第2章 AT89S51單片機的硬件結(jié)構(gòu)

單片機原理及應用第2章AT89S51單片機的硬件結(jié)構(gòu)主講人：趙宇洋2

第2章目錄2.1AT89S51單片機的硬件組成2.2AT89S51的引腳功能

2.2.1電源及時鐘引腳

2.2.2控制引腳

2.2.3并行I/O口引腳2.3AT89S51的CPU

2.3.1運算器

2.3.2控制器2.4AT89S51存儲器的結(jié)構(gòu)

2.4.1程序存儲器空間

2.4.2數(shù)據(jù)存儲器空間

2.4.3特殊功能寄存器（SFR）

2.4.4位地址空間2.5AT89S51的并行I/O端口

2.5.1P0口

2.5.2P1口

2.5.3P2口

2.5.4P3口

2.5.5P1～P3口驅(qū)動LED發(fā)光二極管2.6時鐘電路與時序

2.6.1時鐘電路設(shè)計

2.6.2機器周期、指令周期與指令時序2.7復位操作和復位電路

2.7.1復位操作

2.7.2復位電路設(shè)計2.8低功耗節(jié)電模式

2.8.1空閑模式

2.8.2掉電運行模式

2.8.3掉電和空閑模式下的WDT內(nèi)容梗概：AT89S51的片內(nèi)硬件基本結(jié)構(gòu)、引腳功能、存儲器結(jié)構(gòu)、特殊功能寄存器功能、4個并行I/O口的結(jié)構(gòu)和特點，復位電路和時鐘電路的設(shè)計,節(jié)電工作模式。學習目的：為AT89S51系統(tǒng)的應用設(shè)計打下基礎(chǔ)。在原理和結(jié)構(gòu)上，單片機把微機的許多概念、技術(shù)與特點都繼承下來，用學習微機的思路來學習單片機。CPU運算部件控制部件BRAMP0口P2口ROM(EPROM)串行口

C/T中斷系統(tǒng)SFRP1口8P3口888XTAL1XTAL2PSENALEEARESETVccVss按功能可分成8個部件，通過片內(nèi)單一總線連接起來1.微處理器2.數(shù)據(jù)存儲器3.程序存儲器4.I/O口5.串行口6.定時/計數(shù)器7.中斷系統(tǒng)8.特殊功能寄存器控制方式：SFR對各功能部件集中控制片內(nèi)總線2.1AT89S51單片機的硬件組成（1）8位微處理器（CPU）；（2）數(shù)據(jù)存儲器（128BRAM）；（3）程序存儲器（4KBFlashROM）；（4）4個8位可編程并行I/O口（P0口、P1口、P2口和P3口）；（5）1個全雙工的異步串行口；（6）2個可編程的16位定時器/計數(shù)器；（7）1個看門狗定時器；（8）中斷系統(tǒng)具有5個中斷源、5個中斷向量；（9）特殊功能寄存器（SFR）26個；（10）低功耗模式有空閑模式和掉電模式，且具有掉電模式下的中斷恢復模式；（11）3個程序加密鎖定位。8與AT89C51相比，AT89S51有更突出的優(yōu)點：（1）增加在線可編程功能ISP；（2）數(shù)據(jù)指針增加到兩個，方便了對片外RAM的訪問過程；（3）增加了看門狗定時器，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力；（4）增加斷電標志；（5）增加掉電狀態(tài)下的中斷恢復模式?；窘Y(jié)構(gòu)依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)微機結(jié)構(gòu)。92.2AT89S51的引腳功能40只引腳雙列直插封裝（DIP）44只引腳方形封裝方式（4只無用）引腳邏輯圖8051單片機為40條引腳雙列直插式封裝引腳可分為三個部分控制引腳并行I/O口引腳電源及時鐘引腳2.2.1電源及時鐘引腳1．電源引腳（1）Vcc（40腳）：+5V電源；（2）Vss（20腳）：接地。2．時鐘引腳（1）XTAL1（19腳）：采用外接晶體振蕩器時，接地。（2）XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端。112.2.2控制引腳(1)RST/VPD(9腳)：復位與備用電源/VPP(31腳):第一功能：外部程序存儲器訪問允許控制端。

