第2章 硬件結(jié)構(gòu)課件

第2章AT89S51單片機

硬件結(jié)構(gòu)

1第2章硬件結(jié)構(gòu)內(nèi)容概要AT89S51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。目的：為AT89S51系統(tǒng)的應(yīng)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。2第2章硬件結(jié)構(gòu)2.1AT89S51單片機的硬件組成片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。把作為控制應(yīng)用所必需的基本功能部件都集成在一個集成電路芯片上。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（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、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；3第2章硬件結(jié)構(gòu)圖2-1AT89S51單片機片內(nèi)結(jié)構(gòu)4第2章硬件結(jié)構(gòu)（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；與AT89C51比，AT89S51更突出的優(yōu)點：（1）增加在線可編程功能ISP（InSystemProgram），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；5第2章硬件結(jié)構(gòu)（4）增加斷電標志；（5）增加掉電狀態(tài)下的中斷恢復模式；片內(nèi)的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，SpecialFunctionRegister）的集中控制方式。介紹圖2-1中片內(nèi)各功能部件。（1）CPU（微處理器）8位的CPU，與通用CPU基本相同，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。6第2章硬件結(jié)構(gòu)（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。（3）程序存儲器（FlashROM）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6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。7第2章硬件結(jié)構(gòu)（6）1個看門狗定時器WDT當CPU由于干擾使程序陷入死循環(huán)或跑飛時，WDT可使程序恢復正常運行。（7）串行口1個全雙工的異步串行口，4種工作方式?？蛇M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)80H～FFH內(nèi)。8第2章硬件結(jié)構(gòu)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。2.2AT89S51的引腳功能 先了解引腳，牢記各引腳的功能。 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。此外，還有44引腳的PLCC和TQFP封裝方式的芯片。 引腳按其功能可分為如下3類：（1）電源及時鐘引腳—VCC、VSS；XTAL1、XTAL2。（2）控制引腳—PSEN*、ALE/PROG*、EA*/VPP、RST（RESET）（3）I/O口引腳——P0、P1、P2、P3，為4個8位I/O口9第2章硬件結(jié)構(gòu)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）：數(shù)字地。圖2-2AT89S51雙列直插封裝方式的引腳10第2章硬件結(jié)構(gòu)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。2.2.2控制引腳（1）RST(RESET，9腳)復位信號輸入，在引腳加上持續(xù)時間大于2個機器周期的高電平，可使單片機復位。正常工作，此腳應(yīng)≤0.5V。11第2章硬件結(jié)構(gòu)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）EA*/VPP(EnableAddress/VoltagePulseofPrograming，31腳) EA*：引腳第一功能：外部程序存儲器訪問允許控制端。

EA*=1，在PC值不超出0FFFH（即不超出片內(nèi)4KBFlash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)4KBFlash地址范圍）時，將自動轉(zhuǎn)向讀取片外60KB（1000H-FFFFH）程序存儲器空間中的程序。第2章硬件結(jié)構(gòu) EA*=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0000H～FFFFH，片內(nèi)的4KBFlash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/PROG*（AddressLatchEnable/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。13第2章硬件結(jié)構(gòu)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?？勺魍獠慷〞r或觸發(fā)信號用。注意，每當AT89S51訪問外部RAM時（執(zhí)行MOVX類指令），要丟失一個ALE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。PROG*：引腳第二功能，對片內(nèi)Flash編程，為編程脈沖輸入14第2章硬件結(jié)構(gòu)（4）PSEN*（ProgramStrobeENable，29腳）

片外程序存儲器讀選通信號，低有效。2.2.3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)總線的分時復用端口。P0口也可作通用的I/O口用，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?？沈?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115第2章硬件結(jié)構(gòu)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。第2章硬件結(jié)構(gòu)P2口也可作為普通的I/O口使用。當作為通用I/O輸入時，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。第二功能定義如表2-1，應(yīng)熟記。17第2章硬件結(jié)構(gòu)18第2章硬件結(jié)構(gòu)綜上所述，P0口可作為總線口，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，讀者在學習第4章后，將會有深刻的理解。19第2章硬件結(jié)構(gòu)至此，40只引腳已介紹，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。2.3AT89S51的CPU由圖2-1可見，由運算器和控制器構(gòu)成的。2.3.1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）20第2章硬件結(jié)構(gòu)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累加器A是CPU中使用最頻繁的一個8位寄存器，在使用匯編語言編程時，有些場合必須寫為Acc。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，AT89S51增加了一部分可以不經(jīng)過累加器的傳送指令。21第2章硬件結(jié)構(gòu)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（ProgramStatusWord）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。

