第2章 at89s51单片机的内部结构

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1、1,1,单片机原理及应用 第2章 AT89S51单片机的 内部结构,2,2,第2章 AT89S51单片机的结构,2.1 AT89S51单片机的内部结构,2.2 AT89S51单片机的引脚,2.3 AT89S51单片机的微处理器,2.4 AT89S51存储器的结构,2.5 并行I/O端口,2.6 时钟电路与时序,2.7 单片机的复位电路,*2.8 单片机的低功耗节电模式,3,内容概要 AT89S51的片内硬件基本结构、引脚功能、存储器结构、特殊功能寄存器功能、4个并行I/O口的结构和特点，复位电路和时钟电路的设计,节电工作模式。,4,学习要求,本章学习，为AT89S51系统的应用设计打下基础。在

2、原理和结构上，单片机把微机的许多概念、技术与特点都继承下来，可以用学习微机的思路来学习单片机。,5,5,2.1 AT89S51单片机的内部结构 片内硬件组成结构如图2-1所示。把作为控制应用所必需的基本功能部件都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。 有如下功能部件和特性： （1）8位微处理器（CPU）； （2）数据存储器（128B RAM）； （3）程序存储器（4KB Flash ROM）； （4）4个8位可编程并行I/O口（P0口、P1口、P2口、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；,单片机内部结构,6,6,图2-1 AT89S51单片机片内结

3、构,7,7,（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（In System Program），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；,8,（4）增加断电标志； （5）增加掉电状态下的中断恢复模式。 片内各功能部件通过片内单

4、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，Special Function Register）的集中控制方式。 下面介绍图2-1中片内各功能部件。 （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。,8,9,（2）数据存储器（RAM） 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（Flash ROM） 片内集成有4K

5、B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6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。,9,10,（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）P1口、P2口、P3口、P0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

6、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80HFFH内。,10,11,小结及习题：,计算机中采用“存储程序”的工作方式，即事先把程序加载到计算机中的存储器中，当运行计算机后，计算机便自动进行工作，这是计算机的重要工作原理，这也是单片机的工作原理，了解单片机的内部结构就必须了解单片机的基本工作原理 。 1、AT89S51系列单片机内部有哪些主要部件各部分的作用是什么？ 2、AT89C51与AT89C52单片机的主要区别在哪里？,12,2.2 AT89S51的引脚功能 先了解引脚，牢记各引脚的功能。 AT89S51与51系列中各种型号芯片的引脚互相兼容。目前多

7、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,12,13,2.2.1 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。,13,图2-2 AT89S51双列直插封装方式的引脚,14,2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

8、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。 2.2.2 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。,14,15,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 (Enable Address/Voltage Pulse of Programing，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

9、（即不超出片内4KB Flash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4KB Flash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。,16,=0，只读取外部的程序存储器中的内容，读取的地址范围为0000HFFFFH，片内的4KB Flash 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/ （Address Latch Enable/PROGramming，30脚） ALE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

10、址锁存在片外的地址锁存器中。,16,17,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。,17,18,（4） （Program St

11、robe ENable，29脚） 片外程序存储器读选通信号，低电平有效。 2.2.3 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。,18,19,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Fl

12、ash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。,20,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。 （4）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。,20,21,21,22,综上所述，

13、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。,22,23,2.3 AT89S51的微处理器 由图2-1可见，CPU由运算器和控制器构成。 2.3.1 运算器 对操作数

14、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 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）,23,24,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

15、，AT89S51增加了一部分可以不经过累加器的传送指令。,24,25,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PSW PSW（Program Status Word）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2-3 PSW的格式,25,26,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，Cy1；否则，Cy0。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

16、，用作十进位调整。即当D3位向D4位产生进位或借位时，Ac1；否则，Ac0。 （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。,26,27,（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。,27,28,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。,28,29,29,2.3.2 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