=1，訪問片內(nèi)程序存儲器，

=0，單片機則只訪問外部程序存儲器;第二功能VPP，用于施加編程電壓。(3)ALE/（30腳）：第一功能ALE：地址鎖存允許;第二功能

：編程脈沖輸入端。(4)（29腳）：讀外部程序存儲器的選通信號。

122.2.3并行I/O口引腳P0口：雙向8位三態(tài)I/O口，地址總線（低8位）及數(shù)據(jù)總線分時復用口，可驅(qū)動8個LS型TTL負載。(2)P1口：8位準雙向I/O口，可驅(qū)動4個LS型TTL負載。(3)P2口：8位準雙向I/O口，與地址總線（高8位）復用，可驅(qū)動4個LS型TTL負載。(4)P3口：8位準雙向I/O口，雙功能復用口，可驅(qū)動4個LS型TTL負載。13P0口作為總線時，為雙向口；作為通用I/O口時，為準雙向口，這時需加上拉電阻。P1口、P2口、P3口均為準雙向口。14★注意：準雙向口與雙向三態(tài)口的差別。雙向口通過方向寄存器設(shè)置后，要作輸出可以直接向數(shù)據(jù)寄存器寫，做輸入可以直接讀；而51的結(jié)構(gòu)造成其準雙向口，輸出直接用就可以了，輸入必須先寫全1然后再讀。P1~P3準雙向口僅有高、低電平兩個狀態(tài)；作通用I/O的輸入口使用時，一定要向該口先寫入“1”。而P0雙向三態(tài)口作為總線使用，口線內(nèi)無上拉電阻，處于高阻“懸浮”態(tài)。152.3.1運算器對操作數(shù)進行算術(shù)、邏輯運算和位操作。1．算術(shù)邏輯運算單元ALU2．累加器A

使用最頻繁的寄存器，可寫為Acc。

A的作用：（1）是ALU單元的輸入源之一，又是運算結(jié)果存放單元。（2）數(shù)據(jù)傳送大多都通過累加器A。（3）A的進位標志Cy同時又是位處理機的位累加器。162.3AT89S51的CPU由運算器和控制器構(gòu)成。3．程序狀態(tài)字寄存器PSW

（1）Cy（PSW.7）進位標志位（2）Ac(PSW.6)輔助進位標志位（3）F0（PSW.5）標志位：由用戶使用的狀態(tài)標志位。（4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：4組工作寄存器區(qū)選擇控制位1和位0。PSW的格式（5）OV（PSW.2）溢出標志位 當執(zhí)行算術(shù)指令時，用來指示運算結(jié)果是否產(chǎn)生溢出。如果結(jié)果產(chǎn)生溢出，OV=1；否則，OV=0。（6）PSW.1位保留位。（7）P（PSW.0）奇偶標志位

指令執(zhí)行完，累加器A中“1”的個數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)。P=1，表示A中“1”的個數(shù)為奇數(shù)。

P=0，表示A中“1”的個數(shù)為偶數(shù)。

18192.3.2控制器任務：識別指令，并根據(jù)指令性質(zhì)控制單片機各功能部件。包括：程序計數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、定時及控制邏輯電路等。功能：控制指令的讀入、譯碼和執(zhí)行。

程序計數(shù)器PC是一個獨立的16位計數(shù)器，不可訪問。單片機復位時，PC中的內(nèi)容為0000H，從程序存儲器0000H單元取指令，開始執(zhí)行程序。PC工作過程是：CPU讀指令時，PC中的內(nèi)容作為所取指令的地址，程序存儲器按此地址輸出指令字節(jié)，同時PC自動加1。１.程序存儲器空間片內(nèi)和片外兩部分。片內(nèi)4KBFlash，電編程和擦除，也可在線編程。片外擴展最多可至64KB。２.數(shù)據(jù)存儲器空間

