AT89S51单片机 - 图文

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。

图2-1 AT89S51单片机片内结构

有如下功能部件和特性： （1）8位微处理器（CPU）； （2）数据存储器（128B RAM）； （3）程序存储器（4KB Flash ROM）；

（4）4个8位可编程并行I/O口（P0口、P1口、P2口和P3口）； （5）1个全双工的异步串行口；

（6）2个可编程的16位定时器/计数器； （7）1个看门狗定时器；

（8）中断系统具有5个中断源、5个中断向量； （9）特殊功能寄存器（SFR）26个；

（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AT89C51相比，AT89S51有更突出的优点：

（1）增加在线可编程功能ISP（In System Program），字节和页编程，现场程序调试和修改更加方便灵活； （2）数据指针增加到两个，方便了对片外RAM的访问过程； （3）增加了看门狗定时器，提高了系统的抗干扰能力； （4）增加断电标志；

（5）增加掉电状态下的中断恢复模式。

单片机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是采用特殊功能寄存器（SFR，Special Function Register）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（Flash ROM）

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64KB。 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）电源及时钟引脚—VCC、VSS；XTAL1、XTAL2。 2）控制引脚— 、ALE/ PROG 、 /VPP、RST（RESET） EAPSEN3）I/O口引脚——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 (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。 2） /VPP (Enable Address/Voltage Pulse of Programing，31脚) EAEA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4KB Flash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4KB Flash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。 EA=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4KB Flash 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。 3）ALE/ PROG （Address Latch Enable/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1/6。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类指令），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，但执行访问外部程序存储器或外部数据存储器指令“MOVC”或“MOVX”时，ALE仍然有效。即ALE禁止位不影响对外部存储器的访问。

：引脚第二功能，对片内 Flash编程，为编程脉冲输入脚。 PROG

图2-2 AT89S51双列直插封装方式的引脚

PSEN4） （Program Strobe ENable，29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）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。

引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 第二功能 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD 说明 串行数据输入口 串行数据输出口 外部中断0输入 外部中断1输入 定时器0外部计数输入 定时器1外部计数输入 外部数据存储器写选通输出 外部数据存储器读写通输出 表2-1 P3口的第二功能定义

综上所述，P0口可作为总线口，为双向口。作为通用的I/O口使用时，为准双向口，这时需加上拉电阻。P1口、P2口、P3口均为准双向口。

注意：准双向口与双向口的差别。准双向口仅有两个状态。而P0口作为总线使用，口线内无上拉电阻，处于高阻“悬浮”态。故P0口为双向三态I/O口。 为什么P0口要有高阻“悬浮”态？

准双向I/O口则无高阻的“悬浮”状态。

另外，准双向口作通用I/O的输入口使用时，一定要向该口先写入“1”。以上的准双向口与双向口的差别，读者在阅读2.5节后，将会有深刻的理解。

至此，40个引脚已介绍完，应熟记每一引脚功能对应用系统硬件电路设计十分重要。

AT89S51的CPU(p41)

由图2-1可见，CPU由运算器和控制器构成。 一、运算器

对操作数进行算术、逻辑和位操作运算。主要包括算术逻辑运算单元ALU、累加器A、位处理器、程序状态字寄存器PSW及两个暂存器等。 1．算术逻辑运算单元ALU

可对8位变量逻辑运算（与、或、异或、循环、求补和清零），还可算术运算（加、减、乘、除） ALU还有位操作功能，对位变量进行位处理，如置“1”、清“0”、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”等。 2．累加器A

使用最频繁的寄存器，可写为Acc。“A”与“Acc” 书写上的差别，将在第3章介绍。 作用如下：

1）ALU单元的输入数据源之一，又是ALU运算结果存放单元。

2）数据传送大多都通过累加器A，相当于数据的中转站。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。

A的进位标志Cy是特殊的，因为它同时又是位处理机的位累加器 3．程序状态字寄存器PSW

PSW（Program Status Word）位于片内特殊功能寄存器区，字节地址为D0H。 包含了程序运行状态的信息，其中4位保存当前指令执行后的状态，供程序查询和判断。格式如图2-3所示。

图2-3 PSW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＝1；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RS1 RS0 所选的四组寄存器 整。即当D3位向D4位产生进位或借

