AT89S51单片机

AT89S51AT89S51单片机的硬件组成单片机内硬件组成结构如图2-1所示。有如下功能部件和特性：（1）8位微处理器（CPU）；（2）数据存储器（128BRAM）；（3）程序存储器（4KBFlashROM）；（4）4个8位可编程并行I/O口（P0口、P1口、P2口和P3口）；（5）1个全双工的异步串行口；（6）2个可编程的16位定时器/计数器；（7）1个看门狗定时器；（8）中断系统具有5个中断源、5个中断向量；（9）特殊功能寄存器（SFR）26个；（10）低功耗模式有空闲模式和掉电模式，且具有掉电模式下的中断恢复模式；（11）3个程序加密锁定位。与AT89C51相比，AT89S51有更突出的优点：（1）增加在线可编程功能ISP（InSystemProgram），字节和页编程，现场程序调试和修改更加方便灵活；（2）数据指针增加到两个，方便了对片外RAM的访问过程；（3）增加了看门狗定时器，提高了系统的抗干扰能力；（4）增加断电标志；（5）增加掉电状态下的中断恢复模式。单片机内各功能部件通过片内单一总线连接而成（见图2-1），基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统微机结构。CPU对各种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。单片机内部件功能1）CPU（微处理器）8位的CPU，与通用CPU基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，还有面向控制的位处理功能。2）数据存储器（RAM）图2-1AT89S51单片机片内结构片内为128B（52子系列为256B），片外最多可扩64KB。片内128B的RAM以高速RAM的形式集成，可加快单片机运行的速度和降低功耗。3）程序存储器（FlashROM）片内集成有4KB的Flash存储器（AT89S52则为8KB；AT89C55片内20KB），如片内容量不够，片外可外扩至64KB。4）中断系统具有5个中断源，2级中断优先权。5）定时器/计数器2个16位定时器/计数器（52子系列有3个），4种工作方式。6）1个看门狗定时器WDT当CPU由于干扰使程序陷入死循环或跑飞时，WDT可使程序恢复正常运行。7）串行口1个全双工的异步串行口，4种工作方式。可进行串行通信，扩展并行I/O口，还可与多个单片机构成多机系统。8）P0口、P1口、P2口和P3口4个8位并行I/O口。9）特殊功能寄存器（SFR）26个，对片内各功能部件管理、控制和监视。是各个功能部件的控制寄存器和状态寄存器，映射在片内RAM区80H～FFH内。AT89S51完全兼容AT89C51，在充分保留原来软、硬件条件下，完全可以用AT89S51直接代换。AT89S51的引脚功能AT89S51与51系列中各种型号芯片的引脚互相兼容。目前多采用40只引脚双列直插，如图2-2所示。引脚按其功能可分为如下3类：1）电源及时钟引脚—VCC、VSS；XTAL1、XTAL2。2）控制引脚—、ALE/、/VPP、RST（RESET）3）I/O口引脚——P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口电源及时钟引脚1．电源引脚1）VCC（40脚）：+5V电源。2）VSS（20脚）：数字地。2．时钟引脚1）XTAL1（19脚）：片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路输入端。用片内振荡器时，该脚接外部石英晶体和微调电容。外接时钟源时，该脚接外部时钟振荡器的信号。2）XTAL2（18脚）：片内振荡器反相放大器的输出端。当使用片内振荡器，该脚连接外部石英晶体和微调电容。当使用外部时钟源时，本脚悬空。3．控制引脚1）RST(RESET，9脚)复位信号输入，在引脚加上持续时间大于2个机器周期的高电平，可使单片机复位。正常工作，此脚电平应≤0.5V。当看门狗定时器溢出输出时，该脚将输出长达96个时钟振荡周期的高电平。2）/VPP(EnableAddress/VoltagePulseofPrograming，31脚)引脚第一功能：外部程序存储器访问允许控制端。