单片机课件(第5章)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第5章 输入/输出、中断、定时与串行通信,5-1 I/O概述,1、I/O接口电路的作用,我们知道，CPU 与外部有两类数据传送操作，第一类是CPU与存储器之间，属于同步工作方式传送（CPU 与存储器内部电路相同，电平相同）；第二类是CPU与外部设备之间，它是无法实现同步数据传递的，原因是：,（1）外部设备工作速度与计算机相比较低；,（2）不同种类的外部设备性能各不相同，无法按统一格式传送；,（3）外部设备的数据信号多种多样；,（4）外部设备的数据传送有近距离的，也有远距离的；,鉴于以上原因，计算机与外部设备之间的数据传送是通过,接口电路,完成的，计算机的三总线不与外部设备直接相连。,接口电路的作用：,（1）完成计算机与外设之间的速度协调；,（2）输出数据时进行数据锁存；,（3）完成三态缓冲作用；,（4）完成数据的转换（A/D，D/A）。,2、接口与端口,接口,是计算机与外部设备之间的过渡电路，又称为“接口电路”，一般一个外部设备需要一个I/O接口。,端口,是在接口电路中用来完成某种信息传递，由编程人员进行寻址读写的寄存器（因为接口电路中传送数据信息、状态信息和控制信息，要区分开来，从空间位置上每种信息给出一端口地址），一个I/O接口可能有多个端口。,3、I/O端口的编址方式,I/O接口有两种编址方式：,独立编址方式,和,统一编址方式,。,（1）独立编址方式：I/O与存储器分开编址，形成两个独立的地址空间，其访问有专门的输入、输出指令；,（2）统一编址方式：I/O与存储器统一进行编址，把端口当作外部存储器的存储单元看待。访问方式与访问外部数据存储器相同，无专门输入输出指令。但是要占用外部RAM的地址空间。,5-2 输入/输出传送方式,2、查询传送方式,又称“同步程序传送”，不需联络信号，可以随时传送数据。,适用于无条件传送的外设：（1）外设工作速度很快，足以与CPU 同步工作（A/D，D/A）；（2）具有常驻数据信号（机械开关）的外设或具有变化缓慢数据信号的外设（LED数码管显示器）。,1、无条件传送方式,又称“条件传送方式”，在进行数据传送前需检测外部设备的状态，适用于各种外部设备的输入/输出传送。,3、中断传送方式,前面的查询传送方式，CPU需要一个等待过程，特别是当外设速度很慢时，浪费CPU的时间很多。,中断传送方式不需要CPU的等待过程。,中断传送中，外部设备是主动的，当需要传送数据时，向CPU申请中断，CPU响应中断后，执行中断服务程序传输数据；当外设不需要传输数据时，CPU执行主程序。,5-3 MCS-51单片机的中断系统,1、中断的概念,所谓“中断”，就是计算机在执行某段程序的过程中，由于计算机系统内、外的某种原因，有必要终止原程序的执行，而去执行相应的处理程序，待处理完成后，再返回继续执行原程序的过程。,采用中断系统，能改善计算机的性能，主要有：,（1）解决快速CPU与慢速外设之间的矛盾；,（2）及时处理控制系统中发生的随机事件，具有实时处理能力；,（3）使系统具备处理故障的能力，提高系统的可靠性。,2、中断源,引起中断的原因，或者是能发出中断申请的来源，称为,“中断源”,。,51单片机有5个中断源：两个外部中断、两个定时/计数器中断、一个串行口中断（串行接收和串行发送）。,那么，,CPU是如何知道中断源提出中断申请的呢？,它是靠检测各中断源的中断请求信号知道的，各中断请求信号在特殊功能寄存器TCON和SCON中。,3、中断的优先级,51单片机有5个中断源，若有几个中断源同时提出中断申请或者CPU正在响应某一个中断源，又有其它中断源提出中断申请，CPU如何处理呢？,中断优先级控制原则与控制逻辑：,每个中断源都可通过软件设置,中断优先级寄存器IP,确定为高优先级或低优先级（只有两个优先级）。