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1、1,2019/5/25,单片机原理与应用电子课件,第 2 章,AT89系列单片机 的硬件体系结构,2019/5/25,2,本章主要内容,2.1 AT89系列单片机概述 2.2 AT89系列单片机的结构原理 2.3 AT89系列单片机的存储器结构 2.4 AT89系列单片机的引脚功能 2.5 AT89系列单片机的I/O接口 2.6 AT89S系列单片机内部看门狗定时器(WDT) 2.7 AT89系列单片机的复位工作方式 2.8 AT89系列单片机的低功耗方式 2.9 AT89系列单片机的时序,2019/5/25,3,第 2 章 AT89系列单片机的硬件体系结构,ATMEL公司是美国20世纪80年
2、代中期成立并发展起来的半导体公司。该公司率先将独特的Flash存储技术注入于单片机产品中。其推出的AT89系列单片机，在世界电子技术行业中引起了极大的反响，在国内也受到广大用户的欢迎。 本章以AT89S51为主线叙述AT89XXX系列单片机的内部结构、引脚功能、工作方式和时序等方面的知识，本章的知识是学习后续章节的基础，也是单片机应用系统硬件设计的基础。,2019/5/25,4,2.1 AT89系列单片机概述,2.1.1 AT89系列单片机简介 AT89系列单片机是与MCS51系列单片机兼容的低功耗高性能位Flash单片机。它是在MCS-51的技术内核为主导的基础上倾注了ATMEL公司优良技术
3、进行新的设计和开发，使之功能更强、更具特色，尤其是AT89S系列单片机具有在系统可程序设计功能，使生产维护更加方便灵活。,2019/5/25,5,2.1.2 AT89系列单片机的主要性能 与MCS-51单片机产品兼容 4K/8K等可程序设计Flash内存 1000次擦写周期 全静态操作：0Hz33MHz(89S系列)或00Hz24MHz(89C系列) 三级加密程序内存 32个可程序设计I/O口线 两个/三个16位定时器/计数器 6/8个中断源 全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 看门狗定时器及双数据指针(89S系列) 灵活的在系统程序设计（ISP）(89S系列),2019/5/25,
4、6,2.1.3 AT89系列单片机的主要品种 Atmel公司的AT89系列单片机有多种型号，但以AT89X51和AT89X52为代表，其主要单片机品种及其特性见表2-1。,2019/5/25,7,2.1.3 AT89系列单片机的主要品种 从表2-1中可以看出，AT89系列单片机主要分为51和52两个子系列，每个子系列都有四种型号. 52子系列与51子系列相比不同之处： flash程序内存增至8KB，数据存储器增至256B，有3个定时器/计数器等； AT89S和AT89C相比新增加了以下功能： 支持在系统程序设计ISP 使生产及维护更方便;增加了片内看门狗使用户的应用系统更坚固;双数据指针使数据
5、操作更加快捷方便;速度更高最高可使用33MHZ的晶振； AT89LS和AT89LV系列 可以在更低的电压(2.7V)和更宽的范围下（2.7V6.0V）工作，使应用范围更加广泛。,2019/5/25,8,2.1.4 AT89系列单片机的型号编码 AT89 系列单片机的型号编码由三个部分组成,它们是前缀、型号和后缀,格式如下: AT 89XXXXXYYYY 其中AT 是前缀，89XXXXX 是型号，YYYY 是后缀。 有关参数的表示和意义如下： 前缀由字母“AT”组成，表示该器件是ATMEL公司的产品。 型号由“89CXXXX”或“89LVXXXX”或“89SXXXX”等表示。 “89CXXXX”
