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1、 任务一了解汽车电子控制技术一、任务工作页 先由学生熟悉如下工作页，了解本任务内容。在学习该任务所涉及的知识后，在老师的指导下完成本任务，同时完成工作页内容的填写。二、任务所涉及的知识（一）汽车电子控制技术的发展概况 汽车电子控制技术是汽车技术与电子技术结合的产物，并伴随着汽车油耗法规、排放法规、安全法规要求的提高和电子技术的进步而逐步发展到当今的水平。世界汽车电子控制技术的发展过程大致可分为分立电子元件控制、集成电路控制和微型计算机控制个阶段。下一页返回第1页/共96页任务一了解汽车电子控制技术 第一阶段（年）：汽车电子设备主要采用分立电子元件组成电子控制器，从而揭开了汽车电子时代的序幕，并
2、由分立电子元件产品向集成电路产品过渡。其主要产品有二极管整流式交流发电机、电子式电压调节器、电子式点火控制器、电子式闪光器、电子式间歇刮水控制器、晶体管收音机、数字时钟等。上一页下一页返回第2页/共96页任务一了解汽车电子控制技术 第二阶段（年）：汽车电子设备广泛采用集成电路和位微处理器进行控制，主要开发研究专用的独立控制系统。其主要产品有电子燃油喷射系统、空燃比反馈控制系统、电子控制自动变速系统、防抱死制动系统、安全气囊系统、座椅安全带收紧系统、车辆防盗系统、巡航控制系统、车辆导航系统、车身高度自动控制系统、故障自诊断系统等。第三阶段（年）：汽车电子设备广泛应用位或位字长的微处理器进行控制，
3、控制技术向智能化方向发展。其主要产品有发动机燃油喷射与点火综合控制系统、牵引力控制系统、区域网络通信系统、四轮转向控制系统、轮胎气压控制系统、声音合成与识别系统、自动防追尾碰撞系统和自动驾驶系统等。上一页下一页返回第3页/共96页任务一了解汽车电子控制技术（二）电子控制技术在汽车上的应用 随着汽车电子控制技术的发展，世界各国在汽车的各个系统竞相采用电子控制装置。目前比较多见、成熟的汽车电子控制系统主要有动力传动总成的电子控制、底盘电子控制、车身电子控制、信息通信系统等。动力传动总成的电子控制 动力传动总成的电子控制主要包括发动机电子控制、变速箱电子控制和动力总成的整体控制等。它用于实现低油耗、
4、低污染，减少动力传动系统的冲击，减轻驾驶员的疲劳，提高汽车的动力性、经济性和舒适性。上一页下一页返回第4页/共96页任务一了解汽车电子控制技术底盘电子控制 底盘电子控制包括悬架的电子控制、防抱死制动控制（）、驱动防滑控制（）、电子控制动力转向（）、四轮转向（）控制、巡航控制（）系统等。车身的电子控制 车身电子控制包括安全气囊电子控制、车用空调控制、防盗系统、门锁控制、车灯控制、雨刷控制等。上一页下一页返回第5页/共96页任务一了解汽车电子控制技术（三）汽车电子控制技术的发展趋势 随着汽车工业与电子工业的不断发展，在现代汽车上，电子技术的应用越来越广泛。今天的汽车已经逐步进入了计算机控制的时代。
5、电子技术在解决提高汽车性能、环保、能源、安全等问题中占有不可替代的重要地位。世纪，汽车将应用电子计算机网络和信息技术，在汽车与社会紧密相连方面具有较大进展，包括广泛应用全球定位系统（）和广泛使用车载信息系统，以及采用多路传输系统来集成汽车所有零部件的电子控制模块，使整个汽车电子系统具有数据融合、故障诊断和一定的自我修复功能。上一页下一页返回第6页/共96页任务一了解汽车电子控制技术汽车电子控制趋于集中化自动调速汽车与自动化高速公路未来汽车移动的办公室上一页返回第7页/共96页任务二掌握-单片机的结构和原理一、任务工作页 先由学生熟悉如下工作页，了解本任务内容。在学习该任务所涉及的知识后，在老师
6、的指导下完成本任务，同时完成工作页内容的填写。二、任务所涉及的知识 本项任务主要是使学生掌握-单片机的结构和原理。要完成任务，有必要先了解-单片机的内部组成及信号引脚、工作方式、具体应用、内部组成的扩展技术等知识。下一页返回第8页/共96页任务二掌握-单片机的结构和原理 单片机的发展意义：单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，简称单片机。单片微型计算机是把组成微型计算机的各个功能部件中央处理器（）、随机存取存储器（）、只读存储器（）、输入输出（）接口、定时器、计数器及串行通信接口等采用大规模集成技术集成制作在一块芯片中，构成一个完整的微型计算机。它特别适用于控制领域，其结构和指令功能都是按
7、照工业控制要求来设计的，因而又叫做单片微控制器（），在国外也把它叫做单片微型计算机（）。单片机出现的历史并不长，它的产生和发展与微处理器大体上同步，其发展过程通常可以分为以下几个阶段。上一页下一页返回第9页/共96页任务二掌握-单片机的结构和原理第一阶段（年）这是单片机发展的起步阶段。年月，美国公司推出了微处理器，这是最早出现的微处理器。第二阶段（年）这是初级单片机阶段，此阶段以公司的为代表，该系列单片机无串行口，其寻址范围不大于。这个阶段生产的单片机已经能够在单块芯片内集成有位中央处理器、随机存取存储器、只读存储器、并行输入输出接口、位定时器计数器等功能部件，但性能低、品种少，应用范围也不广
