、它是由晶振频率12分频后形成的,也就是说,一个机器周期是晶振周期的12倍宽. 单片机的基本操作周期为机器周期.一个机器周期有6个状态,每个状态由两个脉冲(晶振周期)组成. 即:1个机器周期=6个状态周期=12个晶振周期. 若单片机采用12MHz的晶体振荡器,则一个机器周期为1s,若采用6MHz的晶体振荡器,则一个机器周期为2s. 指令周期 指令周期是执行一条指令所需要的时间.不同的指令,其执行时间各不相同,如果用占用机器周期多少来衡量的话,MCS-51单片机的指令可分为单周期指令,双周期指令及四周期指令. 3.CPU的典型时序 单片机的指令的执行过程分为取指令,译码,执行三个过程.取指的过程实
7、质上是访问程序存储器的过程,其时间长短取决于指令的字节数;译码与执行的时间长短取决于指令的类型.对于MCS-51单片机的指令系统,其指令长度为13个字节.其中单字节指令的运行时间有单机器周期,双机器周期和四机器周期;双字节指令有双字节单机器周期指令和双字节双机器周期指令;三字节指令则都为双机器周期指令.下面就简单介绍几个典型的时序. 对于单机器周期指令,是在S1P2时刻把指令读入指令寄存器,并开始执行指令,在S6P2结束时完成指令操作.中间在S4P2时刻读的下一条指令要丢弃,且程序计数器PC也不加1.对于双字节单机器周期指令,则在同一机器周期的S4P2时刻将第二个字节读入指令寄存器,并开始执行
8、指令.无论是单字节还是双字节指令,均在S6P2时刻结果该指令的操作.如图2-7 a),图2-7 b)所示. 对于单字节双周期指令,在2个机器周期内要发生4次读操作码的操作,由于是单字节指令,后3次读操作都无效,如图2-7 c)所示.但访问外部数据存储器指令MOVX的时序有所不同.它也是单字节双周期指令,在第一机器周期有2次读操作,后一次无效,从S5时刻开始送出外部数据存储器的地址,随后读或写数据,读写期间在ALE端不产生有效信号.在第二个机器周期,不发生读操作,如图2-7 d)所示. 通常算术和逻辑操作在节拍P1期间进行,内部寄存器的传送在节拍P2期间进行. 二,单片机的工作方式 MCS-51
9、系列单片机中,8051及80C51的工作方式有:复位方式,程序执行方式,掉电方式,低功耗方式以及EPROM编程和校验方式.单片机不同的工作方式,代表单片机处于不同的状态.单片机工作方式的多少,是衡量单片机性能的一项重要指标. (一)单片机的复位方式 复位是单片机进入工作状态的初始化操作,是使CPU和系统中其它部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作.另外,当程序运行错误或由于错误操作而使单片机进入死锁状态时,也可以通过复位进行重新启动.复位后,单片机内部寄存器的值被初始化,其值见表2-5.了解单片机内部寄存器初始化的状态,对于熟悉单片机的操作,简化应用程序的初始化过程是很有必要的.
10、表2-5 单片机复位后内部各寄存器状态 寄存器名 内容 寄存器名 内容 PC 0000H TH0 00H ACC 00H TL0 00H B 00H TH1 00H PSW 00H TL1 00H SP 07H SBUF 不定 DPTR 0000H TMOD 00H P0P3 FFH SCON 00H IP 00000B PCON(HMOS) 0B IE 000000B PCON(CHMOS) 00000B TCON 00H MCS-51系列单片机的RST引脚是复位信号的引入端,复位信号为高电平有效,其所需时间在2个机器周期(24个振荡周期)以上. 复位操作还会把ALE和变为无效状态,即ALE
11、=0,=1.但复位操作不影响片内RAM单元的内容. 单片机复位的方式有:上电自动复位和按键手动复位.按键手动复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位两种,复位电路如图2-8所示. 如图2-8 a)所示,上电自动复位是通过电容充电来实现的.通过选择适当的和的值,就能够使RST引脚上的高电平保持两个机器周期以上,以实现在上电的同时,完成单片机的复位. 图2-8 b)和图2-8 c)是通过RST经电阻与电源相连接或利用RC微分电路产生的正脉冲来实现按键复位的.这两个电路同时也具备上电自动复位的功能. (二)程序执行方式 程序执行方式是单片机的基本工作方式,由于单片机复位后PC=0000H,所以程序总是从
