單片機數(shù)字邏輯門電路和定時器
不管是數(shù)字電路,還是C語言,我們都會經(jīng)常遇到邏輯運算和邏輯電路,在這里我介紹一下,大家先簡單了解一下,知道有這么回事,回頭遇到了,再詳細研究。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201808/385209.htm首先,在“邏輯”這個概念范疇內(nèi),存在真和假這兩個邏輯值,而將其對應到數(shù)字電路或C語言中,就變成了“非0值”和“0值”這兩個值,即邏輯上的“假”就是數(shù)字電路或C語言中的“0”這個值,而邏輯“真”就是其它一切“非0值”。
然后,我們來具體分析一下幾個主要的邏輯運算符。我們假定有2個字節(jié)變量:A和B,二者進行某種邏輯運算后的結(jié)果為F。
以下邏輯運算符都是按照變量整體值進行運算的,通常就叫做邏輯運算符:
:邏輯與,F(xiàn) = A B,當A、B的值都為真(即非0值,下同)時,其運算結(jié)果F為真(具體數(shù)值為1,下同);當A、B值任意一個為假(即0,下同)時,結(jié)果F為假(具體數(shù)值為0,下同)。
||:邏輯或,F(xiàn) = A || B,當A、B值任意一個為真時,其運算結(jié)果F為真;當A、B值都為假時,結(jié)果F為假。
! :邏輯非,F(xiàn) = !A,當A值為假時,其運算結(jié)果F為真;當A值為真時,結(jié)果F為假。
以下邏輯運算符都是按照變量內(nèi)的每一個位來進行運算的,通常就叫做位運算符:
:按位與,F(xiàn) = A B,將A、B兩個字節(jié)中的每一位都進行與運算,再將得到的每一位結(jié)果組合為總結(jié)果F,例如A = 0b11001100,B = 0b11110000,則結(jié)果F就等于0b11000000。
| :按位或,F(xiàn) = A | B,將A、B兩個字節(jié)中的每一位都進行或運算,再將得到的每一位結(jié)果組合為總結(jié)果F,例如A = 0b11001100,B = 0b11110000,則結(jié)果F就等于0b11111100。
~ :按位取反,F(xiàn) = ~A,將A字節(jié)內(nèi)的每一位進行非運算(就是取反),再將得到的每一位結(jié)果組合為總結(jié)果F,例如,A = 0b11001100,則結(jié)果F就等于0b00110011;這個運算符我們在前面的流水燈實驗里已經(jīng)用過了,現(xiàn)在再回頭看一眼,是不是清楚多了。
^ :按位異或,異或的意思是,如果運算雙方的值不同(即相異)則結(jié)果為真,雙方值相同則結(jié)果為假。在C語言里沒有按變量整體值進行的異或運算,所以我們僅以按位異或為例,F(xiàn) = A ^ B,A = 0b11001100,B = 0b11110000,則結(jié)果F就等于0b00111100。
我們今后要看資料或芯片手冊的時候,會經(jīng)常遇到一些電路符號,表1就是數(shù)字電路中的常用符號,知道這些符號有利于我們理解器件的邏輯結(jié)構(gòu),尤其重點認識以下表中的“國外流行圖形符號”。在這里我們先簡單看一下,后邊遇到了知道到這里查閱就可以了。
表1 數(shù)字邏輯門電路
二、定時器的學習
定時器是單片機的重點中的重點,但不是難點,大家一定要完全理解并且熟練掌握定時器的應用。
定時器的初步認識
時鐘周期:時鐘周期T是時序中最小的時間單位具體計算的方法就是1/時鐘源,如果大家用的晶振是11.0592M,那么對于這個單片機系統(tǒng)來說,時鐘周期=1/11059200秒。
機器周期:我們的單片機完成一個操作的最短時間。機器周期主要針對匯編語言而言,在匯編語言下程序的每一條語句執(zhí)行所使用的時間都是機器周期的整數(shù)倍,而且語句占用的時間是可以計算出來的,而C語言一條語句的時間是不可計算的。51單片機系列,在其標準架構(gòu)下一個機器周期是12個時鐘周期,也就是12/11059200秒?,F(xiàn)在有不少增強型的51單片機,其速度都比較塊,有的1個機器周期等于4個時鐘周期,有的1個機器周期就等于1個時鐘周期,也就是說大體上其速度可以達到標準51架構(gòu)的3倍或12倍。因為我們是講標準的51單片機,所以我們后邊的課程如果遇到這個概念,全部是指12個時鐘周期。
這兩個概念了解即可,下邊就來我們的重頭戲,定時器和計數(shù)器。定時器和計數(shù)器是單片機內(nèi)部的同一個模塊,通過配置SFR(特殊功能寄存器)可以實現(xiàn)兩種不同的功能,我們大多數(shù)情況下是使用定時器功能,因此我們的課程也是主要來講定時器功能,計數(shù)器功能大家自己了解下即可。
