51單片機(jī)管腳說明
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當(dāng)我們拿到一塊單片機(jī)芯片時(shí),看到這么多的“大腿”,他們都有干什么用的？了解了51家族的淵源,現(xiàn)在我們就去了解一下它們的“腿”吧。大家可得學(xué)好了,這可是至關(guān)重要的喲。如果連手跟腿都分不清,要學(xué)好單片機(jī)那就有如憑空造屋了。
這一章節(jié)相當(dāng)管用,希望大家能用心學(xué)好,如果這一章節(jié)學(xué)不好,以后學(xué)習(xí)會(huì)有很大的阻力。（我們的教材都是以51系列的單片機(jī)來進(jìn)行講解的）。
引腳功能：
MCS-51是標(biāo)準(zhǔn)的40引腳雙列直插式集成電路芯片,引腳分布請(qǐng)參照----單片機(jī)引腳圖：
l P0.0~P0.7 P0口8位雙向口線（在引腳的39~32號(hào)端子）。
l P1.0~P1.7 P1口8位雙向口線（在引腳的1~8號(hào)端子）。
l P2.0~P2.7 P2口8位雙向口線（在引腳的21~28號(hào)端子）。
l P3.0~P3.7 P2口8位雙向口線（在引腳的10~17號(hào)端子）。
這4個(gè)I/O口具有不完全相同的功能,大家可得學(xué)好了,其它書本里雖然有,但寫的太深,對(duì)于初學(xué)者來說很難理解的,我這里都是按我自已的表達(dá)方式來寫的,相信你也能夠理解的。
P0口有三個(gè)功能：
1、外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí),當(dāng)做數(shù)據(jù)總線（如圖1中的D0~D7為數(shù)據(jù)總線接口）
2、外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí),當(dāng)作地址總線（如圖1中的A0~A7為地址總線接口）
3、不擴(kuò)展時(shí),可做一般的I/O使用,但內(nèi)部無上拉電阻,作為輸入或輸出時(shí)應(yīng)在外部接上拉電阻。
P1口只做I/O口使用：其內(nèi)部有上拉電阻。
P2口有兩個(gè)功能：
1、擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí),當(dāng)作地址總線使用
2、做一般I/O口使用,其內(nèi)部有上拉電阻;
P3口有兩個(gè)功能：
除了作為I/O使用外（其內(nèi)部有上拉電阻）,還有一些特殊功能,由特殊寄存器來設(shè)置,具體功能請(qǐng)參考我們后面的引腳說明。
有內(nèi)部EPROM的單片機(jī)芯片（例如8751）,為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源,這些信號(hào)也是由信號(hào)引腳的形式提供的,
即：編程脈沖：30腳（ALE/PROG）
編程電壓（25V）：31腳（EA/Vpp）
接觸過工業(yè)設(shè)備的兄弟可能會(huì)看到有些印刷線路板上會(huì)有一個(gè)電池,這個(gè)電池是干什么用的呢？這就是單片機(jī)的備用電源,當(dāng)外接電源下降到下限值時(shí),備用電源就會(huì)經(jīng)第二功能的方式由第9腳（即RST/VPD）引入,以保護(hù)內(nèi)部RAM中的信息不會(huì)丟失。
（注：這些引腳的功能應(yīng)用,除9腳的第二功能外,在“新動(dòng)力2004版”學(xué)習(xí)套件中都有應(yīng)用到。）
在介紹這四個(gè)I/O口時(shí)提到了一個(gè)“上拉電阻”那么上拉電阻又是一個(gè)什么東東呢？他起什么作用呢？都說了是電阻那當(dāng)然就是一個(gè)電阻啦,當(dāng)作為輸入時(shí),上拉電阻將其電位拉高,若輸入為低電平則可提供電流源;所以如果P0口如果作為輸入時(shí),處在高阻抗?fàn)顟B(tài),只有外接一個(gè)上拉電阻才能有效。
