单片机知识（二）
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一、延时程序分析
本文引用地址：https://www.eepw.com.cn/article/201611/319709.htm上一次课中，我们已经知道，程序中的符号R7、R6是代表了一个个的RAM单元，是用来放一些数据的，下面我们再来看一下其它符号的含义。
DELAY： MOV R7，#250 ；（６）
D1： MOV R6，#250 ；（７）
D2： DJNZ R6，D2 ；（８）
DJNZ R7，D1 ；（９）
RET ；（１０）
1.MOV：这是一条指令，意思是传递数据。说到传递，我们都很清楚，传东西要从一个人的手上传到另一个人的手上，也就是说要有一个接受者，一个传递者和一样东西。从指令MOV R7，#250中来分析，R7是一个接受者，250是被传递的数，传递者在这条指令中被省略了（注意：并不是每一条传递指令都会省的，事实上大部份数据传递指令都会有传递者）。它的意义也很明显：将数据250送到R7中去，因此执行完这条指令后，R7单元中的值就应当是250。在250前面有个#号，这又是什么意思呢？这个#就是用来说明250就是一个被传递的东西本身，而不是传递者。那么MOV R6，#250是什么意思，应当不用分析了吧。
2.DJNZ：这是另一条指令，我们来看一下这条指令后面跟着的两个东西，一个是R6，一个是D2，R6我们当然已知是什么了，查一下D2是什么。D2在本行的前面，我们已学过，这称之为标号。标号的用途是什么呢？就是给本行起一个名字。DJNZ指令的执行过程是这样的，它将其后面的第一个参数中的值减1，然后看一下，这个值是否等于0，如果等于0，就往下执行，如果不等于0，就转移，转到什么地方去呢？可能大家已猜到了，转到第二个参数所指定的地方去（请大家用自已的话讲一下这条语句是怎样执行的）。本条指令的最终执行结果就是，在原地转圈250次。
3.执行完了DJNZ R6，D2之后（也就是R6的值等于0之后），就会去执行下面一行，也就是DJNZ R7，D1，请大家自行分析一下这句话执行的结果。（转去执行MOV R6，#250，同时R7中的值减1），最终DJNZ R6，D2这句话将被执行250*250=62500次，执行这么多次同一条指令干吗？就是为了延时。
4.一个问题：如果在R6中放入0，会有什么样的结果。
二、时序分析：
前面我们介绍了延时程序，但这还不完善，因为，我们只知道DJNZ R6，D2这句话会被执行62500次，但是执行这么多次需要多长时间呢？是否满足我们的要求呢？我们还不知道，所以下面要来解决这个问题。
先提一个问题：我们学校里什么是最重要的。（铃声）校长可以出差，老师可以休息，但学校一日无铃声必定大乱。整个学校就是在铃声的统一指挥下，步调一致，统一协调地工作着。这个铃是按一定的时间安排来响的，我们可以称之为“时序时间的顺序”。一个由人组成的单位尚且要有一定的时序，计算机当然更要有严格的时序。事实上，计算机更象一个大钟，什么时候分针动，什么时候秒针动，什么时候时针动，都有严格的规定，一点也不能乱。计算机要完成的事更复杂，所以它的时序也更复杂。
我们已知，计算机工作时，是一条一条地从ROM中取指令，然后一步一步地执行，我们规定：计算机访问一次存储器的时间，称之为一个机器周期。这是一个时间基准，好象我们人用“秒”作为我们的时间基准一样，为什么不干脆用“秒”，多好，很习惯，学下去我们就会知道用“秒”反而不习惯。
一个机器周期包括12个时钟周期。下面让我们算一下一个机器周期是多长时间吧。设一个单片机工作于12M晶振，它的时钟周期是1/12（微秒）。它的一个机器周期是12*（1/12）也就是1微秒。（请计算一个工作于6M晶振的单片机，它的机器周期是多少）。
MCS-51单片机的所有指令中，有一些完成得比较快，只要一个机器周期就行了，有一些完成得比较慢，得要2个机器周期，还有两条指令要4个机器周期才行。这也不难再解，不是吗？我让你扫地的执行要完成总得比要你完成擦黑板的指令时间要长。为了恒量指令执行时间的长短，又引入一个新的概念：指令周期。所谓指令周期就是指执行一条指令的时间。INTEL对每一条指令都给出了它的指令周期数，这些数据，大部份不需要我们去记忆，但是有一些指令是需要记住的，如DJNZ指令是双周期指令。
