学士学位论文 第3章 AT89S51单片机概述
3.1 AT89S51单片机的结构
AT89S51单片机是美国Atmel公司生产低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器(EPROM)和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存取技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash 存储单元，功能强大。AT89S51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
图3-1为AT89S51单片机的基本组成功能方块图。有图可见，在这一块芯片上，集成了一台微型计算机的主要组成部分，其中包括CPU、存储器、可编程I/O口、定时器/计数器、串行口等，各部分通过内部总线相连。下面介绍几个主要部分。
外时钟源 外部事件计数
振荡器和时序 OSC 程序存储器 4 KB ROM 数据存储器 256 B RAM/SFR 定时器/计数器 2 ×16 AT89S51 CPU 内中断 64 KB总线 扩展控制器 可编程 I/O 可编程全 双工串行口
外中断 控制 并行口 串行通信
图3-1 AT89S51功能方块图
1. 中央处理器(CPU)
中央处理器是单片机最核心的部分，是单片机的大脑和心脏，主要完成运算和控制功能。AT89S51的CPU是一个字长为8位的中央处理单元，即它对数据的处理是按字节为单位进行的。
2. 内部数据存储器(内部RAM)
AT89S51 中共有256个RAM单元，但其中能作为寄存器供用户使用的仅有前面128个，后128个被专用寄存器占用。
3. 内部程序存储器(内部ROM)
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学士学位论文 AT89S51 共有4 KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据等。
4. 定时器/计数器
AT89S51 共有2 个16 位的定时器/计数器，可以实现定时和计数功能。 5. 并行I/O 口
AT89S51 共有4 个8 位的I/O口(P0、P1、P2、P3口)，可以实现数据的并行输入、输出。
6. 串行口
AT89S51有1 个全双工的可编程串行口，以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。
7. 时钟电路
AT89S51 单片机内部有时钟电路，但晶振和微调电容需要外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。
8. 终端系统
AT89S51 的中断系统功能较强，可以满足一般控制应用的需要。它共有5 个中断源：2 个外部中断源/INTO和/INT1 ；3 个内部中断源，即2个定时/计数中断，1个串行口中断。
由上所述，AT89S51虽然是一块芯片，但它包括了构成计算机的基本部件，因此可以说它是一台简单的计算机。
AT89S51 较详细的内部结构如附录B所示。
3.1.1 管脚说明
ATMEL公司的AT89S51是一种高效微控制器。采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，如图3-2所示。AT89S51单片机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。
图3-2 DIP封装引脚图
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图3-3 SMT的封装图
VCC：供电电压。 GND：接地。
P0口： P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口： P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口： P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89S51的一些特殊功能口，如下所示： P3口管脚备选功能 P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口)
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学士学位论文 P3.2 /INT0(外部中断0)
P3.3 /INT1(外部中断1) P3.4 T0(记时器0外部输入) P3.5 T1(记时器1外部输入)
P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)
P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电
ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许端的输出电平用于锁存地址的地址字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输
出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：外部程序存储器的选通信号端。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。
3.1.2 主要特性
·与MCS-51 兼容 ·4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 ·全静态工作：0Hz-24Hz ·三级程序存储器锁定 ·128*8位内部RAM ·32可编程I/O线 ·两个16位定时器/计数器 ·5个中断源 ·可编程串行通道 ·低功耗的闲置和掉电模式 ·片内振荡器和时钟电路
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学士学位论文 3.1.3 振荡器特性
1. XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。内外部正当电路如图3-4所示。
图3-4 内外部振荡器电路
2. 芯片擦除
整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89S51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
3.2 AT89S51单片机的工作周期
单片机有了硬件和软件就可以在控制器发出的控制信号作用下有条不紊地工作，控制信号必须定时发出，为了定时计算机内部必须有一个准确的定时脉冲。这种定时脉冲是由晶体振荡器产生的，并组成下面几种工作周期，如图3-5所示。
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