单片机工作方式

三、节电工作方式 节电方式是一种能减少单片机功耗的工作方 式，通常可以分为空闲(等待)方式和掉电(停 机)方式两种，只有CHMOS型器件才有这种 工作方式。CHMOS型单片机是一种低功耗 器件，正带工作时消耗11-20mA电流，空闲 状态时为1.7-5mA电流，掉电方式为5-50微 安。因此，CHMOS型单片机特别适用于低 功耗应用场合。
单步执行方式是利用单片机外部中断功能实现的。 单步执行键相当于外部中断的中断源，当它被按下 时相应电路就产生一个负脉冲(即中断请求信号)送 到单片机的 引脚。MCS-51单片机在负脉冲作用下 便能自动执行预先安排在中断的服务程序。
2．连续执行方式 连续执行方式是所有单片机都需要的一种工作方 式，被执行程序可以放在片内或片外ROM中。由 于单片机复位后程序计数器PC=0000H．因此机器 在加电或按钮复位后总是到0000H处执行设序，这 就可以预先在0000H处放一条转移指令，以便跳转 到0000H—FFFFH中的任何地方执行程序。
单片机对复位信号的要求：一是复位信号为高电 平，二是复位信号有效持续时间不少于24个振荡 脉冲（两个机器周期）以上，例如：若MCS— 51单片机时钟频率为12MHz，则复位脉冲宽度 至少应为2微秒。复位信号由单片机的RST引脚 输入，复位操作有上电自动复位、按键复位和外 部脉冲复位三种方式。随着单片机技术的发展， 目前有些单片机内部带有看门狗电路，当程序进 行出错或进入了无休止循环时，看门狗电路将利 用软件强行使系统复位。
二、MCS—51指令的取指／执行时序
单片机执行任何一条指令时都可以分为取指令 阶段和执行指令阶段。取指令阶段简称取指阶段 ，单片机在这个阶段里可以把程序计数器PC中 地址送到程序存储器，并从中取出需要执行指令 的操作码和操作数。指令执行阶段可以对指令操 作码进行译码，以产生一系列控制信号完成指令 的执行。图是MCS—51指令的取指／执行时序 （P41）。
③ 在S3和S4P1时P SEN 有效，选中片外ROM工 作，并根据P2口和地址锁存器输出地址读出 MOVC指令的指令码，经P0口送到CPU的指 令寄存器IR。 ④8051对指令寄存器IR中MOVC指令码译码 ，产生执行该指令所需的一系列控制信号。 ⑤在S4P2时，CPU先把累加器A中地址偏移 量和DPTR中地址相加，然后把“和地址”的高8 位送到P2口和低8位送到P0口，其中P0口地 址由ALE的第二个下降沿锁存到片外地址特定功能所需的时间，通 常有若干时钟周期T构成。因此，微型计算机的 机器周期常常按其功能来命名，且不同机器周期 所包含的时钟周期的个数也不相同。 MCS-51的机器周期没有采用上述方案，它的 机器周期时间是固定不变的，均由12个时钟周 期T组成，每个机器周期包含六个状态(S1—S6) 、每个状态又分为P1和P2两拍。因此，一个机 器周期中的12个振荡周期可以表示为S1P1， S1P2，S2P1，S2P2，S6P2，如图。
从图中可见，ALE引脚上出现的信号是周期性 的，每个机器周期内出现两次高电平，出现时 刻为S1P2和S2P1，S4P2和S5P1。ALE信号 每出现一次，CPU就进行一次取指操作，但由 于不同指令的字节数和机器周期数不同，因此 取指令操作也随指令不同而有小的差异。
按照指令字节数和机器周期数，8051的111条指 令可分为六类，分别对应于六种基本时序。这六 类指令是：单字节单周期指令、单字节双周期指 令、单字节四周期指令、双字节单周期指令、双 字节双周期指令和三字节双周期指令。为了弄清 楚这些基本时序的特点，现将几种主要时序作一 简述。
80C31复位以后SFR重新被初始化，但RAM中内 容保持不变。因此，若要使得80C31在掉电后继 续执行掉电前的程序，那就必须在掉电前预先把 SFR中内容保护到片内RAM，并在掉电方式退出 后为SFR恢复掉电前的状态。
2.空闲方式 80C31执行如下指令可以进入空闲方式： MOV PCON， #01H ； 进入空闲方式后，CPU停止工作，但中断、串行口 和定时器／计数器可以继续工作。此时，CPU现场 (即SP、PC、PSW和ACC等)、片内RAM和SFR中 其他寄存器内容均维持不变，ALE和 P SEN 变为高电 平等等。总之，CPU进入空闲状态后是不工作的， 但各功能部件保持进入空闲状态前的内容，且消耗 功耗很少。因此，在程序执行过程中，用户在CPU 无事可做或不希望它执行有用程序时应使它进入空 闲状态，一旦需要继续工作就让它退出空闲状态。
寄存器名称
PC ACC
复位状态
0000H 00H
寄存器名称
TCON TL0
复位状态
0 ╳000000B 00H
B
PSW SP
00H
00H 07H
╳ ╳000000B
TH0
TL1 TH1
00H
00H 00H
TMOD
DPTR P0-P3
PCON
SBUF SCON
0 ╳╳╳0000B
不定 00H
0000H FFH
1.单字节单周期指令时序