下面让我们来计算刚才的延时。首先必须要知道晶振的频率，我们设所用晶振为12M，则一个机器周期就是1微秒。而DJNZ指令是双周期指令，所以执行一次要2个微秒。一共执行62500次，正好125000微秒，也就是125毫秒。
练习：设计一个延时100毫秒的延时程序。
要点分析：1、一个单元中的数是否可以超过255。2、如何分配两个数。
三、复位电路
任何单片机在工作之前都要有个复位的过程，复位是什么意思呢？它就象是我们上课之前打的预备铃。预备铃一响，大家就自动地从操场、其它地方进入教室了，在这一段时间里，是没有老师干预的，对单片机来说，是程序还没有开始执行，是在做准备工作。显然，准备工作不需要太长的时间，复位只需要5ms的时间就可以了。如何进行复位呢？只要在单片机的RST引脚上加上高电平，就可以了，按上面所说，时间不少于5ms。为了达到这个要求，可以用很多种方法，这里提供一种供参考，见图1。实际上，我们在上一次实验的图中已见到过了。
这种复位电路的工作原理是：通电时，电容两端相当于是短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容充电，RST端电压慢慢下降，降到一定程序，即为低电平，单片机开始正常工作。
单片机的内外部结构分析（四）
第三个实验
上两次我们做过两个实验，都是让P1.0这个引脚使灯亮，我们可以设想：既然P1.0可以让灯亮，那么其它的引脚可不可以呢？看一下图1，它是8031单片机引脚的说明，在P1.0旁边有P1.1，P1.2….P1.7，它们是否都可以让灯亮呢？除了以P1开头的外，还有以P0，P2，P3开头的，数一下，一共是32个引脚，前面我们以学过7个引脚，加上这32个这39个了。它们都以P字开头，只是后面的数字不一样，它们是否有什么联系呢？它们能不能都让灯亮呢？在我们的实验板上，除了P10之外，还有P11P17都与LED相连，下面让我们来做一个实验，程序如下：
MAIN： MOV P1，#0FFH
LCALL DELAY
MOV P1，#00H
LCALL DELAY
LJMP MAIN
DELAY：MOV R7，#250
D1： MOV R6，#250
D2： DJNZ R6，D2
DJNZ R7，D1
RET
END
将这段程序转为机器码，用编程器写入芯片中，结果如何？通电以后我们可以看到8只LED全部在闪动。因此，P10P17是全部可以点亮灯的。事实上，凡以P开头的这32个引脚都是可以点亮灯的，也就是说：这32个引脚都可以作为输出使用，如果不用来点亮LED，可以用来控制继电器，可以用来控制其它的执行机构。
程序分析：这段程序和前面做过的程序比较，只有两处不一样：第一句：原来是SETB P1.0，现在改为MOV P1，#0FFH，第三句：原来是CLR P1.0，现在改为MOV P1.0，#00H。从中可以看出，P1是P1.0P1.7的全体的代表，一个P1就表示了所有的这八个管脚了。当然用的指令也不一样了，是用MOV指令。为什么用这条指令？看图2，我们把P1作为一个整体，就把它当作是一个存储器的单元，对一个单元送进一个数可以用MOV指令。
二、第四个实验
除了可以作为输出外，这32个引脚还可以做什么呢？下面再来做一个实验，程序如下：
MAIN： MOV P3，#0FFH
LOOP： MOV A，P3
MOV P1，A
LJMP LOOP
先看一下实验的结果：所有灯全部不亮，然后我按下一个按钮，第（）个灯亮了，再按下另一个按钮，第（）个灯亮了，松开按钮灯就灭了。从这个实验现象结合电路来分析一下程序。
