第2章 硬件结构

单片机原理与应用

第2章：AT89S51单片机的硬件结构单片机湖北经济学院电子工程系（综合张毅刚、李全利教材资料制作）本章主要内容

2.1AT89S51单片机的硬件组成

2.2AT89S51的引脚功能

2.3AT89S51的CPU2.4AT89S51存储器的结构

2.5AT89S51的并行I/O端口

2.6时钟电路与时序

2.7复位操作和复位电路

2.8低功耗节电模式2.1AT89S51单片机的硬件组成2.1.1AT89S51单片机片内结构2.1.2AT89S51单片机功能部件和特性（1）8位微处理器（CPU）；（2）数据存储器（128BRAM）；（3）程序存储器（4KBFlashROM）；（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）程序存储器具有三级加密保护（片内的Flash存储器有3个可编程的加密位，定义了3个加密级别）。AT89S51的优点

（1）增加在线可编程功能ISP（InSystemProgram），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。2023/2/56MCS-51单片机内部结构图2023/2/572.2AT89S51的引脚功能引脚说明时钟引脚

（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。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。引脚说明（2）/VPP(EnableAddress/VoltagePulseofPrograming，31脚)

：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4KBFlash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4KBFlash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。

=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4KBFlash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。引脚说明

（3）ALE/（AddressLatchEnable/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。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。

：引脚第二功能，对片内Flash编程，为编程脉冲输入脚。2.3AT89S51的CPU

2.3.1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.累加器累加器是一个最常用的专用寄存器，其自身带有全零标志Z，若A=0则Z=1；若A≠0则Z＝0。用途：该标志常用作程序分支的判断条件。3.程序状态字寄存器（1）PSW：程序状态字寄存器。定义格式如右上边。其中，CY：进借位标志；AC：辅助进借位标志；F0：用户标志；RS1、RS0：工作寄存器组选择位。D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OVXPRS1RS0选择工作寄存器组000组（00H～07H）011组（08H～0FH）102组（10H～17H）113组（18H～1FH）表：工作寄存器组选择控制表（2）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。堆栈主要是为子程序调用和中断操作而设。用于保护断点和现场。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。

（3）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。2.3.2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：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。2.4AT89S51存储器的结构存储器的结构特点之一：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。程序存储器数据存储器特殊功能寄存器位地址空间dz片外ROMEA=0片外ROMEA=0片内ROMEA=1片外ROM0000HFFFFH0000H0FFFH1000HFFFFH片外ROMEA=0片内ROMEA=1片外ROM0000H1FFFH2000HFFFFH（a）片内无ROM（b）片内有4KROM（c）片内有8KROM1.程序存储器中断源入口地址外部中断00003H定时/计数器0000BH外部中断10013H定时/计数器1001BH串行口0023H定时/计数器2（仅52子系列有）002BH程序存储器的0000H单元地址是系统程序的启动地址。

6个中断源的地址之间仅隔8个单元，存放中断服务程序往往不够用，这是通常放一条绝对转移指令，转到真正的中断服务程序，真正的中断服务程序放到后面。程序存储器的7个特殊地址2023/2/5222.特殊功能寄存器、数据存储器及位寻址区数据存储器的说明数据存储器RAM主要用来存放运算的中间结果和数据等。其存储空间分布如下：片外RAM最多可扩至64KB存储单元，地址范围为0000H～FFFFH。片内RAM为256B存储单元，地址范围为00H～FFH。片内RAM地址空间共有256B，又分为两个部分：低128B(00H～7FH)为真正的RAM区。高128B(80H～FFH)为特殊功能寄存器(SFR)区。问题：在52子系列中，高128字节RAM和SFR的地址是重叠的，如何区分呢？究竟访问哪一块可通过不同的寻址方式加以区分：访问高128字节RAM采用寄存器间址访问SFR则只能采用直接寻址访问低128字节RAM时，两种寻址均可采用。问题讨论1.工作寄存器组区00H—1FH单元为工作寄存器组区：共32个字节。工作寄存器也称为通用寄存器，用于临时寄存8位信息。工作寄存器共有4组，称为0组、1组、2组和3组，每组8个，分别依次用R0~R7表示进一步说明

