单片机S的结构和原理

1、2021-12-151第第2 2章章 89S5189S51的结构和原理的结构和原理89S51的的基本结构基本结构2.189S51的的引脚配置引脚配置2.289S51的的应用模式应用模式2.389S51的的时钟电路和时序时钟电路和时序2.489S51的的存储器组织存储器组织2.52021-12-1522.1 89S51的基本内部结构的基本内部结构2021-12-153 功能部件和功能部件和资源资源：（1 1）8 8位微处理器（位微处理器（CPUCPU）；）；（2 2）数据存储器（）数据存储器（128B RAM128B RAM）；）；（3 3）程序存储器（）程序存储器（4KB Flash ROM4

2、KB Flash ROM）；）；（4 4）4 4个个8 8位并口（位并口（P0P0口、口、P1P1口、口、P2P2口、口、P3P3口）；口）；（5 5）1 1个全双工的异步串行口；个全双工的异步串行口；（6 6）2 2个可编程的个可编程的1616位定时器位定时器/ /计数器；计数器；2021-12-154（7 7）1 1个看门狗定时器；个看门狗定时器； 当当CPUCPU由于干扰使程序陷入死循环或跑飞时由于干扰使程序陷入死循环或跑飞时，WDT(WatchDogWDT(WatchDog Timer) Timer)可可使程序恢复正常运行。使程序恢复正常运行。（8 8）中断系统具有）中断系统具有5 5

3、个中断源、个中断源、5 5个中断向量；个中断向量；（9 9）特殊功能寄存器（）特殊功能寄存器（SFRSFR，Special Function Special Function RegisterRegister）2626个个，用于，用于CPUCPU对各功能部件的控制和对各功能部件的控制和状态监测。状态监测。（1010）低功耗模式有空闲模式和掉电模式）低功耗模式有空闲模式和掉电模式。2021-12-155与与AT89C51AT89C51相比，相比，AT89S51AT89S51有更突出的优点：有更突出的优点：（1 1）增加在）增加在系统系统可编程功能可编程功能ISPISP（In System In

4、System ProgramProgram），），不需从电路板上拔下芯片就可直接编不需从电路板上拔下芯片就可直接编程程，调试和修改，调试和修改程序程序更加方便；更加方便；（2 2）数据指针）数据指针DPTRDPTR增加到两个，方便了对片外增加到两个，方便了对片外RAMRAM的访问；的访问；（3 3）增加了看门狗定时器，提高了系统的抗干扰）增加了看门狗定时器，提高了系统的抗干扰能力能力。2021-12-156 AT89S51 AT89S51完全兼容完全兼容AT89C51AT89C51，原来在原来在AT89C51AT89C51编编写的程序，完全可以在写的程序，完全可以在AT89S51AT89S51

5、中运行，因此，中运行，因此，在在充分保留原来软、硬件条件下，完全可以用充分保留原来软、硬件条件下，完全可以用AT89S51AT89S51直接代换直接代换AT89C51AT89C51。2021-12-157 AT89S51 AT89S51采用采用4040只引脚只引脚的的双列直插双列直插（DIPDIP）封装）封装，如如图图2-22-2所示所示。2.2 89S51的引脚配置的引脚配置2021-12-1582021-12-15989S5189S51双列直插（双列直插（DIPDIP）封类型的引脚图）封类型的引脚图P1P1口口P3P3口口P0P0口口P2P2口口 时钟端时钟端 复位端复位端控制信号控制信号

6、 接接VCCVCC（+5V+5V） 接地端接地端2021-12-15104个个8位并口（位并口（P0P3），），4x8=32个引脚。个引脚。电源、地，电源、地，2个。个。电源电源Vcc=+5V，地，地Vss接地。接地。时钟电路引脚时钟电路引脚XTAL1和和XTAL2，2个。个。4个控制引脚个控制引脚RST、EA、ALE、PSEN。 89S5189S51单片机的单片机的4040个引脚个引脚2021-12-1511P0口作为低口作为低8位地址线和位地址线和8位数据线，分时复用。位数据线，分时复用。 由由ALE控制，高电平时传地址，低电平时传数据。控制，高电平时传地址，低电平时传数据。P2口作为高口

