單片機(jī)第1章-單片機(jī)概述與AT89S51單片機(jī)結(jié)構(gòu)

第1章單片機(jī)概述與AT89S51單片機(jī)結(jié)構(gòu)單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

【知識目標(biāo)】

1.了解單片機(jī)的組成和發(fā)展概況、特點(diǎn)以及應(yīng)用領(lǐng)域，熟悉單片機(jī)主要機(jī)型。2.掌握AT89S51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各個(gè)引腳的功能。3.掌握AT89S51單片機(jī)的存儲器結(jié)構(gòu)及配置情況。4.了解單片機(jī)并行I/O端口的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，掌握并行I/O端口的使用。5.了解單片機(jī)時(shí)序的相關(guān)概念。單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

【技能目標(biāo)】1.能夠正確使用AT89S51單片機(jī)的各個(gè)引腳。2.能夠合理使用AT89S51單片機(jī)的存儲器3.能夠正確使用AT89S51單片機(jī)的并行I/O端口。4.了解單片機(jī)系統(tǒng)的時(shí)鐘電路及復(fù)位電路。單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

1.1單片機(jī)概述1.1.1嵌入式系統(tǒng)與單片機(jī)嵌入式微控制器（MicroControllerUnit，MCU）又稱單片機(jī)，它將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集中到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某種微處理器內(nèi)核為核心，根據(jù)某些典型的應(yīng)用，在芯片內(nèi)部集成了ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、I/O口、串行口、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、FlashRAM、E2PROM、PWM控制器等各種必要的功能部件和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，對功能的設(shè)置和外設(shè)的配置進(jìn)行必要的修改和裁剪定制。微控制器使應(yīng)用系統(tǒng)的體積大大減小，功耗和成本大幅下降，可靠性提高，這使得微控制器成為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用主流。單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

1.1單片機(jī)概述單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

1.1.2單片機(jī)的發(fā)展概況1.單片機(jī)發(fā)展簡要?dú)v程1976年Intel公司推出8位單片機(jī)MCS-48系列單片機(jī)。1980年Intel公司推出8位單片機(jī)MCS-51系列單片機(jī)。1982年Intel公司推出16位單片機(jī)MCS-96系列單片機(jī)。近年來，ARM等公司推出了各種型號的32位單片機(jī)，并獲得了迅速發(fā)展。單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

幾種常用8位單片機(jī)的主要配置公司型號片內(nèi)存儲器/BI/O引腳數(shù)串口數(shù)中斷源定時(shí)器/計(jì)數(shù)器看門狗工作頻率引腳與封裝ROMEPROMFlashRAMIntel80C514KROM12840152N244087C514KEPROM12840152N2440AtmelAT89C514KFlash12840152N2440AT89S514KFlash12840152Y3340AT89S528KFlash25640163Y3340MicrochipPIC12C6711024ROM128611Y108PhilipsP87LPC7622KEPROM128182122Y2020P89C66X16~64KFlash2K32284Y3344單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

2.AT89系列單片機(jī)AT89系列機(jī)是ATMEL公司將先進(jìn)的Flash存儲器（快閃擦寫存儲器）技術(shù)和Intel80C51單片機(jī)的內(nèi)核相結(jié)合的單片機(jī)系列，是與MCS-51系列機(jī)兼容的Flash單片機(jī)系列。它既繼承了MCS-51原有的功能，又擁有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用廣泛的主流機(jī)型之一。AT89系列有AT89C系列和AT89S系列，各系列中又有抵擋型、標(biāo)準(zhǔn)型和高檔型之分。AT89C51、AT89S51還與80C51、87C51的引腳兼容，可直接進(jìn)行代換。單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

1.1.3單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域（1）儀表、傳感器智能化（2）工業(yè)控制智能化 （3）家用電器智能化（4）通信產(chǎn)品智能化（5）汽車電子系統(tǒng)智能化單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

