單片機原理與應用

第2章：AT89S51單片機的硬件結構單片機湖北經濟學院電子工程系（綜合張毅剛、李全利教材資料制作）本章主要內容

2.1AT89S51單片機的硬件組成

2.2AT89S51的引腳功能

2.3AT89S51的CPU2.4AT89S51存儲器的結構

2.5AT89S51的并行I/O端口

2.6時鐘電路與時序

2.7復位操作和復位電路

2.8低功耗節電模式2.1AT89S51單片機的硬件組成2.1.1AT89S51單片機片內結構2.1.2AT89S51單片機功能部件和特性（1）8位微處理器（CPU）；（2）數據存儲器（128BRAM）；（3）程序存儲器（4KBFlashROM）；（4）4個8位可編程并行I/O口（P0口、P1口、P2口和P3口）；（5）1個全雙工的異步串行口；（6）2個可編程的16位定時器/計數器；（7）1個看門狗定時器；（8）中斷系統具有5個中斷源、5個中斷向量；（9）特殊功能寄存器（SFR）26個；（10）低功耗模式有空閑模式和掉電模式，且具有掉電模式下的中斷恢復模式；（11）程序存儲器具有三級加密保護（片內的Flash存儲器有3個可編程的加密位，定義了3個加密級別）。AT89S51的優點

（1）增加在線可編程功能ISP（InSystemProgram），字節和頁編程，現場程序調試和修改更加方便靈活；（2）數據指針增加到兩個，方便了對片外RAM的訪問過程；（3）增加了看門狗定時器，提高了系統的抗干擾能力；（4）增加斷電標志；（5）增加掉電狀態下的中斷恢復模式。2023/2/56MCS-51單片機內部結構圖2023/2/572.2AT89S51的引腳功能引腳說明時鐘引腳

（1）XTAL1（19腳）：片內振蕩器反相放大器和時鐘發生器電路輸入端。用片內振蕩器時，該腳接外部石英晶體和微調電容。外接時鐘源時，該腳接外部時鐘振蕩器的信號。（2）XTAL2（18腳）：片內振蕩器反相放大器的輸出端。當使用片內振蕩器，該腳連接外部石英晶體和微調電容。當使用外部時鐘源時，本腳懸空。控制引腳（1）RST(RESET，9腳)復位信號輸入，在引腳加上持續時間大于2個機器周期的高電平，可使單片機復位。正常工作，此腳電平應≤0.5V。當看門狗定時器溢出輸出時，該腳將輸出長達96個時鐘振蕩周期的高電平。引腳說明（2）/VPP(EnableAddress/VoltagePulseofPrograming，31腳)

：引腳第一功能：外部程序存儲器訪問允許控制端。

=1，在PC值不超出0FFFH（即不超出片內4KBFlash存儲器的地址范圍）時，單片機讀片內程序存儲器（4KB）中的程序，但PC值超出0FFFH

（即超出片內4KBFlash地址范圍）時，將自動轉向讀取片外60KB（1000H-FFFFH）程序存儲器空間中的程序。

=0，只讀取外部的程序存儲器中的內容，讀取的地址范圍為0000H～FFFFH，片內的4KBFlash程序存儲器不起作用。

VPP：引腳第二功能，對片內Flash編程，接編程電壓。引腳說明

（3）ALE/（AddressLatchEnable/PROGramming，30腳）ALE為CPU訪問外部程序存儲器或外部數據存儲器提供地址鎖存信號，將低8位地址鎖存在片外的地址鎖存器中。單片機正常運行時，ALE端一直有正脈沖信號輸出，此頻率為時鐘振蕩器頻率fosc的1/6。可用作外部定時或觸發信號。