7、作为高8位地址线。位地址线。 P0 P0和和P2P2口的使用口的使用P2口提供高口提供高8位地址，位地址，P0口提供低口提供低8位地址，则位地址，则形成形成16位地址，能够寻址位地址，能够寻址64K的空间。的空间。2021-12-1512P1口常作为普通的口常作为普通的I/O口使用，实现与外部设备口使用，实现与外部设备的串行通信。的串行通信。例如：单片机与外部键盘、例如：单片机与外部键盘、LED灯、蜂鸣器等灯、蜂鸣器等的连接，都是通过的连接，都是通过P1口来实现的。口来实现的。 P1P1口的使用口的使用2021-12-1513P3口常用其第二功能：口常用其第二功能： P3P3口的使用口的使用R

8、D(片外数据存储器读选通控制输出) P3.7WR(片外数据存储器写选通控制输出) P3.6T1(定时器1的外部输入) P3.5T0(定时器0的外部输入) P3.4INT1(外部中断1输入) P3.3INT0(外部中断0输入) P3.2TXD(串行口输出) P3.1RXD(串行口输入) P3.0第二功能第二功能引脚引脚2021-12-1514RST(9RST(9脚脚) )：RSTRST是复位信号输入端，高电平有效。是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期当此输入端保持两个机器周期(24(24个时钟振荡周期个时钟振荡周期) )的的高电平时，就可以完成复位操作。高电平时，就可以完成复

9、位操作。当看门狗定时器溢当看门狗定时器溢出输出时，该脚将输出长达出输出时，该脚将输出长达9696个时钟振荡周期个时钟振荡周期(8(8个机个机器周期器周期) )的高电平的高电平，让单片机复位，让单片机复位。ALEALEPROGPROG(30(30脚脚) )：地址锁存允许信号端。：地址锁存允许信号端。当当单片单片机机上电正常工作后，上电正常工作后，ALEALE引脚不断向外输出正脉冲信引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率号，此频率为振荡器频率foscfosc的的l l/ /6 6。此引脚的第二此引脚的第二功能功能PROGPROG是对片内带有是对片内带有可编程的可编程的ROMROM的的单片机

10、单片机编程写编程写入入( (固化程序固化程序) )时，作为编程脉冲的输入端。时，作为编程脉冲的输入端。 控制信号引脚控制信号引脚RSTRST、EAEA、ALEALE、PSENPSEN2021-12-1515PSEN(29PSEN(29脚脚) )：程序存储允许输出信号端。在访问：程序存储允许输出信号端。在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。存储器的选通信号。EAEAVPPVPP（3l3l脚脚) )：外部程序存储器地址允许输入端：外部程序存储器地址允许输入端/ /固化编程电压输入端。当固化编程电压输入端。当EAEA引脚接

11、高电平时，引脚接高电平时，CPUCPU先先访问片内访问片内程序存储器程序存储器并执行内部程序存储器中的指令，并执行内部程序存储器中的指令，然后再访问外部然后再访问外部ROMROM的内容。输入信号的内容。输入信号EAEA引脚接低电平引脚接低电平( (接地接地) )时，时，CPUCPU只访问外部只访问外部外部外部ROMROM并执行外部程序存并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。 控制信号引脚控制信号引脚RSTRST、EAEA、ALEALE、PSENPSEN2021-12-15162.3 89S512.3 89S51的应用模式的应用模式扩

12、展总线的应用模式扩展总线的应用模式 不扩展总线的应用模式不扩展总线的应用模式 2021-12-1517 8D8D锁存器锁存器74LS37374LS373 由由ALE(AddressALE(Address Latch Enable) Latch Enable)作为控制端：作为控制端： ALEALE高电平时，输出跟踪输入。此时，进行地址高电平时，输出跟踪输入。此时，进行地址传输。传输。2021-12-15182.4 89S512.4 89S51的时钟与时序的时钟与时序 时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直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

