第二章 AT89S51单片机的硬件结构

第二章AT89S51单片机的硬件结构2.1AT89S51单片机的硬件组成图2-1AT89S51单片机片内结构88微处理器（运算部件）控制部件看门狗定时器

数据存储器RAM(128B)P0口P2口程序存储器(4KB)P1口P3口串行口定时/计数器中断系统特殊功能寄存器（SFR）26个88ROM/EPROMVCCVSSXTAL1XTAL2PSENALEEARESET（1）CPU（微处理器）8位CPU，由运算器和控制器组成，还有面向控制的位处理功能。（2）数据存储器（RAM）

片内128B，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（FlashROM）

片内集成有4KB的Flash存储器，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，4种工作方式。（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，对片内各功能部件管理、控制和监视。是各个功能部件控制寄存器和状态寄存器，映射在片内RAM区80H～FFH内。2.2AT89S51的引脚功能电源及时钟引脚:Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。控制引脚：、

、ALE、RESET（即RST）。I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。电源引脚Vcc（40脚）：接5V电源正端 Vss（20脚）：接5V电源地端时钟引脚（1）XTAL1（19脚）（2）XTAL2（18脚）2.2.1电源及时钟引脚XTAL2XTAL1外部时钟2.2.2控制引脚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。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。（ProgramStrobeENable，29脚）

片外程序存储器读选通信号，低电平有效。读取外部ROM时,每个机器周期产生两次PSEN有效信号,执行片内ROM取指时,不产生PSEN信号

2.2.2控制引脚AT89S51锁存器74LS373P0.0-P0.7ALEPSENP2.0-P2.48D8QOEA8-A12A0-A7D0-D7GEAOECEEPROM2.2.2控制引脚/VPP(EnableAddress/VoltagePulseofPrograming，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（即不超出片内4KBFlash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4KBFlash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。 =0，只读取外部的程序存储器中的内容，读取的地址范围为0000H～FFFFH，片内的4KBFlash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。2.2.2控制引脚ALE/（AddressLatchEnable/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，当访问外部存储器时,ALE信号的负跳变将P0口上的低8位地址送入锁存器。

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。：第二功能，对片内

Flash编程，编程脉冲输入脚。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。2.2.3并行I/O口引脚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。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Flash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。2.2.3并行I/O口引脚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。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。2.2.3并行I/O口引脚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，应熟记。2.2.3并行I/O口引脚引脚第二功能P3.0RxD(ReceiveData):串行口接收数据输入端P3.1TxD(TransmitData):串行口发送数据输出端P3.2INT0*(External0Interrupt):外部中断申请输入端0P3.3INT1*(External1Interrupt):外部中断申请输入端1P3.4T0(clocksourcefortimer0):外部计数脉冲输入端0P3.5T1(clocksourcefortimer0):外部计数脉冲输入端1P3.6WR*(Write):写外设控制信号输出端P3.7RD*(Read):读外设控制信号输出端一个8位的CPU包括运算器、控制器及若干寄存器组成2.3AT89S51的CPU1、算术逻辑运算单元ALU算数和逻辑运算，可对8位变量进行操作加、减、乘、除、加1、减1、比较等算术运算与、或、异或、求补、循环等逻辑运算位处理器2、累加器AALU单元输入数据源之一，又是ALU运算结果存放单元。数据传送大多都通过累加器A，相当于数据中转站。为解决“瓶颈堵塞”问题，AT89S51增加了一部分可以不经过累加器的传送指令。2.3.1运算器3、PSW位于片内特殊功能寄存器区，字节地址为D0H2.3.1运算器D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCYACF0RS1RS0OV

