第二章 AT89S51單片機的硬件結(jié)構(gòu)

第二章AT89S51單片機的硬件結(jié)構(gòu)2.1AT89S51單片機的硬件組成圖2-1AT89S51單片機片內(nèi)結(jié)構(gòu)88微處理器（運算部件）控制部件看門狗定時器

數(shù)據(jù)存儲器RAM(128B)P0口P2口程序存儲器(4KB)P1口P3口串行口定時/計數(shù)器中斷系統(tǒng)特殊功能寄存器（SFR）26個88ROM/EPROMVCCVSSXTAL1XTAL2PSENALEEARESET（1）CPU（微處理器）8位CPU，由運算器和控制器組成，還有面向控制的位處理功能。（2）數(shù)據(jù)存儲器（RAM）

片內(nèi)128B，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（FlashROM）

片內(nèi)集成有4KB的Flash存儲器，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，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）P1口、P2口、P3口、P0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)。2.2AT89S51的引腳功能電源及時鐘引腳:Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2?？刂埔_：、

、ALE、RESET（即RST）。I/O口引腳：P0、P1、P2、P3，為4個8位I/O口的外部引腳。電源引腳Vcc（40腳）：接5V電源正端 Vss（20腳）：接5V電源地端時鐘引腳（1）XTAL1（19腳）（2）XTAL2（18腳）2.2.1電源及時鐘引腳XTAL2XTAL1外部時鐘2.2.2控制引腳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。（ProgramStrobeENable，29腳）

片外程序存儲器讀選通信號，低電平有效。讀取外部ROM時,每個機器周期產(chǎn)生兩次PSEN有效信號,執(zhí)行片內(nèi)ROM取指時,不產(chǎn)生PSEN信號

2.2.2控制引腳AT89S51鎖存器74LS373P0.0-P0.7ALEPSENP2.0-P2.48D8QOEA8-A12A0-A7D0-D7GEAOECEEPROM2.2.2控制引腳/VPP(EnableAddress/VoltagePulseofPrograming，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)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。 =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。2.2.2控制引腳ALE/（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，當訪問外部存儲器時,ALE信號的負跳變將P0口上的低8位地址送入鎖存器。

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。可用作外部定時或觸發(fā)信號。：第二功能，對片內(nèi)

Flash編程，編程脈沖輸入腳。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?？沈?qū)動8個LS型TTL負載。2.2.3并行I/O口引腳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。2.2.3并行I/O口引腳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。2.2.3并行I/O口引腳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，應(yīng)熟記。2.2.3并行I/O口引腳引腳第二功能P3.0RxD(ReceiveData):串行口接收數(shù)據(jù)輸入端P3.1TxD(TransmitData):串行口發(fā)送數(shù)據(jù)輸出端P3.2INT0*(External0Interrupt):外部中斷申請輸入端0P3.3INT1*(External1Interrupt):外部中斷申請輸入端1P3.4T0(clocksourcefortimer0):外部計數(shù)脈沖輸入端0P3.5T1(clocksourcefortimer0):外部計數(shù)脈沖輸入端1P3.6WR*(Write):寫外設(shè)控制信號輸出端P3.7RD*(Read):讀外設(shè)控制信號輸出端一個8位的CPU包括運算器、控制器及若干寄存器組成2.3AT89S51的CPU1、算術(shù)邏輯運算單元ALU算數(shù)和邏輯運算，可對8位變量進行操作加、減、乘、除、加1、減1、比較等算術(shù)運算與、或、異或、求補、循環(huán)等邏輯運算位處理器2、累加器AALU單元輸入數(shù)據(jù)源之一，又是ALU運算結(jié)果存放單元。數(shù)據(jù)傳送大多都通過累加器A，相當于數(shù)據(jù)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。2.3.1運算器3、PSW位于片內(nèi)特殊功能寄存器區(qū)，字節(jié)地址為D0H2.3.1運算器D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCYACF0RS1RS0OV