ALE 地址鎖存控制信號(hào)：在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí),ALE用于控制把P0口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存起來,以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。參見圖2（8051擴(kuò)展2KB EEPROM電路,在圖中ALE與4LS373鎖存器的G相連接,當(dāng)CPU對(duì)外部進(jìn)行存取時(shí),用以鎖住地址的低位地址,即P0口輸出。
由于ALE是以晶振六分之一的固定頻率輸出的正脈沖,當(dāng)系統(tǒng)中未使用外部存儲(chǔ)器時(shí),ALE腳也會(huì)有六分之一的固定頻率輸出,因此可作為外部時(shí)鐘或外部定時(shí)脈沖使用。
PSEN 外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)：在讀外部ROM時(shí)PSEN低電平有效,以實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。
1、內(nèi)部ROM讀取時(shí),PSEN不動(dòng)作;
2、外部ROM讀取時(shí),在每個(gè)機(jī)器周期會(huì)動(dòng)作兩次;
3、外部RAM讀取時(shí),兩個(gè)PSEN脈沖被跳過不會(huì)輸出;
4、外接ROM時(shí),與ROM的OE腳相接。
參見圖2—（8051擴(kuò)展2KB EEPROM電路,在圖中PSEN與擴(kuò)展ROM的OE腳相接）
EA/VPP 訪問和序存儲(chǔ)器控制信號(hào)
1、接高電平時(shí)：
CPU讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ROM）
擴(kuò)展外部ROM：當(dāng)讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器超過0FFFH（8051）1FFFH（8052）時(shí)自動(dòng)讀取外部ROM。
2、接低電平時(shí)：CPU讀取外部程序存儲(chǔ)器（ROM）。
3、8751燒寫內(nèi)部EPROM時(shí),利用此腳輸入21V的燒寫電壓。
RST 復(fù)位信號(hào)：當(dāng)輸入的信號(hào)連續(xù)2個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)即為有效,用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。
XTAL1和XTAL2 外接晶振引腳。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí),此二引腳用于外接石英晶體和微調(diào)電容;當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí),用于接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。
VCC：電源+5V輸入
VSS：GND接地。
各端口工作原理講解
并行端口
P0端口
總線I／O端口,雙向,三態(tài),數(shù)據(jù)地址分時(shí)復(fù)用,該端口除用于數(shù)據(jù)的輸入／輸出外,在8031單片機(jī)外接程序存儲(chǔ)器時(shí),還分時(shí)地輸出／輸入地址／指令。由Po端口輸出的信號(hào)無鎖存,輸入的信息有讀端口引腳和讀端口鎖存器之分。P0端口8位中的一位結(jié)構(gòu)圖見下圖：
在輸出狀態(tài)下,當(dāng)切換開關(guān)MUX向下時(shí),從內(nèi)部總線來的數(shù)據(jù)經(jīng)鎖存器反相和場(chǎng)效應(yīng)管T2反相,輸出到端口引腳線上。此時(shí),場(chǎng)效應(yīng)管T1關(guān)斷,因而這種輸出方式應(yīng)為外接上拉電阻的漏極開路式。當(dāng)切換開關(guān)MUX向上時(shí),一位地址／數(shù)據(jù)信號(hào)分時(shí)地輸出到端口線上。此外,由T1、T2的通斷組合,形成高電平、低電平與高阻浮動(dòng)三態(tài)的輸出。