顧名思義,定時器就是用來進行定時的。定時器內(nèi)部有一個寄存器,我們讓它開始計數(shù)后,這個寄存器的值每經(jīng)過一個機器周期就會加1一次,因此,我們可以把機器周期理解為定時器的計數(shù)周期。我們的秒表,每經(jīng)過一秒,數(shù)字加1,而這個定時器就是每過一個機器周期的時間,也就是12/11059200秒,數(shù)字加1。還有一個特別注意的地方,就是秒表是加到60后,秒就自動變成0了,這種情況在單片機和計算機里我們稱之為溢出。那定時器加到多少才會溢出呢?定時器有幾種模式,假如是16位的定時器,也就是2個字節(jié),最大值就是65535,那么加到65535后,再加1就算溢出,如果有其他位數(shù)的話,道理是一樣的,對于51單片機來說,溢出后,這個值會直接變成0。從某一個初值,經(jīng)過計算確定的時間后溢出,這個過程就是其定時的含義。
定時器的寄存器描述
標準的51里邊只有定時器0和定時器1這兩個定時器,現(xiàn)在很多單片機也有多個定時器的,在這里我們先講定時器0和1。那么我前邊提到過,對于單片機的每一個功能模塊,都是由他的SFR,也就是特殊功能寄存器來控制。而和定時器有關(guān)的特殊功能寄存器,有以下幾個,大家不需要去記憶這些寄存器的名字和作用,你只要大概知道就行,用的時候,隨時可以查手冊,找到每個寄存器的名字和每個寄存器所起到的作用。
表2 定時值存儲寄存器
表3 TCON--定時器/計數(shù)器控制寄存器的位分配(地址:88H)
可位尋址;復位值:0x00;復位源:任何復位
表4 TCON--定時器/計數(shù)器控制寄存器的位描述
大家注意在表4中的描述中,只要寫到硬件置1或者清0的,就是指一旦符合條件,單片機自動完成的動作,只要寫軟件置1或者清0的,是指我們用程序去完成這個動作,后邊課程中不再做說明。
表2中的寄存器,是存儲計數(shù)器的計數(shù)值的,兩個字節(jié)的用于定時器1,兩個字節(jié)用于定時器0。
表3中有TF1、TR1、TF0、TR0這4位需要我們理解清楚。兩位定時器1的,兩位定時器0的,我們只解釋定時器1的,定時器0的同理。先看TR1,當我們程序中寫TR1 = 1以后,定時器值就會每經(jīng)過一個機器周期加1,當我們程序中寫TR1 = 0以后,定時器值就會保持不變化。TF1,這個是一個標志位,他的作用是告訴我們定時器溢出了。比如我們的定時器設(shè)置成16位的定時器,那么每經(jīng)過一個機器周期,TL1加1一次,當TL1加到255后,再加1,TL1變成0,TH1會加1一次,如此一直加到TH1和TL1都是255(即TH1和TL1組成的16位整型數(shù)為65535)以后,再加1一次,那么就會溢出,TH1和TL1同時都變?yōu)?,只要一溢出,TF1馬上自動變成1,告訴我們定時器溢出了,僅僅是提供給我們一個信號,讓我們知道定時器溢出了,它不會對定時器是否繼續(xù)運行產(chǎn)生任何影響。
表5 TMOD--定時器方式控制寄存器的位分配(地址 89H)
不可位尋址;復位值:0x00;復位源:任何復位
細心的同學會發(fā)現(xiàn),TCON那個地方標注的是“可位尋址”,TMOD這里標注的是“不可位尋址”。這個地方的意思就是比如TCON有一位TR1,我們可以在程序中直接進行TR1 = 1;這樣操作。但是(T1)M1 = 1;這樣的操作就是錯誤的。我們要操作就必須一次操作一個字節(jié),就是必須一次性對TMOD所有位操作,不能對其中某一位單獨進行操作。
表6 TMOD--定時器/計數(shù)器方式控制寄存器的位描述
表7 TMOD--定時器方式控制寄存器M1/M0工作模式
以上這4種模式的配置,其中模式0是為了兼容老的8048單片機而設(shè)的,現(xiàn)在的51幾乎不會用到這種模式,而模式3根據(jù)我的應用經(jīng)驗,他的功能模式2完全可以取代,所以基本上也是不用,那么我們重點就學習模式1和模式2。
模式1就是THn和TLn組成了一個16位的定時器,取值范圍是0到65535,溢出后,只要不對THn和TLn重新賦值,則從0開始計數(shù)。模式2的功能是自動裝載,就是TLn溢出后,TFn就直接置1了,并且THn的值直接賦給TLn,然后TLn從新賦值的這個數(shù)字開始計數(shù)。這個功能可以用來產(chǎn)生串口的通信波特率,我們講串口的時候要用到,本章節(jié)我們重點來學習模式1。為了加深大家理解這個定時器原理,我們來看一下他的模式1的電路示意圖1。
圖1 定時器/計數(shù)器模式1示意圖
我?guī)е蠹襾矸治鲆幌逻@個示意圖,后邊如果手冊中遇到,大家也就會自己研究了。OSC框表示時鐘頻率,因為我們1個機器周期等于12個時鐘周期,所以那個d就等于12。下邊GATA右邊的那個門是一個非門電路,再右側(cè)是一個或門,再往右是一個與門電路。
圖上可以看出來,下邊部分電路是控制了上邊部分,那我們先來看下邊是如何控制的,我們以定時器0為例。
1、TR0和下邊或門電路的結(jié)果要進行與門運算,TR0如果是0的話,與運算完了肯定是0,所以確定如果要讓定時器工作,TR0 = 1。