从硬件电路的连线可以看出，有四个按钮被接入到P3口的P32，P33，P34，P35。第一条指令的用途我们可以猜到：使P3口全部为高电平。第二条指令是MOV A，P3，其中 MOV已经见，是送数的意思，这条指令的意思就是将P3口的数送到A中去，我们可以把A当成是一个中间单元（看图3），第三句话是将A中的数又送到P1口去，第四句话是循环，就是不断地重复这个过程，这我们已见过。当我们按下第一个按钮时，第（3）只灯亮了，所以P12口应当输出是低电平，为什么P12口会输出低电平呢？我们看一下有什么被送到了P1口，只有从P3口进来的数送到A，又被送到了P1口，所以，肯定是P3口进来的数使得P12位输出电平的。P3口的P32位的按钮被按下，使得P32位的电平为低，通过程序，又使P12口输出低电平，所以P3口起来了一个输入的作用。验证：按第二、三、四个按钮，同时按下2个、3个、4个按钮都可以得到同样的结论，所以P3口确实起到了输入作用，这样，我们可以看到，以P字开头的管脚，不仅可以用作输出，还可以用作输入，其它的管脚是否可以呢？是的，都可以。这32个引脚就称之为并行口，下面我们就对并行口的结构作一个分析，看一下它是怎样实现输入和输出的。
并行口结构分析：
1、输出结构
先看P1口的一位的结构示意图（只画出了输出部份）：从图中可以看出，开关的打开和合上代表了引脚输出的高和低，如果开关合上了，则引脚输出就是低，如果开关打开了，则输出高电平，这个开关是由一根线来控制的，这根数据总线是出自于CPU，让我们回想一下，数据总线是一根大家公用的线，很多的器件和它连在一起，在不同的时候，不同的器件当然需要不同的信号，如某一时刻我们让这个引脚输出高电平，并要求保持若干时间，在这段时间里，计算机当然在忙个不停，在与其它器件进行联络，这根控制线上的电平未必能保持原来的值不变，输出就会发生变化了。怎么解决这个问题呢？我们在存储器一节中学过，存储器中是可以存放电荷的，我们不妨也加一个小的存储器的单元，并在它的前面加一个开关，要让这一位输出时，就把开关打开，信号就进入存储器的单元，然后马上关闭开关，这样这一位的状态就被保存下来，直到下一次命令让它把开关再打开为止。这样就能使这一位的状态与别的器件无关了，这么一个小单元，我们给它一个很形象的名字，称之为“锁存器”。
2、输入结构
这是并行口的一位的输出结构示意图，再看，除了输出之外，还有两根线，一根从外部引脚接入，另一根从锁存器的输出接出，分别标明读引脚和读锁存器。这两根线是用于从外部接收信号的，为什么要两根呢？原来，在51单片机中输入有两种方式，分别称为‘读引脚’和‘读锁存器’，第一种方式是将引脚作为输入，那是真正地从外部引脚读进输入的值，第二种方式是该引脚处于输出状态时，有时需要改变这一位的状态，则并不需要真正地读引脚状态，而只是读入锁存器的状态，然后作某种变换后再输出。
请注意输入结构图，如果将这一根引线作为输入口使用，我们并不能保证在任何时刻都能得到正确的结果（为什么？）参考图2输入示意图。接在外部的开关如果打开，则应当是输入1，而如果闭合开关，则输入0，但是，如果单片机内部的开关是闭合的，那么不管外部的开关是开还是闭，单片机接受到的数据都是0。可见，要让这一端口作为输入使用，要先做一个‘准备工作’，就是先让内部的开关断开，也就是让端口输出‘1’才行。正因为要先做这么一个准备工作，所以我们称之为“准双向I/O口”。
以上是P1口的一位的结构，P1口其它各位的结构与之相同，而其它三个口：P0、P2、P3则除入作为输入输出口之外还有其它用途，所以结构要稍复杂一些，但其用于输入、输出的结构是相同的。看图（）。对我们来说，这些附加的功能不必由我们来控制，所以我们就不去关心它了。
单片机内部结构分析（五）
通过前面的学习，我们已知单片机的内部有ROM、有RAM、有并行I/O口，那么，除了这些东西之外，单片机内部究竟还有些什么，这些个零碎的东西怎么连在一起的，让我们来对单片机内部作一个完整的分析吧！
看图（1）（本图太大，请大家找本书看吧，一般讲单片机的书，随便哪本都有）。从图中我们可以看出，在51单片机内部有一个CPU用来运算、控制，有四个并行I/O口，分别是P0、P1、P2、P3，有ROM，用来存放程序，有RAM，用来存放中间结果，此外还有定时/计数器，串行I/O口，中断系统，以及一个内部的时钟电路。在一个51单片机的内部包含了这么多的东西。
对上面的图进行进一步的分析，我们已知，对并行I/O口的读写只要将数据送入到相应I/O口的锁存器就可以了，那么对于定时/计数器，串行I/O口等怎么用呢？在单片机中有一些独立的存储单元是用来控制这些器件的，被称之为特殊功能寄存器（SFR）。事实上，我们已接触过P1这个特殊功能寄存器了，还有哪些呢？看表1
符号
B
ACC
