微机原理与单片机：第2章AT89S51单片机硬件结构

1第2章 AT89S51单片机 硬件结构2 第第2章章 目目录2.1 AT89S51单片机的硬件片机的硬件组成成2.2 AT89S51的引脚功能的引脚功能 2.2.1 电源及时钟引脚 2.2.2 控制引脚 2.2.3 并行I/O口引脚2.3 AT89S51的的CPU 2.3.1 运算器 2.3.2 控制器 2.4 AT89S51存存储器的器的结构构 2.4.1 程序存储器空间 2.4.2 数据存储器空间 2.4.3 特殊功能寄存器（SFR）2.4.4 位地址空间2.5 AT89S51的并行的并行I/O端口端口 2.5.1 P0口 2.5.2 P1口 2.5.3 P2口 2.5.4 P3口 2.5.5 P1P3口驱动LED发光二极管32.6 时钟电路与路与时序序 2.6.1 时钟电路设计 2.6.2 机器周期、指令周期与指令时序2.7 复位操作和复位复位操作和复位电路路 2.7.1 复位操作 2.7.2 复位电路设计2.8 低功耗低功耗节电模式模式 2.8.1 空闲模式 2.8.2 掉电运行模式 2.8.3 掉电和空闲模式下的WDT4nAT89S51AT89S51的片内硬件基本结构、引脚功能、存储器结构、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、特殊功能寄存器功能、4 4个并行个并行I/OI/O口的结构和特点，口的结构和特点，n复位电路和时钟电路的设计复位电路和时钟电路的设计,节电工作模式。节电工作模式。目的：目的：本章本章学习学习，为，为AT89S51AT89S51系统的应用系统的应用设计设计打下基础。打下基础。在原理和结构上，单片机把微机的许多概念、技术与特点都在原理和结构上，单片机把微机的许多概念、技术与特点都继承下来。用学习微机的思路来学习单片机。继承下来。用学习微机的思路来学习单片机。内容概要内容概要562.1 AT89S512.1 AT89S51单片机的硬件组成单片机的硬件组成片内硬件组成结构如片内硬件组成结构如图图2-12-1所示。把作为控制应用所必需的基本所示。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。功能部件都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。有如下有如下功能部件功能部件和和特性特性：（1 1）8 8位微处理器（位微处理器（CPUCPU）；）；（2 2）数据存储器（）数据存储器（128B RAM128B RAM）；）；（3 3）程序存储器（）程序存储器（4KB Flash ROM4KB Flash ROM）；）；（4 4）4 4个个8 8位可编程并行位可编程并行I/OI/O口（口（P0P0口、口、P1P1口、口、P2P2口口和和P3P3口）；口）；（5 5）1 1个全双工的异步串行口；个全双工的异步串行口；（6 6）2 2个可编程的个可编程的1616位定时器位定时器/计数器；计数器；7图图2-12-1 AT89S51AT89S51单片机片内结构单片机片内结构8（7 7）1 1个看门狗定时器；个看门狗定时器；（8 8）中断系统具有）中断系统具有5 5个中断源、个中断源、5 5个中断向量；个中断向量；（9 9）特殊功能寄存器（）特殊功能寄存器（SFRSFR）2626个；个；（1010）低功耗模式有）低功耗模式有空闲模式空闲模式和和掉电模式掉电模式，且具有掉电模式，且具有掉电模式 下的中断恢复模式；下的中断恢复模式；（1111）3 3个程序加密锁定位个程序加密锁定位。与AT89C51相比，AT89S51有更突出的优点有更突出的优点：（1）增加在线可编程功能ISPISP（In System Program），字字节节和页编程页编程，现场程序调试和修改更加方便灵活；（2）数据指针数据指针增加到两个两个，方便了对片外RAM的访问过程；（3）增加增加了看门狗定时器看门狗定时器，提高了系统的抗干扰能力；（4）增加增加断电标志；（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对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器特殊功能寄存器（SFR，Special Function Register）的集中控制方式。下面介绍图2-1中片内各功能部件片内各功能部件。（1 1）CPUCPU（微处理器）（微处理器）8位的CPU，与通用CPU基本相同，同样包括了运算器运算器和控制控制器器两大部分，还有面向控制的位处理功能位处理功能。9（2 2）数据存储器（）数据存储器（RAMRAM）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 3）程序存储器（）程序存储器（Flash ROMFlash ROM）片内集成有4KB4KB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 4）中断系统）中断系统具有6个中断源，2级中断优先权。（5 5）定时器）定时器/计数器计数器2个16位定时器/计数器（52子系列有3个），4种工作方式。10（6 6）1 1个看门狗定时器个看门狗定时器WDTWDT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 7）串行口）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 8）P0P0口口、P1P1口、口、P2P2口口和和P3P3口口4个8位并行I/O口。（9 9）特殊功能寄存器（）特殊功能寄存器（SFRSFR）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控制寄存器和状态寄存器，映射在片内状态寄存器，映射在片内RAM区80H80HFFHFFH内。11AT89S51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。