1.2AT89S51單片機(jī)結(jié)構(gòu)1.2.1

AT89S51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能（1）一個(gè)以ALU為中心的8位微處理器（CPU），完成運(yùn)算和控制功能。（2）4KBFlash片內(nèi)程序存儲器（ROM），用來存儲程序、原始數(shù)據(jù)、表格等。（3）片內(nèi)低128B的數(shù)據(jù)存儲器（RAM），其地址范圍為00H~7FH。（4）片內(nèi)26個(gè)特殊功能寄存器（SFR），離散分布于地址80H~FFH中。（5）4個(gè)8位并行I/O接口（P0~P3）。（6）1個(gè)全雙工異步串行口。（7）2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。（8）5個(gè)中斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級。（9）一個(gè)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。（10）程序計(jì)數(shù)器PC，是一個(gè)獨(dú)立的16位專用寄存器，其內(nèi)容為將要執(zhí)行的指令地址。（11）看門狗（WDT）電路。單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

3.AT89S51單片機(jī)的信號引腳（1）電源引腳VCC和GND VCC（40腳）：接+5V電源。GND（20腳）：接地。（2）時(shí)鐘電路引腳XTALl和XTAL2XTALl（19腳）：接外部石英晶振和微調(diào)電容一端。在片內(nèi)，它是振蕩器倒相放大器的輸入。若使用外部時(shí)鐘時(shí)，該引腳必須接地。XTAL2（18腳）：接外部石英晶振和微調(diào)電容的另一端。在片內(nèi)，它是振蕩器倒相放大器的輸出。若使用外部時(shí)鐘時(shí)，該引腳作為外部時(shí)鐘的輸人端。（3）控制引腳RST/VPD、、、和/VPPRST/VPD（9腳）：復(fù)位信號輸入端，高電平有效。在此輸入端保持2個(gè)機(jī)器周期的高電平后，就可以完成復(fù)位操作。在單片機(jī)正常工作時(shí)，此引腳應(yīng)為低電平。VCC掉電期間，該引腳可接上備用電源（VPD）以保持內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)。PSEN（29腳）：程序存儲允許輸出端，是片外程序存儲器的讀選通信號，低電平有效。CPU從外部程序存儲器讀取指令時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期中2次有效，但在訪問片外存儲器或訪問內(nèi)部程序存儲器讀取指令時(shí)無效。此引腳接外部ROM的（輸出允許）端。單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

3.AT89S51單片機(jī)的信號引腳ALE30腳）：地址鎖存控制信號/編程脈沖輸入端。EA（31腳）：訪問程序存儲器控制信號/編程電源輸入端。4）I/O接口引腳（32個(gè)，分成4個(gè)8位并行口）①P0.0～P0.7（P0口）：通用I/O口引腳或數(shù)據(jù)/低8位地址總線復(fù)用引腳。在Flash編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)Flash進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。②P1.0～P1.7（P1口）：通用I/O口引腳。在Flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址。③P2.0～P2.7（P2口）：通用I/O口引腳或高8位地址總線引腳。P2口在Flash編程和校驗(yàn)時(shí)接收高8位地址信號和控制信號。④P3.0～P3.7（P3口）：一般I/O口引腳或第二功能引腳。P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

1.2.2AT89S51單片機(jī)的存儲器結(jié)構(gòu)1.程序存儲器ROM低4KB地址的程序可以存儲在片內(nèi)FlashROM中，也可以存儲在片外ROM中。片內(nèi)ROM與片外ROM低4KB的地址重疊，執(zhí)行選擇由引腳來控制。當(dāng)引腳信號為低電平，復(fù)位后，單片機(jī)從片外ROM中的0000H地址單元開始執(zhí)行程序。當(dāng)為高電平，復(fù)位后，單片機(jī)從片內(nèi)ROM中的0000H地址單元開始執(zhí)行程序，當(dāng)PC值大于0FFFH（4KB）時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)到片外ROM中執(zhí)行程序。單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

1.程序存儲器ROM中斷源入口地址外部中斷00003H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷0000BH外部中斷l(xiāng)0013H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷1001BH串行口中斷0023H單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

2.數(shù)據(jù)存儲器RAM單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

（1）片

內(nèi)RAM低128B單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

（1）片內(nèi)RAM低128B①工作寄存器區(qū)。AT89S51單片機(jī)內(nèi)部低32B單元分成4個(gè)工作寄存器組，每組占8個(gè)單元，分別用R0～R7來表示。單片機(jī)運(yùn)行時(shí)只能允許1個(gè)工作寄存器組作為當(dāng)前工作寄存器組。表1-3當(dāng)前工作寄存器組的選擇方法RS1RS0工作寄存器組R0~R7的地址000組00H~07H011組08H~0FH102組10H~17H113組18H~1FH單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