在輸入狀態(tài)下,從鎖存器和從引腳上讀來的信號(hào)一般是一致的,但也有例外。例如,當(dāng)從內(nèi)部總線輸出低電平后,鎖存器Q＝0,Q＝1,場(chǎng)效應(yīng)管T2開通,端口線呈低電平狀態(tài)。此時(shí)無論端口線上外接的信號(hào)是低電乎還是高電平,從引腳讀入單片機(jī)的信號(hào)都是低電平,因而不能正確地讀入端口引腳上的信號(hào)。又如,當(dāng)從內(nèi)部總線輸出高電平后,鎖存器Q＝1,Q＝0,場(chǎng)效應(yīng)管T2截止。如外接引腳信號(hào)為低電平,從引腳上讀入的信號(hào)就與從鎖存器讀入的信號(hào)不同。為此,8031單片機(jī)在對(duì)端口P0一P3的輸入操作上,有如下約定：為此,8031單片機(jī)在對(duì)端口P0一P3的輸入操作上,有如下約定：凡屬于讀-修改-寫方式的指令,從鎖存器讀入信號(hào),其它指令則從端口引腳線上讀入信號(hào)。
讀-修改-寫指令的特點(diǎn)是,從端口輸入(讀)信號(hào),在單片機(jī)內(nèi)加以運(yùn)算(修改)后,再輸出(寫)到該端口上。下面是幾條讀--修改-寫指令的例子。
P0端口是8031單片機(jī)的總線口,分時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)D7一D0、低8位地址A7一AO,以及三態(tài),用來接口存儲(chǔ)器、外部電路與外部設(shè)備。P0端口是使用最廣泛的I／O端口。
P1端口:
通用I／0端口,準(zhǔn)雙向靜態(tài)口。輸出的信息有鎖存,輸入有讀引腳和讀鎖存器之分。P1端口的一位結(jié)構(gòu)見下圖. 由圖可見,P1端口與P0端口的主要差別在于,P1端口用內(nèi)部上拉電阻R代替了P0端口的場(chǎng)效應(yīng)管T1,并且輸出的信息僅來自內(nèi)部總線。由內(nèi)部總線輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)鎖存器反相和場(chǎng)效應(yīng)管反相后,鎖存在端口線上,所以,P1端口是具有輸出鎖存的靜態(tài)口。
由下圖可見,要正確地從引腳上讀入外部信息,必須先使場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷,以便由外部輸入的信息確定引腳的狀態(tài)。為此,在作引腳讀入前,必須先對(duì)該端口寫入l。具有這種操作特點(diǎn)的輸入／輸出端口,稱為準(zhǔn)雙向I／O口。8031單片機(jī)的P1、P2、P3都是準(zhǔn)雙向口。P0端口由于輸出有三態(tài)功能,輸入前,端口線已處于高阻態(tài),無需先寫入l后再作讀操作。
Pl端口是803l單片機(jī)中唯一僅有的單功能I／O端口,并且沒有特定的專用功能,輸出信號(hào)鎖存在引腳上,故又稱為通用靜態(tài)口。
P2端口:
P2端口的一位結(jié)構(gòu)見下圖：
由于8031單片機(jī)必須外接程序存儲(chǔ)器才能構(gòu)成應(yīng)用電路,而P2端口就是用來周期性地輸出從外存中取指令的地址(高8位地址),因此,P2端口的切換開關(guān)MUX總是在進(jìn)行切換,分時(shí)地輸出從內(nèi)部總線來的數(shù)據(jù)和從地址信號(hào)線上來的地址。因此P2端口是動(dòng)態(tài)的I／O端口。輸出數(shù)據(jù)雖被鎖存,但不是穩(wěn)定地出現(xiàn)在端口線上。其實(shí),這里輸出的數(shù)據(jù)往往也是一種地址,只不過是外部RAM的高8位地址。
在輸入功能方面,P2端口與P0和H端口相同,有讀引腳和讀鎖存器之分,并且P2端口也是準(zhǔn)雙向口。
可見,P2端口的主要特點(diǎn)包括：