8、。上一页下一页返回第10页/共96页任务二掌握-单片机的结构和原理第三阶段（年）此阶段为高性能单片机阶段。这一阶段的单片机一般带有串行口，有多级中断处理系统、位定时器计数器，它和前两个阶段相比，其存储容量和寻址范围增大，而且中断源、并行接口和定时器个数有了不同程度的增加；在指令系统方面普遍增加了乘除法和比较指令，有的片内还带有转换器接口。此类单片机有公司的-、公司的和公司的等，这类单片机的应用领域非常广泛，其中-系列产品以其优良的性价比，特别适用于我国的各相关领域。目前，-已经在国内的各个领域得到广泛应用。上一页下一页返回第11页/共96页任务二掌握-单片机的结构和原理第四阶段（年以后）此阶段
9、为位单片机和位单片机并行发展的时代。最早的位微处理器出现在年，现在位微处理芯片已经进入超大规模集成电路行列，如就包含了个器件。此阶段一方面发展位单片机及专用单片机，另一方面不断完善高档位单片机以满足不同的用户需要。位单片机的特点是工艺先进、集成度高和内部功能强、运算速度快，而且允许用户采用面向工业控制的专用语言，如、和语言等，具有代表性的产品有系列、公司的、公司的系列和公司的等。上一页下一页返回第12页/共96页任务二掌握-单片机的结构和原理第五阶段 位单片机。年公司的位微处理器问世，真正在市场中开始广泛应用的位微处理器是年由公司推出的，它集成了个器件。单片机按其应用领域主要划分为以下个方面。
10、智能化仪器仪表实时工业控制网络与通信家用电器计算机智能终端上一页下一页返回第13页/共96页任务二掌握-单片机的结构和原理（一）-单片机的内部组成及信号引脚 -单片机的片内结构如图-所示。单片机是把那些作为控制应用所必需的基本功能部件都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。它由如下功能部件组成：中央处理器（），随机存储器（），程序存储器（，没有此部件），个位并行口（口、口、口、口），个串行口，个位定时器计数器，中断系统，特殊功能寄存器（，）。上一页下一页返回第14页/共96页任务二掌握-单片机的结构和原理 1.图1-2-1中的各功能部件 (1)中央处理器 MCS-51单片机中有1个8位的CPU，
11、与通用的CPU基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的位处理功能。(2)随机存储器 随机存储器片内为128B(52子系列的为256B)，片外最多可外扩64 KB。片内的128 B的RAM，以高速RAM的形式集成在单片机内，可以加快单片机运行的速度，而且这种结构的RAM还可以降低功耗 上一页下一页返回第15页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(3)程序存储器 程序存储器用来存储程序，8031无此部件;80s1为4KB的ROM;87s1则为4KB的EPROM。如果片内只读存储器的容量不够，片外最多可外扩只读存储器的容量至64 KB(4)中断系统 中断系统具有
12、5个中断源，2级中断优先权(5)定时器/计数器 片内有2个16位的定时器/计数器(52子系列有3个16位的定时器/计数器)，具有4种工作方式上一页下一页返回第16页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(6)串行口 I个全双工的串行口，具有4种工作方式。它可用来进行串行通信，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强，且应用更广。(7)Pl口、P2口、P3口、PO口 P1口、P2口、P3口、PO口为4个并行8位I/O口。(8)特殊功能寄存器 特殊功能寄存器共有21个，用于CPU对片内各功能部件进行管理、控制、监视。它实际上是一些控制寄存器和状态寄存器
13、，是一个具有特殊功能的RAM区。上一页下一页返回第17页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理 2.MCS-51单片机的引脚 要掌握MCS-51单片机，应首先了解MCS-51单片机的引脚，熟悉并牢记各引脚的功能。MCS-51以及80051系列中各种型号芯片的引脚是互相兼容的。制造工艺为HMOS的MCS-51单片机都采用40只引脚的双列直插封装(DIP)方式，如图1-2-2所示，目前大多数引脚为此类封装方式。制造工艺为CHMOS的80031/80051/87051单片机，除采用DIP封装方式外，还采用方形封装方式，为44只引脚(其中4只是无用的引脚)，如图1-2-3所示。上一页下一页