0 0 0区（内部RAM地址00H-07H） 位时，Ac＝1；否则，Ac＝0。

3）F0（PSW.5）用户设定标志位 0 1 1区（内部RAM地址08H-0FH） 由用户使用的一个状态标志位，可用

1 0 2区（内部RAM地址10H-17H） 指令来使它置1或清0，控制程序的流1 1 向。用户应充分利用。 3区（内部RAM地址18H-1FH） 4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）4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=0。 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。 P=1，表示A中“1”的个数为奇数。 P=0，表示A中“1”的个数为偶数。

此标志位对串行通信有重要的意义，常用奇偶检验的方法来检验数据串行传输的可靠性。

表2-2 RS1 RS0与四组寄存器区的对应关系

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： ① PC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开（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4KB Flash ，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4KB Flash 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128 B RAM（52子系列为256B）。

片内RAM 不够用时，在片外可扩展至64KB RAM 。 ３.特殊功能寄存器SFR （Special Function Register）

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。

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～0FFFH。16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4KB Flash 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 外部中断0 入口地址 0003H

定时器T0 外部中断1 定时器T1 串行口 000BH 0013H 001BH 0023H 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～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。可通过指令改变RS1、RS0两位来选择。

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2-4 SFR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SFR：DP1L、DP1H、AUXR、AUXR1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。

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—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。要把有关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：

图2-5 AUXR寄存器的格式

其中: DISALE：ALE的禁止/允许位。 0：ALE有效，发出脉冲； 1：ALE仅在执行MOVC和MOVX类指令时有效，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。 WDIDLE：WDT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DPTR0和DPTR1

双数据指针寄存器，便于访问数据存储器。 DPTR0：AT89C51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=0时，选用DPTR0；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DP0H（或DP1H）和DP0L（或DP1L）来用。 5. AUXR1寄存器

AUXR1是辅助寄存器，格式如图2-6所示： DPS：数据指针寄存器选择位。 0：选择数据指针寄存器DPTR0； 1：选择数据指针寄存器DPTR1。

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——（WDTRST）。

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。 有关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SFR。

位地址空间

211个寻址位的位地址，位地址范围为 00H～FFH，其中 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8H。

特殊功能 位 地 址 寄存器 D7 D6 B Acc PSW IP P3 IE P2 SCON P1 TCON P0 D5 D4 D3 D2 D1 D0 字 节地 址 F7H F6H F5H F4H F3H F2H F1H F0H F0H E7H E6H E5H E4H E3H E2H E1H E0H E0H D7H D6H D5H D4H D3H D2H D1H D0H D0H — — — BCH BBH BAH B9H B8H B8H B7H B6H B5H B4H B3H B2H B1H B0H B0H AFH — — ACH ABH AAH A9H A8H A8H A7H A6H A5H A4H A3H A2H A1H A0H A0H 9FH 9EH 9DH 9CH 9BH 9AH 99H 98H 98H 97H 96H 95H 94H 93H 92H 91H 90H 90H 8FH 8EH 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88H 88H 87H 86H 85H 84H 83H 82H 81H 80H 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。

图2-7 AT89S51单片机的存储器结构

AT89S51的并行I/O端口

4个双向的8位并行I/O端口，分别记为P0、P1、P2和P3，其中输出锁存器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，4个端口按字节输入/输出外，也可位寻址。 P0口

P0口是一个双功能的8位并行端口，字节地址为80H，位地址为80H～87H。端口的各位具有完全相同但又相互独立的电路结构，P0口某一位的位电路结构如图2-8所示。

图2-8 P0口某一位的位电路结构

1．位电路结构

P0口某一位的电路包括：

1）一个数据输出的锁存器，用于数据位的锁存。

2）两个三态的数据输入缓冲器，分别是用于读锁存器数据的输入缓冲器BUF1和读引脚数据的输入缓冲器BUF2。

3）一个多路转接开关MUX，它的一个输入来自锁存器的 端，另一个输入为地址/数据信号的反相输出。MUX由“控制”信号控制，实现锁存器的输出和地址/数据信号之间的转接。 4）数据输出的控制和驱动电路，由两个场效应管（FET）组成。

2．工作过程分析

1）P0口用作地址/数据总线

外扩存储器或I/O时，P0口作为单片机系统复用的地址/数据总线使用。 当作为地址或数据输出时，“控制”信号为1，硬件自动使转接开关MUX打向上面，接通反相器的输出，同时使与门处于开启状态。