（1）片內(nèi)RAM低128B②位尋址區(qū)。AT89S51單片機(jī)具有位處理功能，因此存儲空間有一個(gè)位尋址區(qū)，位于片內(nèi)RAM的20H～2FH單元中，16個(gè)單元共128位，其位地址范圍為00H～7FH。該區(qū)也可以作為普通的RAM單元使用，進(jìn)行字節(jié)操作。③用戶RAM區(qū)。30H～7FH單元作為用戶RAM區(qū)。這些單元作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在實(shí)際應(yīng)用中AT89S51的堆棧一般設(shè)在30H～7FH范圍內(nèi)。單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

（2）片內(nèi)RAM高128BSFR位地址/位符號（有效位83個(gè)）字節(jié)地址P087H86H85H84H83H82H81H80H80HP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0SP不可位尋址81HDPL不可位尋址82HDPH不可位尋址83H*DP1H不可位尋址84H*DP1L不可位尋址85HPCON不可位尋址(按字節(jié)訪問，但相應(yīng)位有特定含義)87HSMOD———GF1GF0PDIDLTCON8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H88HTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0TMOD不可位尋址89HTL0不可位尋址8AHTL1不可位尋址8BHTH0不可位尋址8CHTH1不可位尋址8DH*AUXR———WDIDLEDISRTO——DISALE8EHP197H96H95H94H93H92H91H90H90HP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

（2）片內(nèi)RAM高128BSCON9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H98HSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRISBUF不可位尋址99HP2A7HA6HA5HA4HA3HA2HA1HA0HA0HP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0*AUXR1———————DPSA2HAUXR1為輔助寄存器，DPS=0：選擇DPTR0；DPS=1：選擇DPTR1*WDTRST看門狗使能操作：依次將1EH、E1H送入WDTRSTA6HIEAFHAEHADHACHABHAAHA9HA8HA8HEA——ESET1EX1ET0EX0P3B7HB6HB5HB4HB3HB2HB1HB0HB0HP3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P3.1P3.0IPBFHBEHBDHBCHBBHBAHB9HB8HB8H———PSPT1PX1PT0PX0PSWD7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HD0HCYACF0RS1RS0OV—PAE7HE6HE5HE4HE3HE2HE1HE0HE0HACC.7ACC.6ACC.5ACC.4ACC.3ACC.2ACC.1ACC.0BF7HF6HF5HF4HF3HF2HF1HF0HF0HB.7B.6B.5B.4B.3B.2B.1B.0單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

（2）片內(nèi)RAM高128B①累加器A：A是8位寄存器，字節(jié)地址為E0H。它是CPU中工作最繁忙的寄存器，CPU的大多數(shù)指令都要通過累加器A與其他部分交換信息。累加器A常用于存放使用次數(shù)高的操作數(shù)或中間結(jié)果。在指令系統(tǒng)中，累加器A的助記符“A”或“ACC”。②通用寄存器B：乘除法指令中要用通用寄存器。也可做一般寄存器。③程序狀態(tài)字寄存器PSW：程序狀態(tài)字用于存放程序運(yùn)行狀態(tài)信息，各標(biāo)志位見表1-5。表1-5程序狀態(tài)字位序D7D6D5D4D3D2D1D0位標(biāo)志CYACF0RS1RS0OV—P單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

程序狀態(tài)字寄存器PSWCY：進(jìn)位標(biāo)志，常用C表示。在進(jìn)行加法（或減法）運(yùn)算時(shí)，若運(yùn)算結(jié)果最高位有進(jìn)位（或借位）時(shí)，C置“1”，否則置“0”；在進(jìn)行位操作時(shí)，C作為位操作累加器。

AC：半進(jìn)位標(biāo)志。在進(jìn)行加法（或減法）運(yùn)算時(shí)，若低半字節(jié)向高半字節(jié)有進(jìn)位（或借位）時(shí)，AC置“1”，否則置“0”；AC還作為BCD碼運(yùn)算調(diào)整時(shí)的判別位。

