第2章AT89S51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)(SJ)

本章知識點(diǎn)AT89S52單片機(jī)的硬件組成中央處理器CPUAT89S52單片機(jī)存儲器及存儲空間并行輸入/輸出接口時鐘電路與時序復(fù)位操作與復(fù)位電路第2章AT89S52單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)2.1AT89S52單片機(jī)的硬件組成

片內(nèi)硬件組成結(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尺寸有限的集成電路芯片上。

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（256BRAM）；（3）程序存儲器（8KBFlashROM）；（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）3個可編程的16位定時器/計(jì)數(shù)器（T0、T1和T2）；（7）1個看門狗定時器；（8）中斷系統(tǒng)具有6個中斷源、6個中斷向量；（9）特殊功能寄存器（SFR）32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。圖2-1

AT89S52單片機(jī)片內(nèi)結(jié)構(gòu)AT89S52單片機(jī)的硬件組成下面介紹圖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，同樣包括了運(yùn)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)為為256B，片外最多可擴(kuò)64KB。片內(nèi)256B的RAM以高速RAM的形式集成，可加快單片機(jī)運(yùn)行的速度和降低功耗。（3）程序存儲器（FlashROM）用來存儲程序。AT89S52片內(nèi)有8KB的Flash存儲器；如果片內(nèi)程序存儲器容量不夠，片外最多可外擴(kuò)至64KB程序存儲器，即“片內(nèi)+片外”的程序存儲器總?cè)萘坎怀^64KB。

（4）定時器/計(jì)數(shù)器：片內(nèi)有3個16位的定時器/計(jì)數(shù)器，具有4種工作方式。（5）中斷系統(tǒng)：具有6個中斷源，2級中斷優(yōu)先權(quán)。（6）串行口1個全雙工的異步串行口，4種工作方式?？蛇M(jìn)行串行通信，擴(kuò)展并行I/O口，可與多個單片機(jī)構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)。（7）P0口、P1口、P2口和P3口4個8位并行I/O口。（8）特殊功能寄存器（SFR）共有32個特殊功能寄存器，用于CPU對片內(nèi)各外設(shè)部件進(jìn)行管理、控制和監(jiān)視。特殊功能寄存器實(shí)際上是片內(nèi)各外設(shè)部件的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，這些特殊功能寄存器映射在片內(nèi)RAM區(qū)的80H～FFH的地址區(qū)間內(nèi)。（9）1個看門狗定時器WDT

當(dāng)單片機(jī)由于干擾而使程序陷入死循環(huán)或跑飛狀態(tài)時，可引起單片機(jī)復(fù)位，使程序恢復(fù)正常運(yùn)行。2.2AT89S52的引腳功能

(a)DIP封裝的引腳分布（40引腳(b)PLCC封裝的引腳分布（44引腳）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（3）I/O口引腳——P0、P1、P2、P3，為4個8位I/O口（一）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(dāng)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(dāng)使用外部時鐘源時，本腳懸空。（二）控制引腳（1）RST(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(jī)器周期的高電平，可使單片機(jī)復(fù)位。正常工作，此腳電平應(yīng)≤0.5V。（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。（3）ALE/PROG*（AddressLatchEnable/PROGramming，30腳）

ALE為地址鎖存控制信號端，為第一功能。（4）PSEN*（ProgramStrobeENable，29腳）

片外程序存儲器讀選通信號，低電平有效。（三）并行I/O口引腳（1）P0口：P0.7～P0.0引腳為漏極開路的8位并行雙向I/O口。當(dāng)AT89S52擴(kuò)展外部存儲器及I/O接口芯片時，P0口為分時復(fù)用的低8位地址/數(shù)據(jù)總線。在向P0口寫入“1”后就成為高阻態(tài)的輸入口。當(dāng)P0口作為通用I/O口使用時，需外加上拉電阻，這時為準(zhǔn)雙向口。（2）P1口：P1.7～P1.0引腳準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻，可驅(qū)動4個LS型TTL負(fù)載。（3）P2口：P2.7～P2.0引腳準(zhǔn)雙向I/O口，引腳內(nèi)部接有上拉電阻，可驅(qū)動4個LS型TTL負(fù)載。當(dāng)AT89S52訪問外部存儲器及I/O口時，P2口作為高8位地址總線使用，輸出高8位地址。當(dāng)P2口不作為高8位地址總線時，可作為通用的I/O口使用。（4）P3口：P3.7～P3.0