当输出的地址/数据信息为1时，与门输出为1，上方的场效应管导通，下方的场效应管截止，P0.x引脚输出为1；当输出的地址/数据信息为0时，上方的场效应管截止，下方的场效应管导通，P0.x引脚输出为0。

输出电路是上、下两个场效应管形成的推拉式结构，大大提高了负载能力，上方的场效应管这时起到内部上拉电阻的作用。

当P0口作为数据输入时，仅从外部存储器（或I/O）读入信息，对应的“控制”信号为0，MUX接通锁存器的端。

由于P0口作为地址/数据复用方式访问外部存储器时，CPU自动向P0口写入FFH，使下方场效应管截止，上方场效应管由于控制信号为0也截止，从而保证数据信息的高阻抗输入，从外部存储器输入的数据信息直接由P0.x引脚通过输入缓冲器BUF2进入内部总线。

具有高阻抗输入的I/O口应具有高电平、低电平和高阻抗3种状态的端口。因此，P0口作为地址/数据总线使用时是一个真正的双向端口，简称双向口。 2）P0口用作通用I/O口

当P0口不作为系统的地址/数据总线使用时，此时P0口也可作为通用的I/O口使用。 作通用的I/O口时，对应的“控制”信号为0，MUX打向下面，接通锁存器的 端，“与门”输出为0，上方场效应管截止，形成的P0口输出电路为漏极开路输出。

P0口作输出口时，来自CPU的“写”脉冲加在D锁存器的CP端，内部总线上的数据写入D锁存器，并由引脚P0.x输出。

当D锁存器为1时， 端为0，下方场效应管截止，输出为漏极开路，此时，必须外接上拉电阻才能有高电平输出；当D锁存器为0时，下方场效应管导通，P0口输出为低电平。

P0口作输入口使用时，有两种读入方式：“读锁存器”和“读引脚”。

当CPU发出“读锁存器”指令时，锁存器的状态由Q端经上方的三态缓冲器BUF1进入内部总线； 当CPU发出“读引脚”指令时，锁存器的输出状态=1（即 端为0），而使下方场效应管截止，引脚的状态经下方的三态缓冲器BUF2进入内部总线。 3．P0口的特点

P0口为双功能口——地址/数据复用口和通用I/O口。

1）当P0口用作地址/数据复用口时，是一个真正的双向口，输出低8位地址和输出/输入8位数据。

2）当P0口用作通用I/O口时，由于需要在片外接上拉电阻，端口不存在高阻抗（悬浮）状态，因此是一个准双向口。

为保证引脚信号的正确读入，应首先向锁存器写1。单片机复位后，锁存器自动被置1；当P0口由原来输出转变为输入时，应先置锁存器为1，方可执行输入操作。

P0口大多作为地址/数据复用口使用，就不能再作为通用I/O口使用。 P1口

单功能的I/O口，字节地址为 90H，位地址为 90H～97H。P1口某一位的位电路结构如图2-9所示。 1．位电路结构

P1口位电路结构由以下三部分组成：

1）一个数据输出锁存器，用于输出数据位的锁存。

图2-9 P1口某一位的位电路结构

2）两个三态的数据输入缓冲器BUF1和BUF2，分别用于读锁存器数据和读引脚数据的输入缓冲。 3）数据输出驱动电路，由一个场效应管（FET）和一个片内上拉电阻组成。 2．工作过程分析

P1口只能作为通用的I/O口使用。

1）P1口作输出口时，若CPU输出1，Q=1， =0，场效应管截止，P1口引脚的输出为1；若CPU输出0，Q=0， =1，场效应管导通，P1口引脚的输出为0。

2）P1口作为输入口时，分为“读锁存器”和“读引脚”两种方式。“读锁存器”时，锁存器的输出端Q的状态经输入缓冲器BUF1进入内部总线；“读引脚”时，先向锁存器写1，使场效应管截止，P1.x引脚上的电平经输入缓冲器BUF2进入内部总线。 3．P1口的特点