13、钟电路有两种方式接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式：内部时钟方式内部时钟方式、外部时钟方式。外部时钟方式。内部时钟方式内部时钟方式 外部时钟方式外部时钟方式 2021-12-1519n 内部时钟方式内部时钟方式 AT89S51 AT89S51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，输入端为芯片引脚大器，输入端为芯片引脚XTAL1XTAL1，输出端为引脚，输出端为引脚XTAL2XTAL2。这。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的自激振荡器。2021-12-15

14、20 内部时钟方式内部时钟方式2021-12-1521 C1和和C2的典型值通常选择为的典型值通常选择为约约30pF30pF。电容大小会影响。电容大小会影响振荡器的稳定性和起振振荡器的稳定性和起振速度速度。晶振频率范围通常是。晶振频率范围通常是1.21.212MHz12MHz。晶体频率越高，单片机速度就越快。速度快。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，对存储器的速度要求就高，对对印制电路板的工艺要求也高，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

15、地工作。近，以减少寄生电容，保证振荡器稳定、可靠地工作。 常选常选6MHz6MHz或或12MHz12MHz的石英晶体的石英晶体，此时对应的机器周期，此时对应的机器周期是是2s、1s。2021-12-1522 外部时钟方式外部时钟方式2021-12-1523 用现成的外部振荡器产生脉冲信号，常用于多片用现成的外部振荡器产生脉冲信号，常用于多片AT89S51AT89S51同时工作，以便于多片同时工作，以便于多片AT89S51AT89S51单片机之间的同步，单片机之间的同步，一般为低于一般为低于12MHz12MHz的方波。的方波。 外部时钟源直接接到外部时钟源直接接到XTAL1XTAL1端，端，XT

16、AL2XTAL2端悬空。端悬空。2021-12-1524 89S5189S51的时钟信号的时钟信号2021-12-152589S5189S51单片机的复位单片机的复位复位复位可使单片机可使单片机或或系统部件处于确定的系统部件处于确定的初始状态初始状态。 复位电路复位电路 上电复位电路上电复位电路 按键与上电复位按键与上电复位 思考：复位电路的基本原理？思考：复位电路的基本原理？2021-12-1526 单片机复位后的状态单片机复位后的状态 PC PC = = 00000000H H，复位后程序从，复位后程序从0000H0000H开始执行。开始执行。 RAMRAM：随机值随机值（运行中复位不改变

17、（运行中复位不改变RAMRAM内容内容 ） SFRSFR： P0P0P3=P3=FFFFH H SP= SP=0707H H IP IP、IEIE和和PCONPCON：有效位为：有效位为0 0 PSW= PSW=0000H H2021-12-15272.5 89S51的存储器组织的存储器组织89S5189S51的存储器可以分成两大类：的存储器可以分成两大类： RAMRAM，CPUCPU在运行时能随时进行数据的写入和读出，在运行时能随时进行数据的写入和读出，但在关闭电源时，其所存储的信息将丢失。但在关闭电源时，其所存储的信息将丢失。用来存用来存放暂时性的输入输出数据、运算的中间结果或用作放暂时性

18、的输入输出数据、运算的中间结果或用作堆栈。堆栈。 ROMROM，写入信息后不易改写的存储器。断电后，写入信息后不易改写的存储器。断电后，其中的信息保留不变。其中的信息保留不变。用来存放固定的程序或数据，用来存放固定的程序或数据，如系统监控程序、常数表格等。如系统监控程序、常数表格等。 2021-12-15282.5.1 89S512.5.1 89S51单片机的程序存储器配置单片机的程序存储器配置片片内内与片与片外外程序存储器的选择程序存储器的选择 EAEA引脚接高电平引脚接高电平-从片内从片内ROMROM开始访问开始访问2021-12-1529 EAEA引脚接地引脚接地-从片外从片外ROMRO

