AT89S51单片机.docx

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AT89S51单片机

AT89S51

AT89S51单片机的硬件组成

单片机内硬件组成结构如图2-1所示。

XTAL1

数据存储器

RAM

程序存储器4KBFlashROM

（运算器）

（控制器）

看门狗定时器

定时器/计数器

中断

1俺2个

系统

待殊功能

寄存器

（SFR）

・」

PSENRESET

有如下功能部件和特性：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

（7）

（8）

（9）

AT89S51

图AT89S51单片机片内结构8位微处理器（CPU）数据存储器（128BRAM）；

程序存储器（4KBFlashROM）；

4个8位可P1□>P2口和P3口）；编程并行

I/O口（P0口、

1个全双工的异步串行口；2个可编程的16位定时器/计数器；

1个看门狗定时器；

中断系统具有5个中断源、5个中断向量；

（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A画踊鉅住厢b讎，府80躅却貓奧突起白勺韦磺页编程，现场程序调试和修改更加方便灵活；

（1）数据指针增加到两方便了对片外RAM的访问过程；

（2）个，提高了系统的抗干扰能力；

（3）增加了看门狗定时

（4）增加掉电状态下的中断恢复模式。

特殊功能寄存器（SFR26个；

单片机内各功能部件通过片内单一总线连接而成（见图机结2-1），基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统微构。

CPU对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（SFRSpecialFunctionRegister）的集中控制方式。

单片机内部件功能

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。

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（FlashROM）

片内集成有4KB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64KBo

4）中断系统具有5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。

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）P0口、P1口、P2口和P3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。

是各个功能部件的控制寄存器和状态寄存器，映射在片内RAM

区80H〜FFH内。

AT89S51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。

AT89S51的引脚功能

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）电源及时钟弓I脚一VCGVSSXTAL1、XTAL2

2）控制弓［脚一pSEN、ALE/PROG、EVPP>RST（RESET

3）I/O口引脚一一P0、P1、P2、P3,为4个8位I/O口

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。

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。

3・控制引脚

1）RST（RESET9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v0.5Vo

当看门狗定时器溢出输岀时，该脚将输出长达96个时钟振荡周期的高电平。

2）EAVPP（EnableAddress/VoltagePulseofPrograming,31脚）

EA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值超岀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4KBFIash程序存储器

不起作用。

VPP:

弓I脚第二功能，对片内Flash编程，接编程电压。

3）ALE/PROG（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，将低8位地址锁存在片外的地址锁存

器中。

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1/6o

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八指令），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