,4、中断的开放与关闭,5、中断响应的条件、过程和时间,（1）中断响应的条件,中断源提出申请后，CPU响应该中断申请，必须满足一定的条件:,CPU 总中断允许位EA置1；,相应申请中断的中断允许位置1；,无同级或更高级中断正在服务；,当前指令执行结束；,若当前指令为RETI指令或访问IE、IP的指令，需执行完当前指令和其后面的一条指令。,（2）中断响应的过程,中断源提出申请CPU响应中断后：,置位中断优先级有效触发器；,保护断点（自动完成）；,将中断服务程序入口地址装入PC（相当于一条长调用指令）；,清除中断请求标志（低电平触发的外部中断和串行口中断除外）；,执行中断服务程序（注意保护现场）；,中断返回，恢复断点，恢复现场。,各中断源对应中断服务程序的入口地址：,（3）中断响应的时间,从查询到到转到中断服务程序的入口地址所需要的机器周期数。,最少3个机器周期,（一个查询周期+两个转移周期），即查询到请求标志后，CPU接着响应中断；,最多8个机器周期,。中断查询时刚开始执行访问IE或IP或RETI指令(2个周期）+后面紧跟MUL或DIV指令（4个周期）+两个周期的转移时间。,6、51单片机的中断系统,51单片机有两个中断优先级，每个中断源都可单独设置优先级（设置优先级寄存器IP），可以实现两级中断嵌套，所有中断都可由软件控制允许或禁止（设置中断允许寄存器IE）。,7、中断请求的撤销,对于下降沿触发的外部中断、定时器/计数器溢出中断，中断响应后由硬件自动清除中断请求标志；,对于串行口中断和低电平触发的外部中断，中断响应后，其中断请求标志不能由硬件自动清零，需软件清零。,但是对低电平触发的外部中断还要注意：,中断服务程序返回之前，一定要撤销外部引脚的低电平（防止中断返回后重复中断）,，可应用教材中图5-3电路撤销（返回之前CLR P1.0,SETB P1.0)。,8、例题,5-4 定时器/计数器,定时方法：,（1）软件定时；,（2）硬件定时；,（3）可编程定时器定时。,其中可编程定时器具有定时功能和计数功能（因为本质上都是计数器），使用方便灵活。,1、定时器/计数器结构和工作原理,2、定时器/计数器的方式和控制寄存器,特殊功能寄存器TCON和TMOD用于设置定时器的工作方式、控制定时器的启动方式，以及存储定时器的中断请求标志。,（1）定时器工作方式寄存器TMOD,（2）定时器控制寄存器TCON,（3）定时器/计数器的工作方式,定时器/计数器有4种工作方式：0（13位）、1（16位）、2（8位自动装载初值）、3（两个独立8位）。,（1）方式0（13位定时/计数）,（2）方式1（16位定时/计数）,（3）方式2（8位自动装载初值定时/计数）,（4）方式3（两个独立8位定时/计数器）,3、定时器/计数器应用举例,使用定时器/计数器时，首先必须进行初始化，包括以下步骤：,（1）对TMOD寄存器赋值确定工作方式；,（2）根据定时时间或计数个数计算初值并装入THx、TLx中；,（3）根据需要置位或复位总中断允许位EA和相应中断允许位；,（4）置位TRx启动定时/计数器。,5-5 串行通信接口,5.5.1 串行通信基本知识,1、并行通信与串行通信,通信：计算机与外部设备之间或计算机与计算机之间的信息交换。,1,）并行通信：数据各位同时进行传送，如,8,位或,16,位数据并行传送；,特点是：传输速度快、适合于近距离传送（远距离时线路复杂、成本高、抗干扰能力差。,2,）串行通信：数据一位接一位地顺序传送；,特点是：通信线路简单、速度慢、适于远距离传送。,串行通信又分为异步串行通信与同步串行通信。,1,）异步串行通信：数据在线路上的传送不连续，数据以一个字符（一帧数据）为单位进行传送，传输速度慢。,通信前要事先设定好字符格式（起始位、有效数据位、奇偶校验位、停止位）和波特率（每秒传送数据的位数bit/s）。