AT89S51單片機

1、AT89S51AT89S51單片機的硬件組成單片機內(nèi)硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1 AT89S51單片機片內(nèi)結(jié)構(gòu)有如下功能部件和特性：（1）8位微處理器（CPU）；（2）數(shù)據(jù)存儲器（128B RAM）；（3）程序存儲器（4KB Flash ROM）；（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(fù)模式；（11）3個程序加密鎖定位。

2、與AT89C51相比，AT89S51有更突出的優(yōu)點：（1）增加在線可編程功能ISP（In System Program），字節(jié)和頁編程，現(xiàn)場程序調(diào)試和修改更加方便靈活；（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(fù)模式。單片機內(nèi)各功能部件通過片內(nèi)單一總線連接而成（見圖2-1），基本結(jié)構(gòu)依舊是CPU 加上外圍芯片的傳統(tǒng)微機結(jié)構(gòu)。CPU對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（SFR，Special Function Register）的集中控制方式。單片機內(nèi)部件功能1）CPU（微處理器）

3、 8位的CPU，與通用CPU基本相同，同樣包括了運算器和控制器兩大部分，還有面向控制的位處理功能。2）數(shù)據(jù)存儲器（RAM）片內(nèi)為128B（52子系列為256B），片外最多可擴64KB。片內(nèi)128B的RAM以高速RAM的形式集成，可加快單片機運行的速度和降低功耗。3）程序存儲器（Flash ROM）片內(nèi)集成有4KB的Flash存儲器（AT89S52 則為8KB；AT89C55片內(nèi)20KB），如片內(nèi)容量不夠，片外可外擴至64KB。4）中斷系統(tǒng)具有5個中斷源，2級中斷優(yōu)先權(quán)。5）定時器/計數(shù)器2個16位定時器/計數(shù)器（52子系列有3個），4種工作方式。6）1個看門狗定時器WDT當CPU由于干擾使程序

4、陷入死循環(huán)或跑飛時，WDT可使程序恢復(fù)正常運行。7）串行口1個全雙工的異步串行口，4種工作方式。可進行串行通信，擴展并行I/O口，還可與多個單片機構(gòu)成多機系統(tǒng)。8）P0口、P1口、P2口和P3口4個8位并行I/O口。9）特殊功能寄存器（SFR）26個，對片內(nèi)各功能部件管理、控制和監(jiān)視。是各個功能部件的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，映射在片內(nèi)RAM區(qū)80HFFH內(nèi)。AT89S51完全兼容AT89C51，在充分保留原來軟、硬件條件下，完全可以用AT89S51直接代換。AT89S51的引腳功能AT89S51與51系列中各種型號芯片的引腳互相兼容。目前多采用40只引腳雙列直插，如圖2-2所示。引腳按其功能可

5、分為如下3類：1）電源及時鐘引腳VCC、VSS；XTAL1、XTAL2。2）控制引腳 、ALE/ 、 /VPP、RST（RESET）3）I/O口引腳P0、P1、P2、P3，為4個8位I/O口電源及時鐘引腳1電源引腳1）VCC（40腳）：+5V電源。2）VSS（20腳）：數(shù)字地。2時鐘引腳 1）XTAL1（19腳）：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生器電路輸入端。用片內(nèi)振蕩器時，該腳接外部石英晶體和微調(diào)電容。外接時鐘源時，該腳接外部時鐘振蕩器的信號。2）XTAL2（18腳）：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。當使用片內(nèi)振蕩器，該腳連接外部石英晶體和微調(diào)電容。當使用外部時鐘源時，本腳懸空。3控制引腳1）R

6、ST (RESET，9腳)復(fù)位信號輸入，在引腳加上持續(xù)時間大于2個機器周期的高電平，可使單片機復(fù)位。正常工作，此腳電平應(yīng) 0.5V。當看門狗定時器溢出輸出時，該腳將輸出長達96個時鐘振蕩周期的高電平。2） /VPP (Enable Address/Voltage Pulse of Programing，31腳)引腳第一功能：外部程序存儲器訪問允許控制端。=1：在PC值不超出0FFFH（即不超出片內(nèi)4KB Flash存儲器的地址范圍）時，單片機讀片內(nèi)程序存儲器（4KB）中的程序，但PC值超出0FFFH （即超出片內(nèi)4KB Flash地址范圍）時，將自動轉(zhuǎn)向讀取片外60KB（1000H-FFFFH