片內(nèi)與片外兩部分。片內(nèi)有128BRAM（52子系列為256B）。片外可擴展至64KBRAM。202.4AT89S51存儲器的結(jié)構(gòu)３.特殊功能寄存器SFR片內(nèi)各功能部件的控制寄存器及狀態(tài)寄存器，綜合反映整個單片機基本系統(tǒng)內(nèi)部實際的工作狀態(tài)及工作方式。４.位地址空間共有211個可尋址位，構(gòu)成了位地址空間。位于內(nèi)部RAM（共128位）和特殊功能寄存器區(qū)（共83位）中。212.4.1程序存儲器空間只讀，存放固定常數(shù)，地址范圍0000H～0FFFH。使用時應注意以下問題：（1）分為片內(nèi)和片外兩部分，訪問片內(nèi)的還是片外的程序存儲器，由引腳電平確定。

=1時，CPU從片內(nèi)0000H開始取指令，當PC值沒有超出0FFFH時，只訪問片內(nèi)Flash存儲器，若超出，自動轉(zhuǎn)向讀片外程序存儲器空間1000H～FFFFH內(nèi)的程序。=0時，只能執(zhí)行片外程序存儲器（0000H～FFFFH）中的程序，不理會片內(nèi)4KBFlash存儲器。2223（2）程序存儲器某些單元被固定用于各中斷源中斷服務程序入口。通常這5個中斷入口地址處都放一條跳轉(zhuǎn)指令跳向?qū)闹袛喾兆映绦?，而不是直接存放中斷服務子程序?.4.2數(shù)據(jù)存儲器空間１.片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器

片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器（RAM）共128個單元，字節(jié)地址為00H～7FH。00H～1FH：4組通用工作寄存器區(qū)，可通過指令改變RS1、RS0兩位來選擇。20H～2FH：16個單元的128位可位尋址也可字節(jié)尋址。30H～7FH：用戶RAM區(qū)，只能進行字節(jié)尋址，用作存數(shù)據(jù)以及作為堆棧區(qū)。24AT89S51片內(nèi)RAM結(jié)構(gòu)２.片外數(shù)據(jù)存儲器注意，片內(nèi)RAM與片外RAM兩個空間是相互獨立的，片內(nèi)RAM與片外RAM的低128B的地址是相同的，但由于使用的是不同的訪問指令，所以不會發(fā)生沖突。252.4.3特殊功能寄存器（SFR）AT89S51采用特殊功能寄存器集中控制各功能部件。SFR的單元地址映射在片內(nèi)RAM80H～FFH區(qū)域中，共26個。與AT89C51相比，新增5個SFR：DP1L、DP1H、AUXR、AUXR1和WDTRST。2627凡是可位尋址的SFR，字節(jié)地址末位只能是0H或8H。若讀/寫未定義單元，將得到一個不確定的隨機數(shù)。1．堆棧指針SP指示堆棧頂部在內(nèi)部RAM塊中的位置。堆棧結(jié)構(gòu):向上生長型。單片機復位后，SP為07H，堆棧實際上從08H單元開始，由于08H～1FH單元分別是屬于1～3組的工作寄存器區(qū)，最好在復位后把SP值改置為60H或更大的值，避免堆棧與工作寄存器沖突。29堆棧是為子程序調(diào)用和中斷操作而設(shè)：（1）保護斷點。無論是子程序調(diào)用、還是中斷服務子程序調(diào)用，最終都要返回主程序。應預先把主程序的斷點在堆棧中保護起來，為程序正確返回做準備。（2）現(xiàn)場保護。執(zhí)行子程序或中斷服務子程序時，要用到一些寄存器單元，會破壞原有內(nèi)容。要把有關(guān)寄存器單元的內(nèi)容保存起來，送入堆棧，這就是所謂的“現(xiàn)場保護”。兩種操作方式：數(shù)據(jù)壓入（PUSH）堆棧，數(shù)據(jù)彈出（POP）堆棧。數(shù)據(jù)壓入堆棧，SP自動加1；數(shù)據(jù)彈出堆棧，SP自動減1。2．寄存器B為執(zhí)行乘法和除法而設(shè)。在不執(zhí)行乘、除法操作時，可當作普通寄存器。乘法：兩乘數(shù)分別在A、B中，執(zhí)行乘法指令后，乘積在BA兩個寄存器中，B放乘積的高8位，A放乘積的低8位；除法：被除數(shù)取自A，除數(shù)取自B，商存放在A，余數(shù)存B323．AUXR寄存器AUXR寄存器的格式DISALE：ALE的禁止/允許位。