由于内部上拉电阻，无高阻抗输入状态，故为准双向口。P1口“读引脚”输入时，必须先向锁存器写入1。P2口

双功能口，字节地址为A0H，位地址为A0H～A7H。P2口某一位的位电路结构如图2-10所示。

1．位电路结构

P2口某一位的电路包括：

1）一个数据输出锁存器，用于输出数据位的锁存。

2）两个三态数据输入缓冲器BUF1和BUF2，分别用于读锁存器数据和读引脚数据的输入缓冲。

图2-10 P2口某一位的位电路结构

3）一个多路转接开关MUX，一个输入是锁存器的Q端，另一个输入是高8位地址。 4）输出驱动电路，由场效应管（FET）和内部上拉电阻组成。 2．工作过程分析

1）P2口用作地址总线

在控制信号作用下，MUX与“地址”接通。当“地址”为0时，场效应管导通，P2口引脚输出为0；当“地址”线为1时，场效应管截止，P2口引脚输出1。 2）P2口用作通用I/O口

在内部控制信号作用下，MUX与 锁存器的Q端接通。CPU输出1时，Q=1，场效应管截止，P2.x引脚输出1；CPU输出0时，Q=0，场效应管导通，P2.x引脚输出0。 P2口输入时，分 “读锁存器”和“读引脚”两种方式:

“读锁存器”时，Q端信号经输入缓冲器BUF1进入内部总线

“读引脚”时，先向锁存器写1，使场效应管截止，P2.x引脚上的电平经输入缓冲器BUF2进入内部总线。 3．P2口的特点

作为地址输出线时，P2口高8位地址，P0口输出的低8位地址寻址64KB地址空间。 作为通用I/O口时，P2口为准双向口。功能与P1口一样。

一般情况下，P2口大多作为高8位地址总线口使用，这时就不能再作为通用I/O口。 P3口

由于引脚数目有限，在P3口增加了第二功能。每1位都可以分别定义为第二输入功能或第二输出功能。P3口字节地址为B0H，位地址B0H～B7H。P3口某一位的位电路结构见图2-11。 1．位电路结构

P3口某一位的电路包括：

1）1个数据输出锁存器，锁存输出数据位。

2）3个三态数据输入缓冲器BUF1、BUF2和BUF3，分别用于读锁存器、读引脚数据和第二功能数据的输入缓冲。

3）输出驱动，由与非门、场效应管（FET）和内部上拉电阻组成。

图2-11 P3口某一位的位电路结构

2．工作过程分析

1）P3口用作第二输入/输出功能

当选择第二输出功能时，该位的锁存器需要置1，使与非门为开启状态。 当第二输出为1时，场效应管截止，P3.x引脚输出为1； 当第二输出为0时，场效应管导通，P3.x引脚输出为0。

当选择第二输入功能时，该位的锁存器和第二输出功能端均应置1，保证场效应管截止，P3.x引脚的信息由输入缓冲器BUF3的输出获得。

2）P3口用作第一功能——通用I/O口

用作第一功能通用输出时，第二输出功能端应保持高电平，与非门开启。CPU输出1时，Q=1，场效应管截止，P3.x引脚输出为1；CPU输出0时，Q=0，场效应管导通，P3.x引脚输出为0。

用作第一功能通用输入时，P3.x位的输出锁存器和第二输出功能均应置1，场效应管截止，P3.x引脚信息通过输入BUF3和BUF2进入内部总线，完成“读引脚”操作。

当P3口第一功能通用输入时，也可执行“读锁存器”操作，此时Q端信息经过缓冲器BUF1进入内部总线。

3．P3口的特点

P3口内部有上拉电阻，无高阻抗输入态-准双向口。P3口作为第二功能的输出/输入，或第一功能通用输入，均须将相应位的锁存器置1。实际应用中，由于复位后P3口锁存器自动置1，满足第二功能所需的条件，所以不需任何设置工作，就可以进入第二功能操作。