14、返回第18页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(二)MCS-51单片机的中央处理器 1.运算器 运算器主要用来对操作数进行算术、逻辑运算和位操作。运算器主要包括算术/逻辑运算单元(ALU),累加器A、程序状态字寄存器(PST)以及BCD码修正电路等 (1)算术/逻辑运算单元 ALU的功能十分强大，它不仅可对8位变量进行逻辑“与”、“或”、“异或”、循环、求补和清0等基本操作，还可以进行加、减、乘、除等基本算术运算。MCS-51单片机的ALU还具有位处理操作功能，它可对位(bit)变量进行位处理，如置位、清0、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”等操作上一页下一页返回第19页/共9
15、6页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(2)累加器A 累加器A是一个8位的暂存器，也可记作Acc累加器的作用是:1)累加器A是ALU单元的输入数据源之一，它又是ALU运算结果的存放单元。2)CPU中的数据传送大多都通过累加器A，故累加器A又相当于数据的中转站。为克服累加器结构所具有的“瓶颈堵塞”现象，MCS-51单片机增加了一部分可以不经过累加器的传送指令，这样，可减少累加器的“瓶颈堵塞”现象。累加器A的进位标志Cy是特殊的，因为它同时又是中央处理器的位累力口暑悬。上一页下一页返回第20页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(3)程序状态字寄存器 MCS-51单片机的程序状
16、态字寄存器PSW (program status word)位于单片机片内的特殊功能寄存区，字节地址为DOH。PSW的不同位包含了程序运行状态的不同信息，PSW的格式如图1-2-4所示。2.控制器 控制器的主要任务是识别指令，并根据指令的性质去控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。控制器主要包括程序计数器、程序地址寄存器、指令寄存器(IR)、指令泽码器、条件转移逻辑电路及时序控制逻辑电路。上一页下一页返回第21页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(三)MCS-51单片机存储器的结构 MCS-51单片机存储器采用的是哈佛(Har-vard)结构，即程序存储
17、器空间和数据存储器空间各自独立。MCS-51单片机的存储器空间可划分为以下5类。1)程序存储器:MCS-51单片机能够按照一定的次序进行工作，是由于程序存储器中存放了经调试正确的应用程序和表格之类的固定常数。程序存储器可以分为片内和片外两部分。8031由于无内部程序存储器，所以只能通过外部扩展程序存储器来存放程序。上一页下一页返回第22页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理 2)内部数据存储器:MCS-51单片机内部有128 B的随机存取存储器，用作处理问题的数据缓冲区。3)特殊功能寄存器:SFR实际上是MCS-51单片机各功能部件的状态及控制寄存器。SFR综合地、实际地反映了整
18、个单片机系统内部的工作状态及工作方式。4)位地址空间:MCS-51单片机内共有211个可寻址位，构成了位地址空间。它们存在于内部RAM(共有128个)和特殊功能寄存器区(共有83个)中 5)外部数据寄存器:当MCS-51单片机的片内RAM不够用时，又给用户提供了在片外可扩展64 KB的RAM的能力，至于究竟扩展多少，则根据用户实际需要来定。上一页下一页返回第23页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(四)I/O端口、时钟电路与时序 MCS-51单片机共有4个双向的8位并行I/O端口(port)，分别记作P0P3。端口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。各口除了按字节
19、输入/输出外，它们的每一条口线也可以单独作为位输入/输出线。P1口、P2口、P3口是3个8位准双向的I/O口，当这3个口用作通用I/O口时，在输入引脚信息前，向对应的锁存器写1，使这3个口处于无高阻的“浮空”状态 而双向口PO口线除了作为输入/输出外，还可处于高阻的“浮空”状态，故称为双向三态I/O口。上一页下一页返回第24页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理 1.P0口的结构 P0口的字节地址为80H，位地址为80H 87H。口的各位口线具有完全相同但又相互独立的逻辑电路，P0口某一位的位结构如图1-2-7所示。2.P1口 P1口是MCS-51单片机的唯一单功能口，字节地址为
