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无线货架自动控制系统 第9页

更新时间:2009-5-28:  来源:毕业论文
无线货架自动控制系统 第9页
第四章  硬件设计
4.1 单片机概论
单片机(Microcontroller,有称微处理器)是在一块硅片上集成了各种部件的微型机,这些部件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。
本系统中单片机完成条码器输出的码制和数据判别,内置CRC纠检错协议,UART异步串口通信,通信协议封装,液晶显示完成等功能。低功耗及休眠管理。
1. 8051系列单片机的特点
8051单片机的基本结构见图4.1所示。
图 4.1  8051单片机的基本结构
8051是MCS51系列单片机的一个产品。MCS51系列单片机是Intel公司推出的通用型单片机,其结构特点如下:
(1)8位CPU;
(2)片内震荡及时钟电路;
(3)32根I/O线;
(4)外部存储器寻址范围ROM、RAM各64K;
(5)2个16位的定时器/计数器;
(6)5个中断源,2个中断优先级;
(7)全双工串行接口。
8051单片机系列指的是MCS51系列和其他公司的8051衍生产品。这些衍生品是在基本型基础上增强了各种功能的产品,如高级语言型、flash 型、EEPROM型、A/D型、DMA型、多并行口型等,这些产品给8位单片机注入了新的活力,给它的开发应用开拓了更广泛的前景。
2.  8051系列单片机的内部结构
8051系列的内部结构可以划分为CPU、存储器、并行口、串行口、定时器/计数器、中断逻辑几部分。
 (1)中央处理器
8051的中央处理器由运算器和控制逻辑构成,其中包括若干特殊功能寄存器(SFR)。
算术逻辑单元ALU能对数据进行加、减、乘、除等算术运算;“与”、“或”、“异或”等逻辑运算以及位操作运算。
ALU只能进行运算,运算的操作数可以事先存放到累加器ACC或寄存器TMP中,运算结果可以送回ACC或通用寄存器或存储单元中,累加器ACC也可以写为A。B寄存器在乘法指令中用来存放一个乘数,在除法指令中用来存放除数,运算后B中为部分运算结果。
程序状态字PSW是个8位寄存器,用来寄存本次运算的特征信息,用到其中七位。PSW的格式如下所示,其各位的含义是:
CY:进位标志。有进位/错位时CY=1,否则CY=0。
AC:半进位标志。当D3位向D4位产生进位/错位时,AC=1,否则AC=0,常用于十进制调整运算中。
F0:用户可设定的标志位,可置位/复位,也可供测试。
RS1、RS0:四个通用寄存器组选择位,该两位的四种组合状态用来选择0~3寄存器组。见表2-1。
OV:溢出标志。当带符号数运算结果超出-128~+127范围时OV=1,否则OV=0。当无符号数乘法结果超过255时,或当无符号数除法的除数为0时OV=1,否则OV=0。
P:奇偶校验标志。每条指令执行完,若A中1的个数为奇数时P=1,否则P=0,即偶校验方式。
控制逻辑主要包括定时和控制逻辑、指令寄存器 、译码器以及地址指针DPTR和程序寄存器PC等。
表 4.1  RS1、RS0与工作寄存器组的关系
RS1 RS0 工作寄存器组
0 0 0组(00-07H)
0 1 1组(08-0FH)
1 0 2组(10-17H)
1 1 3组(18-1FH)

单片机时程序控制式计算机,即它的运行过程是在程序控制下逐条执行程序指令的过程:从程序存储器中取出指令送指令存储器IR,然后指令译码器ID进行译码,译码产生一系列符合定时要求的微操作信号,用以控制单片机的各部分动作。8051的控制器在单片机内部协调各功能部件之间的数据传送、数据运算等操作,并对单片机发出若干控制信息。这些控制信息的使用专门的控制线,诸如PSEN、ALE、EA以及RST,也有一些是和P3口的某些端子合用,如WR和RD就是P3.6和P3.7,他们的具体功能在介绍8051引脚是一起叙述。
(2)存储器组织
8051单片机的存储器结构特点之一是将程序存储器和数据存储器分开,并有各自的寻址机构和寻址方式,这种结构称为哈佛结构单片机。这种结构与通用微机的存储器结构不同,一般微机只有一个存储器逻辑空间,可随意安排ROM或RAM,访存时用同一种指令,这种结构称为普林斯顿型。
8051单片机在物理上有四个存储空间:片内程序存储器和片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。
8051片内有256K数据存储器RAM和4KB的程序存储器ROM。除此之外,还可以在片外扩展RAM和ROM,并且各有64KB的寻址范围。也就是最多可以在外部扩展2*64KB存储器。
8051的存储器组织结构如图4.2所示。
图 4.2   8051存储器组织结构
64K字节的程序存储器(ROM)空间中,有4K字节地址区对于片内ROM和片外ROM是公用的,这4K字节地址是0000H~FFFH。而1000H~FFFFH地址区为外部ROM专用。CPU的控制器专门提供一个控制信号EA用来区分内部ROM和外部ROM的公用地址区:当EA接高电平时,单片机从片内ROM的4K字节存储器区取指令,而当指令地址超过0FFFH后,就自动的转向片外ROM取指令。当EA接低电平时,CPU只从片外ROM取指令。
表4.2  8051特殊功能寄存器一览表
符号 地址 注解
*ACC E0H 累加器
*B F0H 乘法寄存器
*PSW D0H 程序状态字
SP 81H 堆栈指针
DPL 82H 数据存储器指针(低8位)
DPH 83H 数据存储器指针(高8位)
*IE A8H 中断允许控制器
*IP D8H 中断优先控制器
*P0 80H 通道0
*P1 90H 通道1
*P2 A0H 通道2
*P3 B0H 通道3
PCON 87H 电源控制及波特率选择
*SCON 98H 串行口控制器
SBUF 99H 串行数据缓冲器
*TCON 88H 定时器控制
TMOD 89H 定时器方式选择
TL0 8AH 定时器0低8位
TL1 8BH 定时器1低8位
TH0 8CH 定时器0高8位
TH1 8DH 定时器1高8位
程序存储器的某些单元是保留给系统使用的:0000H~0002H单元是所有执行程序的入口地址,复位以后,CPU总是从0000H单元开始执行程序。0003H~002AH单元均匀地分为五段,用做五个中断服务程序的入口。用户程序不应进入上述区域。
数据存储器RAM也有64KB寻址区,在地址上是和ROM重叠的。8051通过不同的信号来选通ROM或RAM:当从外部ROM取指令时用选通信号PSEN,而从外部RAM读写数据时采用读写信号RD或WR来选通。因此不会因地址重叠而出现混乱。
8051的RAM虽然字节数不很多,但却起着十分重要的作用。256个字节被分为两个区域:00H~7FH时真正的RAM区,可以读写各种数据。而80H~FFH是专门用于特殊功能寄存器(SFR)的区域。对于8051安排了21个特殊功能寄存器,每个寄存器为8位,所以实际上128个字节并没有全部利用。
内部RAM的各个单元,都可以通过直接地址来寻找,对于工作寄存器,则一般都直接用R0~R7,对特殊功能寄存器,也是直接使用其名字较为方便。8051内部特殊功能寄存器都是可以位寻址的,并可用“寄存器名.位”来表示,如ACC.0,B.7等。
这些寄存器分别用于以下各个功能单元:
CPU:ACC,B,PSW,SP,DPTR(由两个8位寄存器DPL和DPH组成);
并行口:P0,P1,P2,P3;

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