①不能輸出靜態(tài)的數(shù)據(jù);
②自身輸出外部程序存儲(chǔ)器的高8位地址;
②執(zhí)行MOVX指令時(shí),還輸出外部RAM的高位地址,故稱P2端口為動(dòng)態(tài)地址端口。
P3端口:
雙功能靜態(tài)I／O口P3端口的一位結(jié)構(gòu)見下圖。
P3口的特殊功能（即第二功能）：
1串行I/O處于運(yùn)行狀態(tài)(RXD,TXD);
2打開了處部中斷(INT0,INT1);
3定時(shí)器/計(jì)數(shù)器處于外部計(jì)數(shù)狀態(tài)(T0,T1)
4執(zhí)行讀寫外部RAM的指令(RD,WR)
在應(yīng)用中,如不設(shè)定P3端口各位的第二功能(WR,RD信叼的產(chǎn)生不用設(shè)置),則P3端口線自動(dòng)處于第一功能狀態(tài),也就是靜態(tài)I／O端口的工作狀態(tài)。在更多的場(chǎng)合是根據(jù)應(yīng)用的需要,把幾條端口線設(shè)置為第二功能,而另外幾條端口線處于第一功能運(yùn)行狀態(tài)。在這種情況下,不宜對(duì)P3端口作字節(jié)操作,需采用位操作的形式。
端口的負(fù)載能力和輸入／輸出操作:
P0端口能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。如需增加負(fù)載能力,可在P0總線上增加總線驅(qū)動(dòng)器。P1,P2,P3端口各能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。
前已述及,由于P0-P3端口已映射成特殊功能寄存器中的P0一P3端口寄存器,所以對(duì)這些端口寄存器的讀／寫就實(shí)現(xiàn)了信息從相應(yīng)端口的輸入／輸出。例如：
MOV A, P1 ;把Pl端口線上的信息輸入到A
MoV P1, A ;把A的內(nèi)容由P1端口輸出
MOV P3, #0FFH ;使P3端口線各位置l
串行端口:
MCS-51系列單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)串行I／O端口,通過引腳RXD(P3．0)和TXD(P3．1)可與外設(shè)電路進(jìn)行全雙工的串行異步通信。
1．串行端口的基本特點(diǎn)
8031單片機(jī)的串行端口有4種基本工作方式,通過編程設(shè)置,可以使其工作在任一方式,以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需要。其中,方式0主要用于外接移位寄存器,以擴(kuò)展單片機(jī)的I／O電路;方式1多用于雙機(jī)之間或與外設(shè)電路的通信;方式2,3除有方式l的功能外,還可用作多機(jī)通信,以構(gòu)成分布式多微機(jī)系統(tǒng)。
串行端口有兩個(gè)控制寄存器,用來設(shè)置工作方式、發(fā)送或接收的狀態(tài)、特征位、數(shù)據(jù)傳送的波特率(每秒傳送的位數(shù))以及作為中斷標(biāo)志等。
串行端口有一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器SBUF(在特殊功能寄存器中的字節(jié)地址為99H),該寄存器為發(fā)送和接收所共同。發(fā)送時(shí),只寫不讀;接收時(shí),只讀不寫。在一定條件下,向陽UF寫入數(shù)據(jù)就啟動(dòng)了發(fā)送過程;讀SBUf就啟動(dòng)了接收過程。
串行通信的波特率可以程控設(shè)定。在不同工作方式中,由時(shí)鐘振蕩頻率的分頻值或由定時(shí)器Tl的定時(shí)溢出時(shí)間確定,使用十分方便靈活。
2．串行端口的工作方式
①方式0
8位移位寄存器輸入／輸出方式。多用于外接移位寄存器以擴(kuò)展I／O端口。波特率固定為fosc/12。其中,fosc為時(shí)鐘頻率。