圖2-3PSW的格式22第2章硬件結(jié)構(gòu)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，Cy＝1；否則，Cy＝0。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)生進位或借位時，Ac＝1；否則，Ac＝0。（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。23第2章硬件結(jié)構(gòu)（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)。如表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)。24第2章硬件結(jié)構(gòu)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?/p>

表2-2RS1、RS0與4組工作寄存器區(qū)的對應(yīng)關(guān)系RS1RS0所選的4組寄存器000區(qū)（內(nèi)部RAM地址00H～07H）011區(qū)（內(nèi)部RAM地址08H～0FH）102區(qū)（內(nèi)部RAM地址10H～17H）113區(qū)（內(nèi)部RAM地址18H～1FH）25第2章硬件結(jié)構(gòu)2.3.2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，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。26第2章硬件結(jié)構(gòu)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。2.4AT89S51存儲器的結(jié)構(gòu)存儲器結(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。27第2章硬件結(jié)構(gòu)１.程序存儲器空間片內(nèi)和片外兩部分。片內(nèi)程序存儲器為4KB的Flash存儲器，編程和擦除全是電氣實現(xiàn)，且速度快?？捎猛ㄓ镁幊唐骶幊?，也可在線編程。當片內(nèi)的4KB的Flash存儲器不夠用時，用戶可在片外可擴展程序存儲器，最多可擴展至64KB程序存儲器。。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）。 片內(nèi)RAM不夠用時，在片外可擴展至64KBRAM

。28第2章硬件結(jié)構(gòu)３.特殊功能寄存器SFR（SpecialFunctionRegister）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。４.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。2.4.1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0000H～0FFFH。16位地址線，可外擴的程序存儲器空間最大為64KB，地址為0000H～FFFFH。使用應(yīng)注意以下問題29第2章硬件結(jié)構(gòu)（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EA*引腳電平確定。

EA*=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，當PC值超出0FFFH自動轉(zhuǎn)向讀片外程序存儲器空間1000H～FFFFH內(nèi)的程序。EA*=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。（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。30第2章硬件結(jié)構(gòu)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。31第2章硬件結(jié)構(gòu)2.4.2數(shù)據(jù)存儲器空間片內(nèi)與片外兩部分。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。圖2-4為片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的結(jié)構(gòu)。圖2-4AT89S51片內(nèi)RAM結(jié)構(gòu)32第2章硬件結(jié)構(gòu)00H～1FH

的32個單元是4組通用工作寄存器區(qū)，每區(qū)包含8B，為R7～R0?？赏ㄟ^指令改變RS1、RS0兩位來選擇。20H～2FH的16個單元的128位可位尋址，也可字節(jié)尋址。30H～7FH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)。２.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，但由于使用的是不同的訪問指令，所以不會發(fā)生沖突。33第2章硬件結(jié)構(gòu)2.4.3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80H～FFH區(qū)域中，共26個。表2-4是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)。下面某些介紹SFR，余下的SFR將在后面介紹。34第2章硬件結(jié)構(gòu)35第2章硬件結(jié)構(gòu)第2章硬件結(jié)構(gòu)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，使得堆棧實際上從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。堆棧主要是為子程序調(diào)用和中斷操作而設(shè)。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。37第2章硬件結(jié)構(gòu)（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。38第2章硬件結(jié)構(gòu)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。3．AUXR寄存器AUXR是輔助寄存器，其格式如圖2-5：圖2-5AUXR寄存器的格式39第2章硬件結(jié)構(gòu)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)。。40第2章硬件結(jié)構(gòu)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。41第2章硬件結(jié)構(gòu)5.AUXR1寄存器AUXR1是輔助寄存器，格式如圖2-6：

DPS：數(shù)據(jù)指針寄存器選擇位。

0：選擇數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR0；

1：選擇數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR1。圖2-6AUXR1寄存器的格式42第2章硬件結(jié)構(gòu)6.看門狗定時器WDT包含1個14位計數(shù)器和看門狗定時器復位寄存器（WDTRST）。用于當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(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。43第2章硬件結(jié)構(gòu)2.4.4位地址空間211個尋址位的位地址，位地址范圍為00H～FFH，其中00H～7FH