：引腳第二功能，對片內Flash編程，為編程脈沖輸入腳。2.3AT89S51的CPU

2.3.1運算器對操作數進行算術、邏輯和位操作運算。主要包括算術邏輯運算單元ALU、累加器A、位處理器、程序狀態字寄存器PSW及兩個暫存器等。1．算術邏輯運算單元ALU可對8位變量邏輯運算（與、或、異或、循環、求補和清零），還可算術運算（加、減、乘、除）ALU還有位操作功能，對位變量進行位處理，如置“1”、清“0”、求補、測試轉移及邏輯“與”、“或”等。2.累加器累加器是一個最常用的專用寄存器，其自身帶有全零標志Z，若A=0則Z=1；若A≠0則Z＝0。用途：該標志常用作程序分支的判斷條件。3.程序狀態字寄存器（1）PSW：程序狀態字寄存器。定義格式如右上邊。其中，CY：進借位標志；AC：輔助進借位標志；F0：用戶標志；RS1、RS0：工作寄存器組選擇位。D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OVXPRS1RS0選擇工作寄存器組000組（00H～07H）011組（08H～0FH）102組（10H～17H）113組（18H～1FH）表：工作寄存器組選擇控制表（2）堆棧指針SP

指示堆棧頂部在內部RAM塊中的位置。堆棧結構--向上生長型。單片機復位后，SP為07H，使得堆棧實際上從08H單元開始。堆棧主要是為子程序調用和中斷操作而設。用于保護斷點和現場。兩種操作：數據壓入（PUSH）堆棧，數據彈出（POP）堆棧。數據壓入堆棧，SP自動加1；數據彈出堆棧，SP自動減1。

（3）寄存器B為執行乘法和除法而設。在不執行乘、除法操作的情況下，可把它當作一個普通寄存器來使用。乘法：兩乘數分別在A、B中，執行乘法指令后，乘積在BA中除法：被除數取自A，除數取自B，商存放在A中，余數存B中。2.3.2控制器任務：識別指令，并根據指令的性質控制單片機各功能部件，從而保證單片機各部分能自動協調地工作。控制器包括：程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、定時及控制邏輯電路等。功能：控制指令的讀入、譯碼和執行，從而對各功能部件進行定時和邏輯控制。程序計數器PC：是一個獨立的16位計數器，不可訪問。單片機復位時，PC中內容為0000H，從程序存儲器0000H單元取指令，開始執行程序。PC工作過程是：CPU讀指令時，PC的內容作為所取指令的地址，程序存儲器按此地址輸出指令字節，同時PC自動加1。2.4AT89S51存儲器的結構存儲器的結構特點之一：將程序存儲器和數據存儲器分開（哈佛結構），并有各自的訪問指令。存儲器空間可分為：4類。程序存儲器數據存儲器特殊功能寄存器位地址空間dz片外ROMEA=0片外ROMEA=0片內ROMEA=1片外ROM0000HFFFFH0000H0FFFH1000HFFFFH片外ROMEA=0片內ROMEA=1片外ROM0000H1FFFH2000HFFFFH（a）片內無ROM（b）片內有4KROM（c）片內有8KROM1.程序存儲器中斷源入口地址外部中斷00003H定時/計數器0000BH外部中斷10013H定時/計數器1001BH串行口0023H定時/計數器2（僅52子系列有）002BH程序存儲器的0000H單元地址是系統程序的啟動地址。

6個中斷源的地址之間僅隔8個單元，存放中斷服務程序往往不夠用，這是通常放一條絕對轉移指令，轉到真正的中斷服務程序，真正的中斷服務程序放到后面。程序存儲器的7個特殊地址2023/2/5222.特殊功能寄存器、數據存儲器及位尋址區數據存儲器的說明數據存儲器RAM主要用來存放運算的中間結果和數據等。其存儲空間分布如下：片外RAM最多可擴至64KB存儲單元，地址范圍為0000H～FFFFH。片內RAM為256B存儲單元，地址范圍為00H～FFH。片內RAM地址空間共有256B，又分為兩個部分：低128B(00H～7FH)為真正的RAM區。高128B(80H～FFH)為特殊功能寄存器(SFR)區。問題：在52子系列中，高128字節RAM和SFR的地址是重疊的，如何區分呢？究竟訪問哪一塊可通過不同的尋址方式加以區分：訪問高128字節RAM采用寄存器間址訪問SFR則只能采用直接尋址訪問低128字節RAM時，兩種尋址均可采用。問題討論1.工作寄存器組區00H—1FH單元為工作寄存器組區：共32個字節。工作寄存器也稱為通用寄存器，用于臨時寄存8位信息。工作寄存器共有4組，稱為0組、1組、2組和3組，每組8個，分別依次用R0~R7表示進一步說明