6、中，9是表示内部含Flash内存，C表示为CMOS产品。 “89LVXXXX”中，LV表示低压产品。 “89SXXXX”中，S表示含有串行下载Flash内存。 “XXXX”，表示器件型号数如51、52、53、1051、8252等,2019/5/25,9,后缀由“YYYY”四个参数组成，每个参数的表示和意义不同。在型号与后缀部分有“-”号隔开。 后缀中的第一个参数 Y用于表示速度，后缀中的第二个参数Y用于表示封装，后缀中第三个参数 Y用于表示温度范围，后缀中第四个参数Y用于说明产品的处理情况。 例如：有一个单片机型号为“AT89C5112PI”，则表示意义为该单片机是 ATMEL公司的Flash
7、单片机，内部是CMOS结构，速度为12 MHz，封装为塑封DIP，是工业用产品，按标准处理工艺生产。,2019/5/25,10,2.2 AT89系列单片机的结构原理,2.2.1 AT89系列单片机的基本组成 图2-1是AT89系列单片机的基本结构框图。,图2-1 AT89系列单片机的基本结构框图,2019/5/25,11,2.2.2 AT89系列单片机的内部框图 图2-2 是AT89S系列单片机的内部结构框图。,图2-2 AT89S系列单片机的内部结构框图,2019/5/25,12,2.2.3 AT89系列单片机的CPU 中央处理器CPU是单片机的大脑，它决定了单片机的指令系统及主要功能。CP
8、U由运算器和控制器两部分组成，主要完成取指令、指令译玛、发出各种操作所需的控制信号，使单片机各个部分协调工作。 1运算器 运算器是以算术逻辑单元ALU为核心，加上累加器A、寄存器B、程序状态字PSW及专门用于位操作的布尔处理机等组成的，它可以实现数据的算术运算、逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。 （1) 累加器ACC 累加器ACC是一个8位累加器，它是CPU中使用最频繁的寄存器，ALU进行运算时，数据绝大多数时候都来自于累加器ACC。它一般用于存放参加运算的操作数和运算结果，在指令系统中用A表示。,2019/5/25,13,（2) B寄存器 B寄存器是运算器中的一个工作寄存器，它是为乘法和
9、除法指令而设置的。在除法指令中，被除数取自ACC，除数取自B，商数存放在ACC中，而余数则存放在B中。乘法指令的两个操作数分别取自ACC和B，乘积则存放在AB寄存器对中(此处的A即ACC)。在其他的运算中，B寄存器可作为中间结果寄存器使用。 （3）程序状态字寄存器PSW 程序状态字寄存器PSW是一个8位的寄存器，包含了各种程序状态信息，它相当于一个标志寄存器，以供程序查询和判别。PSW的格式、各标志的含义及功能定义见表2-4.,2019/5/25,14,此寄存器各位的含义如下(其中PSW.1未用)： CY(PSW.7)：进位标志。在执行某些算术和逻辑指令时，它可以被硬件或软件置位或清零。CY在
10、布尔处理机中被认为是位累加器，其重要性相当于一般中央处理器中的累加器A。 AC(PSW.6)：辅助进位标志。当进行加法或减法操作而产生由低4位数向高4位数进位或借位时，AC将被硬件置位，否则就被清零。AC被用于BCD码调整，详见指令系统中的“DA A”指令。 F0(PSW.5)：用户标志位。F0是用户定义的一个状态标记，用软件来使它置位或清零。该标志位状态一经设定，可由软件测试F0，以控制程序的流向。 RS1、RS0(PSW.4、PSW.3)：寄存器区选择控制位。可以用软件来置位或清零以确定工作寄存器区。RS1、RS0与寄存器区的对应关系见表2-5。,2019/5/25,15,OV(PSW.2
11、)：溢出标志。带符号加减运算中，超出了累加器A所能表示的符号数有效范围（128127）时，即产生溢出，OV=1，表明运算运算结果错误。如果OV=0，表明运算结果正确。 执行加法指令ADD时，当位6向位7进位，而位7不向C进位时，OV=1；或者位6不向位7进位，而位7向C进位时，同样OV=1。 乘法指令，乘积超过255时，OV=1，乘积在AB寄存器对中。若OV=0，则说明乘积没有超过255，乘积只在累加器A中。,2019/5/25,16,除法指令，OV=1，表示除数为0，运算不被执行；否则，OV=0。 P(PSW.0)：奇偶标志。每个指令周期都由硬件来置位或清零，以表示累加器A中1的位数的奇偶数
