第四章80 C51 单片机的功能单元

1. 第四章80C51单片机的功能单元 基本内容 4.1 并行I/O接口 4.1.1 P1口 4.1.2 P3口 4.1.3 P2口 4.1.4 P0口 4.2 定时器/计数器 4.2.1概述 4.2.2定时器/计数器T0、T1

2. 第四章80C51单片机的功能单元 4.2.3定时器/计数器T2 4.2.4看门狗 4.2.5定时器/计数器的编程和使用 4.3 串行接口 4.4 中断系统 4.4.1中断、中断源及中断优先级 4.4.2中断的控制和操作 4.4.3中断的响应过程和中断矢量地址 

3. 第四章80C51单片机的功能单元 学习要点： 1、掌握4个并行口的工作特点； 2、理解定时和计数两个概念，掌握定时器和计数器的工作原理； 3、掌握串行接口的工作原理； 4、掌握中断的概念以及中断嵌套的原理，掌握中断向量地址和中断程序的进入和退出（断点的保存和恢复）。

4. 第四章80C51单片机的功能单元 4.1 并行I/O接口 80C51共有四个8位的并行双向口，计有32根输入/输出（I/O）口线。各口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。由于它们在结构上的一些差异，故各口的性质和功能也就有了差异。它们之间的异同列于表4--1。

5. 表4—1 80C51并行I/O接口的比较

7. 第四章80C51单片机的功能单元 下面按照各口的结构由简而繁的顺序加以介绍。 4.1.1 P1口 P1口是一个8位口,可以字节访问也可位访问,其字节访问地址为90H,位访问地址为90H~97H。 • 位结构与工作过程分 P1口的位结构如图4--1所示，内包含:输出锁存器、输入缓冲器BUF1（读引脚）、BUF2 （读锁存器）以及由FET晶体管Q0与上拉电阻组成的输出/输入驱动器。

8. 第四章80C51单片机的功能单元 图4---1 P1口的位结构原理图

9. 第四章80C51单片机的功能单元 P1口的工作过程分析如下： ① P1.i位作输出口用时:CPU输出0时,D=0，Q=0，Q=1，晶体管Q0导通，A点被下拉为低电平，即输出0；CPU输出1时，D=1，Q=1， Q =0，晶体管Q0截止，A点被上拉为高电平，即输出1。 ② P1.i位作输入口用时:先向P1.i位输出高电平，使A点提升为高电平，此操作称为设置P1.i为输入线。若外设输入为1时，A点为高电平，由BUF1读入总线后，B点也为高电平；若外设输入为0时，A点为低电平，由BUF1读入总线后，B点也为低电平。

10. 第四章80C51单片机的功能单元 2 P1口的特点 ① 输出锁存,输出时没有条件; ② 输入缓冲,输入时有条件,即需要先将该口设为输入状态,先输出1; ③ 工作过程中无高阻悬浮状态,也就是该口不是输入态就是输出态。 具有这种特性的口不属于“真正”的双向口，而被称为“准”双向口。

11. 第四章80C51单片机的功能单元 这里需要注意的是，若在输入操作之前不将A点设置为高电平（即先向该口线输出1），如果A点电平为低电平时，则外设输入的任何信号均被A点拉为低电平，亦即此时外设的任何信号都输不进来。更为严重的是，A点为低电平，而外设为高电平时，外设的高电平通过Q0强迫下拉为低电平，将可能有很大的电流流过Q0而将它烧坏。 P1口能驱动4个TTL负载。

12. 第四章80C51单片机的功能单元 3 P1口的操作 • 字节操作和位操作CPU对于P1口不仅可以作为一个8位口(字节)来操作, 也可以按位来操作。有关字节操作的指令有： 输出 MOV P1,A ;(P1)← (A) MOV P1,#data ;(P1)←#data MOV P1, direct ;(P1)←(direct) 输入 MOV A ,P1 ;(A)←(P1) MOV direct,P1 ;(direct)←(P1)

13. 第四章80C51单片机的功能单元 有关位操作的指令有： 置位、清除 SETB P1.i ;P1.i←1 CLR P1.i ;P1.i←0 输入、输出 MOV P1.i,C ;P1.i←CY MOV C, P1. i ;CY← P1. I 判跳 JB P1.i ,rel ;P1.i=1,跳转 JBC P1.i ,rel ;P1.i=0,跳转且P1.i←0 逻辑运算 ANL C, P1.i ;CY←( P1.i·CY) ORL C, P1.i ;CY←( P1.i+CY) 其中：P1.i中的i=0，…，7。