20H—2FH为位寻址区，共16字节，128位。位地址范围为00H—7FH。

字节单元地址D7D6D5D4D3D2D1D020H070605040302010021H0F0E0D0C0B0A090822H171615141312111023H1F1E1D1C1B1A191824H272625242322212025H2F2E2D2C2B2A292826H373635343332313027H3F3E3D3C3B3A393828H474645444342414029H4F4E4D4C4B4A49482AH57565554535251502BH5F5E5D5C5B5A59582CH67666564636261602DH6F6E6D6C6B6A69682EH77767574737271702FH7F7E7D7C7B7A79782.位寻址区30H—7FH是一般RAM区，也称为用户RAM区，共80字节。对于52子系列，一般RAM区从30H—FFH单元。另外，对于前两区中未用的单元也可作为用户RAM单元使用。3.一般RAM区堆栈：是按先入后出、后入先出的原则进行管理的一段存储区域。使注意事项：堆栈是用片内数据存储器的一段区域，在具体使用时应避开工作寄存器、位寻址区，一般设在2FH以后的单元，如工作寄存器和位寻址区未用，也可开辟为堆栈。入栈时，SP指针的内容先自动加1，然后再把数据存入到SP指针指向的单元；出栈时，先把SP指针指向的单元的数据取出，然后再把SP指针的内容自动减1。复位时，SP的初值为07H，因此堆栈实际上从08H开始存放数据。4.堆栈区与堆栈指针概念：特殊功能寄存器（SFR）也称专用寄存器，专门用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行I/O口、串行口、定时/计数器、中断系统等功能模块的工作，用户在编程时可以给其设定值，但不能移作它用。地址：分布在80H—FFH地址空间，与片内数据存储器统一编址。5.特殊功能寄存器特殊功能寄存器（SFR）共26个：表2-4SFR的名称及其分布。位寻址：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。凡是可位寻址的SFR，字节地址末位只能是0H或8H。3031新增寄存器的说明1．AUXR寄存器

AUXR是辅助寄存器，其格式如图2-5所示：

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。

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。新增寄存器的说明2．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。35新增寄存器的说明3.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。图2-6

AUXR1寄存器的格式新增寄存器的说明4.看门狗定时器WDTWDT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。36数据存储器数据读写应用实例

【程序1】工作寄存器的读写地址机器码程序注释检查结果ORG0000H；程序从ROM区0000H处开始存放0000H7811MOVR0,#11H；将立即数11H送入寄存器R0中(H)=11H0002H7922MOVR1,#22H；将立即数22H送入寄存器R1中(H)=22H0004H7A33MOVR2,#33H；将立即数33H送入寄存器R2中(H)=33H0006H7B44MOVR3,#44H；将立即数44H送入寄存器R3中(H)=44H0008H75D010MOVPSW,#10H；使当前工作寄存器组为第2组(H)=10H000BH7855MOVR0,#55H；将立即数55H送入寄存器R0中(H)=55H000DH7966MOVR1,#66H；将立即数66H送入寄存器R1中(H)=66H000FH7A77MOVR2,#77H；将立即数77H送入寄存器R2中(H)=77H0011H7B88MOVR3,#88H；将立即数88H送入寄存器R3中(H)=88HEND；程序结束

【程序2】位寻址区的读写

地址机器码程序注释检查结果ORG0100H；程序从ROM区0100H处开始存放0100HD200SETB00H；将位地址为00H的位置1(H)=10102HD201SETB01H；将位地址为01H的位置1(H)=10104HD202SETB02H；将位地址为02H的位置1(H)=10106HD203SETB03H；将位地址为03H的位置1(H)=10108HC204CLR04H；将位地址为04H的位清0(H)=0010AHC205CLR05H；将位地址为05H的位清0(H)=0010CHC206CLR06H；将位地址为06H的位清0(H)=0010EHC207CLR07H；将位地址为07H的位清0(H)=0(20H)=0110HC290CLR90H；将P1.0位清0(H)=00112HD290SETB90H；将P1.0位置1(H)=10114HC291CLR91H；将P1.1位清0(H)=00116HD291SETB91H；将P1.1位置1(H)=1END；程序结束【程序3】一般RAM区和特殊功能寄存器区的读和写