=1：在PC值不超出0FFFH（即不超出片内4KBFlash存储器的地址范围）时，单片机读片内程序存储器（4KB）中的程序，但PC值超出0FFFH（即超出片内4KBFlash地址范围）时，将自动转向读取片外60KB（1000H-FFFFH）程序存储器空间中的程序。=0：只读取外部的程序存储器中的内容，读取的地址范围为0000H～FFFFH，片内的4KBFlash程序存储器不起作用。VPP：引脚第二功能，对片内Flash编程，接编程电压。3）ALE/（AddressLatchEnable/PROGramming，30脚）PSENPROGEAEAPROGEAEAALE为CPU访问外部程序存储器或外部数据存储器提供地址锁存信号，将低8位地址锁存在片外的地址锁存器中。此外，单片机正常运行时，ALE端一直有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率fosc的1/6。可用作外部定时或触发信号。注意，每当AT89S51访问外部RAM时（执行MOVX类指令），要丢失一个ALE脉冲。如需要，可将特殊功能寄存器AUXR（地址为8EH，将在后面介绍）的第0位（ALE禁止位）置1，来禁止ALE操作，但执行访问外部程序存储器或外部数据存储器指令“MOVC”或“MOVX”时，ALE仍然有效。即ALE禁止位不影响对外部存储器的访问。：引脚第二功能，对片内Flash编程，为编程脉冲输入脚。4）（ProgramStrobeENable，29脚）片外程序存储器读选通信号，低电平有效。并行I/O口引脚1）P0口：8位，漏极开路的双向I/O口当外扩存储器及I/O接口芯片时，P0口作为低8位地址总线及数据总线的分时复用端口。P0口也可用作通用的I/O口，需加上拉电阻，这时为准双向口。作为通用I/O输入，应先向端口写入1。可驱动8个LS型TTL负载。2）P1口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。准双向I/O口，作为通用I/O输入时，应先向端口锁存器写1。P1口可驱动4个LS型TTL负载。P1.5/MOSI、P1.6/MISO和P1.7/SCK可用于对片内Flash存储器串行编程和校验，它们分别是串行数据输入、输出和移位脉冲引脚。3）P2口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。当AT89S51扩展外部存储器及I/O口时，P2口作为高8位地址总线用，输出高8位地址。P2口也可作为普通的I/O口使用。当作为通用I/O输入时，应先向端口输出锁存器写1。P2口可驱动4个LS型TTL负载。图2-2AT89S51双列直插封装方式的引脚PROGPSEN4）P3口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。可作为通用的I/O口使用。作为通用I/O输入，应先向端口输出锁存器写入1。可驱动4个LS型TTL负载。P3口还可提供第二功能。第二功能定义见表2-1，应熟记。表2-1P3口的第二功能定义综上所述，P0口可作为总线口，为双向口。作为通用的I/O口使用时，为准双向口，这时需加上拉电阻。P1口、P2口、P3口均为准双向口。注意：准双向口与双向口的差别。准双向口仅有两个状态。而P0口作为总线使用，口线内无上拉电阻，处于高阻“悬浮”态。故P0口为双向三态I/O口。为什么P0口要有高阻“悬浮”态？准双向I/O口则无高阻的“悬浮”状态。另外，准双向口作通用I/O的输入口使用时，一定要向该口先写入“1”。以上的准双向口与双向口的差别，读者在阅读2.5节后，将会有深刻的理解。至此，40个引脚已介绍完，应熟记每一引脚功能对应用系统硬件电路设计十分重要。AT89S51的CPU(p41)由图2-1可见，CPU由运算器和控制器构成。一、运算器对操作数进行算术、逻辑和位操作运算。主要包括算术逻辑运算单元ALU、累加器A、位处理器、程序状态字寄存器PSW及两个暂存器等。1．