20、90H，位地址为90H 97H,Pl口某一位的位结构如图1-2-8所示。3.P2口 P2口的字节地址为A0H，位地址为A0H A7H。P2口某一位的位结构如图1-2-9所示。上一页下一页返回第25页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理 4.P3口 P3口的字节地址为BOH，位地址为BOHB7 H。P3口某一位的位结构如图1-2-10所示。5.P0P3口功能总结 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，以便进行两种用途的转换。而P1口和P3口没有构
21、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。由于PO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。而咫口仅作为高位地址线使用，不涉及数据，所以MUX仅有的一个输入信号为“地址”。上一页下一页返回第26页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理 2)在4个口中只有PO口是一个真正的双向口，P1 P3这3个口都是准双向口。其原因是在应用系统中，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
22、求P0口的输出缓冲器是一个三态门。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口与其他各口的不同之处上一页下一页返回第27页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理 6.时钟电路与时序 时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所必需的时钟控制信号。MCS-51单片机的内部电路在时钟信号控制下，严格地按时序执行指令进行工作。而时序所研究的是指令执行中各个信号在时间上的关系。(1)时钟电路 MCS-51单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准的，有条不紊一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直
23、接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路设计有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。上一页下一页返回第28页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(2)机器周期、指令周期与指令时序 单片机执行指令的过程均是在CPU控制器的时序控制电路的控制下进行的各种时序均与时钟周期有关。上一页下一页返回第29页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(五)MCS-51单片机的工作方式 1.指令与程序概述 指令是规定计算机执行某种操作(如加、减等)的命令，CPU是根据指令来指挥和控制计算机各部分协调地工作，完成规定的操作。指令是由二进制代码表示的，通常指令分为操作码和操作数
24、两部分。操作码规定操作的类型，操作数给出参加操作的数据和存放数据的地址。计算机全部指令的集合称为指令系统，指令系统的性能与计算机硬件密切相关，不同的计算机指令系统不完全相同，程序工程师根据任务要求有序地编排指令的集合，程序的编制称为程序设计。为了运行和管理计算机所编制的各种程序的总和称为系统软件，一般单片机中没有系统软件，而只能装载用户自己编制的应用软件。上一页下一页返回第30页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理 2.CPU的工作原理 在执行程序中起关键作用的是CPU,所以首先介绍CPU的工作原理。CPU主要由运算器和控制器这两大部分组成。控制器根据指令码产生控制信号，使运算器
25、、存储器、输入/输出端口之间能自动协调地工作，运算器用于进行算术、逻辑运算以及位操作处理等。(1)控制器 控制器是用来统一指挥和控制计算机工作的部分，它的功能是接收来自存储器中的逐条指令，进行指令泽码，并通过定时和控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部控制信息及CPU外部所需的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的各种操作。它由指令部件、时序部件和操作控制部件等三部分组成。上一页下一页返回第31页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(2)运算器 运算器是用于对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件，包括算术/逻辑运算单元、累加器Acc (accumulator),暂