当某位不作为第二功能用时，可作为第一功能通用I/O使用。

引脚输入部分有两个缓冲器，第二功能的输入信号取自缓冲器BUF3的输出端，第一功能的输入信号取自缓冲器BUF2的输出端。

P3口的第二功能定义见表2-1，读者应熟记。 P1～P3口驱动LED发光二极管

P0口与P1、P2、P3口相比，P0口的驱动能力较大，每位可驱动8个LSTTL输入，而P1、P2、P3口的每一位的驱动能力，只有P0口的一半。

当P0口某位为高电平时，可提供400?A的电流；当P0口某位为低电平（0.45V）时，可提供3.2mA的灌电流。

如低电平允许提高，灌电流可相应加大。所以，任何一个口要想获得较大的驱动能力，只能用低电平输出。

例如，使用单片机的并行口P1～P3直接驱动发光二极管，电路如图2-12。由于P1～P3内部有30kΩ左右的上拉电阻。

如高电平输出，则强行从P1、P2和P3口输出的电流Id会造成单片机端口的损坏，如图2-12（a）所示。

如端口引脚为低电平，能使电流Id 从单片机外部流入内部，则将大大增加流过的电流值，如图2-12（b）所示。

所以，当P1～P3口驱动LED发光二极管时，应该采用低电平驱动。

（a）不恰当的连接：高电平驱动 （b）恰当的连接：低电平驱动

图2-12 发光二极管与AT89S51并行口的直接连接

时钟电路与时序

时钟电路产生AT89S51工作时所必需的控制信号，在时钟信号的控制下，严格按时序执行指令。 执行指令时，CPU首先到程序存储器中取出需要执行的指令操作码，然后译码，并由时序电路产生一系列控制信号完成指令所规定的操作。

CPU发的时序信号两类，一类用对片内各个功能部件控制，用户无须了解；另一类用于对片外存储器

或I/O口的控制，这部分时序对于分析、设计硬件接口电路至关重要。 时钟电路设计

时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。 1．内部时钟方式

AT89S51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器，图2-13是AT89S51内部时钟方式的电路。

图2-14 AT89S51的外部时钟方式电路

C1和C2的典型值通常选择为30pF。电容大小会影响振荡器频率高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振频率范围通常是1.2～12MHz。晶体频率越高，单片机速度就越快。速度快对存储器的速度要求就高，印制电路板的工艺要求也高，即线间的寄生电容要小。晶体和电容应尽可能与单片机靠近，以减少寄生电容，保证振荡器稳定、可靠地工作。为提高温度稳定性，采用温度稳定性能好的电容。

常选6MHz或12MHz的石英晶体。随着集成电路制造工艺技术的发展，单片机的时钟频率也在逐步提高，已达33MHz。

2．外部时钟方式

用现成的外部振荡器产生脉冲信号，常用于多片AT89S51同时工作，以便于多片AT89S51单片机之间的同步，一般为低于12MHz的方波。

外部时钟源直接接到XTAL1端，XTAL2端悬空，见图2-14。 机器周期、指令周期与指令时序 各种指令时序与时钟周期相关。 1．时钟周期

时钟控制信号的基本时间单位。若晶振频率为fosc，则时钟周期Tosc=1/fosc。如fosc=6MHz，Tosc=166.7ns。 2．机器周期

CPU完成一个基本操作所需时间为机器周期。执行一条指令分为几个机器周期。每个机器周期完成一个基本操作，如取指令、读或写数据等。每12个时钟周期为1个机器周期。

1个机器周期包括12个时钟周期，分6个状态：S1～S6。每个状态又分两拍：P1和P2。因此，一个机器周期中的12个时钟周期表示为S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、?、S6P2，如图2-16所示。

图2-13 内部时钟方式电路

3．指令周期

图2-16 AT89S51的机器周期

执行一条指令所需的时间。简单的单字节指令，取出指令立即执行，只需一个机器周期的时间。而有些复杂的指令，如转移、乘、除指令则需两个或多个机器周期。 从指令执行时间看:

单字节和双字节指令一般为单机器周期和双机器周期; 三字节指令都是双机器周期; 乘、除指令占用4个机器周期。

复位操作和复位电路

单片机的初始化操作，给复位脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就使AT89S51 复位操作

复位时，PC初始化为0000H，程序从0000H单元开始执行。

除系统的正常初始化外，当程序出错（如程序跑飞）或操作错误使系统处于死锁状态时，需按复位键使RST脚为高电平，使AT89S51摆脱“跑飞”或“死锁”状态而重新启动程序。 复位操作还对其他一些寄存器有影响，这些寄存器复位时的状态见表2-7。 由表2-7可看出，复位时，SP=07H ，而P0～P3引脚均为高电平。

在某些控制应用中，要注意考虑P0～P3引脚的高电平对接在这些引脚上的外部电路的影响。

例如，当P1口某个引脚外接一个继电器绕组，当复位时，该引脚为高电平，继电器绕组就会有电流通过，就会吸合继电器开关，使开关接通，可能会引起意想不到的后果。

复位电路设计

由复位电路实现。AT89S51片内复位电路结构见图2-17。

复位引脚RST通过一个施密特触发器与复位电路相连，施密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。 复位电路采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路如图2-18所示。