7、）程序存儲器空間中的程序。=0：只讀取外部的程序存儲器中的內(nèi)容，讀取的地址范圍為0000HFFFFH，片內(nèi)的4KB Flash 程序存儲器不起作用。 VPP：引腳第二功能，對片內(nèi)Flash編程，接編程電壓。3）ALE/ （Address Latch Enable/PROGramming，30腳）ALE為CPU訪問外部程序存儲器或外部數(shù)據(jù)存儲器提供地址鎖存信號，將低8位地址鎖存在片外的地址鎖存器中。此外，單片機正常運行時，ALE端一直有正脈沖信號輸出，此頻率為時鐘振蕩器頻率fosc的1/6?？捎米魍獠慷〞r或觸發(fā)信號。注意，每當AT89S51訪問外部RAM時（執(zhí)行MOVX類指令），要丟失一個ALE

8、脈沖。如需要，可將特殊功能寄存器AUXR（地址為8EH，將在后面介紹）的第0位（ALE禁止位）置1，來禁止ALE操作，但執(zhí)行訪問外部程序存儲器或外部數(shù)據(jù)存儲器指令“MOVC”或“MOVX”時，ALE仍然有效。即ALE禁止位不影響對外部存儲器的訪問。 ：引腳第二功能，對片內(nèi) Flash編程，為編程脈沖輸入腳。圖2-2 AT89S51雙列直插封裝方式的引腳4） （Program Strobe ENable，29腳）片外程序存儲器讀選通信號，低電平有效。并行I/O口引腳1）P0口：8位，漏極開路的雙向I/O口當外擴存儲器及I/O接口芯片時，P0口作為低8位地址總線及數(shù)據(jù)總線的分時復(fù)用端口。P0口也可

9、用作通用的I/O口，需加上拉電阻，這時為準雙向口。作為通用I/O輸入，應(yīng)先向端口寫入1。可驅(qū)動8個LS型TTL負載。2）P1口：8位，準雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。準雙向I/O口，作為通用I/O輸入時，應(yīng)先向端口鎖存器寫1。P1口可驅(qū)動4個LS型TTL負載。P1.5/MOSI、P1.6/MISO和P1.7/SCK可用于對片內(nèi)Flash存儲器串行編程和校驗，它們分別是串行數(shù)據(jù)輸入、輸出和移位脈沖引腳。3）P2口：8位，準雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。當AT89S51擴展外部存儲器及I/O口時，P2口作為高8位地址總線用，輸出高8位地址。P2口也可作為普通的I/O口使用。當作為通用I/O輸入

10、時， 應(yīng)先向端口輸出鎖存器寫1。P2口可驅(qū)動4個LS型TTL負載。4）P3口：8位，準雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻?？勺鳛橥ㄓ玫腎/O口使用。作為通用I/O輸入，應(yīng)先向端口輸出鎖存器寫入1?？沈?qū)動4個LS型TTL負載。P3口還可提供第二功能。第二功能定義見表2-1，應(yīng)熟記。表2-1 P3口的第二功能定義引腳第二功能說明P3.0RXD串行數(shù)據(jù)輸入口P3.1TXD串行數(shù)據(jù)輸出口P3.2INT0外部中斷0輸入P3.3INT1外部中斷1輸入P3.4T0定時器0外部計數(shù)輸入P3.5T1定時器1外部計數(shù)輸入P3.6WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通輸出P3.7RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀寫通輸出綜上所述，P0口可作為總線

11、口，為雙向口。作為通用的I/O口使用時，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。注意：準雙向口與雙向口的差別。準雙向口僅有兩個狀態(tài)。而P0口作為總線使用，口線內(nèi)無上拉電阻，處于高阻“懸浮”態(tài)。故P0口為雙向三態(tài)I/O口。為什么P0口要有高阻“懸浮”態(tài)？準雙向I/O口則無高阻的“懸浮”狀態(tài)。另外，準雙向口作通用I/O的輸入口使用時，一定要向該口先寫入“1”。以上的準雙向口與雙向口的差別，讀者在閱讀2.5節(jié)后，將會有深刻的理解。至此，40個引腳已介紹完，應(yīng)熟記每一引腳功能對應(yīng)用系統(tǒng)硬件電路設(shè)計十分重要。AT89S51的CPU(p41)由圖2-1可見，CPU由運算器和控制器