26、存寄存器、程序状态字寄存器、通用寄存器、BCD码运算调整电路等为了提高数据处理和位操作功能，片内增加了一个通用寄存器区和一些专用的寄存器，而且还增加了位处理逻辑电路的功能。在进行位操作时，进位位Cv作为位操作累加器，整个位操作系统构成一台布尔处理器。上一页下一页返回第32页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理 3.单片机执行程序过程 单片机的工作过程实质就是执行所编制程序的过程，即逐条执行指令的过程计算机每执行一条指令都可分为3个阶段进行，即取指令、分析指令和执行指令 取指令阶段的任务是:根据程序计数器中的值，从程序存储器读出现行指令，送到指令寄存器 分析指令阶段的任务是:将指令
27、寄存器中的指令操作码取出后进行泽码，分析其指令性质。如指令要求操作数，则寻找操作数地址。执行指令阶段的任务是:取出操作数，然后按照操作码的性质对操作数进行操作，即执行指令。计算机执行程序的过程实际上就是逐条指令地重复上述操作过程，直至遇到停机指令或循环等待指令上一页下一页返回第33页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(六)MCS-51单片机指令系统概述与详解 1.指令系统概述 MCS-51单片机指令系统是一种简明易掌握、效率较高的指令系统。MCS-51单片机的基本指令共111条，按指令在程序存储器中所占的字节来分，其中，单字节指令49条，双字节指令45条，三字节指令17条 按指
28、令的执行时间来分，其中，1个机器周期(12个时钟振荡周期)的指令64条，2个机器周期(24个时钟振荡周期)的指令45条，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)。上一页下一页返回第34页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理 2.指令格式 指令的表示方法称为指令格式，一条指令通常由两部分组成，即操作码和操作数。操作码用来规定指令进行了什么操作，而操作数则是指令操作的对象。操作数可能是一个具体的数据，也可能是指出到哪里取得数据的地址或符号。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:双字节指令包括两个字节，其中一个字节为操作
29、码，另一个字节是操作数。3)三字节指令:在三字节指令中，操作码占一个字节，操作数占两个字节，其中操作数既可能是数据，也可能是地址。上一页下一页返回第35页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理3.指令系统的寻址方式(1)寄存器寻址方式 寄存器寻址方式就是操作数在寄存器中，因此指定了寄存器就能得到操作数。(2)直接寻址方式 在这种寻址方式中，指令中操作数直接以单元地址的形式给出。该单元地址中的内容就是操作数。(3)寄存器间接寻址方式 寄存器寻址方式就是寄存器中存放的是操作数，而寄存器间接寻址方式是寄存器中存放的是操作数的地址，即先从寄存器中找到操作数的地址，再按该地址找到操作数。由于
30、操作数是通过寄存器间接得到的，因此称之为寄存器间接寻址。上一页下一页返回第36页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(4)立即寻址方式 立即寻址方式就是操作数在指令中直接给出。出现在指令中的操作数即为立即数。为了与直接寻址指令中的直接地址相区分，需在操作数前面加前缀标志“#”。(5)基址寄存器加变址寄存器间接寻址方式 这种寻址方式用于读出程序存储器中的数据到累加器A中。本寻址方式是以DPRT或PC作为基址寄存器，以累加器A作为变址寄存器，并以两者内容相加形成的16位地址作为操作数的地址，以达到访问数据表格的目的。(6)位寻址方式 MCS-51单片机有位处理功能，可以对数据位进行操
31、作，因此就有相应的位寻址方式。上一页下一页返回第37页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(7)相对寻址方式 相对寻址方式是为解决程序转移而专门设置的，为转移指令所采用。指令系统中，有多条相对转移指令，这些转移指令多为二字节指令，但也有个别为三字节的4.MCS-51单片机指令系统分类介绍MCS-51单片机指令系统共有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)。上一页下一页返回第38页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(七)MCS-51单片机的