4）PSEN（ProgramStrobeENable29脚）片外程序存储器读选通信号，低电平有效。

并行I/O口引脚

1）P0口：

8漏极开路的双向I/O口

当外扩存储器及I/O接口芯片时，P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。

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。

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。

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。

表P3口的第二功能定义

PSWcyAcFORSIRSOOV-PDOH

图2-3PSW的格式

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，Cy=7；否则，Cy=0。

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，用作十进位调整。

即当D3位向D4位产生进位或借位时，Ac=1;否则，Ac二0。

3）FO（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。

4）RS1、RSO（PSW.4PSW.34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=Q

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。

的个数为奇数。

P=1,表示A中“1

二、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。

程序计数器PC是一个独立的16位计数器，不可访问。

单片机复位时，PC中内容为0000H,从程序存储

器0000H单元取指令，开始执行程序。

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。

基本工作方式：

1）程序计数器自动加1

2）执行有条件或无条件转移指令时，程序计数器将被置入新的数值，从而使程序的流向发生变化。

3）执行子程序调用或中断调用时完成下列操作：

1PC的当前值保护

2将子程序入口地址或中断向量的地址送入PC

PC变化的轨迹决定程序的流程。

AT89S51存储器的结构

存储器的结构特点之一是将程序存储器和数据存储器分幵（哈佛结构），并有各自的访问指令。

存储器空间可分为4类。

1•程序存储器空间

片内和片外两部分。

片内4KBFlash，编程和擦除完全是电气实现。

可用通用编程器对其编程，也可在线编程。

当片内4KBFlash存储器不够用时，可片外扩展，最多可扩展至64KB程序存储器。

2.数据存储器空间片内与片外两部分。

片内有128BRAM（52子系列为256B）。

片内RAM不够用时，在片外可扩展至64KBRAM。

3.特殊功能寄存器SFR（SpecialFunctionRegister）

片内各功能部件的控制寄存器及状态寄存器。

SFR综合反映了整个单片机基本系统内部实际的工作状态及工

作方式。

4•位地址空间

共有211个可寻址位，构成了位地址空间。

它们位于内部RAM（共128位）和特殊功能寄存器区（共83位）中O

程序存储器空间

存放程序和表格之类的固定常数。

片内为4KB的Flash，地址为0000H〜0FFFH16位地址线，可外扩的

程序存储器空间最大为64KB地址为0000H〜FFFFH使用时应注意以下问题：

1）分为片内和片外两部分，访问片内的还是片外的程序存储器，由引脚电平确定。

=1时'CPU从片内0000H开始取指令，当PC值没有超出0FFFH时，只访问片内Flash存储器，当PC值超出0FFFH自动转向读片外程序存储器空间1000H-FFFFH内的程序。

=0时，只能执行片外程序存储器（0000H〜FFFFH中的程序。

不理会片内4KBFlash存储器。

2）程序存储器某些固定单元用于各中断源中断服务程序入口。

64KB程序存储器空间中有5个特殊单元分别对应于5个中断源的中断入口地址，见表2-3。

通常这5个中断入口地址处都放一条跳转指令跳向对应的中断服务子程序，而不是直接存放中断服务子程序。

表2-3五个中断源的中断入口地址

中断源

入口地址

外部中断0

0003H

定时器TO

000BH

外部中断1

0013H

定时器T1

001BH

串行口

0023H

■

□JT血弓址匡

Jrr

第3头工作审帘磅氏

1OKI

弟N決丄作晋住硝尺

OKU.

站1红工作舌齐钳X

tOOH

第o纯丄作击件显尺

数据存储器空间片内与片外两部分。

1.片内数据存储器

片内数据存储器（RAM共128个单元，字节地址为00H〜7FH。

图2-4为片内数据存储器的结构。

00H〜仆H的32个单元是4组通用工作寄存器区，每区包含8B,为R7〜R0。

可通过指令改变RS1、RSO两

位来选择。

20H〜2FH的16个单元的128位可位寻址，也可字节寻址。

30H〜7FH的单元只能字节寻址，用作存数据以及作为堆栈区。

2.片外数据存储器

当片内128B的RAM不够用时，需外扩，最多可外扩64KB的RAM注意，片内RAM与片外RAM两个空间是相互独立的，片内RAM与片外RAM的低128B的地址是相同的，但由于使用的是不同的访问指令，所以不会发生冲突。