12、構(gòu)成。一、運算器對操作數(shù)進行算術(shù)、邏輯和位操作運算。主要包括算術(shù)邏輯運算單元ALU、累加器A、位處理器、程序狀態(tài)字寄存器PSW及兩個暫存器等。1算術(shù)邏輯運算單元ALU可對8位變量邏輯運算（與、或、異或、循環(huán)、求補和清零），還可算術(shù)運算（加、減、乘、除）ALU還有位操作功能，對位變量進行位處理，如置“1”、清“0”、求補、測試轉(zhuǎn)移及邏輯“與”、“或”等。2累加器A使用最頻繁的寄存器，可寫為Acc?！癆”與“Acc” 書寫上的差別，將在第3章介紹。作用如下：1）ALU單元的輸入數(shù)據(jù)源之一，又是ALU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，相當于數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站。為解決“瓶頸堵塞”問題，AT8

13、9S51增加了一部分可以不經(jīng)過累加器的傳送指令。A的進位標志Cy是特殊的，因為它同時又是位處理機的位累加器3程序狀態(tài)字寄存器PSWPSW（Program Status Word）位于片內(nèi)特殊功能寄存器區(qū)，字節(jié)地址為D0H。包含了程序運行狀態(tài)的信息，其中4位保存當前指令執(zhí)行后的狀態(tài)，供程序查詢和判斷。格式如圖2-3所示。 圖2-3 PSW的格式PSW中各個位的功能：1）Cy（PSW.7）進位標志位 可寫為C。在算術(shù)和邏輯運算時，若有進位/借位，Cy1；否則，Cy0。在位處理器中，它是位累加器。2）Ac（PSW.6）輔助進位標志位 在BCD碼運算時，用作十進位調(diào)整。即當D3位向D4位產(chǎn)生進位或借位

14、時，Ac1；否則，Ac0。3）F0（PSW.5）用戶設(shè)定標志位 由用戶使用的一個狀態(tài)標志位，可用指令來使它置1或清0，控制程序的流向。用戶應(yīng)充分利用。4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）4組工作寄存器區(qū)選擇選擇片內(nèi)RAM區(qū)中的4組工作寄存器區(qū)中的某一組為當前工作寄存區(qū)見表2-2。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)。此標志位對串行

15、通信有重要的意義，常用奇偶檢驗的方法來檢驗數(shù)據(jù)串行傳輸?shù)目煽啃浴１?-2 RS1 RS0與四組寄存器區(qū)的對應(yīng)關(guān)系RS1 RS0所選的四組寄存器0 00區(qū)（內(nèi)部RAM地址00H-07H）0 11區(qū)（內(nèi)部RAM地址08H-0FH）1 0 2區(qū)（內(nèi)部RAM地址10H-17H）1 1 3區(qū)（內(nèi)部RAM地址18H-1FH）二、控制器 任務(wù)識別指令，并根據(jù)指令的性質(zhì)控制單片機各功能部件，從而保證單片機各部分能自動協(xié)調(diào)地工作。 控制器包括：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。功能是控制指令的讀入、譯碼和執(zhí)行，從而對各功能部件進行定時和邏輯控制。 程序計數(shù)器PC是一個獨立的16位計數(shù)器，

16、不可訪問。單片機復(fù)位時，PC中內(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。PC中內(nèi)容變化軌跡決定程序流程。當順序執(zhí)行程序時自動加1；執(zhí)行轉(zhuǎn)移程序或子程序、中斷子程序調(diào)用時，自動將其內(nèi)容更改成所要轉(zhuǎn)移的目的地址。 PC的計數(shù)寬度決定了程序存儲器的地址范圍。PC為16位，故可對64KB（=216B）尋址?；竟ぷ鞣绞剑?1）程序計數(shù)器自動加1 2）執(zhí)行有條件或無條件轉(zhuǎn)移指令時，程序計數(shù)器將被置入新的數(shù)值，從而使程序的流向發(fā)生變化。3）執(zhí)行子程序調(diào)用或中斷調(diào)用時完成

17、下列操作： PC的當前值保護 將子程序入口地址或中斷向量的地址送入PC。 PC變化的軌跡決定程序的流程。AT89S51存儲器的結(jié)構(gòu)存儲器的結(jié)構(gòu)特點之一是將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開（哈佛結(jié)構(gòu)），并有各自的訪問指令。存儲器空間可分為4類。.程序存儲器空間片內(nèi)和片外兩部分。片內(nèi)4KB Flash ，編程和擦除完全是電氣實現(xiàn)?？捎猛ㄓ镁幊唐鲗ζ渚幊?，也可在線編程。當片內(nèi)4KB Flash 存儲器不夠用時，可片外擴展，最多可擴展至64KB程序存儲器。.數(shù)據(jù)存儲器空間片內(nèi)與片外兩部分。片內(nèi)有128 B RAM（52子系列為256B）。片內(nèi)RAM 不夠用時，在片外可擴展至64KB RAM 。.特殊功能寄存