32、中断系统 MCS-51单片机片内的中断系统主要用于实时测控，即要求单片机能及时地响应和处理单片机外部或内部事件所提出的中断请求。由于这些中断请求都是随机发出的，如果采用定时查询方式来处理这些中断请求，则单片机的工作效率低，且得不到实时处理。因此，MCS-51单片机要实时处理这些中断请求，必须采用具有中断处理功能的部件中断系统来完成。上一页下一页返回第39页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理1.中断的概念 当MCS-51单片机的CPU正在处理某件事情(如正在执行主程序)时，单片机外部或内部发生的某一事件(如外部设备产生的一个电平的变化，一个脉冲沿的发生或内部计数器的计数溢出等)请
33、求CPU迅速去处理，于是，CPU暂时中止当前的工作，转到中断服务处理程序处理所发生的事件。中断服务处理程序处理完该事件后，再回到原来被中止的地方，继续原来的工作(如继续执行被中断的主程序)，这称为中断。CPU处理事件的过程，称为CPU的中断响应过程，如图1-2-16所示。对事件的整个处理过程，称为中断处理(或中断服务)。上一页下一页返回第40页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理 2.MCS-51单片机中断系统的结构 MCS-51单片机的中断系统有5个中断请求源，具有两个中断优先级，可实现两级中断服务程序嵌套。用户可以用关中断指令“CLR EA”来屏蔽所有的中断请求，也可以用开中
34、断指令“SET EA”来允许CPU接收中断请求;每一个中断源可以用软件独立地控制为允许中断或关中断状态;每一个中断源的中断级别均可用软件来设置。MCS-51单片机的中断系统结构示意图如图1-2-17所示。3.中断请求源 MCS-51单片机的中断系统共有5个中断请求源(图1-2-17)上一页下一页返回第41页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理4.中断控制(1)中断允许寄存器IE MCS-51单片机的CPU对中断源的开放或屏蔽，是由片内的中断允许寄存器IE控制的。IE的字节地址为A8 H，可进行位寻位，其格式如图1-2-20所示。上一页下一页返回第42页/共96页任务二掌握MCS-
35、51单片机的结构和原理(2)中断优先级寄存器IP MCS-51单片机的中断请求源有两个中断优先级，每一个中断请求源可由软件定为高优先级中断或低优先级中断，可实现两级中断嵌套，所谓两级中断嵌套，就是CPU正在执行低优先级中断的服务程序时，可被高优先级中断请求所中断，待高优先级中断处理完毕后，再返回低优先级中断服务程序。两级中断嵌套的过程如图1-2-21所示。关于各中断源的中断优先级关系，可以归纳为下面两条基本规则。1)低优先级可被高优先级中断，反之则不能 2)任何一种中断(不管是高级还是低级)，一旦得到响应，不会再被它的同级中断源所中断。如果某一优先级中断，在执行该中断源的中断服务程序时，则不能
36、被任何其他中断源的中断请求所中断上一页下一页返回第43页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理5.响应中断请求的条件一个中断源的中断请求被响应，需满足以下必要条件。1)CPU开中断，即IE寄存器中的中断总允许位EA=12)该中断源发出中断请求，即该中断源对应的中断请求标志为“1“3)该中断源的中断允许位=1，即该中断没有被屏蔽4)无同级或更高级中断正在被服务上一页下一页返回第44页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理6.外部中断的响应时间 外部中断的最短响应时间为3个机器周期。其中中断请求标志位查询占1个机器周期，而这个机器周期恰好是处于指令的最后一个机器周期，在这个
37、机器周期结束后，中断即被响应，CPU接着执行一条硬件子程序调用指令LCALL以转到相应的中断服务程序入口，则需要两个机器周期。外部中断响应的最长时间为8个机器周期。这种情况发生在CPU进行中断标志查询时，刚好是开始执行RETI或是访问IE或IP的指令，则需把当前指令执行完再继续执行一条指令后，才能响应中断。执行上述RETI或是访问IE指令，最长需要2个机器周期;而接着再执行的一条指令，我们按最长的指令(乘法指令MUL和除法指令DIV)来算，也只有4个机器周期;再加上硬件子程序调用指令LCALL的执行需要2个机器周期，所以，外部中断响应最长时间为8个机器周期。上一页下一页返回第45页/共96页任