PSW
IP
P3
IE
P2
SBUF
SCON
P1
TH1
TH0
TL1
TL0
TMOD
TCON
DPH
DPL
SP
P0
PCON
表1
下面，我们介绍一下几个常用的SFR，看图2。
ACC：累加器，通常用A表示。这是个什么东西，可不能从名字上理解，它是一个寄存器，而不是一个做加法的东西，为什么给它这么一个名字呢？或许是因为在运算器做运算时其中一个数一定是在ACC中的缘故吧。它的名字特殊，身份也特殊，稍后我们将学到指令，可以发现，所有的运算类指令都离不开它。
2、B：一个寄存器。在做乘、除法时放乘数或除数，不做乘除法时，随你怎么用。
3、PSW：程序状态字。这是一个很重要的东西，里面放了CPU工作时的很多状态，借此，我们可以了解CPU的当前状态，并作出相应的处理。它的各位功能请看表2
D7 D6 D5 DD
CY AC F0 RS1 RS0
表2
下面我们逐一介绍各位的用途
（1）CY：进位标志。8051中的运算器是一种8位的运算器，我们知道，8位运算器只能表示到0-255，如果做加法的话，两数相加可能会超过255，这样最高位就会丢失，造成运算的错误，怎么办？最高位就进到这里来。这样就没事了。
例：78H+97H（01111000+10010111）
（2）AC：半进位标志。
例：57H+3AH（01010111+00111010）
（3）F0：用户标志位，由我们（编程人员）决定什么时候用，什么时候不用。
（4）RS1、RS0：工作寄存器组选择位。这个我们已知了。
（5）0V：溢出标志位。什么是溢出我们稍后再谈吧。
（6）P：奇偶校验位：它用来表示ALU运算结果中二进制数位“1”的个数的奇偶性。若为奇数，则P=1，否则为0。
例：某运算结果是78H（01111000），显然1的个数为偶数，所以P=0。
4、DPTR（DPH、DPL）：数据指针，可以用它来访问外部数据存储器中的任一单元，如果不用，也可以作为通用寄存器来用，由我们自已决定如何使用。
5、P0、P1、P2、P3：这个我们已经知道，是四个并行输入/输出口的寄存器。它里面的内容对应着管脚的输出。
6、SP：堆栈指针。
堆栈介绍：日常生活中，我们都注意到过这样的现象，家里洗的碗，一只一只摞起来，最晚放上去的放在最上面，而最早放上去的则放在最下面，在取的时候正好相反，先从最上面取，这种现象我们用一句话来概括：“先进后出，后进先出”。请大家想想，还有什么地方有这种现象？其实比比皆是，建筑工地上堆放的砖头、材料，仓库里放的货物，都是“先进后出，后进先出”，这实际是一种存取物品的规则，我们称之为“堆栈”。
在单片机中，我们也可以在RAM中构造这样一个区域，用来存放数据，这个区域存放数据的规则就是“先进后出，后进先出”，我们称之为“堆栈”。为什么需要这样来存放数据呢？存储器本身不是可以按地址来存放数据吗？对，知道了地址的确就可以知道里面的内容，但如果我们需要存放的是一批数据，每一个数据都需要知道地址那不是麻烦吗？如果我们让数据一个接一个地放置，那么我们只要知道第一个数据所在地址单元就可以了（看图2）如果第一个数据在27H，那么第二、三个就在28H、29H了。所以利用堆栈这种方法来放数据可以简化操作
那么51中堆栈什么地方呢？单片机中能存放数据的区域有限，我们不能够专门分配一块地方做堆栈，所以就在内存（RAM）中开辟一块地方，用于堆栈，但是用内存的哪一块呢？还是不好定，因为51是一种通用的单片机，各人的实际需求各不相同，有人需要多一些堆栈，而有人则不需要那么多，所以怎么分配都不合适，怎样来解决这个问题?分不好干脆就不分了，把分的权利给用户（编程者），根据自已的需要去定吧，所以51单片机中堆栈的位置是可以变化的。而这种变化就体现在SP中值的变化，看图2，SP中的值等于27H不就相当于是一个指针指向27H单元吗？当然在真正的51机中，开始指针所指的位置并非就是数据存放的位置，而是数据存放的前一个位置，比如一开始指针是指向27H单元的，那么第一个数据的位置是28H单元，而不是27H单元，为什么会这样，我们在学堆栈命令时再说明。
其它的SFR，我们在用到时再介绍。
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