地址机器码程序注释检查结果ORG0200H；程序从ROM区0200H存放0200H753099MOV30H,#99H；将立即数99H送到30H单元中(30H)=(PC)=0203H7545AAMOV45H,#0AAH；将立即数AAH送到45H单元中(45H)=(PC)=0206H758150MOVSP,#50H；将立即数50H送到堆栈指针SP中(H)=50H(PC)=0209H7460MOVA,#60H；将立即数60H送到累加器A中(H)=60H(PC)=020BH759055MOVP1,#55H；将立即数55H送到P1口中(H)=55H(PC)=020EH75D090MOVPSW,#90H；将立即数90H送到PSW中，使当前工作寄存器组为第2组且将CY位置1(H)=90H(PC)=0211H901234MOVDPTR,#1234H；将立即数1234H送到数据指针DPTR中(H)=12H(H)=34HEND；程序结束2.5并行输入/输出端口8051单片机有4个8位并行I/O端口，称为P0、P1、P2和P3口，每个端口都各有8条I/O口线，每条I/O口线都能独立地用作输入或输出。在无片外扩展存储器的系统中，这四个I/O口都可以作为通用I/O口使用。在有片外扩展存储器的系统中，P2口送出高8位地址，P0口分时送出低8位地址和8位数据。

1.P0口P0口某一位的结构图如下图所示，它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器、一个转换开关MUX、一个输出驱动电路(T1和T2)和一个与门及一个非门组成。

(1)P0口用作通用I/O口

MUX与锁存器的Q端接通，与门输出为0，T1截止，输出驱动级就工作在需外接上拉电阻的漏极开路方式。 ①P0口用作输出口 ②P0口用作输入口方式1：读引脚。方式2：读锁存器。(2)P0口用作地址/数据总线

MUX将地址/数据线与T2接通，同时与门输出有效。若地址/数据线为1，则T1导通，T2截止，P0口输出为1；反之T1截止，T2导通，P0口输出为0。当数据从P0口输入时，读引脚使三态缓冲器2打开，端口上的数据经缓冲器2送到内部总线。

（3）P0口小结

①P0口既可作地址/数据总线使用，也可作通用I/O口使用。当P0口作地址/数据总线使用时，就不能再作通用I/O口使用了。②P0口作输出口使用时，输出级属漏极开路，必须外接上拉电阻，才有高电平输出。③P0口作输入口读引脚时，应先向锁存器写1，使T2截止，不影响输入电平。

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。2.P1口P1口是唯一的单功能口，仅能作为通用I/O口使用。由于在其输出端接有上拉电阻，故可以直接输出而无需外接上拉电阻。同P0口一样，当作输入口时，必须先向锁存器写“1”，使场效应管T截止。

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。3.P2口图中的控制信号C决定转换开关MUX的位置：当C=0时，MUX拨向下方，P0口为通用I/O口；当控制信号C=1时，MUX拨向上方，P0口作为地址总线使用。在实际应用中，P2口通常作为高8位地址总线使用。

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。4.P3口P3口用作通用I/O口时，第二输出功能信号W=1，P3口的每一位都可定义为输入或输出，其工作原理同P1口类似。在真正的应用电路中，P3口的第二功能显得更为重要。

P3口的第二功能

引脚第二功能功能说明P3.0RXD串行口输入P3.1TXD串行口输出P3.2外部中断0输入P3.3外部中断1输入P3.4T0定时器/计数器0计数输入P3.5T1定时器/计数器1计数输入P3.6片外RAM写选通信号(输出)P3.7片外RAM读选通信号(输出)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。

下面讨论P1～P3口与LED发光二极管的驱动连接问题。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400A的电流；当P0口某位为低电平（0.45V）时，可提供3.2mA的灌电流。P1～P3口驱动LED发光二极管54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。55（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并行口的直接连接关于负载能力的小节P0口的输出级与P1～P3口的输出级在结构上不同。其输出级无上拉电阻。P0口的每一位能驱动8个LSTTL负载。在作为通用I/O口使用时，输出驱动电路是开漏的，所以，驱动集电极开路(OC门)电路或漏级开路电路需外接上拉电阻。当作为地址/数据总线使用时(T1可以提供上拉电平)，口线不是开漏的，无需外接上拉电阻。P1～P3口的每一位能驱动4个LSTTL负载。无需外接上拉电阻。当作输出口去驱动一个普通晶体管的基极时，应在端口与晶体管基极间串联一个电阻，以限制高电平输出时的电流。