38、务二掌握MCS-51单片机的结构和原理 7.外部中断的触发方式选择 外部中断的触发有两种触发方式:电平触发方式和跳沿触发方式。(1)电平触发方式 若外部中断定义为电平触发方式，外部中断中请触发器的状态随着CPU在每个机器周期采样到的外部中断输入线的电平变化而变化，这能提高CPU对外部中断请求的响应速度。当外部中断源被设定为电平触发方式时，在中断服务程序返回之前，外部中断请求输入必须无效(即变为高电平)，否则CPU返回主程序后会再次响应中断。所以电平触发方式适合于外部中断以低电平输入而且中断服务程序能清除外部中断请求源(即外部中断输入电平又变为高电平)的情况。如何清除电平触发方式的外部中断请求源
39、的电平信号，将在后面介绍。上一页下一页返回第46页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(2)跳沿触发方式 外部中断若定义为跳沿触发方式，外部中断中请触发器能锁存外部中断输入线上的负跳变。即便是CPU暂时不能响应，中断请求标志也不会丢失。在这种方式里，如果相继连续两次采样，一个机器周期采样到外部中断输入为高，下一个机器周期采样为低，中断中请触发器则置+1，直到CPU响应此中断时，该标志才清“0”。这样不会丢失中断，但输入的负脉冲宽度至少保持12个时钟周期(若晶振频率为6 MHz，则为2s)，才能被CPU采样到。外部中断的跳沿触发方式适合于以负脉冲形式输入的外部中断请求。上一页下一页
40、返回第47页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理8.中断请求的撤销 (1)定时器/计数器中断请求的撤销 定时器/计数器中断的中断请求被响应后，硬件会自动把中断请求标志位(TF0或TF1)清“0”，因此定时器/计数器中断请求是自动撤销的。(2)外部中断请求的撤销 1)跳沿方式外部中断请求的撤销。2)电平方式外部中断请求的撤销上一页下一页返回第48页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(3)串行口中断请求的撤销 串行口中断请求的撤销只有标志位清“0”的问题。串行口中断的标志位是TI和RI，但对这两个中断标志CPU不进行自动清“0”。因为在响应串行口的中断后，CPU无法知
41、道是接收中断还是发送中断，还需测试这两个中断标志位的状态，以判定是接收操作还是发送操作，然后才能清除。所以串行口中断请求的撤销只能使用软件的方法，在中断服务程序中进行，即用如下的指令来进行串行口中断标志位的清除。CLR TI ;清TI标志位 CLR RI ;清RI标志位上一页下一页返回第49页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(八)MCS-51单片机的定时器/计数器及应用 在工业检测、控制中，许多场合都要用到计数或定时功能，如对外部脉冲进行计数、产生精确的定时时间等。MCS-51单片机内有两个可编程的定时器/计数器T 1,T0，以满足这方面的需要。两个定时器/计数器都具有定时器
42、和计数器两种工作模式。1)计数器工作模式。计数功能是对外来脉冲进行计数。2)定时器工作模式。定时功能也是通过计数器的计数来实现的，不过此时的计数脉冲来自单片机的内部，即每个机器周期产生一个计数脉冲，也就是每经过1个机器周期的时间，计数器加1。上一页下一页返回第50页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理 MCS-51单片机的定时器/计数器具有4种工作方式(方式0、方式1、方式2和方式3)，其控制字均在相应的特殊功能寄存器中，通过对它的特殊功能寄存器的编程，用户可方便地选择定时器/计数器两种工作模式和4种工作方式。1.定时器/计数器的结构 MCS-51单片机的定时器/计数器结构如图1
43、-2-24所示，定时器/计数器TO由特殊功能寄存器THO,TLO构成，定时器/计数器T1由特殊功能寄存器TH1,TL1构成。定时器方式寄存器TMOD用于选择定时器/计数器的工作模式和工作方式。定时器控制寄存器TCON用于控制TO,T1的启动和停止计数，同时包含了T0,T1的状态。TMOD,TCON这两个寄存器的内容由软件设置。单片机复位时，两个寄存器的所有位都被清“0”上一页下一页返回第51页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理 2.定时器/计数器的4种工作方式 (1)方式。当M1,M0为00时，定时器/计数器被设置为工作方式0，这时定时器/讨数器的等效框图如图1-2-25所示。
44、(2)方式1 当M1,M0为O1时，定时器/计数器工作于方式1，这时定时器/计数器的等效电路如图1-2-26所示。上一页下一页返回第52页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(3)方式2 方式0和方式1的最大特点是计数溢出后，计数器为全0。因此，在循环定时或循环计数应用时就存在反复装入计数初值的问题。这不仅影响定时精度，而且也给程序设计带来麻烦。方式2就是牛l一对此问题而设置的。当M1,MO为10时，定时器/计数器处于工作方式2，这时定时器/计数器的等效框图如图1-2-27所示(以定时器T1为例，X=1)(4)方式3 方式3是为了增加一个附加的8位定时器/计数器而提供的，从而使M