18、器SFR （Special Function Register）片內(nèi)各功能部件的控制寄存器及狀態(tài)寄存器。SFR綜合反映了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。.位地址空間共有211個可尋址位，構(gòu)成了位地址空間。它們位于內(nèi)部 RAM（共128位）和特殊功能寄存器區(qū)（共83位）中。程序存儲器空間存放程序和表格之類的固定常數(shù)。片內(nèi)為4KB的 Flash ，地址為0000H0FFFH。16位地址線，可外擴的程序存儲器空間最大為64KB，地址為0000HFFFFH。使用時應(yīng)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

19、始取指令，當PC值沒有超出0FFFH時，只訪問片內(nèi)Flash 存儲器，當PC值超出0FFFH自動轉(zhuǎn)向讀片外程序存儲器空間1000HFFFFH 內(nèi)的程序。 =0時，只能執(zhí)行片外程序存儲器（0000HFFFFH）中的程序。不理會片內(nèi)4KB Flash 存儲器。2）程序存儲器某些固定單元用于各中斷源中斷服務(wù)程序入口。64KB程序存儲器空間中有5個特殊單元分別對應(yīng)于5個中斷源的中斷入口地址，見表2-3。通常這5個中斷入口地址處都放一條跳轉(zhuǎn)指令跳向?qū)?yīng)的中斷服務(wù)子程序，而不是直接存放中斷服務(wù)子程序。表2-3五個中斷源的中斷入口地址中斷源入口地址外部中斷00003H定時器T0000BH外部中斷10013H

20、定時器T1001BH串行口0023H數(shù)據(jù)存儲器空間片內(nèi)與片外兩部分。.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00H7FH。圖2-4為片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的結(jié)構(gòu)。00H1FH 的32個單元是4組通用工作寄存器區(qū)，每區(qū)包含8B，為R7R0?？赏ㄟ^指令改變RS1、RS0兩位來選擇。20H2FH的16個單元的128位可位尋址，也可字節(jié)尋址。30H7FH的單元只能字節(jié)尋址，用作存數(shù)據(jù)以及作為堆棧區(qū)。.片外數(shù)據(jù)存儲器當片內(nèi)128B的RAM不夠用時，需外擴，最多可外擴64KB的RAM。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

21、于使用的是不同的訪問指令，所以不會發(fā)生沖突。特殊功能寄存器（SFR）采用特殊功能寄存器集中控制各功能部件。特殊功能寄存器映射在片內(nèi)RAM的 80HFFH 區(qū)域中，共26個。表2-4 SFR的名稱及其分布。有些還可位尋址，位地址見表2-4。與AT89C51相比，新增5個SFR：DP1L、DP1H、AUXR、AUXR1和WDTRST，已在表2-4中標出。凡是可位尋址的SFR，字節(jié)地址末位只能是0H或8H。另外，若讀/寫未定義單元，將得到一個不確定的隨機數(shù)。下面介紹某些SFR，余下的SFR將在后面介紹。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(fù)位后，SP為07H，

22、使得堆棧實際上從08H單元開始，由于08H1FH單元分別是屬于13組的工作寄存器區(qū)，最好在復(fù)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。堆棧是為子程序調(diào)用和中斷操作而設(shè)，主要用來保護斷點和現(xiàn)場。1）保護斷點。無論是子程序調(diào)用操作還是中斷服務(wù)子程序調(diào)用，最終都要返回主程序。應(yīng)預(yù)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(wù)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：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

23、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、除法操作的情況下，可把它當作一個普通寄存器來使用。乘法，兩乘數(shù)分別在A、B中，執(zhí)行乘法指令后，乘積在BA中除法，被除數(shù)取自A，除數(shù)取自B，商存放在A中，余數(shù)存B中。3AUXR寄存器AUXR是輔助寄存器，其格式如圖2-5所示：圖2-5 AUXR寄存器的格式其中: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(fù)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

24、。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)。4. 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。DPTR0：AT89C51單片機原有的數(shù)據(jù)指針；DPTR1：新增加的數(shù)據(jù)指針。AUXR1的DPS位用于選擇兩個數(shù)據(jù)指針。當DPS=0時，選用DPTR0；當DPS=1時，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2-6所示：DPS：數(shù)據(jù)指針寄存器選擇位。0：選擇