準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。

P3口的第一功能是作為通用的I/O口使用，可驅(qū)動4個LS型TTL負(fù)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。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(zhǔn)雙向口，這時需加上拉電阻。P1口、P2口、P3口均為準(zhǔn)雙向口。并行I/O口引腳并行I/O口引腳綜上所述，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(zhǔn)雙向口，這時需加上拉電阻。P1口、P2口、P3口均為準(zhǔn)雙向口。注意：準(zhǔn)雙向口與雙向口的差別。準(zhǔn)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(zhǔn)雙向I/O口則無高阻的“懸浮”狀態(tài)。2.3AT89S52單片機(jī)的CPUCPU由運(yùn)算器和控制器構(gòu)成（一）運(yùn)算器對操作數(shù)進(jìn)行算術(shù)、邏輯和位操作運(yùn)算。主要包括算術(shù)邏輯運(yùn)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(yùn)算單元ALU可對8位變量邏輯運(yùn)算（與、或、異或、循環(huán)、求補(bǔ)和清零），還可算術(shù)運(yùn)算（加、減、乘、除）ALU還有位操作功能，對位變量進(jìn)行位處理，如置“1”、清“0”、求補(bǔ)、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。“A”與“Acc”書寫上的差別，將在第3章介紹。位于片內(nèi)的特殊功能寄存器區(qū)。作用如下：（1）ALU單元的輸入數(shù)據(jù)源之一，又是ALU運(yùn)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(dāng)于數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站。為解決“瓶頸堵塞”問題，AT89S52增加了一部分可以不經(jīng)過累加器的傳送指令。A的進(jìn)位標(biāo)志Cy是特殊的，因?yàn)樗瑫r又是位處理機(jī)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(yùn)行狀態(tài)的信息，其中4位保存當(dāng)前指令執(zhí)行后的狀態(tài)，供程序查詢和判斷。格式如圖2-5所示。圖2-5PSW的格式PSWPSW中各個位的功能：（1）Cy（PSW.7）進(jìn)位標(biāo)志位

可寫為C。在算術(shù)和邏輯運(yùn)算時，若有進(jìn)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(jìn)位標(biāo)志位

在BCD碼運(yùn)算時，用作十進(jìn)位調(diào)整。即當(dāng)D3位向D4位產(chǎn)生進(jìn)位或借位時，Ac＝1；否則，Ac＝0。（3）F0（PSW.5）用戶設(shè)定標(biāo)志位

由用戶使用的一個狀態(tài)標(biāo)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。PSWPSW（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(dāng)前工作寄存區(qū)見表2-2。（5）OV（PSW.2）溢出標(biāo)志位

當(dāng)執(zhí)行算術(shù)指令時，用來指示運(yùn)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(biāo)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(biāo)志位對串行通信有重要的意義，常用奇偶檢驗(yàn)的方法來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)串行傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

PSW控制器控制器包括：程序計(jì)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(jìn)行定時和邏輯控制。

程序計(jì)數(shù)器PC是一個獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器，不可訪問。單片機(jī)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。2.4AT89S51存儲器的結(jié)構(gòu)

存儲器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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。AT89S51存儲器的結(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)的斷服務(wù)子程序，而不是直接存放中斷服務(wù)子程序。數(shù)據(jù)存儲器空間１.片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器２.片外數(shù)據(jù)存儲器當(dāng)片內(nèi)128B的RAM不夠用時，需外擴(kuò)，最多可外擴(kuò)64KB的RAM。注意，片內(nèi)RAM與片外RAM兩個空間是相互獨(dú)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。特殊功能寄存器（SFR）特殊功能寄存器（SFR）特殊功能寄存器（SFR）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(jī)復(fù)位后，SP為07H，使得堆棧實(shí)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(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(hù)斷點(diǎn)和現(xiàn)場。特殊功能寄存器（SFR）看門狗定時器WDTWDT包含一個14位計(jì)數(shù)器和看門狗定時器復(fù)位寄存器——

（WDTRST）。當(dāng)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(yùn)行的有效手段。位地址空間位地址空間特殊功能寄存器位地址字節(jié)地址D7D6D5D4D3D2D1D0BF7HF6HF5HF4HF3HF2HF1HF0HF0HAccE7HE6HE5HE4HE3HE2HE1HE0HE0HPSWD7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HD0HIP———BCHBBHBAHB9HB8HB8HP3B7HB6HB5HB4HB3HB2HB1HB0HB0HIEAFH——ACHABHAAHA9HA8HA8HP2A7HA6HA5HA4HA3HA2HA1HA0HA0HSCON9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H98HP197H96H95H94H93H92H91H90H90HTCON8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H88HP087H86H85H84H83H82H81H80H80H表2-6SFR中的位地址分布位地址空間

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。2.5AT89S51的并行I/O端口2.5.1P0口圖2-8P0口某一位的位電路結(jié)構(gòu)P0口P0口的特點(diǎn)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(dāng)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(dāng)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（懸浮）狀態(tài)，因此是一個準(zhǔn)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(jī)復(fù)位后，鎖存器自動被置1；當(dāng)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P1口圖2-9