F0：用戶標(biāo)志。由用戶置位、復(fù)位，作為軟件標(biāo)志。

RS1、RS0：工作寄存器指針，用來選擇當(dāng)前工作的寄存器組。單片機(jī)復(fù)位時(shí)，RSlRS0=00，CPU選中第0組為當(dāng)前工作寄存器。OV：溢出標(biāo)志。反映運(yùn)算結(jié)果是否溢出，溢出時(shí)OV為“1”，否則為“0”。溢出和進(jìn)位是兩種不同性質(zhì)的概念。溢出是指有符號數(shù)的兩個(gè)數(shù)運(yùn)算時(shí)，結(jié)果超出了-128～+127；而進(jìn)位是指兩個(gè)數(shù)最高位相加（或相減）時(shí)有進(jìn)位（或借位）。P：奇偶標(biāo)志。反映累加器A中內(nèi)容的奇偶性。若A中有奇數(shù)個(gè)“1”，則P置為“1”，否則P置為“0”。此標(biāo)志位對串行口通信中的數(shù)據(jù)傳輸有重要的意義，在串行通信中，常用奇偶檢驗(yàn)的方法來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴纹瑱C(jī)原理、應(yīng)用與仿真

（2）片內(nèi)RAM高128B④堆棧指針SP(StackPointer)：SP在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM128B中開辟堆棧區(qū)，并隨時(shí)跟蹤棧頂?shù)刂贰Ｋ前聪冗M(jìn)后出的原則存取數(shù)據(jù)的，開機(jī)復(fù)位后，SP為07H。⑤數(shù)據(jù)指針DPTR：由于AT89S51單片機(jī)可以外接64KB的數(shù)據(jù)存儲器和I/O接口電路，故單片機(jī)內(nèi)設(shè)置了16位的數(shù)據(jù)指針DPTR。它可以對64KB的片外數(shù)據(jù)存儲器和I/O進(jìn)行尋址。它的高8位為DPH，地址為83H；低8位為DPL，地址為82H。

AT89S51有兩個(gè)數(shù)據(jù)指針DPTR，由輔助寄存器1（AUXR1）的最低位DPS確定選擇其一。單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

（2）片內(nèi)RAM高128B⑥程序計(jì)數(shù)器PC（ProgramCounter）：16位的PC不屬于特殊功能寄存器。其存放的內(nèi)容是下一個(gè)要取的指令的16位存儲單元地址。也就是說，CPU總是把PC的內(nèi)容作為地址，從ROM中取出指令，然后執(zhí)行，每取出一條指令后，PC的值自動(dòng)加1。⑦輔助寄存器AUXR：輔助寄存器用于使能控制，控制位的含義如下：DISALE：ALE使能。DISALE=0時(shí)，ALE輸出1/6振蕩頻率的脈沖；DISALE=1時(shí)，ALE僅在執(zhí)行MOVX、MOVC指令時(shí)有效。DISRTO：看門狗溢出復(fù)位使能。DISRTO=0時(shí)，看門狗溢出復(fù)位引腳RST致高電平；DISRTO=1時(shí)，RST只作為輸入。WDIDLE：空閑模式下看門狗使能。WDIDLE=0時(shí)，在空閑模式下看門狗繼續(xù)計(jì)數(shù)；WDIDLE=1時(shí)，在空閑模式下看門狗停止計(jì)數(shù)。單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

（3）片外RAMAT89S51的片內(nèi)RAM不夠用時(shí)，可擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲器RAM，最大范圍為0000H~FFFFH ,共64KB。且片內(nèi)RAM與片外RAM低128B地址也重疊，由于對片內(nèi)RAM、片外RAM的操作使用了不同指令（MOV、MOVX），這樣就不會(huì)發(fā)生混亂。另外，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)擴(kuò)展的外部I/O端口與片外RAM是統(tǒng)一編址的，地址范圍為0000H～FFFFH。因此CPU將系統(tǒng)擴(kuò)展的外部I/O端口與片外RAM完全一樣對待，并采用相同的指令。單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

1.2.3

AT89S51單片機(jī)的并行端口結(jié)構(gòu)1.P0口單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