这类指令的指令码只有一个字节(如INC A指令 )，存放在程序存储器ROM中，机器从取出指令 码到完成指令执行仅需一个机器周期。 机器在ALE第一次有效(S2P1)时从ROM中读 出指令码，把它送到指令寄存器IR，接着开始执 行。在执行期间，CPU一方面在ALE第二次有效 (S4P2)时封锁PC加“1”，使第二次读操作无效； 另一方面在S6P2时完成指令执行。
一、机器周期和指令周期
为了对CPU时序进行分析，我们首先要为它定 义一种能够度量各时序信号出现时间的尺度。 这个尺度常常称为时钟周期、机器周期和指令 周期。
1.时钟周期 时钟周期T又称为振荡周期，由单片机片内振荡 电路OSC产生，常定义为时钟脉冲频率的倒数 ，是时序中最小的时间单位。例如：若某单片机 时钟频率为1MHz，则它的时钟周期T应为1微秒 。因此，时钟周期的时间尺度不是绝对的，而是 一个随时钟脉冲频率而变化的参量。但时钟脉冲 毕竟是计算机的基本工作脉冲，它控制着计算机 的工作节奏，使计算机的每一步工作都统一到它 的步调上来。因此，采用时钟周期作为时序中最 小时间单位是绝无仅有的。
CHMOS型器件退出空闲状态有两种方法。一种 是让被允许中断的中断源发出中断请求(例如： 定时器T0定时ms时间已到)，中断系统收到这个 中断请求后片内硬件电路会自动使IDL＝0，从 而退出空闲状态。另一种使CPU退出空闲状态 的方法是硬件复位，即在80C31的RST引脚上 送一个脉宽大于24个时钟周期的脉冲。此时， PCON中的IDL被硬件自动清零，CPU便可继续 执行进入空闲方式前的用户程序。
1.掉电方式 单片机在运行过程中，如果发生掉电，片内 RAM和SFR中的信息将会丢失。为防止信息 丢失，可把备用电源加到RST/VPD，当VCC 上的电压低于VPD上的电压时，备用电源通 过VPD端，以低功耗保持内部RAM和SFR中 的数据。当执行如下指令时，即可进入掉电 工作方式： MOV PCON，#02H
第二章 MCS-51单片机硬件结构
2.4 MCS-51单片机工作方式 单片机的工作方式是进行系统设计的基础，也 是单片机应用工作者必须熟悉的问题。通常， MCS—51单片机的工作方式包括：复位方式、 程序执行方式、节电方式以及EPROM的编程 和校验方式等四种。
一、复位方式 复位操作是单片机的初始化操作，单片机在进 入运行前和在运行过程中程序出错或操作失误 使系统不能正常运行时，需要进行复位操作。 复位操作后，程序将从0000H开始重新执行， 复位时特殊功能寄存器的状态如表所示。除此 之外，复位操作还使单片机的ALE和PSEN引 脚信号在复位期间变为无效状态。
2.双字节单周期指令时序 8051在执行这类指令时需要分两次从ROM中 读出指令码。ALE在第一次有效时读出指令操 作码，CPU对它译码后便知道是双字节指令， 故使程序计数器PC加“1”，并在ALE第二次有 效时读出指令的第二字节，最后在S6P2时完 成指令的执行。
3.单字节双周期指令时序 这类指令执行时，CPU在第一机器周期S1期间 从程序存储器ROM中读出指令操作码，经译码 后便知道是单字节双周期指令，故控制器自动封 锁后面的连续三次读操作，并在第二机器周期的 S6P2时完成指令的执行。
2.5 MCS-51单片机时序 单片机时序就是CPU在执行指令时所需控制信号 的时间顺序。因此，微型计算机中的CPU实质上 就是一个复杂的同步时序电路，这个时序电路是 在时钟脉冲推动下工作的。在执行指令时，CPU 首先要到程序存储器中取出需要执行指令的指令 码，然后对指令码译码，并由时序部件产生一系 列控制信号去完成指令的执行。这些控制信号在 时间上的相互关系就是CPU时序。
在掉电方式下，内部RAM的00H~7FH中的数 据保存下来，不会丢失，ALE和 P SEN 的输出为 逻辑低电平。在掉电期间，电源VCC可以降 到2V，内部RAM耗电电流为50微安。当电源 电压恢复到5V后，硬件复位10ms可以使单片 机推出掉电方式。退出掉电状态的唯一方法 是硬件复位，即给RST引脚加一个足够宽的 复位正脉冲。
3.指令周期
指令周期是时序中的最大时间单位，定义为执 行一条指令所需的时间。由于机器执行不同指 令所需时间也不同，因此不同指令所包含的机 器周期数也不相同。通常，包含一个机器周期 的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的 指令称为双周期指令，等等。
指令的运算速度和指令所包含的机器周期数有关 ，机器周期数越少的指令执行速度越快。MCS51单片机通常可以分为单周期指令、双周期指令 和四周期指令等三种。四周期指令只有乘法和除 法指令两条，其余均为单周期和双周期指令。
三、访问片外ROM/RAM的指令程序 8051专门有两类可以访问片外存储器的 指令。一类是读片外ROM指令，另一类是 访问片外RAM指令。这两类指令执行时所 产生的时序除涉及ALE引脚外，还和P SEN 、 P0、P2和 RD 等信号有关。
1.读片外ROM指令时序 8051执行如下指令时 MOVC A， ＠A+DPTR