19、M开始访问开始访问2021-12-1530 程序存储器低端的几个特殊单元程序存储器低端的几个特殊单元 2021-12-1531 程序存储器中的指令代码及其观察程序存储器中的指令代码及其观察 2021-12-15322.5.2 89S512.5.2 89S51单片机数据存储器的配置单片机数据存储器的配置片片内、内、片片外外数据存储器概况数据存储器概况 片内片内RAMRAM及及SFR SFR 片外片外RAM RAM 2021-12-1533寄存器及其存储器映射如下图：寄存器及其存储器映射如下图：2021-12-1534片内片内RAMRAM详图详图 2021-12-1535说明：说明： 00H00H

20、1FH1FH：工作寄存器区，：工作寄存器区，4 4组寄存器，每组组寄存器，每组8 8个（个（R0R0R7R7）；）； v 20H 20H2FH2FH：位寻址区，共：位寻址区，共1616字节，字节，128128位。位。v 30H 30H7FH7FH：用户：用户RAMRAM区。区。egeg. .设置设置SPSP、缓冲区暂存数据。、缓冲区暂存数据。以上三部分（以上三部分（00H00H7FH7FH）共）共128128字节，即片内字节，即片内128128字节字节RAMRAM。v 特殊功能寄存器（特殊功能寄存器（SFRSFR）与内部）与内部RAMRAM统一编址，地址范围统一编址，地址范围 是是80H80H

21、FFHFFH，离散分布。，离散分布。2021-12-1536工作寄存器区（工作寄存器区（4 4组寄存器）组寄存器） 寄存器组寄存器组0 0：地址：地址00H00H07H07H 寄存器组寄存器组1 1：地址：地址08H08H0FH0FH 寄存器组寄存器组2 2：地址：地址10H10H17H17H 寄存器组寄存器组3 3：地址：地址18H18H1FH1FH当前工作寄存器组当前工作寄存器组选择选择 PSWPSW寄存器中：寄存器中： 2021-12-1537 位寻址空间位寻址空间 共有共有211个个可寻址位：可寻址位：(1)片内片内RAM 的的20H2FH 单元单元，共，共16个字节，个字节，128位

22、位，位地址范围为位地址范围为 00H7FH。(2)能够能够位寻址的位寻址的SFR有有11个，共有个，共有88位，位，其中其中5位未用，其余位未用，其余83位位离散分布离散分布在在片内片内RAM字节地址字节地址为为80HFFH的范围内的范围内。 能够位寻址的能够位寻址的SFR，其字节地址的末位都为其字节地址的末位都为0H或或8H。2021-12-1538 片内片内RAMRAM的位寻址区的位寻址区 字节字节地址地址位地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D020H07H06H05H04H03H02H01H00H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H22H17H16H15H14H13

23、H12H11H10H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H24H27H26H25H24H23H22H21H20H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H26H37H36H35H34H33H32H31H30H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H28H47H46H45H44H43H42H41H40H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6A

24、H69H68H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H2021-12-1539 位寻址与字节寻址的区别：依靠指令区分位寻址与字节寻址的区别：依靠指令区分 举例：举例：SETB 26H(24H.6) ；置1 CLR 26H(24H.6) ；置0 MOV ACC，26H2021-12-1540通用通用RAMRAM区区 30H30H7FH7FH，共，共8080字节字节 数据缓冲数据缓冲 堆栈堆栈 SPSP指示栈顶指示栈顶 复位时复位时SPSP= =0707H H 系统初始化通常系统初始化通常重新设置重新设置2021-12-1541R