P0口P0口特點(diǎn)如下：P0口地址為80H，可以進(jìn)行位操作。P0口既可以作為數(shù)據(jù)/低8位地址總線，也可以作為通用I/O口使用。P0口采用漏極開路輸出作通用I/O口時(shí)，要接上拉電阻，可推動(dòng)8個(gè)LSTTL電路。P0口作為輸入時(shí)，必須將P0口先置1。單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

2.P1口單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

P1口P1口特點(diǎn)如下：P1口只能作為通用I/O口使用。P1口作為輸入時(shí)，必須將P1口置1。P1口無需接上拉電阻，可以推動(dòng)4個(gè)LSTTL電路。單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

3.P2口單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

P2口P2口特點(diǎn)如下：P2口可以作為高8位地址線，也可以作為通用I/O口。P2作為通用I/O口作為輸出時(shí)，由于內(nèi)部集成了上拉電阻，無需再接上拉電阻，可以推動(dòng)4個(gè)LSTTL電路。P1口無需接上拉電阻就可以推動(dòng)4個(gè)LSTTL電路。輸入時(shí)，P2口必須置1單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

4.P3口單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

P3口的第二功能定義引腳第二功能實(shí)現(xiàn)功能P3.0RXD串行輸入口P3.1TXD串行輸出口P3.2INT0外部中斷0輸入口P3.3INT1外部中斷1輸入口P3.4T0定時(shí)/計(jì)數(shù)器0外部輸入口P3.5T1定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外部輸入口P3.6寫選通輸出口P3.7讀選通輸出口單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

1.2.4看門狗定時(shí)器看門狗定時(shí)器為WDT。WDT為CPU遭遇軟件混亂時(shí)的恢復(fù)方法。由一個(gè)14位的計(jì)數(shù)器和看門狗復(fù)位SFR（WDTRST）構(gòu)成。當(dāng)退出復(fù)位后，WDT默認(rèn)為關(guān)閉狀態(tài)。要打開WDT，需依次將01EH、0E1H寫入到WDTRST中。當(dāng)開啟了WDT，它會(huì)隨晶體振蕩器在每個(gè)機(jī)器周期計(jì)數(shù)。除硬件復(fù)位或WDT復(fù)位外，沒有其他方法關(guān)閉WDT，當(dāng)WDT溢出，將使RST引腳輸出高電平的復(fù)位脈沖。啟動(dòng)看門狗定時(shí)器WDT時(shí)，為避免因WDT溢出而復(fù)位，在其溢出前（計(jì)數(shù)<16384）應(yīng)將01EH、0E1H寫入到WDTRST，稱為喂狗。在合適的程序代碼時(shí)間段，需要周期性地喂狗，以防溢出而復(fù)位。具體應(yīng)用見附錄A。單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

1.3時(shí)鐘電路及復(fù)位電路1.3.1時(shí)鐘電路與時(shí)序1.時(shí)鐘電路單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

1.3時(shí)鐘電路及復(fù)位電路2.時(shí)序（1）時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期是為單片機(jī)提供定時(shí)信號的振蕩源的周期，也稱為振蕩周期，是單片機(jī)的基本時(shí)間單位。為了描述方便，下面敘述中的振蕩周期用P表示。（2）狀態(tài)時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期經(jīng)2分頻后成為內(nèi)部兩相脈沖信號P1、P2，用做單片機(jī)內(nèi)部功能部件按序協(xié)調(diào)工作的控制信號，稱為狀態(tài)時(shí)鐘周期，簡稱狀態(tài)周期，用S表示。單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

1.3時(shí)鐘電路及復(fù)位電路2.時(shí)序（3）機(jī)器周期CPU完成一個(gè)基本操作所需要的時(shí)間稱為機(jī)器周期。規(guī)定一個(gè)機(jī)器周期的寬度為6個(gè)狀態(tài)周期，并依次表示為S1～S6。由于一個(gè)狀態(tài)又包括兩個(gè)時(shí)鐘周期，因此，一個(gè)機(jī)器周期總共有12個(gè)時(shí)鐘周期，分別記作S1P1、S1P2、……、S6P2。（4）指令周期執(zhí)行一條命令所需要的時(shí)間稱為指令周期。AT89S51單片機(jī)有單周期指令、雙周期指令和四個(gè)機(jī)器周期指令。單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

1.3.2復(fù)位電路單片機(jī)原理、應(yīng)用與仿真

AT89