P1口某一位的位電路結(jié)構(gòu)P1口P1口的特點(diǎn)由于內(nèi)部上拉電阻，無高阻抗輸入狀態(tài)，故為準(zhǔn)雙向口。P1口“讀引腳”輸入時，必須先向鎖存器寫入1。P2口P2口圖2-10P2口某一位的位電路結(jié)構(gòu)P2口P2口的特點(diǎn)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(zhǔn)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P3口圖2-11

P3口某一位的位電路結(jié)構(gòu)P3口P1～P3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(dāng)P0口某位為高電平時，可提供400A的電流；當(dāng)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。P1～P3口驅(qū)動LED發(fā)光二極管（a）不恰當(dāng)?shù)倪B接：高電平驅(qū)動（b）恰當(dāng)?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(yán)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(jì)硬件接口電路至關(guān)重要。2.6.1時鐘電路設(shè)計(jì)

圖2-13

內(nèi)部時鐘方式電路2．外部時鐘方式圖2-14

AT89S51的外部時鐘方式電路2.6.2機(jī)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(jī)器周期CPU完成一個基本操作所需時間為機(jī)器周期。執(zhí)行一條指令分為幾個機(jī)器周期。每個機(jī)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(jī)器周期。機(jī)器周期、指令周期與指令時序1個機(jī)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(jī)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2-16AT89S51的機(jī)器周期機(jī)器周期、指令周期與指令時序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(jī)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(jī)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(jī)器周期和雙機(jī)器周期;

三字節(jié)指令都是雙機(jī)器周期;

乘、除指令占用4個機(jī)器周期。2.7復(fù)位操作和復(fù)位電路

單片機(jī)的初始化操作，給復(fù)位腳RST加上大于2個機(jī)器周期（即24個時鐘振蕩周期）的高電平就使AT89S51復(fù)位。

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(dāng)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。2.7復(fù)位操作和復(fù)位電路2.7復(fù)位操作和復(fù)位電路復(fù)位電路設(shè)計(jì)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2.7復(fù)位操作和復(fù)位電路圖2-19

按鍵電平復(fù)位電路圖2-20

按鍵脈沖復(fù)位電路2.8AT89S52單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)AT89S52本身片內(nèi)有8KB閃爍存儲器，256B的RAM單元，4個I/O口，外接時鐘電路和復(fù)位電路即構(gòu)成了一個AT89S52單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)。該最小應(yīng)用系統(tǒng)只能作為小型的數(shù)字量的測控單元。圖2-19AT89S52單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)2.9看門狗定時器（WDT）功能簡介單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)受到干擾可能會引起程序“跑飛”或“死循環(huán)”，會使系統(tǒng)失控。如果操作人員在場，可按人工復(fù)位按鈕，強(qiáng)制系統(tǒng)復(fù)位。但操作人員不可能一直監(jiān)視著系統(tǒng)，即使監(jiān)視著系統(tǒng)，也往往是在引起不良后果之后才進(jìn)行人工復(fù)位。能不能不要人來監(jiān)視，使系統(tǒng)擺脫失控狀態(tài)，重新從0000H地址處執(zhí)行程序呢？這時可采用“看門狗”技術(shù)?！翱撮T狗”技術(shù)就是使用一個“看門狗”定時器來對系統(tǒng)時鐘不斷計(jì)數(shù)，監(jiān)視程序的運(yùn)行。當(dāng)看門狗啟動運(yùn)行后，為防止看門狗定時器的不必要溢出而引起單片機(jī)的非正常的復(fù)位，應(yīng)定期地把看門狗清0，以保證看門狗不溢出。2.9看門狗定時器（WDT）功能簡介“看門狗”部件，包含1個14位看門狗定時器和看門狗復(fù)位寄存器（表2-4中的特殊功能寄存器WDTRST，地址A6H）。開啟看門狗定時器后，14位定時器會自動對系統(tǒng)時鐘12分頻后的信號計(jì)數(shù)，即每16384（214）個機(jī)器周期溢出一次，并產(chǎn)生一個高電平復(fù)位信號，使單片機(jī)復(fù)位。采用12MHz的系統(tǒng)時鐘時，則每16384μs產(chǎn)生一個復(fù)位信號。當(dāng)由于干擾，使單片機(jī)程序“跑飛”或陷入“死循環(huán)”時，單片機(jī)也就不能正常運(yùn)行程序來定時地把看門狗定時器清0，看門狗定時器計(jì)滿溢出時，將在AT89S52的RST引腳上輸出一個正脈沖（寬度為98個時鐘周期），使單片機(jī)復(fù)位，在系統(tǒng)的復(fù)位入口0000H處重新開始執(zhí)行主程序，從而使程序擺脫“跑飛”或“死