在方式0中,串行端口作為輸出時(shí),只要向串行緩沖器SBUF寫入一字節(jié)數(shù)據(jù)后,串行端口就把此8位數(shù)據(jù)以等的波特率,從RXD引腳逐位輸出(從低位到高位);此時(shí),TXD輸出頻率為fosc/12的同步移位脈沖。數(shù)據(jù)發(fā)送前,僅管不使用中斷,中斷標(biāo)志TI還必須清零,8位數(shù)據(jù)發(fā)送完后,TI自動(dòng)置1。如要再發(fā)送,必須用軟件將TI清零。
串行端口作為輸入時(shí),RXD為數(shù)據(jù)輸入端,TXD仍為同步信號(hào)輸出端,輸出頻率為fosc/12的同步移位脈沖,使外部數(shù)據(jù)逐位移入RxD。當(dāng)接收到8位數(shù)據(jù)(一幀)后,中斷標(biāo)志RI自動(dòng)置。如果再接收,必須用軟件先將RI清零。
串行方式0發(fā)送和接收的時(shí)序過程見下圖。
②方式1
一條寫SBUF指令就可啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送過程。在發(fā)送移位時(shí)鐘(由波特率確定)的同步下,從TxD先送出起始位,然后是8位數(shù)據(jù)位,最后是停止位。這樣的一幀10位數(shù)據(jù)發(fā)送完后,中斷標(biāo)志TI置位。
在允許接收的條件下(REN＝1),當(dāng)RXD出現(xiàn)由1到O的負(fù)跳變時(shí),即被當(dāng)成是串行發(fā)送來的一幀數(shù)據(jù)的起始位,從而啟動(dòng)一次接收過程。當(dāng)8位數(shù)據(jù)接收完,并檢測(cè)到高電乎停止位后,即把接收到的8位數(shù)據(jù)裝入SBUF,置位RI,一幀數(shù)據(jù)的接收過程就完成了。
方式1的數(shù)據(jù)傳送波特率可以編程設(shè)置,使用范圍寬,其計(jì)算式為：
波特率＝2SMOD/32×(定時(shí)器T1的溢出率)
其中,SMOD是控制寄存器PCON中的一位程控位,其取值有0和l兩種狀態(tài)。顯然,當(dāng)SMOD＝0時(shí),波特率＝1/32(定時(shí)器Tl溢出率),而當(dāng)SMOD＝1時(shí),波特率＝1/16(定時(shí)器T1溢出率)。所謂定時(shí)器的溢出率,就是指定時(shí)器一秒鐘內(nèi)的溢出次數(shù)。波特率的算法,以及要求一定波特率時(shí)定時(shí)器定時(shí)初值的求法,后面將詳細(xì)討論。 ·
串行方式1的發(fā)送和接收過程的時(shí)序見下圖。
③方式2,3
11位異步通信方式。其中,1個(gè)起始位(0),8個(gè)數(shù)據(jù)位(由低位到高位),1個(gè)附加的第9位和1個(gè)停止住(1)。方式2和方式3除波特率不同外,其它性能完全相同。方式2,3的發(fā)送、接收時(shí)序見下圖。
由圖可見,方式2和方式3與方式l的操作過程基本相同,主要差別在于方式2,3有第9位數(shù)據(jù)。
發(fā)送時(shí),發(fā)送機(jī)的這第9位數(shù)據(jù)來自該機(jī)SCON中的TB8,而接收機(jī)將接收到的這第9位數(shù)據(jù)送入本機(jī)SCON中的RB8。這個(gè)第9位數(shù)據(jù)通常用作數(shù)據(jù)的奇偶檢驗(yàn)位,或在多機(jī)通信中作為地址／數(shù)據(jù)的特征位。
方式2和方式3的波特率計(jì)算式如下：
方式2的波特率＝2SMOD/64×fosc
方式3的波特率＝2SMOD/32×定時(shí)器T1的溢出率
由此可見,在晶振時(shí)鐘頻率一定的條件下,方式2只有兩種波特率,而方式3可通過編程設(shè)置成多種波特率,這正是這兩種方式的差別所在。
3．串行端口的控制寄存器
串行端口共有2個(gè)控制寄存器SCON和PCON,用以設(shè)置串行端口的工作方式、接收／發(fā)送的運(yùn)行狀態(tài)、接收／發(fā)送數(shù)據(jù)的特征、波特率的大小,以及作為運(yùn)行的中斷標(biāo)志等。
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