P结构和定义如下：1、CY：进位标志。表示Acc.7有否向更高位进位。例：78H+97H（01111000+10010111）2、AC：辅助进位标志、半进位标志。表示Acc.3有否向Acc.4进位例：57H+3AH（01010111+00111010）3、F0：用户标志位，由编程人员编程决定。4、RS1、RS0：工作寄存器组选择位。RS1、RS0=00——0区（00H～07H）RS1、RS0=01——1区（08H～0FH）RS1、RS0=10——2区（10H～17H）RS1、RS0=11——3区（18H～1FH）5、0V：溢出标志位。表示Acc在有符号数算术运算中产生溢出。6、P：奇偶校验位：表示ALU运算结果中“1”的个数的奇偶性。若为

奇数，则P=1，若为偶数，则P=0。通信中有重要的意义。例：运算结果是78H（01111000），显然1个数为偶数，所以P=02.3.1运算器任务：

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：

程序计数器、指令寄存器、指令译码器、定时及控制逻辑电路等。功能是控制指令的读入、译码和执行，从而对各功能部件进行定时和逻辑控制。2.3.2控制器程序计数器PC独立的16位计数器，不可访问。单片机复位时，PC中内容为0000H。PC工作过程是：CPU读指令时，PC的内容作为所取指令的地址，程序存储器按此地址输出指令字节，同时PC自动加1。PC中内容变化轨迹决定程序流程。当顺序执行程序时自动加1；执行转移程序或子程序、中断子程序调用时，自动将其内容更改成所要转移的目的地址。PC的计数宽度决定了程序存储器的地址范围。PC为16位，故可对64KB（=216B）寻址。2.3.2控制器存储器的结构特点之一是将程序存储器和数据存储器分开（哈佛结构），并有各自的访问指令。１.程序存储器空间２.数据存储器空间３.特殊功能寄存器SFR（SpecialFunctionRegister）４.位地址空间2.4AT89S51存储器的结构2.4.1程序存储器①程序计数器PCPC没有地址，用户不可访问，但可以通过指令改变其内容，实现程序的转移。②/EA引脚电平③程序运行的入口地址操作入口地址复位0000H外部中断/INT00003H定时/计数器0中断000BH外部中断/INT10013H定时/计数器1中断001BH串口中断0023H2.4.2数据存储器空间128B特殊功能寄存器区数据缓冲区位寻址区(128位)工作寄存器区FFH80H7FH30H2FH20H1FH00H128B80B16B32B片内RAM的结构0000HFFFFH64KB片外可扩展RAM区域2.4.2数据存储器空间D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCYACF0RS1RS0OV

P00H～1FH

的32个单元是4组通用工作寄存器区，每区包含8B，为R7～R0。通过指令改变RS1、RS0两位来选择FFH80H7FH30H2FH20H1FH00H特殊功能寄存器区数据缓冲区位寻址区(128位)工作寄存器区01234567012345670123456701234567012345670123456701234567012345670号寄存器组1号寄存器组2号寄存器组3号寄存器组1FH18H17H10H0FH08H07H00H07H06H05H04H03H02H01H00HR7R6R5R4R3R2R1R020H～2FH的16个单元的128位可位寻址，也可字节寻址。2.4.2数据存储器空间特殊功能寄存器区数据缓冲区位寻址区(128位)工作寄存器区FFH80H7FH30H2FH20H1FH00H单元地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D02FH7F7E7D7C7B7A79782EH77767574737271702DH6F6E6D6C6B6A69682CH67666564636261602BH5F5E5D5C5B5A59582AH575655545352515029H4F4E4D4C4B4A494828H474645444342414027H3F3E3D3C3B3A393826H373635343332313025H2F2E2D2C2B2A292824H272625242322212023H1F1E1D1C1B1A191822H171615141312111021H0F0E0D0C0B0A090820H07060504030201001.作用：专用于控制、选择、管理、存放单片机内部各部分的工作方式、条件、状态、结果的寄存器.2.不同的SFR管理不同的硬件模块,负责不同的功能——各司其职,换言之:要让单片机实现预订的功能,必须有相应的硬件和软件,而软件中最重要的一项工作就是对SFR写命令(要求).2.4.3特殊功能寄存器特殊功能寄存器区数据缓冲区位寻址区(128位)工作寄存器区FFH80H7FH30H2FH20H1FH00H2.4.3特殊功能寄存器2.4.3特殊功能寄存器AT89S51有26个SFR1-4. P0:P0口锁存器(Latch)80h P1:P1口锁存器90h P2:P2口锁存器0A0h P3:P3口锁存器0B0h5.堆栈指针寄存器SP(StackPointer)81h