25、AMRAM内容查看内容查看 2021-12-15422.5.3 89S512.5.3 89S51单片机的特殊功能寄存器（单片机的特殊功能寄存器（SFRSFR）基本型单片机有基本型单片机有2626个个SFRSFR离散地分布在离散地分布在80H80HFFHFFH空间。空间。 与运算器相关与运算器相关3 3个个 ACCACC B B PSWPSW与定时与定时/ /计数器相关计数器相关6 6个个 TH0,TL0TH0,TL0 TH1,TL1TH1,TL1 TMODTMOD TCON TCON指针类指针类3 3个个 SPSP DPH,DPLDPH,DPL与口相关与口相关7 7个个 P0,P1,P2,P3

26、P0,P1,P2,P3 SBUFSBUF SCON SCON PCONPCON与中断相关与中断相关2 2个个 IEIE IPIP2021-12-1543特殊功能寄存器（特殊功能寄存器（SFRSFR）： 89S51 89S51单片机有单片机有2626个个特殊功能寄存器特殊功能寄存器，用于用于对对片内各功能部件片内各功能部件的的管理、控制和监视管理、控制和监视，是各个功是各个功能部件的控制寄存器和状态寄存器，映射在片内能部件的控制寄存器和状态寄存器，映射在片内RAMRAM区区80H80HFFHFFH内。内。 映射：映射：SFRSFR不是普通不是普通RAMRAM，但是和普通，但是和普通RAMRAM统

27、一统一编址。其优点是：编址。其优点是：CPUCPU把它们都当作普通把它们都当作普通RAMRAM进行进行访问，不做指令的区分，减少指令集的数目。访问，不做指令的区分，减少指令集的数目。2021-12-15442021-12-15452021-12-1546说明：说明：n 累加器累加器A A：ALUALU的数据源之一，并存放计算结果；的数据源之一，并存放计算结果； 常作为数据传送的中转站。常作为数据传送的中转站。n 寄存器寄存器B B：专为乘法和除法设置，是数据源之一，并存放计：专为乘法和除法设置，是数据源之一，并存放计算结果。不做乘除法时，可作为普通寄存器使用。算结果。不做乘除法时，可作为普通寄

28、存器使用。 乘法乘法：两乘数分别在两乘数分别在A A、B B中，执行乘法指令后，乘积在中，执行乘法指令后，乘积在BABA中中除法除法：被除数取自被除数取自A A，除数取自，除数取自B B，商存放在，商存放在A A中，余数存中，余数存B B中。中。n 程序计数器程序计数器PCPC：1616位寄存器，存放下一条将要执行的程位寄存器，存放下一条将要执行的程序的地址，即指向下一条将要执行的程序。序的地址，即指向下一条将要执行的程序。2021-12-1547 程序计数器程序计数器PCPC是一个是一个1616位计数器，不可访问。单片机位计数器，不可访问。单片机复位时，复位时，PCPC中内容为中内容为000

29、0H0000H，即即CPUCPU从程序存储器从程序存储器的的0000H0000H单元单元开始开始取指令执行。取指令执行。 PC PC工作过程是：工作过程是：CPUCPU读指令时，读指令时，PCPC的内容作为所取指令的内容作为所取指令的地址，的地址，通过地址总线传给程序存储器，通过地址总线传给程序存储器，程序存储器按此程序存储器按此地址输出指令字节，同时地址输出指令字节，同时PCPC自动加自动加1 1。 PC PC中内容变化轨迹决定程序中内容变化轨迹决定程序的的流程。当顺序执行程序时流程。当顺序执行程序时自动加自动加1 1；执行转移程序或子程序、中断子程序调用时，自；执行转移程序或子程序、中断子

30、程序调用时，自动将其内容更改成所要转移的目的地址。动将其内容更改成所要转移的目的地址。2021-12-1548位序位序D7D6D5D4D3D2D1D0位位标志标志CYACF0RS1RS0OV/PCYCY：进位和借位标志，当指令执行中有进位和借位产生时，：进位和借位标志，当指令执行中有进位和借位产生时，CYCY为为1 1，反，反 之为之为0 0。ACAC：辅助进位、借位标志。当低：辅助进位、借位标志。当低4 4位对高位对高4 4位进位或借位时，位进位或借位时，ACAC为为1 1，反，反之为之为0 0。常用于。常用于BCDBCD码的计算。码的计算。F0:F0:用户标志位，其作用由用户自定义。用户标