特殊功能寄存器（SFR

采用特殊功能寄存器集中控制各功能部件。

特殊功能寄存器映射在片内RAM的80H〜FFH区域中，共26个。

表2-4SFR的名称及其分布。

有些还可位寻址，位地址见表2-4。

与AT89C51相比，新增5个SFRDP1LDP1HAUXRAUXR1和WDTRST已在表2-4中标出。

凡是可位寻址的SFR字节地址末位只能是0H或8H。

另外，若读/写未定义单元，将得到一个不确定的随机数。

下面介绍某些SFR余下的SFR将在后面介绍。

表2-4SFK的名称及其分布,

序号

特殊功能寄存器符号

名称

字节地

址

位地址

复位值

尹。

口

S0H

旷日〜EDE

FFH

堆校扌旨针

S1H

07H

DP0L

数据指针DPIXM氐字节

82H

—

00H

DP0H

数据指针DPIK0咼字节

S3H

—

00H

DPIL

数据扌旨针DFTR1低字节

S4H

00H

DP1H

数据指针DPTK1咼字节

85H

—

OOH

PCON

电源控制寄存器

S7H

OXXXOOOOB

TCON

定时器数器控制寄存器

8SH

SFH—S8H

QQH

IAIOD

定时器计数器行式控制

S9H

—•

00H

I10

TL0

定时器计数器0（低宇节）

EAH

—

00H

TL1

走时器计数器1f低字节）

SBH

•■一■•

COH

TH0

定时器计数器0（咼了节）

801

OOH

A<2-4

TH1

定时器计数器1（咼字节）

8DH

—

OOH

AUXR

辅助寄存器

SEH

—

XXXQOXXOB

P1口寄再器

90H

97HA90H

FFH

SCON

串行控制寄存器

9SH

OOH

SBUF

串行发送数据缓沖器

99H

—

XXXXXXxxs

F2口寄存器

A0H

A7H—AOH

FFH

ALJXRl

辅助寄存器.

A2H

■

XXXXXXX03

WDTKST

看门狗复位寄存器

A6H

—

XXXXXXXXB

中断允许控制寄存器

ASH

AFHAASH

oxXOOOOOB

pm口寄存器

BOH

B7H—BOH

FFH

中断洸先级控制寄存器

B8H

BFHABSH

XXOQOOOOB

PSW

程序状态字寄存器

DOH

D7H〜DOH

OOH

A（或A©

EOH

LJH〜EQH

OOH

£寄存器

FOH

F7HAFOH

OOH

1.堆栈指针SP

指示堆栈顶部在内部RAM块中的位置。

堆栈结构一向上生长型。

单片机复位后，SP为07H使得堆栈实际上从08H单元开始，由于08H〜1FH单元分别是属于1〜3组的工作寄存器区，最好在复位后把SP值改置为60H或更大的值，避免堆栈与工作寄存

器冲突。

堆栈是为子程序调用和中断操作而设，主要用来保护断点和现场。

1）保护断点。

无论是子程序调用操作还是中断服务子程序调用，最终都要返回主程序。

应预先把主程序的断点在堆栈中保护起来，为程序正确返回做准备。

2）现场保护。

执行子程序或中断服务子程序时，要用到一些寄存器单元，会破坏原有内容。

要把有矢寄存

器单元的内容保存起来，送入堆栈，这就是所谓的“现场保护”。

两种操作：

数据压入（PUSH堆栈，数据弹出（POP堆栈。

数据压入堆栈，SP自动加1;数据弹出堆栈，

SP自动减1。

2.寄存器B

为执行乘法和除法而设。

在不执行乘、除法操作的情况下，可把它当作一个普通寄存器来使用。

乘法，两乘数分别在A、B中，执行乘法指令后，乘积在BA中

除法'被除数取自A,除数取自B,商存放在A中，余数存B中。

3.AUXR寄存器

AUXR是辅助寄存器，其格式如图2・5所示：

D7D6D5D4D3D2D[

AUXR“一WDIDLEDISRTO—DTSALE8EH

图2-5AUX寄存器的格式

其中：

DISALEALE的禁止/允许位。

0：

ALE有效，发出脉冲；

ALE仅在执行MOV和MOVX八指令时有效，不访问外部存储器时，ALE不输出脉冲信号。

DISRTO禁止/允许WDT溢出时的复位输出。

0：

WDT溢出时，在RST引脚输出一个高电平脉冲；

1：

RST引脚仅为输入脚。

WDIDLEWDT在空闲模式下的禁止/允许位。

0：

WDT在空闲模式下继续计数；

1：

WDT在空闲模式下暂停计数。

4.数据指针DPTRC和DPTR1

双数据指针寄存器，便于访问数据存储器。

DPTROAT89C51单片机原有的数据指针;

