第2章 AT89S51单片机的硬件结构及特性,内容提要：本章介绍了AT89S51单片机的片内硬件基本结构、外部引脚特性、存储器结构、特殊功能寄存器等，同时介绍了单片机应用时所处的几种工作方式以及复位电路、时钟电路及单片机最小应用系统等，为单片机应用系统的设计打下必要的基础。 2.1 AT89S51的内部结构及外部引脚特性 2.2 AT89S51的中央处理器（CPU） 2.3 AT89S51存储器的结构 2.4 AT89S51的时钟电路与时序 2.5 AT89S51的工作方式 2.6 AT89S51单片机的最小系统 思考与练习题2,单片机应用技术是在以单片机为核心构成的硬件系统的基础上，硬件系统与软件系统相结合的一种计算机应用技术，因此，为达到能够设计单片机应用系统的目的，我们必须首先熟练掌握单片机硬件系统的结构、特性和用法。本章主要介绍AT89S51单片机的硬件结构、特性和用法。 AT89S51单片机是一种低功耗、高性能的CMOS 8位单片机，片内集成有4KB的在系统编程特性（ISP）的Flash只读程序存储器和128B的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准的80C51指令集和引脚，片内的Flash程序存储器可在线编程（ISP)，也可用传统方式的编程器进行编程。对于嵌入式控制应用，AT89S51单片机具有很强的灵活性和很高的性价比，是一款功能强大的单片机。,AT89S51单片机的主要特性参数如下： 与MCS-51系列产品完全兼容。 4K字节在系统编程(ISP) Flash存储器，承受10000次擦写周期。 4.0-6.0V的工作电压范围。 全静态工作方式：0MHz-33 MHz。 3级程序加密位。 1288位内部RAM。 32个可编程I/O端口线。 2个16位定时/计数器。 5个中断源。 全双工UART串行口。 低功耗空闲和掉电方式。 掉电方式的中断唤醒功能。,看门狗定时器(WDT)。 双数据指针。 断电标志（POF）。 快速编程特性。 灵活的在系统编程特性（字节或页编程模式)。 绿色环保（不含铅/卤化物）的封装选择。,2.1 AT89S51的内部结构及外部引脚特性,本节在简单介绍AT89S51的内部结构的基础上，重点讲解AT89S51的外部引脚的功能、用法及电气特性，这部分内容是使用单片机的根本基础，必须掌握好。 2.1.1 AT89S51单片机内部功能部件 单片机是采用集成电路技术将计算机作为控制应用所需要的功能部件都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片内，以此作为核心控制器来构成一个单片机应用系统的。 1AT89S51的片内功能部件及特性 AT89S51单片机的片内硬件结构如图2-1所示，包含的功能部件和特性如下： （1）1个8位微处理器（CPU）和1个1位微处理器(CPU，又称布尔处理器) 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）128B数据存储器（RAM）；,2.1 AT89S51的内部结构及外部引脚特性,（3）4KB Flash程序存储器（Flash ROM）； 具有在系统编程特性（ISP）的Flash存储器。 （4）4个8位可编程并行I/O端口（P0口、P1口、P2口、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、2级中断优先权； （9）26个特殊功能寄存器（SFR）； 是片内各个功能部件的控制寄存器、状态寄存器、锁存器等。 （10）低功耗空闲方式和掉电方式，且具有掉电方式下的中断恢复功能； （11）3级程序加密位。,2.1 AT89S51的内部结构及外部引脚特性,图2-1 AT89S51单片机的片内硬件结构,2.1 AT89S51的内部结构及外部引脚特性,2AT89S51增加的功能部件及特性 与AT89C51相比，AT89S51增加的功能部件及特性如下： （1）增加了在系统编程特性（ISP），可以字节和页编程，使程序开发、调试和修改更加方便； （2）增加了5个特殊功能寄存器（SFR）； （3）增加了看门狗定时器；当程序进入“跑飞”或“死循环”状态时可使程序恢复正常运行，提高了系统的抗干扰能力； （4）增加了断电标志（POF）； （5）增加了掉电方式下的中断恢复功能。 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。,2.1 AT89S51的内部结构及外部引脚特性,2.1.2 AT89S51单片机的外部引脚特性 欲掌握AT89S51单片机，需要熟悉和牢记各引脚的功能、用法和电气特性。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个引脚的双列直插式封装形式（DIP），如图2-2所示。此外，还有44个引脚的PLCC和TQFP封装形式的芯片，其中有4个引脚是空闲的。 40个引脚按其功能可分为如下4类： （1）电源引脚：2个，VCC、GND。 （2）时钟引脚：2个，XTAL1、XTAL2。 （3）控制引脚：4个，RST、EA/VPP、ALE/PROG、PSEN。 （4）I/O端口引脚：32个，4个8位I/O端口P0、P1、P2、P3的外部引脚。 下面分类介绍各引脚的功能、用法和电气特性。 1电源引脚 （1）VCC（40引脚）：芯片电源正极性端。接+5V。 （2）GND（20引脚）：芯片电源负极性端。接数字地。,2.1 AT89S51的内部结构及外部引脚特性,图2-2 AT89S51单片机的引脚图（DIP封装）,2.1 AT89S51的内部结构及外部引脚特性,2时钟引脚 （1）XTAL1（19引脚）：片内振荡器反相放大器的输入端和外部时钟发生电路的输入端。 当使用片内振荡器时，该引脚接外部石英晶体和微调电容。当使用外部时钟源时，该引脚接外部时钟振荡器的信号。 （2）XTAL2（18引脚）：片内振荡器反相放大器的输出端。 当使用片内振荡器时，该引脚连接外部石英晶体和微调电容。