0：ALE有效，發(fā)出脈沖；

1：ALE僅在執(zhí)行MOVC和MOVX類指令時有效，不訪問外部存儲器時，ALE不輸出脈沖信號。DISRTO：禁止/允許WDT溢出時的復位輸出。

0：WDT溢出時，在RST引腳輸出一個高電平脈沖；

1：RST引腳僅為輸入腳。WDIDLE：WDT在空閑模式下的禁止/允許位。

0：

WDT在空閑模式下繼續(xù)計數(shù)；

1：

WDT在空閑模式下暫停計數(shù)。334.數(shù)據(jù)指針DPTR0和DPTR1雙數(shù)據(jù)指針寄存器，便于訪問數(shù)據(jù)存儲器。AUXR1的DPS位用于選擇兩個數(shù)據(jù)指針：DPS=0，選用DPTR0；DPS=1，選用DPTR1。

數(shù)據(jù)指針可作為一個16位寄存器來用，也可作為兩個獨立的8位寄存器DP0H（或DP1H）和DP0L（或DP1L）來用。5.AUXR1寄存器AUXR1是輔助寄存器，格式如圖所示：AUXR1寄存器的格式6.看門狗定時器WDTWDT：14位計數(shù)器，看門狗定時器復位寄存器WDTRST。當CPU由于干擾，程序陷入死循環(huán)或跑飛狀態(tài)時，WDT提供了一種使程序恢復正常運行的有效手段。有關(guān)WDT在抗干擾設(shè)計中的應用以及低功耗模式下運行的狀態(tài)，將在相應的章節(jié)中具體介紹。352.4.4位地址空間211個尋址位的位地址，位地址范圍為00H～FFH：00H～7FH128位處于片內(nèi)RAM字節(jié)地址20H～2FH單元；其余的83個可尋址位分布在特殊功能寄存器SFR中。36表2-5內(nèi)部的可尋址位及位地址表2-6SFR中的位地址分布可被位尋址的特殊寄存器有11個，共有位地址88個，5個位未用，其余83個位的位地址離散地分布于片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器區(qū)字節(jié)地址為80H～FFH的范圍內(nèi)，其最低的位地址等于其字節(jié)地址，且其字節(jié)地址的末位都為0H或8H。39AT89S51單片機的存儲器結(jié)構(gòu)4個雙向的8位并行I/O端口，分別記為P0、P1、P2和P3，其中輸出鎖存器屬于特殊功能寄存器。端口的每一位均由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器組成，4個端口按字節(jié)輸入/輸出外，也可位尋址。402.5AT89S51的并行I/O端口多路開關(guān)功能：用于控制選通I/O方式還是地址/數(shù)據(jù)輸出方式方式控制：由內(nèi)部控制信號產(chǎn)生輸入鎖存器兩個輸入緩沖器(BUF1和BUF2)推拉式I/O驅(qū)動器BUF2BUF1QQDCVcc控制AD0P0R1