這128位處于片內(nèi)RAM字節(jié)地址20H～2FH

單元中，如表2-5所示。其余的83個可尋址位分布在特殊功能寄存器SFR中，如表2-6。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。44第2章硬件結(jié)構(gòu)第2章硬件結(jié)構(gòu)特殊功能寄存器位地址字節(jié)地址D7D6D5D4D3D2D1D0BF7HF6HF5HF4HF3HF2HF1HF0HF0HAccE7HE6HE5HE4HE3HE2HE1HE0HE0HPSWD7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HD0HIP———BCHBBHBAHB9HB8HB8HP3B7HB6HB5HB4HB3HB2HB1HB0HB0HIEAFH——ACHABHAAHA9HA8HA8HP2A7HA6HA5HA4HA3HA2HA1HA0HA0HSCON9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H98HP197H96H95H94H93H92H91H90H90HTCON8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H88HP087H86H85H84H83H82H81H80H80H表2-6SFR中的位地址分布46第2章硬件結(jié)構(gòu)

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。清楚看出各類存儲器在存儲器空間的位置。圖2-7AT89S51單片機的存儲器結(jié)構(gòu)47第2章硬件結(jié)構(gòu)2.5AT89S51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。1P0口P0口字節(jié)地址為80H，位地址為80H～87H。P0口可作為雙功能口：在外擴程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器（或外擴I/O）情況下，只能作為系統(tǒng)的低8位地址/數(shù)據(jù)總線端口來使用，否則可作為通用I/O端口使用。48第2章硬件結(jié)構(gòu)P0口具有如下特點。（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，用作與外部存儲器的連接，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，由于需在片外接上拉電阻，端口不存在高阻抗（懸浮）狀態(tài)，因此是一準雙向口。為保證正確讀入引腳信號，應(yīng)首先向鎖存器寫1。單片機復位后，鎖存器自動被置1；當P0口由原來的輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檩斎霠顟B(tài)時，應(yīng)首先向鎖存器寫1，方可執(zhí)行輸入操作。一般情況下，P0口大多作為地址/數(shù)據(jù)復用口使用，這時就不能再作為通用I/O口使用。49第2章硬件結(jié)構(gòu)2.P1口單功能的I/O口，字節(jié)地址為90H，位地址為90H～97H。特點如下。（1）P1口由于有內(nèi)部上拉電阻，沒有高阻抗輸入狀態(tài)，故為準雙向口。作為輸出口時，不需要在片外接上拉電阻。（2）P1口“讀引腳”輸入時，必須先向P1口鎖存器先寫入1。50第2章硬件結(jié)構(gòu)3.P2口是一個雙功能口，字節(jié)地址為A0H，位地址為A0H～A7H。P2口某一位的位電路結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。在片外擴有存儲器或I/O的情況下，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。特點如下：（1）作為地址輸出線使用時，P2口可輸出外部存儲器的高8位地址，與P0口輸出的低8位一起構(gòu)成16位地址，可尋址64KB的地址空間。當P2口作為高8位地址輸出口時，輸出鎖存器的內(nèi)容保持不變。（2）作通用I/O口使用時，P2口為準雙向口，功能與P1口一樣51第2章硬件結(jié)構(gòu)4.P3口由于AT89S51的引腳數(shù)目有限，因此在P3口電路中增加了引腳的第二功能。P3口的第二功能定義如表2-7所示，讀者應(yīng)熟記。P3口的每一位都可定義為第二輸入功能或第二輸出功能。P3口的字節(jié)地址為B0H，位地址為B0H～B7H。P3口的特點如下：（1）P3口內(nèi)部有上拉電阻，不存在高阻抗輸入狀態(tài)，為準雙向口。（2）P3口作為第二功能的輸出/輸入，或第一功能通用輸入，需要先將相應(yīng)位的鎖存器置1。52第2章硬件結(jié)構(gòu)第2章硬件結(jié)構(gòu)實際應(yīng)用中，由于復位后P3口鎖存器自動置1，滿足第二功能所需的條件，所以不需要任何設(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使用時，可作為第一功能通用I/O使用。第2章硬件結(jié)構(gòu)2.6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端口的控制，這部分時序?qū)τ诜治觥⒃O(shè)計硬件接口電路至關(guān)重要。55第2章硬件結(jié)構(gòu)2.6.1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，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2-8是AT89S51內(nèi)部時鐘方式的電路。56第2章硬件結(jié)構(gòu)圖2-8