2、與門結(jié)果要想是1,那或門出來的信號必須也得是1才行。在GATE位為1的情況下,經(jīng)過一個非門變成0,或門電路結(jié)果要想是1的話,那INT0即P3.2引腳必須是1的情況下,這個時候定時器才會工作,而INT0引腳是0的情況下,定時器不工作,這就是GATE位的作用。
3、當GATE位為0的時候,經(jīng)過一個非門變成1,不管INT0引腳是什么電平,經(jīng)過或門電路后則肯定是1,定時器就會工作。
4、要想讓定時器工作,就是加1,從圖上看有兩種方式,第一種方式是那個開關(guān)打到上邊的箭頭,就是C/T = 0的時候,一個機器周期TL就會加1一次,當開關(guān)打到下邊的箭頭,即C/T =1的時候,T0引腳即P3.4引腳來一個脈沖,TL就加1一次,這也就是計數(shù)器功能。
INT0引腳是P3.2,INT1引腳是P3.3,T0引腳是P3.4,T1引腳是P3.5。
三、定時器程序應用
了解了定時器相關(guān)的寄存器,那么我們下面就來做一個定時器的程序,鞏固一下我們學到的內(nèi)容。我們這節(jié)課的程序先使用定時器0,在使用定時器的時候,需要以下幾個步驟:
第一步:設(shè)置特殊功能寄存器TMOD,配置好工作模式;
第二步:設(shè)置計數(shù)寄存器TH0和TL0的初值;
第三步:設(shè)置TCON,通過打開TR0位來讓定時器開始計數(shù)。
第四步:判斷TCON寄存器的TF0位,監(jiān)測定時器溢出情況。
寫程序之前,我們要先來學會計算如何用定時器定時時間。我們以晶振是11.0592M為例講解,時鐘周期就是1/11059200,機器周期就是12/11059200,我們假如要定時20ms,就是0.02秒,要經(jīng)過x個機器周期得到0.02秒,我們來算一下x*12/11059200=0.02,得到x= 18432。那么我們現(xiàn)在16位的定時器溢出值是65536,我們可以這樣,先給TH0和TL0一個初值,讓他們經(jīng)過18432個機器周期后剛好溢出,溢出后我們可以通過檢測TF0位得知,就剛好是0.02秒。這個初值y = 65536 - 18432 = 47104,轉(zhuǎn)成16進制就是0xB800,那么就是TH0 = 0xB8,TL0 = 0x00。
那0.02秒我們已經(jīng)定時出來了,細心的同學會發(fā)現(xiàn),我們?nèi)绻踔抵苯咏o一個0x0000,一直到65536溢出,定時器定時值最大也就是71ms左右,那么我們想定時更長時間怎么辦呢?用你小學學過的邏輯,倍數(shù)關(guān)系就可以解決此問題。
那好了,我們下面就用程序來實現(xiàn)以下這個功能。
#include //包含寄存器的庫文件
sbit LED = P0^0;
sbit ADDR0 = P1^0;
sbit ADDR1 = P1^1;
sbit ADDR2 = P1^2;
sbit ADDR3 = P1^3;
sbit ENLED = P1^4;
void main()
{
unsigned char counter = 0;
ENLED = 0; ADDR0 = 0; ADDR1 = 1;
ADDR2 = 1; ADDR3 = 1; LED = 1; //74HC138和LED燈初始化部分
TMOD = 0x01; //設(shè)置定時器0為模式1
TH0 = 0xB8;
TL0 = 0x00; //定時值初值
TR0 = 1; //打開定時器0
while(1)
{
if(1 == TF0) //判斷定時器0是否溢出
{
TF0 = 0;
TH0 = 0xB8; //一旦溢出后,重新賦值
TL0 = 0x00;
counter++;
if(50 == counter) //判斷定時器0溢出是否達到50次
{
counter = 0; //counter清0,重新計數(shù)
LED = !LED; //LED取反操作,0-->1,1-->0
}
}
}
}
程序都有注釋,不難理解,這里要解釋一個地方,就是兩次if判斷,細心的同學會發(fā)現(xiàn),if(1 == TF0)這句,我把1寫前邊,這個地方我推薦新手按照我這樣來寫,因為如果我們寫if(TF0 == 1),作為新手來說,不小心丟掉一個’=’號后,寫成if(TF0 = 1),這樣實際上在語法上是可以通過的,我們用的Keil4還會出一個警告說明一下,Keil以前的版本以及一些其他軟件,可能根本不會出任何錯誤或者警告提示,但是這樣產(chǎn)生的Hex文件下載到單片機里邊,程序就錯了,大家可以改改試試看。
本程序?qū)崿F(xiàn)的結(jié)果是小燈點亮持續(xù)一秒,熄滅持續(xù)一秒,也就是以0.5HZ的頻率進行閃爍。
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