P0R2D0P0W圖1、P0口內(nèi)部結(jié)構(gòu)讀鎖存器讀引腳鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器地址/數(shù)據(jù)P00多路開關(guān)102.5.1P0口P0口是一個雙功能的8位并行端口，字節(jié)地址為80H，位地址80H～87H。端口的各位具有完全相同但相互獨立的電路結(jié)構(gòu)。421.位電路結(jié)構(gòu)一個數(shù)據(jù)輸出的鎖存器，用于數(shù)據(jù)位的鎖存。兩個三態(tài)的數(shù)據(jù)輸入緩沖器：讀鎖存器數(shù)據(jù)的輸入緩沖器BUF1和讀引腳數(shù)據(jù)的輸入緩沖器BUF2。一個多路轉(zhuǎn)接開關(guān)MUX，由“控制”信號控制，實現(xiàn)鎖存器的輸出和地址/數(shù)據(jù)信號之間的轉(zhuǎn)接。數(shù)據(jù)輸出的控制和驅(qū)動電路，由兩個場效應管（FET）組成。2．工作過程分析（1）P0口用作地址/數(shù)據(jù)總線（2）P0口用作通用I/O口P0口作輸出口時，來自CPU的“寫”脈沖加在D鎖存器的CP端，內(nèi)部總線上的數(shù)據(jù)寫入D鎖存器，并由引腳P0.x輸出。P0口作輸入口使用時，有兩種讀入方式：“讀鎖存器”和“讀引腳”灌灌灌灌灌3．P0口的特點P0口為雙功能口——地址/數(shù)據(jù)復用口和通用I/O口。（1）當P0口用作地址/數(shù)據(jù)復用口時，是一個真正的雙向口，輸出低8位地址和輸出/輸入8位數(shù)據(jù)。（2）當P0口用作通用I/O口時，由于需要在片外接上拉電阻，端口不存在高阻抗（懸?。顟B(tài)，因此是一個準雙向口。為保證引腳信號的正確讀入，應首先向鎖存器寫1。432.5.2P1口P1口內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示輸出部分有內(nèi)部上拉電阻R*約為20K。其他部分與P0端口使用相類似（讀引腳時先寫入1）。寫數(shù)據(jù)讀端口2．工作過程分析P1口只能作為通用的I/O口使用。（1）P1口作輸出口時；（2）P1口作為輸入口時，分為“讀鎖存器”和“讀引腳”兩種方式。3．P1口的特點由于內(nèi)部上拉電阻，無高阻抗輸入狀態(tài)，故為準雙向口。P1口“讀引腳”輸入時，必須先向鎖存器寫入1。452.5.3P2口1、P2可以作為通用的I/O，也可以作為高8位地址輸出。2、當控制信號為1時P2口輸出地址信息，此時單片機完成外部的取指操作或?qū)ν獠繑?shù)據(jù)存儲器16位地址的讀寫操作。3、當P2口作為普通I/O口使用時用法和P1口類似。2．工作過程分析（1）P2口用作地址總線（2）P2口用作通用I/O口在內(nèi)部控制信號作用下，MUX與鎖存器的Q端接通。CPU輸出1時，Q=1，場效應管截止，P2.x引腳輸出1；CPU輸出0時，Q=0，場效應管導通，P2.x引腳輸出0。P2口輸入時，分“讀鎖存器”和“讀引腳”兩種方式:“讀鎖存器”時，Q端信號經(jīng)輸入緩沖器BUF1進入內(nèi)部總線“讀引腳”時，先向鎖存器寫1，使場效應管截止，P2.x引腳上的電平經(jīng)輸入緩沖器BUF2進入內(nèi)部總線。說明：1、做普通端口使用時，第二功能應為“1”。2、使用第二功能時，輸出端口鎖存器應為“1”。3、第二功能（表2-1）

1輸出I/O口1讀I/O口11

2.5.4P3口

由于引腳數(shù)目有限，在P3口增加了第二功能。

P3口字節(jié)地址為B0H，位地址B0H～B7H。2．工作過程分析（1）P3口用作第二輸入/輸出功能當選擇第二輸入功能時，該位的鎖存器和第二輸出功能端均應置1，保證場效應管截止，P3.x引腳的信息由輸入緩沖器BUF3的輸出獲得。（2）P3口用作第一功能——通用I/O口用作第一功能通用輸入時，P3.x位的輸出鎖存器和第二輸出功能均應置1，場效應管截止，P3.x引腳信息通過輸入BUF3和BUF2進入內(nèi)部總線，完成“讀引腳”操作。當P3口第一功能通用輸入時，也可執(zhí)行“讀鎖存器”操作，此時Q端信息經(jīng)過緩沖器BUF1進入內(nèi)部總線。503．P3口的特點P3口內(nèi)部有上拉電阻，無高阻抗輸入態(tài)-準雙向口。P3口作為第二功能的輸出/輸入，或第一功能通用輸入，均須將相應位的鎖存器置1。當某位不作為第二功能用時，可作為第一功能通用I/O。引腳輸入部分有兩個緩沖器，第二功能的輸入信號取自