P結(jié)構(gòu)和定義如下：1、CY：進位標志。表示Acc.7有否向更高位進位。例：78H+97H（01111000+10010111）2、AC：輔助進位標志、半進位標志。表示Acc.3有否向Acc.4進位例：57H+3AH（01010111+00111010）3、F0：用戶標志位，由編程人員編程決定。4、RS1、RS0：工作寄存器組選擇位。RS1、RS0=00——0區(qū)（00H～07H）RS1、RS0=01——1區(qū)（08H～0FH）RS1、RS0=10——2區(qū)（10H～17H）RS1、RS0=11——3區(qū)（18H～1FH）5、0V：溢出標志位。表示Acc在有符號數(shù)算術(shù)運算中產(chǎn)生溢出。6、P：奇偶校驗位：表示ALU運算結(jié)果中“1”的個數(shù)的奇偶性。若為

奇數(shù)，則P=1，若為偶數(shù)，則P=0。通信中有重要的意義。例：運算結(jié)果是78H（01111000），顯然1個數(shù)為偶數(shù)，所以P=02.3.1運算器任務(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。2.3.2控制器程序計數(shù)器PC獨立的16位計數(shù)器，不可訪問。單片機復位時，PC中內(nèi)容為0000H。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。2.3.2控制器存儲器的結(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。１.程序存儲器空間２.數(shù)據(jù)存儲器空間３.特殊功能寄存器SFR（SpecialFunctionRegister）４.位地址空間2.4AT89S51存儲器的結(jié)構(gòu)2.4.1程序存儲器①程序計數(shù)器PCPC沒有地址，用戶不可訪問，但可以通過指令改變其內(nèi)容，實現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移。②/EA引腳電平③程序運行的入口地址操作入口地址復位0000H外部中斷/INT00003H定時/計數(shù)器0中斷000BH外部中斷/INT10013H定時/計數(shù)器1中斷001BH串口中斷0023H2.4.2數(shù)據(jù)存儲器空間128B特殊功能寄存器區(qū)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)位尋址區(qū)(128位)工作寄存器區(qū)FFH80H7FH30H2FH20H1FH00H128B80B16B32B片內(nèi)RAM的結(jié)構(gòu)0000HFFFFH64KB片外可擴展RAM區(qū)域2.4.2數(shù)據(jù)存儲器空間D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCYACF0RS1RS0OV

P00H～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。通過指令改變RS1、RS0兩位來選擇FFH80H7FH30H2FH20H1FH00H特殊功能寄存器區(qū)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)位尋址區(qū)(128位)工作寄存器區(qū)01234567012345670123456701234567012345670123456701234567012345670號寄存器組1號寄存器組2號寄存器組3號寄存器組1FH18H17H10H0FH08H07H00H07H06H05H04H03H02H01H00HR7R6R5R4R3R2R1R020H～2FH的16個單元的128位可位尋址，也可字節(jié)尋址。2.4.2數(shù)據(jù)存儲器空間特殊功能寄存器區(qū)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)位尋址區(qū)(128位)工作寄存器區(qū)FFH80H7FH30H2FH20H1FH00H單元地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D02FH7F7E7D7C7B7A79782EH77767574737271702DH6F6E6D6C6B6A69682CH67666564636261602BH5F5E5D5C5B5A59582AH575655545352515029H4F4E4D4C4B4A494828H474645444342414027H3F3E3D3C3B3A393826H373635343332313025H2F2E2D2C2B2A292824H272625242322212023H1F1E1D1C1B1A191822H171615141312111021H0F0E0D0C0B0A090820H07060504030201001.作用：專用于控制、選擇、管理、存放單片機內(nèi)部各部分的工作方式、條件、狀態(tài)、結(jié)果的寄存器.2.不同的SFR管理不同的硬件模塊,負責不同的功能——各司其職,換言之:要讓單片機實現(xiàn)預訂的功能,必須有相應(yīng)的硬件和軟件,而軟件中最重要的一項工作就是對SFR寫命令(要求).2.4.3特殊功能寄存器特殊功能寄存器區(qū)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)位尋址區(qū)(128位)工作寄存器區(qū)FFH80H7FH30H2FH20H1FH00H2.4.3特殊功能寄存器2.4.3特殊功能寄存器AT89S51有26個SFR1-4. P0:P0口鎖存器(Latch)80h P1:P1口鎖存器90h P2:P2口鎖存器0A0h P3:P3口鎖存器0B0h5.堆棧指針寄存器SP(StackPointer)81h