P1口输出功能应用实例

【例1】P1口做输出口，控制八只发光二极管循环点亮(P1口输出低电平时发光二极管被点亮)。

解：由于发光二极管低电平点亮，所以，需要哪个发光二极管点亮，只需在相应的端口输出逻辑0即可。

由于每个发光二极管点亮后要持续一段时间才熄灭，再使下个发光二极管点亮，因此需要编写延时子程序，供主程序反复调用。本例中，延时子程序采用指令循环来实现。

P1口输出功能应用实例

地址机器码程序注释ORG0000H0000H021000LJMPMAINORG1000H1000H74FEMAIN:MOVA,#0FEH1002HF590LOOP:MOVP1,A1004H12100ALCALLDELAY;延时1007H23RLA;左移位1008H80F8SJMPLOOP;循环100AH7FFFDELAY:MOVR7,#0FFH;延时子程序100CH7EFAL1:MOVR6,#0FAH100EHDEFEDJNZR6,$1010HDFFADJNZR7,L11012H22RETEND【例2】利用P1.0输出高低电平，控制继电器的开合，以实现对外部装置(如灯L1和L2)的控制。

解：将单片机的P1.0接继电器控制端JIN，继电器的JZ通过K1接地，常开触点JK接L1，常闭触点JB接L2。编制程序，使P1.0电平变化，高电平时继电器吸合，常开触点闭合，L1点亮，L2熄灭；低电平时继电器不工作，常闭触点闭合，L2点亮，L1熄灭。

参考程序：

地址机器码程序注释ORG0000H0000H022000LJMPMAINORG2000H2000HC290MAIN:CLRP1.0;P1.0送低电平2002H12200CLCALLDELAY;延时2005HD290SETBP1.0;P1.0送高电平2007H12200CLCALLDELAY;延时200AH80F4SJMPMAIN;循环200CH7F06DELAY:MOVR7,#06H;延时子程序200EH7EFFL1:MOVR6,#0FFH2010H7DFAL2:MOVR5,#0FAH2012HDDFEDJNZR5,$2014HDEFADJNZR6,L22016HDFF6DJNZR7,L12018H22RETENDP3口输入功能应用实例

【例3】P3口的P3.0连接一个开关，作为输入端；P1口的P1.0～P1.7连接八只发光二极管，作为输出端。要求用P3.0来控制P1输出的循环灯，即当P3.0输出高电平时，控制P1口的发光二极管左循环点亮；当P3.0输出低电平时，控制P1口的发光二极管右循环点亮(P1口输出低电平时发光二极管被点亮)。

解：在主程序中要对P3.0的状态进行判断。如果P3.0为高电平，则使用循环左移指令。如果P3.0为低电平，则使用循环右移指令。延时子程序同例1。

参考程序：地址机器码程序注释ORG0000H0000H023000 LJMPMAIN ORG3000H3000H74FEMAIN:MOVA,#0FEH3002HF590LOOP:MOVP1,A3004H123010 LCALLDELAY;延时3007H20B003 JBP3.0,L1300AH03 RRA;右移位300BH80F5 SJMPLOOP;循环300DH23L1:RLA;左移位300EH80F2 SJMPLOOP;循环3010H7FFFDELAY:MOVR7,#0FFH;延时子程序3012H7EFAL2:MOVR6,#0FAH3014HDEFEDJNZR6,$3016HDFFADJNZR7,L23018H22RETEND2023/2/5632.6时钟电路与时序

2.6.1时钟电路内部时钟方式外部时钟方式

AT89S51AT89S512023/2/564

2.6.2周期与时序1个机器周期：12个晶荡周期（或6个时钟周期）指令的执行时间称作指令周期（单、双、四周期）2023/2/565典型时序单字节指令