31、志位，其作用由用户自定义。( (egeg. .流程控制流程控制) )RS1RS1和和RS0RS0：工作寄存器选择标志位。：工作寄存器选择标志位。OVOV：溢出标志位。：溢出标志位。P P：奇偶校验位，当：奇偶校验位，当A A中中1 1的个数为偶数时的个数为偶数时P=0P=0，奇数时为，奇数时为1 1。( (检错功能检错功能) )n PSW(ProgramPSW(Program Status Word) Status Word)指令状态字指令状态字2021-12-1549n 堆栈指针堆栈指针SPSP，8 8位寄存器，它总是指向栈顶。位寄存器，它总是指向栈顶。 堆栈操作遵循堆栈操作遵循“后进先出后

32、进先出”的原则，入栈操作时，的原则，入栈操作时，SPSP先加先加1 1，数据再压入，数据再压入SPSP指向的单元。出栈操作时，指向的单元。出栈操作时，先将先将SPSP指向的单元的数据弹出，然后，指向的单元的数据弹出，然后，SPSP再减再减1 1，这，这时时SPSP指向的单元是新的栈顶。指向的单元是新的栈顶。 作用：现场的保护与恢复。作用：现场的保护与恢复。( (中断、子程序调用中断、子程序调用) ) 单片机复位后，单片机复位后，SPSP为为07H07H，使得堆栈实际上从，使得堆栈实际上从08H08H单元开始，单元开始，由于由于08H08H1FH1FH单元分别是属于单元分别是属于1 13 3组的

33、工组的工作寄存器区，作寄存器区，因此，因此，在复位在复位后需后需把把SPSP值改置为值改置为60H60H或或更大的值，避免堆栈与工作寄存器冲突。更大的值，避免堆栈与工作寄存器冲突。2021-12-1550与与AT89C51AT89C51相比，新增相比，新增了了5 5个个SFRSFR：DP1LDP1L、DP1HDP1H，即，即DPTR1DPTR1AUXRAUXR、AUXR1AUXR1WDTRSTWDTRST。2021-12-1551n AUXR AUXR是辅助寄存器，其格式如是辅助寄存器，其格式如下下图图所示所示：DISALEDISALE：ALEALE的禁止的禁止/ /允许位。允许位。0 0：A

34、LEALE有效，发出脉冲；有效，发出脉冲； 1 1：ALEALE仅在执行仅在执行MOVCMOVC和和MOVXMOVX类指令类指令访问外部存储器访问外部存储器时时有效，不访问外部存储器时，有效，不访问外部存储器时，ALEALE不输出脉冲信号不输出脉冲信号。2021-12-1552 DISRTO DISRTO：禁止：禁止/ /允许允许WDTWDT溢出时的复位输出。溢出时的复位输出。 0 0：WDTWDT溢出时，在溢出时，在RSTRST引脚输出一个高电平脉冲；引脚输出一个高电平脉冲； 1 1：RSTRST引脚仅为输入脚。引脚仅为输入脚。 WDIDLE WDIDLE：WDTWDT在空闲模式下的禁止在空闲模式下的禁止/ /允许位。允许位。 0 0： WDTWDT在空闲模式下继续计数；在空闲模式下继续计数； 1 1： WDTWDT在空闲模式下暂停计数。在空闲模式下暂停计数。2021-12-1553n AUXR1 AUXR1是辅助寄存器，格式如是辅助寄存器，格式如下下图图所示所示： DPSDPS：数据指针寄存器选择位。：数据指针寄存器选择位。0 0：选择数据指针寄存器选择数据指针寄存器DPTR0DPTR0；1 1：选择数据指针寄存器选择数据指针寄存器DPTR1DPTR1。202