14. 第四章80C51单片机的功能单元 因此，P1口不仅可以以8位一组进行输入、输出操作，还可以逐位分别定义各口线为输入线或输出线。 例如： ORL P1,#0000,0010B 可以使P1.1位口线输出1,而使其余各位不变。 ANL P1,#1111,1101B 可以使P1.1位口线输出0,而使其余各位不变。 • 读引脚操作和读锁存器操作 从P1口的位结构图中可以看出，有两种读口的操作：一种是读引脚操作，一种是读锁存器操作。

15. 第四章80C51单片机的功能单元 • 在响应CPU输出的读引脚信号时，端口本身引脚的电平值通过缓冲器BUF1进入内部总线。这种类型的指令，执行之前必须先将端口锁存器置1，使A点处于高电平，否则会损坏引脚，而且也使信号无法读出，已于前述。 这种类型的指令有： MOV A,P1 ;(A)←(P1) MOV direct,P1 ;(direct)←(P1)

16. 第四章80C51单片机的功能单元 • 在执行读锁存器的指令时，CPU首先完成将锁存器的值通过缓冲器BUF2读入内部，进行修改，然后重新写到锁存器中去，这就是“读-修改-写”指令。 这种类型的指令包含所有的口的逻辑操作（ANL、ORL、XRL）和位操作（JBC、CPL、MOV、SETB、CLR等） 指令。

17. 第四章80C51单片机的功能单元 读锁存器操作可以避免一些错误,如用P1.i去驱动晶体管的基极。当对P1.i写入一个1之后，晶体管导通。若此时CPU接着读该位引脚的值，即晶体管基极的值时，为0；但是正确的值应该是1，这可从读锁存器得到。

18. 第四章80C51单片机的功能单元 4 关于口操作的时序 在执行改变端口锁存器内容的指令时，新的内容在指令执行的最后一个周期的S6P2时传送到口的锁存器内。然而口锁存器仅在任何周期的P1时才采样端口锁存器（缓冲器），在P2时输出锁存器的值并保持P1时所采样到的内容。

19. 第四章80C51单片机的功能单元 因此，S6P2时写入端口锁存器的新数值直到下一个周期的P1时被采样到，即只有在下一个机器周期的S1P1时，才真正出现在引脚上。 5 P1口的多功能线 在80C52中，P1.0和P1.1口线是多功能的，即除作一般双向I/O口线之外，这两根口线还具有下列功能：

20. 第四章80C51单片机的功能单元 P1.0——定时器/计数器2的外部输入端T2; P1.1——定时器/计数器2的外部控制端T2EX。 这时，该两位的结构与P3口的位结构相当。 关于P1.0和P1.1的功能在定时器/计数器2中叙述。

21. 第四章80C51单片机的功能单元 4.1.2 P3口 P3口是一个多功能的8位口,可以字节访问也可位访问,其字节访问地址为B0H,位访问地址为B0H~B7H。 1 位结构与工作过程分析 • 位结构 P3口的位结构 如图4---2所示。从P3口的位结构图中可以看出，它与P1的口位结构之间的区别在于：

22. 第四章80C51单片机的功能单元 图4--2P3口的位结构原理图

23. 第四章80C51单片机的功能单元 • P3口中增加了一个与非门。与非门有两个输入端：一个为口输出锁存器的Q端，另一个为替代功能的控制输出。与非门的输出端控制输出FET管Q0。 • 输出锁存器不是从Q端而是从Q端引出。 • 有两个输入缓冲器，替代输入功能取自第一个缓冲器的输出端；I/O口的通用输入信号取自第二个缓冲器的输出端。

24. 第四章80C51单片机的功能单元 (2) 输出工作过程分析 ① 当替代输出功能B点置1时，输出锁存器的输出可以顺利通到引脚P3.i。其工作状况与P1口相类似。 这时P3口的工作状态为一I/O口，显然此时该口具有准双向口的性质。

25. 第四章80C51单片机的功能单元 ② 当输出锁存器的输出置1时，替代输出功能可以顺利通到引脚P3.i。若替代输出为0时，因与非门的C点已置1，现B点为0，故与非门的输出为1，使Q0导通，从而使A点也为0。若替代输出为1时，与非门的输出为1，Q0截止，从而使A点也为高电平。 这时P3口的工作状态处于替代输出功能状态。

26. 第四章80C51单片机的功能单元 从上述分析可以看出，不论是替代输出还是替代输入功能时，输出锁存器的输出置1是必需的。 因此，P3口不论作替代功能输入，还是作替代功能输出，甚至作一般I/O的输入功能时，都需要向该口位输出1。这一点特别应该引起注意。