25、數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR0；1：選擇數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR1。6. 看門狗定時器WDTWDT包含一個14位計數(shù)器和看門狗定時器復(fù)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(fù)正常運行的有效手段。有關(guān)WDT在抗干擾設(shè)計中的應(yīng)用以及低功耗模式下運行的狀態(tài)，將在相應(yīng)的章節(jié)中具體介紹。上面介紹的特殊功能寄存器，除了前兩個SP和B以外，其余的均為AT89S51在AT89C51基礎(chǔ)上新增加的SFR。位地址空間211個尋址位的位地址，位地址范圍為 00HFFH，其中 00H7FH 這128位處于片內(nèi)RAM 字節(jié)地址 20H2FH 單元中，如表2-5所示。其余

26、的83個可尋址位分布在特殊功能寄存器SFR中，見表2-6?？杀晃粚ぶ返奶厥饧拇嫫饔?1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80HFFH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。特殊功能寄存器位 地 址字 節(jié)地 址D7D6D5D4D3D2D1D0BF7HF6HF5HF4HF3HF2HF1HF0HF0HAccE7HE6HE5HE4HE3HE2HE1HE0HE0HPSWD7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HD0HIPBCHBBHBAHB9HB8HB8HP3B7HB6HB5HB4HB3HB2HB1HB0H

27、B0HIEAFHACHABHAAHA9HA8HA8HP2A7HA6HA5HA4HA3HA2HA1HA0HA0HSCON9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H98HP197H96H95H94H93H92H91H90H90HTCON8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H88HP087H86H85H84H83H82H81H80H80H作為對AT89S51存儲器結(jié)構(gòu)的總結(jié)，圖2-7為各類存儲器的結(jié)構(gòu)圖。從圖中可清楚看出各類存儲器在存儲器空間的位置。圖2-7 AT89S51單片機的存儲器結(jié)構(gòu)AT89S51的并行I/O端口4個雙向的8位并行I/O端口，分別記為P0、P1、P2和P3，其

28、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。P0口P0口是一個雙功能的8位并行端口，字節(jié)地址為80H，位地址為80H87H。端口的各位具有完全相同但又相互獨立的電路結(jié)構(gòu)，P0口某一位的位電路結(jié)構(gòu)如圖2-8所示。圖2-8 P0口某一位的位電路結(jié)構(gòu)1位電路結(jié)構(gòu)P0口某一位的電路包括：1）一個數(shù)據(jù)輸出的鎖存器，用于數(shù)據(jù)位的鎖存。2）兩個三態(tài)的數(shù)據(jù)輸入緩沖器，分別是用于讀鎖存器數(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。3）一個多路轉(zhuǎn)接開關(guān)MUX，它的一個輸入來自鎖存器的 端，另一個輸入為地址/數(shù)據(jù)信號的

29、反相輸出。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。4）數(shù)據(jù)輸出的控制和驅(qū)動電路，由兩個場效應(yīng)管（FET）組成。2工作過程分析1）P0口用作地址/數(shù)據(jù)總線外擴存儲器或I/O時，P0口作為單片機系統(tǒng)復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線使用。當作為地址或數(shù)據(jù)輸出時，“控制”信號為1，硬件自動使轉(zhuǎn)接開關(guān)MUX打向上面，接通反相器的輸出，同時使與門處于開啟狀態(tài)。當輸出的地址/數(shù)據(jù)信息為1時，與門輸出為1，上方的場效應(yīng)管導(dǎo)通，下方的場效應(yīng)管截止，P0.x引腳輸出為1；當輸出的地址/數(shù)據(jù)信息為0時，上方的場效應(yīng)管截止，下方的場效應(yīng)管導(dǎo)通，P0.x引腳輸出為0。輸出電路是上、下兩個場效應(yīng)管形成的

30、推拉式結(jié)構(gòu)，大大提高了負載能力，上方的場效應(yīng)管這時起到內(nèi)部上拉電阻的作用。當P0口作為數(shù)據(jù)輸入時，僅從外部存儲器（或I/O）讀入信息，對應(yīng)的“控制”信號為0，MUX接通鎖存器的端。由于P0口作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用方式訪問外部存儲器時，CPU自動向P0口寫入FFH，使下方場效應(yīng)管截止，上方場效應(yīng)管由于控制信號為0也截止，從而保證數(shù)據(jù)信息的高阻抗輸入，從外部存儲器輸入的數(shù)據(jù)信息直接由P0.x引腳通過輸入緩沖器BUF2進入內(nèi)部總線。具有高阻抗輸入的I/O口應(yīng)具有高電平、低電平和高阻抗3種狀態(tài)的端口。因此，P0口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用時是一個真正的雙向端口，簡稱雙向口。 2）P0口用作通用I/O口當P0口