20H—2FH為位尋址區，共16字節，128位。位地址范圍為00H—7FH。

字節單元地址D7D6D5D4D3D2D1D020H070605040302010021H0F0E0D0C0B0A090822H171615141312111023H1F1E1D1C1B1A191824H272625242322212025H2F2E2D2C2B2A292826H373635343332313027H3F3E3D3C3B3A393828H474645444342414029H4F4E4D4C4B4A49482AH57565554535251502BH5F5E5D5C5B5A59582CH67666564636261602DH6F6E6D6C6B6A69682EH77767574737271702FH7F7E7D7C7B7A79782.位尋址區30H—7FH是一般RAM區，也稱為用戶RAM區，共80字節。對于52子系列，一般RAM區從30H—FFH單元。另外，對于前兩區中未用的單元也可作為用戶RAM單元使用。3.一般RAM區堆棧：是按先入后出、后入先出的原則進行管理的一段存儲區域。使注意事項：堆棧是用片內數據存儲器的一段區域，在具體使用時應避開工作寄存器、位尋址區，一般設在2FH以后的單元，如工作寄存器和位尋址區未用，也可開辟為堆棧。入棧時，SP指針的內容先自動加1，然后再把數據存入到SP指針指向的單元；出棧時，先把SP指針指向的單元的數據取出，然后再把SP指針的內容自動減1。復位時，SP的初值為07H，因此堆棧實際上從08H開始存放數據。4.堆棧區與堆棧指針概念：特殊功能寄存器（SFR）也稱專用寄存器，專門用于控制、管理片內算術邏輯部件、并行I/O口、串行口、定時/計數器、中斷系統等功能模塊的工作，用戶在編程時可以給其設定值，但不能移作它用。地址：分布在80H—FFH地址空間，與片內數據存儲器統一編址。5.特殊功能寄存器特殊功能寄存器（SFR）共26個：表2-4SFR的名稱及其分布。位尋址：有些還可位尋址，位地址見表2-4。與AT89C51相比：新增5個SFR：DP1L、DP1H、AUXR、AUXR1和WDTRST。凡是可位尋址的SFR，字節地址末位只能是0H或8H。3031新增寄存器的說明1．AUXR寄存器

AUXR是輔助寄存器，其格式如圖2-5所示：

DISALE：ALE的禁止/允許位。

0：ALE有效，發出脈沖；1：ALE僅在執行MOVC和MOVX類指令時有效。

DISRTO：禁止/允許WDT溢出時的復位輸出。

0：WDT溢出時，在RST引腳輸出一個高電平脈沖；

1：RST引腳僅為輸入腳。

WDIDLE：WDT在空閑模式下的禁止/允許位。

0：

WDT在空閑模式下繼續計數；

1：

WDT在空閑模式下暫停計數。新增寄存器的說明2．數據指針DPTR0和DPTR1雙數據指針寄存器，便于訪問數據存儲器。DPTR0：AT89C51單片機原有的數據指針；DPTR1：新增加的數據指針。AUXR1的DPS位用于選擇兩個數據指針。當DPS=0時，選用DPTR0；當DPS=1時，選用DPTR1。數據指針可作為一個16位寄存器來用，也可作為兩個獨立的8位寄存器DP0H（或DP1H）和DP0L（或DP1L）來用。35新增寄存器的說明3.AUXR1寄存器AUXR1是輔助寄存器，格式如圖2-6所示：

DPS：數據指針寄存器選擇位。

0：選擇數據指針寄存器DPTR0；

1：選擇數據指針寄存器DPTR1。圖2-6

AUXR1寄存器的格式新增寄存器的說明4.看門狗定時器WDTWDT包含一個14位計數器和看門狗定時器復位寄存器——

（WDTRST）。當CPU由于干擾，程序陷入死循環或跑飛狀態時，WDT提供了一種使程序恢復正常運行的有效手段。36數據存儲器數據讀寫應用實例

【程序1】工作寄存器的讀寫地址機器碼程序注釋檢查結果ORG0000H；程序從ROM區0000H處開始存放0000H7811MOVR0,#11H；將立即數11H送入寄存器R0中(H)=11H0002H7922MOVR1,#22H；將立即數22H送入寄存器R1中(H)=22H0004H7A33MOVR2,#33H；將立即數33H送入寄存器R2中(H)=33H0006H7B44MOVR3,#44H；將立即數44H送入寄存器R3中(H)=44H0008H75D010MOVPSW,#10H；使當前工作寄存器組為第2組(H)=10H000BH7855MOVR0,#55H；將立即數55H送入寄存器R0中(H)=55H000DH7966MOVR1,#66H；將立即數66H送入寄存器R1中(H)=66H000FH7A77MOVR2,#77H；將立即數77H送入寄存器R2中(H)=77H0011H7B88MOVR3,#88H；將立即數88H送入寄存器R3中(H)=88HEND；程序結束