27. 第四章80C51单片机的功能单元 2P3口的功能和特点 与P1口不同，P3口是一个多功能口。 • 可作I/O口使用,为准双向口。这方面的功能与P1口一样。既可以字节操作，也可以位操作；既可以8位口操作，也可以逐位定义口线为输入线或输出线；既可以读引脚，也可以读锁存器，实现“读—修改—输出”操作。 • 可以作为替代功能的输入、输出。 替代输入功能: P3.0——RXD，串行输入口。

28. 第四章80C51单片机的功能单元 P3.2——INT0，外部中断0的请求。 P3.3——INT1，外部中断1的请求。 P3.4——T0，定时器/计数器0外部计数脉冲输入。 P3.5——T1，定时器/计数器1外部计数脉冲输入。替代输出功能:

29. 第四章80C51单片机的功能单元 P3.1——TXD，串行输出口。 P3.6——WR，外部数据存储器写选通，输出，低电平有效。 P3.7——RD，外部数据存储器读选通，输出，低电平有效。 (3) P3口能驱动4个TTL负载。

30. 第四章80C51单片机的功能单元 4.1.3 P2口 P2口是一个多功能的8位口,可以字节访问也可位访问,其字节访问地址为A0H,位访问地址为A0H~A7H。 1 位结构与工作过程分析 • 位结构与工作过程 P2口位结构示于图4--3。

31. 第四章80C51单片机的功能单元 图4---3P2口的位结构原理图

32. 第四章80C51单片机的功能单元 它与P1口位结构之间的区别在于： ① P2口的位结构中增加了一个多路开关。 多路开关的输入有两个：一个是口输出锁存器的输出端Q；一个是地址寄存器（PC或DPTR）的高位输出端。多路开关的输出经反相器反相后去控制输出FET Q0。多路开关的切换由内部控制信号控制。 ② 输出锁存器的输出端是Q而不是Q ，这样多路开关之后接反相器就很好理解了。

33. 第四章80C51单片机的功能单元 图4---3P2口的位结构原理图

34. 第四章80C51单片机的功能单元 (2) 工作过程分析 ①在内部控制信号的作用下，多路开关的输入投向输出锁存器的输出（C点）侧，这样多路开关将接通输出锁存器。 若经由内部总线输出0，输出锁存器的Q端为0，信号经多路开关和反相器后输出1，Q0导通，A点为0，输出低电平；若经由内部总线输出1，输出锁存器的Q端为1，反相器后输出0，Q0截止，A点为1，输出高电平。 这时P2口的工作状态是I/O口状态。

35. 第四章80C51单片机的功能单元 ②在内部控制信号的作用下，多路开关的输入投向地址输出（B点）侧，这样多路开关将接通地址寄存器输出。同样可以知道，A点的电平将随地址输出的0、1而1、0地变化。 这时P2口的工作状态是输出高8位地址。

36. 第四章80C51单片机的功能单元 2P2口的功能和特点 从上述工作过程的分析中可以看出，P2口是一个双功能的口： (1)作I/O口使用时，P2口为一准双向口，功能与P1口一样。 (2) 作地址输出时，P2口可以输出程序存储器或片外数据存储器的高8位地址，与P0口输出的低地址一起构成16位地址线，从而可分别寻址64 KB的程序存储器或片外数据存储器。地址线是8位一起自动输出的，不能像I/O口线逐位定义。 (3) P2口能驱动4个TTL负载。

37. 第四章80C51单片机的功能单元 3P2口使用中注意的问题 (1)由于P2口的输出锁存功能，在取指周期内或外部数据存储器读、写选通期间，输出的高8位地址是锁存的，故无需外加地址锁存器。 (2) 在系统中如果外接有程序存储器，由于访问片外程序存储器的连续不断的取指操作，P2口需要不断送出高位地址，这时P2口的全部口线均不宜再作I/O口使用。 (3) 在无外接程序存储器而有片外数据存储器的系统中，P2口使用可分为两种情况：

38. 第四章80C51单片机的功能单元 ①若片外数据存储器的容量≤256 B：可使用“MOVX A，@Ri”及“MOVX @Ri，A”类指令访问片外数据存储器，这时P2口不输出地址，P2口仍可作为I/O口使用； ②若片外数据存储器的容量≥256 B：这时使用“MOVX A，@DPTR”及“MOVX @DPTR，A”类指令访问片外数据存储器，P2口需输出高8位地址。在片外数据存储器读、写选通期间，P2口引脚上锁存高8位地址信息，但是在选通结束后，P2口内原来锁存的内容又重新出现在引脚上。