31、不作為系統(tǒng)的地址/數(shù)據(jù)總線使用時，此時P0口也可作為通用的I/O口使用。作通用的I/O口時，對應(yīng)的“控制”信號為0，MUX打向下面，接通鎖存器的 端，“與門”輸出為0，上方場效應(yīng)管截止，形成的P0口輸出電路為漏極開路輸出。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。當D鎖存器為1時， 端為0，下方場效應(yīng)管截止，輸出為漏極開路，此時，必須外接上拉電阻才能有高電平輸出；當D鎖存器為0時，下方場效應(yīng)管導(dǎo)通，P0口輸出為低電平。P0口作輸入口使用時，有兩種讀入方式：“讀鎖存器”和“讀引腳”。當CPU發(fā)出“讀鎖存器”指令時，鎖存器的狀

32、態(tài)由Q端經(jīng)上方的三態(tài)緩沖器BUF1進入內(nèi)部總線；當CPU發(fā)出“讀引腳”指令時，鎖存器的輸出狀態(tài)=1（即 端為0），而使下方場效應(yīng)管截止，引腳的狀態(tài)經(jīng)下方的三態(tài)緩沖器BUF2進入內(nèi)部總線。3P0口的特點P0口為雙功能口地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口和通用I/O口。1）當P0口用作地址/數(shù)據(jù)復(fù)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(yīng)首先向鎖存器寫1。單片機復(fù)位后，鎖存器自動被置1；當P0口由原來輸出轉(zhuǎn)變?yōu)檩斎霑r，應(yīng)先置鎖存器為1，方可執(zhí)行輸入操作。P0口

33、大多作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口使用，就不能再作為通用I/O口使用。P1口單功能的I/O口，字節(jié)地址為 90H，位地址為 90H97H。P1口某一位的位電路結(jié)構(gòu)如圖2-9所示。1位電路結(jié)構(gòu)P1口位電路結(jié)構(gòu)由以下三部分組成：1）一個數(shù)據(jù)輸出鎖存器，用于輸出數(shù)據(jù)位的鎖存。圖2-9 P1口某一位的位電路結(jié)構(gòu)2）兩個三態(tài)的數(shù)據(jù)輸入緩沖器BUF1和BUF2，分別用于讀鎖存器數(shù)據(jù)和讀引腳數(shù)據(jù)的輸入緩沖。3）數(shù)據(jù)輸出驅(qū)動電路，由一個場效應(yīng)管（FET）和一個片內(nèi)上拉電阻組成。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，若CPU輸出1，Q=1， =0，場效應(yīng)管截止，P1口引腳的輸出為1；若CP

34、U輸出0，Q=0， =1，場效應(yīng)管導(dǎo)通，P1口引腳的輸出為0。2）P1口作為輸入口時，分為“讀鎖存器”和“讀引腳”兩種方式?！白x鎖存器”時，鎖存器的輸出端Q的狀態(tài)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(yīng)管截止，P1.x引腳上的電平經(jīng)輸入緩沖器BUF2進入內(nèi)部總線。3P1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。P2口雙功能口，字節(jié)地址為A0H，位地址為A0HA7H。P2口某一位的位電路結(jié)構(gòu)如圖2-10所示。圖2-10 P2口某一位的位電路結(jié)構(gòu)1位電路結(jié)構(gòu)P2口某一位的電路包括：1）一個數(shù)據(jù)輸出鎖存器，

35、用于輸出數(shù)據(jù)位的鎖存。2）兩個三態(tài)數(shù)據(jù)輸入緩沖器BUF1和BUF2，分別用于讀鎖存器數(shù)據(jù)和讀引腳數(shù)據(jù)的輸入緩沖。3）一個多路轉(zhuǎn)接開關(guān)MUX，一個輸入是鎖存器的Q端，另一個輸入是高8位地址。4）輸出驅(qū)動電路，由場效應(yīng)管（FET）和內(nèi)部上拉電阻組成。2工作過程分析1）P2口用作地址總線在控制信號作用下，MUX與“地址”接通。當“地址”為0時，場效應(yīng)管導(dǎo)通，P2口引腳輸出為0；當“地址”線為1時，場效應(yīng)管截止，P2口引腳輸出1。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(yīng)管截止，P2.x引腳輸出1；CPU輸出0時，Q=0，場效應(yīng)管導(dǎo)通，P