12、。若1的位数为奇数，P置1，否则P清零。 P标志位对串行通信中的数据传输有重要的意义，在串行通信中常用奇偶校验的办法来检验数据传输的可靠性。在发送端可根据P的值对数据进行奇偶置位或清零。 PSW.1：程序状态字的第1位，该位的含义没有定义，若用户要使用这一位，可直接使用PSW.1的位地址。 PSW寄存器除具有字节地址外，还具有位地址，因此，可以对PSW中的任一位进行操作，这无疑大大提高了指令执行的效率。,2019/5/25,17,例【 2-1 】 试分析下面指令执行后，累加器A，标志位C、AC、OV、P的值？ MOV A，#66H ADD A，#59H 分析：第一条指令执行时把立即数67H送入
13、累加器A，第二条指令执行时把累加器A中的立即数67H与立即数58H相加，结果回送到累加器A中。加法运算过程如下： 66H=01100110B 58H=01011001B 0 1 1 0 0 1 1 0 B + 0 1 0 1 1 0 0 1 B 1 0 1 1 1 1 1 1=0BFH 则执行后累加器A中的值为0BFH，由相加过程得C=0、AC=0、OV=1、P=1。,2019/5/25,18,2控制器 控制部件是单片机的控制中心，它包括定时和控制电路、指令寄存器、指令译码器、程序计数器PC、堆栈指针SP、数据指针DPTR以及信息传送控制部件等。 它先以振荡信号为基准产生CPU的时序，从ROM
14、中取出指令到指令寄存器，然后在指令译码器中对指令进行译码，产生指令执行所需的各种控制信号，送到单片机内部的各功能部件，指挥各功能部件产生相应的操作，完成指令对应的功能。,2019/5/25,19,（1）程序计数器PC 程序计数器PC用于存放CPU要执行的下一条指令的地址。 执行指令时，CPU按PC的指示地址从ROM中读取指令码送入指令寄存器中，由指令译码器对指令进行译码，发出相应的控制信号，从而完成指令所指定的操作。读取指令后PC会自动+1指向CPU要执行的下一条指令的地址。 系统复位后PC的初始值为0000H，因此CPU从ROM中0000H单元读取指令并译码执行。 程序计数器PC不属于特殊功
15、能寄存器SFR块，本身并没有地址，因而不可寻址，用户无法对它进行读/写操作，但是可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以控制程序按要求转移。,2019/5/25,20,(2) 堆栈指针SP 堆栈指针SP是一个8位特殊功能寄存器。它指示出堆栈顶部在内部RAM中的位置。系统复位后，SP初始化为07H，使得堆栈事实上由08H单元开始。考虑到08H1FH单元分属于工作寄存器区13，若程序设计中要用到这些区，则最好把SP值改置为1FH或更大的值如60H。 除用软件直接改变SP值外，在执行PUSH、POP、各种子程序调用、中断响应、子程序返回(RET)和中断返回(RETI)等指令时，SP值将自动调整。
16、,2019/5/25,21,（3) 数据指针DPTR DPTR为16位的数据指针寄存器，由两个8位的寄存器DPH和DPL组成，可存放一个16位的地址值。 当CPU访问64KB的外部数据存储器时，就用DPTR作地址指针，存放外部内存的地址； 当CPU访问64KB的程序存储器时，DPTR用作基址寄存器。 CPU也可单独对DPH、DPL操作，即将DPTR分成两个寄存器使用。,2019/5/25,22,2.3 AT89系列单片机的存储器结构,AT89系列单片机采用哈佛结构，有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。AT89系列单片机存储器的结构如图2-3所示。,图2-3 AT89系列单片机内存的结构,2019/5/25,23,2.3.1 AT89系列单片机的程序存储器 1AT89系列单片机程序存储器ROM 程序存储器用于存放编好的程序、常数或表格。在正常工作时只可读不可写，掉电后数据不丢失。以AT89S51单片机为例： （1）片内具有4K的flash结构的电可擦除只读存储器，与INTEL公司早期产品的