,2）同步串行通信：一次传送一组数据，在这一组数据的开始用同步字符SYN加以指示，传输速度高于异步方式，但要有时钟实现发送/接收的严格同步，硬件成本高。,2、数据传送方向,1）单工方式：数据只能单向传送，只需要一条数据线。,2）半双工方式：数据可以双向传送，但同一时间只能一个方向传送。只需一条数据线。,3）全双工方式：数据可同时进行双向传送，需要两条数据线。,3、数据终端与调制器的接口,计算机通信是数字信号通信，要求传送线频带很宽，长距离通信时，通常用电话线传送，如果直接通过电话线传送数字信号，信号就会发生畸变。所以，在发送端需要MODEM进行调制，在接收端需要MODEM进行解调。,经常采用RS-232C标准接口（25针或9针接口）连接。其常用信号如下：,1）基本数据引脚,发送数据TXD,数据从该脚向外发送,接收数据RXD,数据从该脚接收,信号地GND,数据信号的公共参考端,2）联络和控制信号,请求发送RTS,一方做好了发送准备，向对方发送该信号，等待对方应答,准许发送信号CTS,当接收方做好了接收的准备，在接收到发送方发来的RTS信号后，以CTS信号作应答,数据终端准备好DTR,一方的接收器已经做好了接收的准备，向对方发送器发送该信号通知发送器可以发送了,数据装置准备好DSR,发送方接收到接收方送来的DTR信号后，同时做好了发送准备后，向接收方送出该信号作应答,载波检测CD,该信号表示通信双方MODEM已经做好了通信的准备，可以进行通信了。,保护地,作为设备的接地端。,由于,RS-232C,为,232,电平（负逻辑，,+5V,+15V,为“,0”,，,-5V,-15V,为“,1”,），与,TTL,电平不兼容，所以必须进行电平转换。,采用电平转换集成电路芯片MC1488（MC1489）,采用分立元件转换,5.5.2 MCS-51单片机的串行接口,51单片机内部有一个全双工的异步串行接口，可以同时发送和接收数据。有四种工作方式。,串行口有两个独立的发送、接收缓冲器SBUF（公用一个地址）。设定好工作方式后，只要将要发送数据写入SBUF，自动从TXD脚由低位到高位开始发送；接收端RXD一位一位低接收数据，接收到完整的一帧数据后，置位RI标志，此时，只需用一条读指令MOV A，SBUF就可将接收到的数据读入累加器A。,（见教材图5-22）,另外，串行接收和发送可采用查询方式，也可采用中断方式。,那么，串行口工作方式如何设置？,1、串行接口的特殊功能寄存器,（1）串行口数据缓冲器SBUF,（2）串行口控制寄存器SCON,（3）波特率控制寄存器PCON,2、串行口的工作方式,（1）方式0（同步移位寄存器方式）,只传送8位有效数据，数据从RXD脚输出，TXD脚提供移位时钟。,该方式可用来将串行口与外加同步移位寄存器配合扩展为并行口。,波特率：f,OSC,/12（固定）,（2）方式1（10位异步串行通信方式）,1位起始位、8位数据位、1位停止位,发送时：,前提是TI=0，执行MOV SBUF，A，数据打入内部移位寄存器，按照起始位数据最低位-直到数据最高位-停止位的顺序发送。直至发送完毕，置位TI。,接收时：,前提是RI=0，REN=1，CPU按16倍波特率不断检测RXD引脚的状态，检测到起始位“0”时，开始从低位到高位接收数据，直到接收到停止位，然后置位RI。,（3）方式2（11位异步串行通信方式）,该方式与方式3为多机通信方式，与方式1相比，多了要发送的第9位数据TB8，接收到的第9位数据RB8。（第9位数据可用于奇偶校验或多机通信中的地址/数据标志位。,（4）方式3（11位异步串行通信方式）,几乎与方式2相同，不同的是波特率不一样（波特率同方式1）。,常用波特率与定时器,T1,的初值（方式,1,和方式,3,）见下表：,串行口应用举例见教材,