【程序2】位尋址區的讀寫

地址機器碼程序注釋檢查結果ORG0100H；程序從ROM區0100H處開始存放0100HD200SETB00H；將位地址為00H的位置1(H)=10102HD201SETB01H；將位地址為01H的位置1(H)=10104HD202SETB02H；將位地址為02H的位置1(H)=10106HD203SETB03H；將位地址為03H的位置1(H)=10108HC204CLR04H；將位地址為04H的位清0(H)=0010AHC205CLR05H；將位地址為05H的位清0(H)=0010CHC206CLR06H；將位地址為06H的位清0(H)=0010EHC207CLR07H；將位地址為07H的位清0(H)=0(20H)=0110HC290CLR90H；將P1.0位清0(H)=00112HD290SETB90H；將P1.0位置1(H)=10114HC291CLR91H；將P1.1位清0(H)=00116HD291SETB91H；將P1.1位置1(H)=1END；程序結束【程序3】一般RAM區和特殊功能寄存器區的讀和寫

地址機器碼程序注釋檢查結果ORG0200H；程序從ROM區0200H存放0200H753099MOV30H,#99H；將立即數99H送到30H單元中(30H)=(PC)=0203H7545AAMOV45H,#0AAH；將立即數AAH送到45H單元中(45H)=(PC)=0206H758150MOVSP,#50H；將立即數50H送到堆棧指針SP中(H)=50H(PC)=0209H7460MOVA,#60H；將立即數60H送到累加器A中(H)=60H(PC)=020BH759055MOVP1,#55H；將立即數55H送到P1口中(H)=55H(PC)=020EH75D090MOVPSW,#90H；將立即數90H送到PSW中，使當前工作寄存器組為第2組且將CY位置1(H)=90H(PC)=0211H901234MOVDPTR,#1234H；將立即數1234H送到數據指針DPTR中(H)=12H(H)=34HEND；程序結束2.5并行輸入/輸出端口8051單片機有4個8位并行I/O端口，稱為P0、P1、P2和P3口，每個端口都各有8條I/O口線，每條I/O口線都能獨立地用作輸入或輸出。在無片外擴展存儲器的系統中，這四個I/O口都可以作為通用I/O口使用。在有片外擴展存儲器的系統中，P2口送出高8位地址，P0口分時送出低8位地址和8位數據。

1.P0口P0口某一位的結構圖如下圖所示，它由一個輸出鎖存器、兩個三態輸入緩沖器、一個轉換開關MUX、一個輸出驅動電路(T1和T2)和一個與門及一個非門組成。

(1)P0口用作通用I/O口

MUX與鎖存器的Q端接通，與門輸出為0，T1截止，輸出驅動級就工作在需外接上拉電阻的漏極開路方式。 ①P0口用作輸出口 ②P0口用作輸入口方式1：讀引腳。方式2：讀鎖存器。(2)P0口用作地址/數據總線

MUX將地址/數據線與T2接通，同時與門輸出有效。若地址/數據線為1，則T1導通，T2截止，P0口輸出為1；反之T1截止，T2導通，P0口輸出為0。當數據從P0口輸入時，讀引腳使三態緩沖器2打開，端口上的數據經緩沖器2送到內部總線。

（3）P0口小結

①P0口既可作地址/數據總線使用，也可作通用I/O口使用。當P0口作地址/數據總線使用時，就不能再作通用I/O口使用了。②P0口作輸出口使用時，輸出級屬漏極開路，必須外接上拉電阻，才有高電平輸出。③P0口作輸入口讀引腳時，應先向鎖存器寫1，使T2截止，不影響輸入電平。