12、地址0000H开始执行.程序执行方式又可分为连续执行和单步执行两种. 1.连续执行方式 连续执行方式是从指定地址开始连续执行程序存储器ROM中存放的程序,每读一次程序,PC自动加1. 2.单步运行方式 程序的单步运行方式是在单步运行键的控制下实现的,每按一次单步运行键,程序顺序执行一条指令.单步运行方式通常只在用户调试程序时使用,用于观察每条指令的执行情况. (三)节电工作方式 MCS-51单片机中有HMOS和CHMOS两种工艺芯片,它们的节电运行方式不同,HMOS单片机的节电工作方式只有掉电工作方式,CHMOS单片机的节电工作方式有掉电工作方式和空闲工作方式两种.单片机的节电工作方式,是由其
13、内部的电源控制寄存器PCON中的相关位来控制的.PCON寄存器的控制格式如下: 位序 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 位符号 SMOD GF1 GF0 PD IDL PCON的各位定义如下: SMOD:串行口波特率倍率控制位(详见第六章串行口波特率一节). GFl,GF0:通用标志位. PD:掉电方式控制位.PD=1进入掉电工作方式. IDL:空闲方式控制位.IDL=l,进入空闲工作方式. 如同时将PD和IDL置1,则进入掉电工作方式.PCON寄存器的复位值为0XXX0000,PCON.4PCON.6为保留位,用户不能对它们进行写操作. 1.空闲工作方式 当程序将PCON的ID
14、L位置1后,系统就进入了空闲工作方式. 空闲工作方式是在程序运行过程中,用户在CPU无事可做或不希望它执行程序时,进入的一种降低功耗的待机工作方式.在此工作方式下,单片机的工作电流可降到正常工作方式时电流的15%左右. 在空闲工作方式时,振荡器继续工作,中断系统,串行口以及定时器模块由时钟驱动工作,但时钟不提供给CPU.也就是说,CPU处于待机状态,工作暂停.与CPU有关的SP,PC,PSW,ACC的状态以及全部工作寄存器的内容均保持不变,I/O引脚状态也保持不变.ALE和保持逻辑高电平. 退出空闲方式的方法有两种,一种是中断退出,一种是按键复位退出. 任何的中断请求被响应都可以由硬件将PCO
15、N.0(IDL)清0,从而中止空闲工作方式.当执行完中断服务程序返回时,系统将从设置空闲工作方式指令的下一条指令开始继续执行程序.另外,PCON寄存器中的GF0和GF1通用标志可用来指示中断是在正常情况下或是在空闲方式下发生.例如,在执行设置空闲方式的指令前,先置标志位GF0(或GF1);当空闲工作方式被中断中止时,在中断服务程序中可检测标志位GF0(或GF1),以判断出系统是在什么情况下发生的中断,如GF0(或GF1)为1,则是在空闲方式下进入的中断. 另一种退出空闲方式的方法是按键复位,由于在空闲工作方式下振荡器仍然工作,因此复位仅需2个机器周期便可完成.而RST端的复位信号直接将PCON
16、.0(IDL)清0,从而退出空闲状态,CPU则从进入空闲方式的下一条指令开始重新执行程序.在内部系统复位开始,还可以有23个指令周期,在这一段时间里,系统硬件禁止访问内部RAM区,但允许访问I/O端口.一般地,为了防止对端口的操作出现错误,在设置空闲工作方式指令的下一条指令中,不应该是对端口写或对外部RAM写指令. 2.掉电工作方式 当CPU执行一条置PCON.1位(PD)为1的指令后,系统即进入掉电工作方式. 掉电的具体含义是指由于电源的故障使电源电压丢失或工作电压低于正常要求的范围值.掉电将使单片机系统不能运行,若不采取保护措施,会丢失RAM和寄存器中的数据,为此单片机设置有掉电保护措施,
17、进行掉电保护处理.具体做法是:检测电路一旦发现掉电,立即先把程序运行过程中有用信息转存到RAM,然后启用备用电源维持RAM供电. 在掉电工作方式下,单片机内部振荡器停止工作.由于没有振荡时钟,因此,所有的功能部件都停止工作.但内部RAM区和特殊功能寄存器的内容被保留,端口的输出状态值都保存在对应的SFR中,ALE和都为低电平.这种工作方式下的电流可降到15 A以下,最小可降到0.6 A. 退出掉电方式的惟一一个方法是由硬件复位,复位时将所有的特殊功能寄存器的内容初始化,但不改变内部RAM区的数据. 在掉电工作方式下,Vcc可以降到2V,但在进入掉电方式之前,Vcc不能降低.而在准备退出掉电方式之前,Vcc必须恢复正常的工作电压值,并维持一段时间(约10ms),使振荡器重新启动并稳定后方可退出掉电方式. (四)EPROM编程和校验方式 对于片内程序存储器为EPROM型的单片机,如8751型单片机,需要一种对EPROM可以操作的工作方式,即用户可对片内的EPROM进行编程和校验.关于对片内EPROM编程和校验的具体方式,大家可参看有关资料.