DPTR1新增加的数据指针。

AUXR1的DPS位用于选择两个数据指针。

当DPS=O时，选用DPTRO当DPS=1时，选用DPTR1

数据指针可作为一个16位寄存器来用，也可作为两个独立的8位寄存器DPOH（或DP1H和DPOL（或DP1L）来用。

5.AUXR1寄存器

AUXR1是辅助寄存器，格式如图所示：

DPS数据指针寄存器选择位。

0：

选择数据指针寄存器DPTRO

选择数据指针寄存器DPTR1

AUXR1

DPS

A2H

6•看门狗定时器WDT

WDT包含一个14位计数器和看门狗定时器复位寄存器一一（WDTRS）

当CPU由于干扰，程序陷入死循环或跑飞状态时，WDT提供了一种使程序恢复正常运行的有效手段。

有矢WDT在抗干扰设计中的应用以及低功耗模式下运行的状态，将在相应的章节中具体介绍。

上面介绍的特殊功能寄存器，除了前两个SP和B以外，其余的均为AT89S51在AT89C51基础上新增加的SFF。

位地址空间

211个寻址位的位地址，位地址范围为00H〜FFH淇中00H〜7FH这128位处于片内RAM字节地址20H〜

2FH单元中，如表2-5所示。

其余的83个可寻址位分布在特殊功能寄存器SFR中，见表2-6。

可被位寻址的特殊寄存器有11个，共有位地址88个，5个位未用，其余83个位的位地址离散地分布于片内数据存储器区字节地址为80H〜FFH的范围内，其最低的位地址等于其字节地址，且其字节地址的末位都为0H或8Ho

表一5AI89S51片内的可寻址位及其位地址

位地址

字节地址

2FH

7FH

7EH

7DH

7CH

7BH

7AH

79H

78H

2EH

77H

76H

75H

74H

73H

72H

71H

70H

2DH

6FH

6EH

6DH

6CH

6BH

6AH

69H

6SH

2CH

67H

66H

65H

64H

63H

62H

61H

60H

2BH

5FH

5EH

5DH

5CH

5BH

5AH

59H

58H

2AH

57H

56H

55H

54H

53H

52H

51H

50H

29H

4FH

4EH

4DH

4CH

4BH

4AH

斗9H

4SH

28H

47H

46H

45H

44H

43H

42H

41H

40H

27H

3FH

3EH

3DH

3CH

3BH

3AH

39H

38H

26H

37H

36H

35H

34H

33H

32H

31H

30H

25H

2FH

2EH

2DH

2CH

2BH

2AH

29H

28H

24H

27H

26H

25H

24H

23H

22H

21HI

20H

23H

1FH

1EH

1DH

1CH

1BH

1AH

19H

1SH

特殊功能位地址

寄存器

地址

F7H

F6H

F5H

F4H

F3H

F2H

F1H

FOH

Acc

E7H

E6H

E5H

E4H

E3H

E2H

E1H

EOH

PSW

D7H

D6H

D5H

D4H

D3H

D2H

D1H

DOH

■

BCH

BBH

BAH

B9H

B8H

B7H

B6H

B5H

B4H

B3H

B2H

B1H

BOH

AFH

•

ACH

ABH

AAH

A9H

A8H

A7H

A6H

A5H

A4H

A3H

A2H

A1H

AOH

SCON

9FH

9EH

9DH

9CH

9BH

9AH

99H

98H

97H

96H

95H

94H

93H

92H

91H

90H

TCON

8FH

8EH

8DH

8CH

8BH

8AH

89H

88H

87H

86H

85H

84H

83H

82H

81H

80H

作为对AT89S51存储器结构的总结，图2・7为各类存储器的结构图。

从图中可清楚看出各类存储器在存储器空间的位置。

FFFFH

外部

FFH

80H

SFR

FFFFH

1000H

ROM

7FH

30H

RAM

外部

2FH

20H

位寻址区

RAM

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