總是指向棧頂,壓棧時:先(SP)+1,后數(shù)據(jù)進棧;

出棧時:數(shù)據(jù)先出棧,然后(SP)-1.2.4.3特殊功能寄存器在片內(nèi)RAM中,常常要指定一個專門的區(qū)域來存放某些特別的數(shù)據(jù),它遵循先進后出or后進先出(LIFO/FILO)-LastInFirstOut的,順序存儲原則,這個RAM區(qū)叫堆棧1.功用:1)在調(diào)用子程序和中斷服務(wù)程序時CPU自動將當前PC

值壓棧保存,返回時自動將PC值彈棧.2)保護現(xiàn)場/恢復現(xiàn)場(PUSH/POP)3)數(shù)據(jù)傳輸堆棧堆棧

由于進棧時SP的值增加，即堆棧向地址大的方向生長，并且棧頂是有效數(shù)據(jù)，這種堆棧是滿遞增型堆棧。

7B出棧后的狀態(tài)A6、58、36出棧后的狀態(tài)E7E7E6E6SPE5SPE5E37BE4E07BE4A6E3A6E358E258E236E136E121E021E07BA658366.累加器ACC(Accumulator)

0E0H

一個被眾多指令用得最頻繁的特殊功能寄存器(如:運算、數(shù)據(jù)傳輸…).7.寄存器B

0F0H一個經(jīng)常與ACC配合在一起使用的特殊功能寄存器(如:乘法MULAB、除法DIVAB),此外,它也經(jīng)常當作普通寄存器使用.

8.程序狀態(tài)字寄存器PSW(ProgramStatusWord):CyACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.02.4.3特殊功能寄存器9-10.DPTR(DataPointer)

數(shù)據(jù)指針寄存器82H,83H

單片機內(nèi)部唯一的一個可以供用戶使用的16位寄存器(比較:PC16位不可尋址)，用來存放16位地址值，以便用間接尋址或變址尋址片外存儲器。MOVDPTR,#4000H DPTR可分成DPL(LOW)和DPH(HIGH)兩個8位寄存器分別使用。11.IP(InterruptPriorities)——中斷優(yōu)先級控制寄存器12.IE(InterruptEnable)——中斷允許控制寄存器2.4.3特殊功能寄存器13.TMOD(TimerModeRegister)——定時器/計數(shù)器方式控制寄存器14.TCON(TimerControlRegister)——定時器/計數(shù)器控制寄存器.15-16. TH0,TL0(Timer0Low/High)——定時器/計數(shù)器017-18. TH1,TL1(Timer1Low/High)——定時器/計數(shù)器119.SCON(SerialControlRegister)——串行端口控制寄存器20.SBUF(SerialBufferRegister)——串行數(shù)據(jù)緩沖器21.PCON(PowerControlRegister)——電源控制寄存器2.4.3特殊功能寄存器PC與SFR(SpecialFunctionRegister)特殊功能寄存器寄存器復位狀態(tài)寄存器復位狀態(tài)PC0000HTCON00HA00HT2CON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07H(特殊,記憶)TH100HDPTR0000HTL100HP0~P3FFH(特殊,記憶)SCON00HIPXX000000BSBUFXXHIE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00H2.4.3特殊功能寄存器2.4.4位地址空間內(nèi)部RAM的可尋址位128個(字節(jié)地址20H～2FH)2.4.4位地址空間特殊功能寄存器SFR為83個可尋址位AT89S51存儲器空間2.5AT89S51的并行I/O口

4個雙向的8位并行I/O端口(Port)，記作P0～P3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。2.5.1P0口P0口：8位，漏極開路的雙向I/O口

地址低8位，數(shù)據(jù)位，輸入輸出口2.5.2P1口P1口：8位，準雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。

輸入輸出口2.5.3P2口P2口：8位，準雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。

地址的高8位，輸入輸出口2.5.4P3口P3口：8位，準雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。

輸入輸出口，第二功能2.6時鐘電路與時序1、內(nèi)部方式

（常用）2、外部方式（多用于多機同步）2.6.2電源及時鐘引腳CPU總是按照一定的