总是指向栈顶,压栈时:先(SP)+1,后数据进栈;

出栈时:数据先出栈,然后(SP)-1.2.4.3特殊功能寄存器在片内RAM中,常常要指定一个专门的区域来存放某些特别的数据,它遵循先进后出or后进先出(LIFO/FILO)-LastInFirstOut的,顺序存储原则,这个RAM区叫堆栈1.功用:1)在调用子程序和中断服务程序时CPU自动将当前PC

值压栈保存,返回时自动将PC值弹栈.2)保护现场/恢复现场(PUSH/POP)3)数据传输堆栈堆栈

由于进栈时SP的值增加，即堆栈向地址大的方向生长，并且栈顶是有效数据，这种堆栈是满递增型堆栈。

7B出栈后的状态A6、58、36出栈后的状态E7E7E6E6SPE5SPE5E37BE4E07BE4A6E3A6E358E258E236E136E121E021E07BA658366.累加器ACC(Accumulator)

0E0H

一个被众多指令用得最频繁的特殊功能寄存器(如:运算、数据传输…).7.寄存器B

0F0H一个经常与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,它也经常当作普通寄存器使用.

8.程序状态字寄存器PSW(ProgramStatusWord):CyACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.02.4.3特殊功能寄存器9-10.DPTR(DataPointer)

数据指针寄存器82H,83H

单片机内部唯一的一个可以供用户使用的16位寄存器(比较:PC16位不可寻址)，用来存放16位地址值，以便用间接寻址或变址寻址片外存储器。MOVDPTR,#4000H DPTR可分成DPL(LOW)和DPH(HIGH)两个8位寄存器分别使用。11.IP(InterruptPriorities)——中断优先级控制寄存器12.IE(InterruptEnable)——中断允许控制寄存器2.4.3特殊功能寄存器13.TMOD(TimerModeRegister)——定时器/计数器方式控制寄存器14.TCON(TimerControlRegister)——定时器/计数器控制寄存器.15-16. TH0,TL0(Timer0Low/High)——定时器/计数器017-18. TH1,TL1(Timer1Low/High)——定时器/计数器119.SCON(SerialControlRegister)——串行端口控制寄存器20.SBUF(SerialBufferRegister)——串行数据缓冲器21.PCON(PowerControlRegister)——电源控制寄存器2.4.3特殊功能寄存器PC与SFR(SpecialFunctionRegister)特殊功能寄存器寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HA00HT2CON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07H(特殊,记忆)TH100HDPTR0000HTL100HP0~P3FFH(特殊,记忆)SCON00HIPXX000000BSBUFXXHIE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00H2.4.3特殊功能寄存器2.4.4位地址空间内部RAM的可寻址位128个(字节地址20H～2FH)2.4.4位地址空间特殊功能寄存器SFR为83个可寻址位AT89S51存储器空间2.5AT89S51的并行I/O口

4个双向的8位并行I/O端口(Port)，记作P0～P3属于特殊功能寄存器，端口的每一位均由输出锁存器、输出驱动器和输入缓冲器组成。2.5.1P0口P0口：8位，漏极开路的双向I/O口

地址低8位，数据位，输入输出口2.5.2P1口P1口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。

输入输出口2.5.3P2口P2口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。

地址的高8位，输入输出口2.5.4P3口P3口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。

输入输出口，第二功能2.6时钟电路与时序1、内部方式

（常用）2、外部方式（多用于多机同步）2.6.2电源及时钟引脚CPU总是按照一定的