算术逻辑运算单元ALU引脚第二功能说明P3.0RXD串行数据输入口P3.1TXD串行数据输出口P3.2INT0外部中断0输入P3.3INT1外部中断1输入P3.4T0定时器0外部计数输入P3.5T1定时器1外部计数输入P3.6WR外部数据存储器写选通输出P3.7RD外部数据存储器读写通输出可对8位变量逻辑运算（与、或、异或、循环、求补和清零），还可算术运算（加、减、乘、除）ALU还有位操作功能，对位变量进行位处理，如置“1”、清“0”、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”等。2．累加器A使用最频繁的寄存器，可写为Acc。“A”与“Acc”书写上的差别，将在第3章介绍。作用如下：1）ALU单元的输入数据源之一，又是ALU运算结果存放单元。2）数据传送大多都通过累加器A，相当于数据的中转站。为解决“瓶颈堵塞”问题，AT89S51增加了一部分可以不经过累加器的传送指令。A的进位标志Cy是特殊的，因为它同时又是位处理机的位累加器3．程序状态字寄存器PSWPSW（ProgramStatusWord）位于片内特殊功能寄存器区，字节地址为D0H。包含了程序运行状态的信息，其中4位保存当前指令执行后的状态，供程序查询和判断。格式如图2-3所示。图2-3PSW的格式PSW中各个位的功能：1）Cy（PSW.7）进位标志位可写为C。在算术和逻辑运算时，若有进位/借位，Cy＝1；否则，Cy＝0。在位处理器中，它是位累加器。2）Ac（PSW.6）辅助进位标志位在BCD码运算时，用作十进位调整。即当D3位向D4位产生进位或借位时，Ac＝1；否则，Ac＝0。3）F0（PSW.5）用户设定标志位由用户使用的一个状态标志位，可用指令来使它置1或清0，控制程序的流向。用户应充分利用。4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）4组工作寄存器区选择选择片内RAM区中的4组工作寄存器区中的某一组为当前工作寄存区见表2-2。5）OV（PSW.2）溢出标志位当执行算术指令时，用来指示运算结果是否产生溢出。如果结果产生溢出，OV=1；否则，OV=0。6）PSW.1位保留位7）P（PSW.0）奇偶标志位指令执行完，累加器A中“1”的个数是奇数还是偶数。P=1，表示A中“1”的个数为奇数。P=0，表示A中“1”的个数为偶数。此标志位对串行通信有重要的意义，常用奇偶检验的方法来检验数据串行传输的可靠性。表2-2RS1RS0与四组寄存器区的对应关系RS1RS0所选的四组寄存器000区（内部RAM地址00H-07H）011区（内部RAM地址08H-0FH）102区（内部RAM地址10H-17H）113区（内部RAM地址18H-1FH）二、控制器任务识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动协调地工作。控制器包括：程序计数器、指令寄存器、指令译码器、定时及控制逻辑电路等。功能是控制指令的读入、译码和执行，从而对各功能部件进行定时和逻辑控制。程序计数器PC是一个独立的16位计数器，不可访问。单片机复位时，PC中内容为0000H，从程序存储器0000H单元取指令，开始执行程序。PC工作过程是：CPU读指令时，PC的内容作为所取指令的地址，程序存储器按此地址输出指令字节，同时PC自动加1。PC中内容变化轨迹决定程序流程。当顺序执行程序时自动加1；执行转移程序或子程序、中断子程序调用时，自动将其内容更改成所要转移的目的地址。PC的计数宽度决定了程序存储器的地址范围。PC为16位，故可对64KB（=216B）寻址。基本工作方式：1）程序计数器自动加12）执行有条件或无条件转移指令时，程序计数器将被置入新的数值，从而使程序的流向发生变化。3）执行子程序调用或中断调用时完成下列操作：①PC的当前值保护②将子程序入口地址或中断向量的地址送入PC。PC变化的轨迹决定程序的流程。AT89S51存储器的结构存储器的结构特点之一是将程序存储器和数据存储器分开（哈佛结构），并有各自的访问指令。存储器空间可分为4类。１.程序存储器空间片内和片外两部分。片内4KBFlash，编程和擦除完全是电气实现。可用通用编程器对其编程，也可在线编程。当片内4KBFlash存储器不够用时，可片外扩展，最多可扩展至64KB程序存储器。２