36、2.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(yīng)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。3P2口的特點作為地址輸出線時，P2口高8位地址，P0口輸出的低8位地址尋址64KB地址空間。作為通用I/O口時，P2口為準雙向口。功能與P1口一樣。一般情況下，P2口大多作為高8位地址總線口使用，這時就不能再作為通用I/O口。P3口由于引腳數(shù)目有限，在P3口增加了第二功能。每1位都可以分別定義為第二輸入功能或第二輸出功能。P3口字節(jié)地址為B0H，位地址B0HB7H。P3

37、口某一位的位電路結(jié)構(gòu)見圖2-11。1位電路結(jié)構(gòu)P3口某一位的電路包括：1）1個數(shù)據(jù)輸出鎖存器，鎖存輸出數(shù)據(jù)位。2）3個三態(tài)數(shù)據(jù)輸入緩沖器BUF1、BUF2和BUF3，分別用于讀鎖存器、讀引腳數(shù)據(jù)和第二功能數(shù)據(jù)的輸入緩沖。3）輸出驅(qū)動，由與非門、場效應(yīng)管（FET）和內(nèi)部上拉電阻組成。圖2-11 P3口某一位的位電路結(jié)構(gòu)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出功能時，該位的鎖存器需要置1，使與非門為開啟狀態(tài)。當?shù)诙敵鰹?時，場效應(yīng)管截止，P3.x引腳輸出為1；當?shù)诙敵鰹?時，場效應(yīng)管導(dǎo)通，P3.x引腳輸出為0。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(yīng)置1，保證

38、場效應(yīng)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出時，第二輸出功能端應(yīng)保持高電平，與非門開啟。CPU輸出1時，Q=1，場效應(yīng)管截止，P3.x引腳輸出為1；CPU輸出0時，Q=0，場效應(yīng)管導(dǎo)通，P3.x引腳輸出為0。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(yīng)置1，場效應(yīng)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。3P3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

39、。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(yīng)位的鎖存器置1。實際應(yīng)用中，由于復(fù)位后P3口鎖存器自動置1，滿足第二功能所需的條件，所以不需任何設(shè)置工作，就可以進入第二功能操作。當某位不作為第二功能用時，可作為第一功能通用I/O使用。引腳輸入部分有兩個緩沖器，第二功能的輸入信號取自緩沖器BUF3的輸出端，第一功能的輸入信號取自緩沖器BUF2的輸出端。P3口的第二功能定義見表2-1，讀者應(yīng)熟記。P1P3口驅(qū)動LED發(fā)光二極管P0口與P1、P2、P3口相比，P0口的驅(qū)動能力較大，每位可驅(qū)動8個LSTTL輸入，而P1、P2、P3口的每一位的驅(qū)動能力，只有P0口的一半。當P0口某位為高

40、電平時，可提供400mA的電流；當P0口某位為低電平（0.45V）時，可提供3.2mA的灌電流。如低電平允許提高，灌電流可相應(yīng)加大。所以，任何一個口要想獲得較大的驅(qū)動能力，只能用低電平輸出。例如，使用單片機的并行口P1P3直接驅(qū)動發(fā)光二極管，電路如圖2-12。由于P1P3內(nèi)部有30k左右的上拉電阻。如高電平輸出，則強行從P1、P2和P3口輸出的電流Id會造成單片機端口的損壞，如圖2-12（a）所示。如端口引腳為低電平，能使電流Id 從單片機外部流入內(nèi)部，則將大大增加流過的電流值，如圖2-12（b）所示。所以，當P1P3口驅(qū)動LED發(fā)光二極管時，應(yīng)該采用低電平驅(qū)動。（a）不恰當?shù)倪B接：高電平驅(qū)動

41、 （b）恰當?shù)倪B接：低電平驅(qū)動圖2-12 發(fā)光二極管與AT89S51并行口的直接連接時鐘電路與時序時鐘電路產(chǎn)生AT89S51工作時所必需的控制信號，在時鐘信號的控制下，嚴格按時序執(zhí)行指令。執(zhí)行指令時，CPU首先到程序存儲器中取出需要執(zhí)行的指令操作碼，然后譯碼，并由時序電路產(chǎn)生一系列控制信號完成指令所規(guī)定的操作。CPU發(fā)的時序信號兩類，一類用對片內(nèi)各個功能部件控制，用戶無須了解；另一類用于對片外存儲器或I/O口的控制，這部分時序?qū)τ诜治?、設(shè)計硬件接口電路至關(guān)重要。時鐘電路設(shè)計 時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路有兩種方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，