当使用外部时钟源时，该引脚悬空。 3控制引脚 （1）RST (Reset，9引脚)：复位信号引脚。 输入端，高电平有效。在此引脚加上持续时间大于2个机器周期（1个机器周期包含12个时钟周期）的高电平，可以使单片机复位。当单片机正常工作时，此引脚电平应为低于0.5V的低电平。,2.1 AT89S51的内部结构及外部引脚特性,在辅助寄存器AUXR中DISRTO位为0情况下，当WDT溢出时，将送给该引脚一个长达98个时钟周期的高电平脉冲。在DISRTO位为1情况下，该引脚只做复位信号输入端使用。复位后，DISRTO位的值为0。 另外，该引脚可接上备用电源，当主电源发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该备用电源为片内RAM供电，以保证RAM中的数据不会丢失。 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）EA/VPP (Enable Address/Voltage Pulse of Programming，31引脚)：外部程序存储器访问允许控制端/编程电压端。 双功能输入引脚。 EA功能：如果EA引脚接低电平，在系统进入正常工作状态时，只读取外部的程序存储器中的程序执行，读取的地址范围为0000HFFFFH，,2.1 AT89S51的内部结构及外部引脚特性,片内的4KB Flash程序存储器不使用。如果EA引脚接高电平，单片机从片内程序存储器（4KB）中的程序执行，当PC值超出0FFFH （即超出片内4KB Flash存储器地址范围）时，将自动转向读取片外60KB（1000H-FFFFH）程序存储器空间中的程序执行。 VPP功能：对片内Flash存储器并行编程时，接编程电压。 （3）ALE/PROG（Address Latch Enable/Program Pulse，30引脚）：低8位地址锁存信号/编程脉冲。 双功能引脚，ALE功能是输出端，PROG功能是输入端。 ALE功能：是为CPU访问外部程序存储器或外部数据存储器时提供低8位地址锁存信号输出，将低8位地址信号锁存在外部的低8位地址锁存器中。ALE信号是下降沿有效。当单片机正常运行时，不包括访问外部数据存储器操作，ALE引脚一直有周期性正脉冲信号输出，信号频率固定为单片机时钟振荡器频率fosc的1/6，此信号可用作外部定时或触发信号；每当单片,2.1 AT89S51的内部结构及外部引脚特性,机访问外部数据存储器时，ALE引脚输出的正脉冲信号就要少输出一个脉冲。如果需要，可将辅助寄存器AUXR的DISALE位（ALE禁止位）置1，来禁止ALE引脚输出周期性正脉冲信号的行为，但执行访问外部存储器或I/O口指令时，ALE信号仍然有效，即DISALE位不影响对外部存储器或I/O口的访问。 PROG功能：当对片内 Flash存储器并行编程时，此引脚为编程脉冲输入端。 （4）PSEN（Program Strobe Enable，29引脚）：片外程序存储器的读选通信号。 输出端，低电平有效。当单片机访问外部程序存储器时，每个机器周期输出2次有效信号；当访问外部数据存储器时，PSEN信号无效。 4I/O端口引脚 （1）P0口：8位漏极开路的三态双向I/O端口。（3239引脚）,2.1 AT89S51的内部结构及外部引脚特性,各位引脚名称是P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7。 低8位地址总线/数据总线的分时复用端口：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/数据总线的分时复用端口，此时为三态双向I/O端口。 通用的I/O端口：P0口也可作为通用的I/O端口使用，需外接上拉电阻，没有第三态，此时为准双向I/O端口。如果作为通用I/O端口输入时，应先向端口锁存器写入1（FFH），然后再输入（读引脚）；作为通用I/O端口输出时，可驱动8个LS型TTL负载。 编程代码输入口/校验代码输出口：P0口在对Flash存储器并行编程过程中作为代码的输入口，在校验过程中作为代码的输出口。 （2）P1口：8位的准双向I/O端口。（18引脚） 各位引脚名称是P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7，具有内部上拉电阻。,2.1 AT89S51的内部结构及外部引脚特性,通用I/O端口：没有第三态，为准双向I/O端口。P1口作为通用I/O端口输入时，应先向端口锁存器写入1（FFH），然后再输入（读引脚）；作为通用I/O端口输出时，P1口可驱动4个LS型TTL负载。 串行编程接口：引脚P1.5/MOSI、P1.6/MISO和P1.7/SCK（Serial Clock）可用于对片内Flash存储器串行编程和校验，分别是串行数据输入、串行数据输出和串行移位脉冲（串行时钟）引脚。 （3）P2口：8位的准双向I/O端口。（2128引脚） 各位引脚名称是P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、P2.6、P2.7，具有内部上拉电阻。 高8位地址总线输出端口：当AT89S51扩展外部存储器及I/O接口芯片时，P2口作为高8位地址总线用，输出高8位地址。 通用的I/O端口：P2口也可作为通用的I/O端口使用，为准双向I/O端口。当作为输入口时，应先向端口输出锁存器写入1（FFH），然后再输入（读引脚）；当作为输出口时，P2口可驱动4个LS型TTL负载。,2.1 AT89S51的内部结构及外部引脚特性,（4）P3口：8位的准双向I/O端口。（1017引脚） 各位引脚名称是P3.0、P3.1、P3.2、P3.3、P3.4、P3.5、P3.6、P3.7，具有内部上拉电阻。 通用的I/O端口：P3口可作为通用的I/O端口使用，为准双向I/O端口。当作为输入口时，应先向端口输出锁存器写入1（FFH），然后再输入（读引脚）；当作为输出口时，P3口可驱动4个LS型TTL负载。 P3口的第二功能：P3口具有