对于CMOS型单片机，由于在RST引脚内部有一个下拉电阻，可将电阻R去掉，而将电容C选为10?F。

图2-17 片内复位电路结构 图2-18 上电复位电路

上电自动复位是给电容C 充电加给RST引脚一个短的高电平信号，此信号随着VCC对电容C 的充电过程而逐渐回落，即RST引脚上的高电平持续时间取决于电容C 充电时间。为保证系统可靠复位，RST引脚上的高电平必须维持足够长的时间。

除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。按键手动复位有电平和脉冲两种方式。 按键手动复位电路见图2-19。

脉冲复位是利用RC 微分电路产生的正脉冲来实现的，脉冲复位电路见图2-20。图中阻容参数适于6MHz时钟。

图2-19 按键电平复位电路 图2-20 按键脉冲复位电路

低功耗节电模式

两种低功耗节电工作模式：空闲模式（idle mode）和掉电保持模式（power down mode）。 掉电保持模式下，VCC可由后备电源供电。

两种节电模式可通过PCON的位IDL和位PD的设置来实现。格式如下图所示。

PCON寄存器各位定义：

SMOD：串行通信波特率选择（该位见第7章的介绍）。 ━ ：保留位。

GF1、GF0：通用标志位，两个标志位用户使用。

PD： 掉电保持模式控制位，PD=1，则进入掉电保持模式。 IDL：空闲模式控制位，若IDL=1，则进入空闲运行模式。 2.8.1 空闲模式 1. 空闲模式进入

如把PCON中的IDL位置1，由图2-22，则把通往CPU的时钟信号关断，便进入空闲模式。虽然振荡器运行，但是CPU进入空闲状态。所有外围电路（中断系统、串行口和定时器）仍继续工作，SP、PC、PSW、

A、P0～P3端口等所有其他寄存器、内部RAM和SFR中内容均保持进入空闲模式前状态。 2. 空闲模式退出

两种方法退出，响应中断方式，硬件复位方式。

空闲模式下，若任一个允许的中断请求被响应时，IDL位被片内硬件自动清0，从而退出空闲模式。当执行完中断服务程序返回时，将从设置空闲模式指令的下一条指令（断点处）继续执行程序。

当使用硬件复位退出空闲模式时，在复位逻辑电路发挥控制作用前，有长达两个机器周期时间，单片机要从断点处（IDL位置1指令的下一条指令处）继续执行程序。在这期间，片内硬件阻止CPU对片内RAM的访问，但不阻止对外部端口（或外部RAM）的访问。

为了避免在硬件复位退出空闲模式时出现对端口（或外部RAM）

的不希望的写入，在进入空闲模式时，紧随IDL位置1指令后的不应是写端口（或外部RAM）的指令。 掉电运行模式

1. 掉电模式的进入

用指令把PCON寄存器的PD位置1，便进入掉电模式。由图2-22，在掉电模式下，进入时钟振荡器的信号被封锁，振荡器停止工作。

由于没有时钟信号，内部的所有功能部件均停止工作，但片内RAM和SFR的原来的内容都被保留，有关端口的输出状态值都保存在对应的特殊功能寄存器中。 2. 掉电模式的退出

两种方法：硬件复位和外部中断。硬件复位时要重新初始化SFR，但不改变片内RAM的内容。只有当VCC恢复到正常工作水平时，只要硬件复位信号维持10ms，便可使单片机退出掉电运行模式。 掉电和空闲模式下的WDT

掉电模式下振荡器停止，意味着WDT也就停止计数。用户在掉电模式下不需操作WDT。

退出有两种方法：硬件复位和外部中断。当用硬件复位退出掉电模式时，对WDT的操作与正常情况一样。中断方式退出掉电模式时，应使中断输入保持足够长时间的低

电平，以使振荡器达到稳定。当中断变为高电平之后，该中断被执行，在中断服务程序中复位寄存器WDTRST。在外部中断引脚保持低电平时，为防止WDT溢出复位，在系统进入掉电模式前先对寄存器WDTRST复位。

在进入空闲模式前，应先设置AUXR中的WDIDLE位，以确认WDT是否继续计数。

当WDIDLE=0，空闲模式下的WDT保持继续计数。为防止复位单片机，用户可设计一定时器。该定时器使器件定时退出空闲模式，然后复位WDTRST，再重新进入空闲模式。

当WDIDLE=1，WDT在空闲模式下暂停计数，退出空闲模式后，方可恢复计数。

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