P0口的特點

P0口為雙功能口——地址/數據復用口和通用I/O口。（1）當P0口用作地址/數據復用口時，是一個真正的雙向口，輸出低8位地址和輸出/輸入8位數據。（2）當P0口用作通用I/O口時，由于需要在片外接上拉電阻，端口不存在高阻抗（懸浮）狀態，因此是一個準雙向口。為保證引腳信號的正確讀入，應首先向鎖存器寫1。單片機復位后，鎖存器自動被置1；當P0口由原來輸出轉變為輸入時，應先置鎖存器為1，方可執行輸入操作。2.P1口P1口是唯一的單功能口，僅能作為通用I/O口使用。由于在其輸出端接有上拉電阻，故可以直接輸出而無需外接上拉電阻。同P0口一樣，當作輸入口時，必須先向鎖存器寫“1”，使場效應管T截止。

P1口的特點由于內部上拉電阻，無高阻抗輸入狀態，故為準雙向口。P1口“讀引腳”輸入時，必須先向鎖存器寫入1。3.P2口圖中的控制信號C決定轉換開關MUX的位置：當C=0時，MUX撥向下方，P0口為通用I/O口；當控制信號C=1時，MUX撥向上方，P0口作為地址總線使用。在實際應用中，P2口通常作為高8位地址總線使用。

P2口的特點作為地址輸出線時，P2口高8位地址，P0口輸出的低8位地址尋址64KB地址空間。作為通用I/O口時，P2口為準雙向口。功能與P1口一樣。一般情況下，P2口大多作為高8位地址總線口使用，這時就不能再作為通用I/O口。4.P3口P3口用作通用I/O口時，第二輸出功能信號W=1，P3口的每一位都可定義為輸入或輸出，其工作原理同P1口類似。在真正的應用電路中，P3口的第二功能顯得更為重要。

P3口的第二功能

引腳第二功能功能說明P3.0RXD串行口輸入P3.1TXD串行口輸出P3.2外部中斷0輸入P3.3外部中斷1輸入P3.4T0定時器/計數器0計數輸入P3.5T1定時器/計數器1計數輸入P3.6片外RAM寫選通信號(輸出)P3.7片外RAM讀選通信號(輸出)P3口的特點P3口內部有上拉電阻，無高阻抗輸入態-準雙向口。P3口作為第二功能的輸出/輸入，或第一功能通用輸入，均須將相應位的鎖存器置1。實際應用中，由于復位后P3口鎖存器自動置1，滿足第二功能所需的條件，所以不需任何設置工作，就可以進入第二功能操作。當某位不作為第二功能用時，可作為第一功能通用I/O使用。引腳輸入部分有兩個緩沖器第二功能的輸入信號取自緩沖器BUF3的輸出端第一功能的輸入信號取自緩沖器BUF2的輸出端。

下面討論P1～P3口與LED發光二極管的驅動連接問題。P0口與P1、P2、P3口相比，P0口的驅動能力較大，每位可驅動8個LSTTL輸入，而P1、P2、P3口的每一位的驅動能力，只有P0口的一半。當P0口某位為高電平時，可提供400A的電流；當P0口某位為低電平（0.45V）時，可提供3.2mA的灌電流。P1～P3口驅動LED發光二極管54如低電平允許提高，灌電流可相應加大。所以，任何一個口要想獲得較大的驅動能力，只能用低電平輸出。例如，使用單片機的并行口P1～P3直接驅動發光二極管，電路如圖2-12。由于P1～P3內部有30kΩ左右的上拉電阻。如高電平輸出，則強行從P1、P2和P3口輸出的電流Id會造成單片機端口的損壞，如圖2-12（a）所示。如端口引腳為低電平，能使電流Id

從單片機外部流入內部，則將大大增加流過的電流值，如圖2-12（b）所示。所以：當P1～P3口驅動LED發光二極管時，應該采用低電平驅動。55（a）不恰當的連接：高電平驅動（b）恰當的連接：低電平驅動圖2-12