45、CS-51单片机具有3个定时器/计数器。方式3只适用于定时器/计数器T0，定时器/计数器T1不能工作在方式3下。T1处于方式3时相当于TR1=0，停止计数(此时T1可用作串行口波特率产生器)。上一页下一页返回第53页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理 3.定时器/计数器对输入信号的要求 当MCS-51单片机内部的定时器/计数器被选定为定时器工作模式时，计数输入信号是内部时钟脉冲，每个机器周期产生一个脉冲使计数器增1，因此，定时器/计数器的输入脉冲的周期与机器周期一样，为时钟振荡频率的1/12当采用12 MHz频率的晶体时，计数频率为1 MHz,输入脉冲的周期间隔为1 s。由于定
46、时的精度决定于输入脉冲的周期，因此，当需要高分辨率的定时时，应尽量选用频率较高的晶体。上一页下一页返回第54页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(九)MCS-51单片机的串行口通信系统 MCS-51单片机内部有一个功能强大的全双工的异步通信串行口。所谓全双工就是双机之间串行接收、发送数据可同时进行。所谓异步通信，就是收、发双方没有同步时钟来控制收、发双方的同步传送，而是靠双方各自的时钟来控制数据的异步传送。要传送的串行数据在发方是以数据帧形式一帧一帧地发送，通过传输线由收方一帧一帧地接收。上一页下一页返回第55页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理 MCS-51单
47、片机的串行口有4种工作方式，波特率可由软件设置片内的定时器/计数器来控制。每当串行口接收或发送一个字节完毕，均可发出中断请求。MCS-51单片机的串行口除了可以用于串行数据通信之外，还可以非常方便地用来扩展并行I/O口。1.串行口的结构 MCS-51单片机串行口的内部结构如图1-2-34所示。它有两个物理上独立的接收、发送缓冲器SBUF，可同时发送、接收数据，发送缓冲器只能写入不能读出，接收缓冲器只能读出不能写入，两个缓冲器共用一个特殊功能寄存器字节地址(99 H)上一页下一页返回第56页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(1)串行口控制寄存器SCON 串行口控制寄存器格式如图
48、1-2-35所示。SCON，字节地址98 H，可位寻址，位地址为98 H9FH。(2)特殊功能寄存器PCON 特殊功能寄存器PCON字节地址为87 H，没有位寻址功能。PCON的格式如图1-2-36所示。2.串行口的4种工作方式(1)方式。串行口的工作方式。为同步移位寄存器输入/输出方式，常用于外接位寄存器，以扩展并行I/)口。这种方式不适用于两个MCS-51单片机之间的串行通信。上一页下一页返回第57页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(2)方式1 SMO,SM1两位为O1时，串行口以方式1工作。方式1真正用于数据的串行发送和接收。TXD脚分别用于发送和接收数据。方式1收发一
49、帧的数据为10位，1个起始位1个停止位，先发送或接收最低位。方式1的帧格式如图1-2-40所示。(3)方式2 串行口工作于方式2和方式3下时，被定义为9位异步通信接口。每帧数据均为11位，1位起始位，8位数据位(先低位)，1位可程控位(1或0)和1位停止位。方式2的帧格式如图1-2-43所示上一页下一页返回第58页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(4)方式3 当SMO,SM1两位为11时，串行口被定义工作在方式3下。方式3为波特率可变的9位异步通信方式，除了波特率外，方式3和方式2相同。方式3发送和接收数据的时序波形如图1-2-44和图1-2-45所示。方式3的波特率由下式确
50、定:上一页下一页返回第59页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理3.多机通信 多个MCS-51单片机可利用串行口进行多机通信。在多机通信中，要保证主机与从机具有串行识别功能。串行口控制寄存器SOON中的SM2位就是为满足这一条而设置的多机通信控制位。其多机控制原理是在串行口以方式2(或方式3)接收时，若SM2=1，表示置多机通信控制位。这时出现以下两种可能情况。1)接收到的第9位数据为1时，数据才装入SBUF，并置中断标志RI=1,向CPU发出中断请求。2)接收到的第9位数据则不产生中断标志，信息将丢弃上一页下一页返回第60页/共96页任务二掌握MCS-51单片机的结构和原理(十