內(nèi)部時鐘方式電路第2章硬件結(jié)構(gòu)電路中的電容

C1和

C2

的典型值通常選擇為

30pF。晶體振蕩頻率的范圍通常是在

1.2～12MHz。AT89S51單片機常選擇振蕩頻率6MHz或12MHz的石英晶體。58第2章硬件結(jié)構(gòu)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。

外部時鐘源直接接到XTAL1端，XTAL2端懸空，見圖2-9。圖2-9AT89S51的外部時鐘方式電路59第2章硬件結(jié)構(gòu)3．時鐘信號的輸出當使用片內(nèi)振蕩器，XTAL1、XTAL2引腳還能為應(yīng)用系統(tǒng)中的其他芯片提供時鐘，但需增加驅(qū)動能力。其引出的方式有兩種，如圖2-10。60第2章硬件結(jié)構(gòu)圖2-10

時鐘信號的兩種引出方式第2章硬件結(jié)構(gòu)2.6.2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，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62第2章硬件結(jié)構(gòu)1個機器周期包括12個時鐘周期，分6個狀態(tài)：S1～S6。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2-11。圖2-11AT89S51的機器周期63第2章硬件結(jié)構(gòu)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。64第2章硬件結(jié)構(gòu)2.7復位操作和復位電路單片機的初始化操作，給復位腳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復位。2.7.1復位操作復位時，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。第2章硬件結(jié)構(gòu)復位操作還對其他一些寄存器有影響，這些寄存器復位時的狀態(tài)如表2-8。由表2-8可看出，復位時，SP=07H

，而P0～P3引腳均為高電平。在某些控制應(yīng)用中，要注意考慮P0～P3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。66第2章硬件結(jié)構(gòu)第2章硬件結(jié)構(gòu)2.7.2復位電路設(shè)計由復位電路實現(xiàn)。AT89S51片內(nèi)復位電路結(jié)構(gòu)見圖2-12。復位引腳RST通過一個施密特觸發(fā)器與復位電路相連，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)器的輸出電平由復位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復位操作所需要的信號。復位電路采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。最簡單的上電自動復位電路如圖2-13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10

F。68第2章硬件結(jié)構(gòu)圖2-12

片內(nèi)復位電路結(jié)構(gòu)圖2-13上電復位電路第2章硬件結(jié)構(gòu)上電自動復位是給電容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，即RST引腳上的高電平持續(xù)時間取決于電容C充電時間。為保證系統(tǒng)可靠復位，RST引腳上的高電平必須維持足夠長的時間。除了上電復位外，有時還需要按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平和脈沖兩種方式。按鍵手動復位電路見圖2-14。脈沖復位是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實現(xiàn)的，脈沖復位電路見圖2-15。圖中阻容參數(shù)適于6MHz時鐘。70第2章硬件結(jié)構(gòu)圖2-14按鍵電平復位電路圖2-15按鍵脈沖復位電路71第2章硬件結(jié)構(gòu)圖2-16的電路能輸出高、低兩種電平的復位控制信號，以適應(yīng)外圍I/O接口芯片所要求的不同復位電平信號。圖2-1674LS122為單穩(wěn)電路，實驗表明，電容C的選擇約為0.1

F較好。圖2-16

兩種實用的兼有上電復位與按鍵復位的電路72第2章硬件結(jié)構(gòu)在實際設(shè)計中，若有外部擴展的I/O接口電路也需初始復位，若它們的復位端和AT89S51的復位端相連，復位電路中的R、C參數(shù)要受到影響，這時復位電路中的R、C參數(shù)要統(tǒng)一考慮，以保證可靠的復位。如果AT89S51單片機與外圍I/O接口電路的復位電路和復位時間不完全一致，使單片機初始化程序不能正常運行，外圍I/O接口電路的復位也可以不與AT89S51單片機復位端相連，采用獨立的上電復位電路。若RC上電復位電路接施密特電路輸入端，施密特電路輸出接AT89S51單片機和外圍電路復位端，則能使系統(tǒng)可靠地同步復位。一般來說，第2章硬件結(jié)構(gòu)單片機的復位速度比外圍I/O接口電路快些。為保證系統(tǒng)可靠復位，在單片機應(yīng)用程序的初始化程序段應(yīng)安排一定的復位延遲時間。第2章硬件結(jié)構(gòu)2.8低功耗節(jié)電模式兩種低功耗節(jié)電工作模式：空閑模式（idlemode）和掉電保持模式（powerdownmode）。掉電保持模式