發光二極管與AT89S51并行口的直接連接關于負載能力的小節P0口的輸出級與P1～P3口的輸出級在結構上不同。其輸出級無上拉電阻。P0口的每一位能驅動8個LSTTL負載。在作為通用I/O口使用時，輸出驅動電路是開漏的，所以，驅動集電極開路(OC門)電路或漏級開路電路需外接上拉電阻。當作為地址/數據總線使用時(T1可以提供上拉電平)，口線不是開漏的，無需外接上拉電阻。P1～P3口的每一位能驅動4個LSTTL負載。無需外接上拉電阻。當作輸出口去驅動一個普通晶體管的基極時，應在端口與晶體管基極間串聯一個電阻，以限制高電平輸出時的電流。

P1口輸出功能應用實例

【例1】P1口做輸出口，控制八只發光二極管循環點亮(P1口輸出低電平時發光二極管被點亮)。

解：由于發光二極管低電平點亮，所以，需要哪個發光二極管點亮，只需在相應的端口輸出邏輯0即可。

由于每個發光二極管點亮后要持續一段時間才熄滅，再使下個發光二極管點亮，因此需要編寫延時子程序，供主程序反復調用。本例中，延時子程序采用指令循環來實現。

P1口輸出功能應用實例

地址機器碼程序注釋ORG0000H0000H021000LJMPMAINORG1000H1000H74FEMAIN:MOVA,#0FEH1002HF590LOOP:MOVP1,A1004H12100ALCALLDELAY;延時1007H23RLA;左移位1008H80F8SJMPLOOP;循環100AH7FFFDELAY:MOVR7,#0FFH;延時子程序100CH7EFAL1:MOVR6,#0FAH100EHDEFEDJNZR6,$1010HDFFADJNZR7,L11012H22RETEND【例2】利用P1.0輸出高低電平，控制繼電器的開合，以實現對外部裝置(如燈L1和L2)的控制。

解：將單片機的P1.0接繼電器控制端JIN，繼電器的JZ通過K1接地，常開觸點JK接L1，常閉觸點JB接L2。編制程序，使P1.0電平變化，高電平時繼電器吸合，常開觸點閉合，L1點亮，L2熄滅；低電平時繼電器不工作，常閉觸點閉合，L2點亮，L1熄滅。

參考程序：

地址機器碼程序注釋ORG0000H0000H022000LJMPMAINORG2000H2000HC290MAIN:CLRP1.0;P1.0送低電平2002H12200CLCALLDELAY;延時2005HD290SETBP1.0;P1.0送高電平2007H12200CLCALLDELAY;延時200AH80F4SJMPMAIN;循環200CH7F06DELAY:MOVR7,#06H;延時子程序200EH7EFFL1:MOVR6,#0FFH2010H7DFAL2:MOVR5,#0FAH2012HDDFEDJNZR5,$2014HDEFADJNZR6,L22016HDFF6DJNZR7,L12018H22RETENDP3口輸入功能應用實例

【例3】P3口的P3.0連接一個開關，作為輸入端；P1口的P1.0～P1.7連接八只發光二極管，作為輸出端。要求用P3.0來控制P1輸出的循環燈，即當P3.0輸出高電平時，控制P1口的發光二極管左循環點亮；當P3.0輸出低電平時，控制P1口的發光二極管右循環點亮(P1口輸出低電平時發光二極管被點亮)。

解：在主程序中要對P3.0的狀態進行判斷。如果P3.0為高電平，則使用循環左移指令。如果P3.0為低電平，則使用循環右移指令。延時子程序同例1。

參考程序：地址機器碼程序注釋ORG0000H0000H023000 LJMPMAIN ORG3000H3000H74FEMAIN:MOVA,#0FEH3002HF590LOOP:MOVP1,A3004H123010 LCALLDELAY;延時3007H20B003 JBP3.0,L1300AH03 RRA;右移位300BH80F5 SJMPLOOP;循環300DH23L1:RLA;左移位300EH80F2 SJMPLOOP;循環3010H7FFFDELAY:MOVR7,#0FFH;延時子程序3012H7EFAL2:MOVR6,#0FAH3014HDEFEDJNZR6,$3016HDFFADJNZR7,L23018H22RETEND2023/2/5632.6時鐘電路與時序

2.6.1時鐘電路內部時鐘方式外部時鐘方式

AT89S51AT89S512023/2/564

2.6.2周期與時序1個機器周期：12個晶蕩周期（或6個時鐘周期）指令的執行時間稱作指令周期（單、雙、四周期）2023/2/565典型時序單字節指令