39. 第四章80C51单片机的功能单元 此时可以根据片外数据存储器读、写选通的频繁程度，有限制地将P2口作I/O口使用。 在片外数据存储器容量不太大的情况下，也可从软件上设法，只利用P1、P3甚至P2口中的某几根口线送高位地址，从而保留P2口的全部或部分口线作I/O口用。注意，这时使用的是“MOVX A，@Ri”及“MOVX @Ri，A”类访问指令，高位地址不再是自动送出的，而要通过程序设定。

40. 第四章80C51单片机的功能单元 4.1.4 P0口 P0口是一个多功能的8位口,可以字节访问也可位访问,其字节访问地址为80H,位访问地址为80H~87H。 1 位结构与工作过程分析 • 位结构 P0口位结构示于图4--4。

41. 第四章80C51单片机的功能单元 图4—4 P0口的位结构原理图

42. 第四章80C51单片机的功能单元 P0口的位结构与P1口有明显区别： ① P0口中增加了一个多路开关：多路开关的输入有两个，地址/数据输出；输出锁存器的输出。多路开关的输出用于控制输出FET Q0的导通和截止。多路开关的切换由内部控制信号控制。 ② P0口的输出上拉电路与P1口完全不同：P0口的上拉电路导通和截止受内部控制信号和地址/数据信号共同（相“与”）来控制。

43. 第四章80C51单片机的功能单元 (2) 工作过程分析 ① 当内部控制信号置1时，多路开关接通地址/数据输出端。 当地址/数据输出线置1时，控制上拉电路的“与”门输出为1，上拉FET导通，同时地址/数据输出通过反相器输出0，控制下拉FET截止，这样A点电位上拉，地址/数据输出线为1。

44. 第四章80C51单片机的功能单元 当地址/数据输出线置0时，“与”门输出为0，上拉FET截止，同时地址/数据输出通过反相器输出1，控制下拉FET导通，这样A点电位下拉，地址/数据输出线为0。

45. 第四章80C51单片机的功能单元 通过上述分析可以看出，此时的输出状态随地址/数据线而变。因此，P0口可以作为地址/数据复用总线使用。这时上下两个FET处于反相，构成了推拉式的输出电路，其负载能力大大增加。此时的P0口相当一个双向口。

46. 第四章80C51单片机的功能单元 ② 当内部控制信号置0时，多路开关接通输出锁存器的端。这时明显地可以看出两点： · 由于内部控制信号为0，与门关闭，上拉FET截止，形成P0口的输出电路为漏极开路输出； · 输出锁存器的端引至下拉FET栅极，因此P0口的输出状态由下拉电路决定。 在P0口作输出口用时，若P0i输出1，输出锁存器的端为0，下拉FET截止，这时P0i为漏极开路输出；若P0.i输出0，输出锁存器的端为1，下拉FET导通，P0.i输出低电平。

47. 第四章80C51单片机的功能单元 在P0口作输入口用时，为了使P0.i能正确读入数据，必须先使P0i锁存器置1。这样，下拉FET也截止，P0.i处于悬浮状态。A点的电平由外设的电平而定，通过输入缓冲器读入CPU。这时P0口相当于一个高阻抗的输入口。 2 P0口的功能和特点 (1)作I/O口使用。 相当于一个真正的双向口：输出锁存、输入缓冲，但输入时需先将口置1；每根口线可以独立定义为输入或输出。它具有双向口的一切特点。

48. 第四章80C51单片机的功能单元 与P1及其它口的区别是，输出时为漏极开路输出，与NMOS的电路接口时要用电阻上拉；输入时为悬浮状态，为一个高阻抗的输入口。 (2)作地址/数据复用总线用。 此时P0口为一个准双向口。但是没有上拉电阻，作数据输入时，口也不是悬浮状态。 作地址/数据复用总线用时，口不能逐位定义为输入/输出。作数据总线用，输入/输出8位数据；作地址总线用，输出低8位地址。当P0口作地址/数据复用总线用之后，就再也不能作I/O口使用了。

49. 第四章80C51单片机的功能单元 现时的许多仿真系统中，均以P0口作地址/数据复用总线使用，因而仿真I/O口的功能丧失。这一点特别应该注意。 (3) P0口能驱动8个TTL负载。

50. 第四章80C51单片机的功能单元 4.2定时器/计数器 4.2.1概述 定时器/计数器（timer/counter）是单片机中重要部件，其工作方式灵活、编程简单，使用它对减轻CPU的负担和简化外围电路都有很大好处。 80C51包含有两个16位的定时器/计数器：定时器/计数器T0和定时器/计数器T1；80C52包含有三个16位的定时器/计数器：定时器/计数器T0、定时器/计数器T1和定时/计数器T2；在80C51系列的部分产品（80C552）中，还包含有一个用做看门狗的8位定时器（T3）。