42、另一種是外部時鐘方式。1內(nèi)部時鐘方式AT89S51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，圖2-13是AT89S51內(nèi)部時鐘方式的電路。圖2-13 內(nèi)部時鐘方式電路圖2-14 AT89S51的外部時鐘方式電路C1和C2的典型值通常選擇為30pF。電容大小會影響振蕩器頻率高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶振頻率范圍通常是1.212MHz。晶體頻率越高，單片機速度就越快。速度快對存儲器的速度要求就高，印制電路板的工藝要求也高，即線間的寄生電容要小。晶體和電容應(yīng)盡可能與單片機

43、靠近，以減少寄生電容，保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作。為提高溫度穩(wěn)定性，采用溫度穩(wěn)定性能好的電容。常選6MHz或12MHz的石英晶體。隨著集成電路制造工藝技術(shù)的發(fā)展，單片機的時鐘頻率也在逐步提高，已達33MHz。2外部時鐘方式 用現(xiàn)成的外部振蕩器產(chǎn)生脈沖信號，常用于多片AT89S51同時工作，以便于多片AT89S51單片機之間的同步，一般為低于12MHz的方波。 外部時鐘源直接接到XTAL1端，XTAL2端懸空，見圖2-14。 機器周期、指令周期與指令時序各種指令時序與時鐘周期相關(guān)。1時鐘周期時鐘控制信號的基本時間單位。若晶振頻率為fosc，則時鐘周期Tosc=1/fosc。如fosc=6MHz，

44、Tosc=166.7ns。2機器周期 CPU完成一個基本操作所需時間為機器周期。執(zhí)行一條指令分為幾個機器周期。每個機器周期完成一個基本操作，如取指令、讀或?qū)憯?shù)據(jù)等。每12個時鐘周期為1個機器周期。1個機器周期包括12個時鐘周期，分6個狀態(tài)：S1S6。每個狀態(tài)又分兩拍：P1和P2。因此，一個機器周期中的12個時鐘周期表示為S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、S6P2，如圖2-16所示。圖2-16 AT89S51的機器周期3指令周期執(zhí)行一條指令所需的時間。簡單的單字節(jié)指令，取出指令立即執(zhí)行，只需一個機器周期的時間。而有些復(fù)雜的指令，如轉(zhuǎn)移、乘、除指令則需兩個或多個機器周期。從指令執(zhí)行時間看:單

45、字節(jié)和雙字節(jié)指令一般為單機器周期和雙機器周期;三字節(jié)指令都是雙機器周期;乘、除指令占用4個機器周期。復(fù)位操作和復(fù)位電路單片機的初始化操作，給復(fù)位腳RST加上大于2個機器周期（即24個時鐘振蕩周期）的高電平就使AT89S51復(fù)位操作復(fù)位時，PC初始化為0000H，程序從0000H單元開始執(zhí)行。除系統(tǒng)的正常初始化外，當程序出錯（如程序跑飛）或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，需按復(fù)位鍵使RST腳為高電平，使AT89S51擺脫“跑飛”或“死鎖”狀態(tài)而重新啟動程序。復(fù)位操作還對其他一些寄存器有影響，這些寄存器復(fù)位時的狀態(tài)見表2-7。由表2-7可看出，復(fù)位時，SP=07H ，而P0P3引腳均為高電平。在某些

46、控制應(yīng)用中，要注意考慮P0P3引腳的高電平對接在這些引腳上的外部電路的影響。例如，當P1口某個引腳外接一個繼電器繞組，當復(fù)位時，該引腳為高電平，繼電器繞組就會有電流通過，就會吸合繼電器開關(guān)，使開關(guān)接通，可能會引起意想不到的后果。復(fù)位電路設(shè)計由復(fù)位電路實現(xiàn)。AT89S51片內(nèi)復(fù)位電路結(jié)構(gòu)見圖2-17。復(fù)位引腳RST通過一個施密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2，施密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。復(fù)位電路采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。最簡單的上電自動復(fù)位電路如圖2-18所示。對于CMOS型單片機，由于在RST引腳內(nèi)部有一個下拉電阻，可將電阻R去掉，而將電容C選為10mF。圖2-17 片內(nèi)復(fù)位電路結(jié)構(gòu) 圖2-18 上電復(fù)位電路上電自動復(fù)位是給電容C 充電加給RST引腳一個短的高電平信號，此信號隨著VCC對電容C 的充電過程而逐漸回落，