2.2 AT89S512.2 AT89S51的引脚功能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。目前多采用4040只只引脚引脚双列直插双列直插，如图图2-22-2所示。引脚按其功能可分为如下3类：（1 1）电源及时钟引脚）电源及时钟引脚VCC、VSS；XTAL1、XTAL2。（2 2）控制引脚）控制引脚 、ALE/、/VPP、RST（RESET）（3 3）I/OI/O口引脚口引脚P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口122.2.1 2.2.1 电源及时钟引脚电源及时钟引脚1 1电源引脚电源引脚（1 1）V VCCCC（4040脚）：脚）：+5V电源。（2 2）V VSSSS（2020脚）：脚）：数字地。13图图2-2 AT89S51双列直插封装方式的引脚2 2时钟引脚时钟引脚 （1 1）XTAL1XTAL1（1919脚）：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。外接时钟源时外接时钟源时，该脚接外部时钟振荡器的信号。（2 2）XTAL2XTAL2（1818脚）：脚）：片内振荡器反相放大器的输出端。当使用片内振荡器片内振荡器，该脚连接外部石英晶体和微调电容。当使用外部时钟源外部时钟源时，本脚悬空。2.2.2 2.2.2 控制引脚控制引脚（1 1）RST(RESETRST(RESET，9 9脚脚)复位信号输入，在引脚加上持续时间大于持续时间大于2 2个机器周期的高电个机器周期的高电平平，可使单片机复位复位。正常工作，此脚电平应 0.5V。14当看门狗定时器溢出输出时，该脚将输出长达当看门狗定时器溢出输出时，该脚将输出长达9696个时钟振荡个时钟振荡周期周期的的高电平高电平。（2 2）/VPP/VPP(Enable Address/Voltage Pulse of (Enable Address/Voltage Pulse of ProgramingPrograming，3131脚脚)：引脚引脚第一功能第一功能：外部程序存储器访问允许控制端。：外部程序存储器访问允许控制端。=1=1，在，在PCPC值不超出值不超出0FFFH0FFFH（即不超出片内（即不超出片内4KB Flash4KB Flash存存储器的地址范围）时，单片机读储器的地址范围）时，单片机读片内程序存储器片内程序存储器（4KB4KB）中的程序，但中的程序，但PCPC值超出值超出0FFFH0FFFH （即超出片内（即超出片内4KB Flash4KB Flash地地址范围）时，将址范围）时，将自动转向读取片外自动转向读取片外60KB60KB（1000H-FFFFH1000H-FFFFH）程序存储器空间中的程序。程序存储器空间中的程序。15 =0 =0，只读取只读取外部的程序存储器外部的程序存储器中的内容，读取的地址中的内容，读取的地址范围为范围为0000H0000HFFFFHFFFFH，片内的，片内的4KB Flash 4KB Flash 程序存储器不起作程序存储器不起作用。用。V VPPPP：引脚引脚第二功能第二功能，对片内，对片内FlashFlash编程，接编程，接编程电压编程电压。（3 3）ALE/ALE/（Address Latch Enable/Address Latch Enable/PROGrammingPROGramming，3030脚）脚）ALEALE为为CPUCPU访问外部程序存储器或外部数据存储器提供访问外部程序存储器或外部数据存储器提供地地址锁存信号址锁存信号，将，将低低8 8位地址位地址锁存在片外的地址锁存器中。锁存在片外的地址锁存器中。16此外，单片机此外，单片机正常运行正常运行时，时，ALEALE端端一直有正脉冲信号输出一直有正脉冲信号输出，此，此频率为时钟振荡器频率频率为时钟振荡器频率f foscosc的的1/61/6。可用作外部定时或触发。可用作外部定时或触发信号。信号。注意注意，每当，每当AT89S51AT89S51访问外部访问外部RAMRAM时（执行时（执行MOVXMOVX类指令），类指令），要要丢失一个丢失一个ALEALE脉冲脉冲。如需要，可将如需要，可将特殊功能寄存器特殊功能寄存器AUXRAUXR（地址为（地址为8EH8EH，将在后，将在后面介绍）的面介绍）的第第0 0位位（ALEALE禁止位）置禁止位）置1 1，来，来禁止禁止ALEALE操作操作，但，但执行访问外部程序存储器或外部数据存储器指令执行访问外部程序存储器或外部数据存储器指令“MOVCMOVC”或或“MOVXMOVX”时，时，ALEALE仍然有效。仍然有效。即即ALEALE禁止位不影响对外部禁止位不影响对外部存储器的访问。存储器的访问。：引脚引脚第二功能第二功能，对片内，对片内 FlashFlash编程，为编程，为编程脉编程脉冲输入冲输入 脚。脚。17（4 4）（Program Strobe Program Strobe ENableENable，2929脚）脚）片外程序存储器读选通信号，低电平有效。2.2.3 2.2.3 并行并行I/OI/O口引脚口引脚（1 1）P0P0口：口：8 8位，漏极开路的双向位，漏极开路的双向I/OI/O口口当外扩存储器及外扩存储器及I/OI/O接口芯片时接口芯片时，P0口作为低8位地址总线及数据总线的分时复用分时复用端口。P0口也可用用作通用的作通用的I/OI/O口口，需加上拉电阻，这时为准双向准双向口口。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 2）P1P1口：口：8 8位，准双向位，准双向I/OI/O口，具有内部上拉电阻。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。18P1口可驱动4 4个个LSLS型型TTLTTL负载。P1.5/MOSIP1.5/MOSI、P1.6/MISOP1.6/MISO和和P1.7/SCKP1.7/SCK可用于对片内Flash存储器串行编