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图3-5 振荡周期、状态周期、机器周期和指令周期
振荡周期：是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。 即由单片机的晶体振荡器产生的时钟脉冲的周期。?
状态周期：每个状态周期为振荡周期的 2 倍, 是振荡周期经二分频后得到的。 在一个状态周期中有两个时钟脉冲，通常称它为P1、P2。
机器周期：一个机器周期包含 6 个状态周期S1~S6, 也就是 12 个振荡周期。 在一个机器周期内, CPU可以完成一个独立的操作。
指令周期：它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。
控制部件是单片机的神经中枢，以主振频率为基准(主振周期即为振荡周期)，控制器控制CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，它将各个硬件环节组织在一起。
一般情况下，算术逻辑操作发生在时相P1期间，而内部寄存器之间的传送发生在时相P2期间，这些内部时钟信号无法从外部观察，故用XTAL2引脚振荡信号作参考。
3.3 AT89S51单片机的工作过程和工作方式
单片机工作过程遵循现代计算机的工作原理(冯·诺依曼原理)，即程序存储和程序控制。存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列(即程序)及运行中所需的数据, 通过一定的方式输入并存储在计算机的存储器中。程序控制是指计算机能自动地逐一取出程序中的指令，加以分析并执行规定的操作。
单片机的工作方式有：复位、程序执行、掉电保护和低功耗、编程、校验与加密等方式。
1．复位方式 通过某种方式，使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。复位方式是单片机的初始化操作。单片机除了正常的初始化外，当程序运行出错或由于操作错误而使系统处于死循环时，也需要按复位键重启机器。MCS—51单片机复位后, 程序计数器PC和特殊功能寄存器复位的状态如表3-1所示。 复位不影响片内RAM存放的内容, 而ALE、PSEN在复位期间将输出高电平。由表3-1 可以看出，复位后：
(1) (PC) =0000H 表示复位后程序的入口地址为0000H，即单片机复位后从0000H单元开始执行程序；
(2) (PSW)=00H， 其中RS1(PSW.4)=0，RS0(PSW.3)=0，表示复位后单片机选择工
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学士学位论文 作寄存器0组；
(3) (SP)=07H 表示复位后堆栈在片内RAM的08H单元处建立； (4) P0口～P3口锁存器为全1状态，说明复位后这些并行接口可以直接作输入口，无须向端口写1。
定时器/计数器、串行口、中断系统等特殊功能寄存器复位后的状态对各功能部件工作状态的影响。
单片机在时钟电路工作以后, 在RST/VPD端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。例如使用晶振频率为12MHz时，则复位信号持续时间应不小于2μs。
复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位以及“看门狗”复位三种类型。前两种见 图3-6所示。 “看门狗”电路则是一种集成有单片机的电源监测、按键复位以及对程序运行进行监控，防止程序“跑飞”而出现死机而设计的电路。
表3-1 PC与SFR复位状态表
寄存器 PC A B PSW SP DPTR P0~P3 IP IE TMOD 复位状态 0000H 00H 00H 00H 07H 0000H FFH XX000000B 0X0000000B 00H 寄存器 TCON T2CON TH0 TL0 TH1 TL1 SCON SBUF PCON 复位状态 00H 00H 00H 00H 00H 00H 00H XXH (0XXX0000B)
图3-6 复位电路
(a) 上电复位电路； (b) 上电/外部复位电路
2. 程序执行方式
程序执行方式是单片机的基本工作方式。由于复位后PC=0000H，因此程序执行总是从地址0000H开始，为此就得在0000H处开始的存储单元安放一条无条件转移指令，以便跳转到实际程序的入口去执行。
3. 待机方式
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学士学位论文 待机方式也称空闲方式，是一种节电工作方式。在待机工作方式中，振荡器保持工作，时钟脉冲继续输出到中断、串行口、定时器等功能部件，使它们继续工作，但时钟脉冲不再送到CPU，因而CPU停止工作。
4. 掉电方式
掉电方式，也被称为停机方式。在掉电方式中，振荡器工作停止，单片机内部所有功能部件停止工作。它同样是一种为降低功耗而设计的节电工作方式。
待机方式和掉电方式都是为了进一步降低功耗而设计的节电工作方式，它们特别适合于电源功耗要求很低的应用场合。这类系统往往是直流供电或停电时依靠备用电源供电，以维持系统的持续工作。CHMOS型单片机的节电方式是由特殊功能寄存器PCON控制，其具体使用可参考相关书籍和手册。空闲和掉电模式外部引脚状态 如下表 3-2 所示：
表3-2 空闲和掉电模式外部引脚状态
模式 空闲模式 空闲模式 掉电模式 掉电模式 程序存储器 内部 外部 内部 外部 ALE 1 1 0 0 PSEN 1 1 0 0 P0 数据 浮空 数据 浮空 P1 数据 数据 数据 数据 P2 数据 地址 数据 数据 P3 数据 数据 数据 数据
5. 编程和校验方式
对于内部集成有EPROM可以进入编程或校验方式。
(1) 内部EPROM编程
编程时，时钟频率应定在3-6MHz的范围内，其余各有关引脚的接法和用法如下： P1口和P2口的P2.0~P2.3为EPROM的4k地址输入，P1为8位地址； P2.4~P2.6以及PSEN应为低电平； P0口为编程数据输入；
P2.7和RST应为高电平；RST的高电平可为2.5V，其余的都以TTL的高低电平为准；
EA/VPP端加+21V的编程脉冲，此电压要求稳定，不能大于21.5V，否则会损坏EPROM
在出现正脉冲期间，ALE/PROG端加上50ms的负脉，完成一次写入。 (2) EPROM程序校验
在程序的保险位未设置前，无论在写入的当时或写入以后，均可将片上程序存贮器的内容读出进行检验，在读出时，除P2.7脚保持为TTL低电平之外，其他引脚与写入EPROM的连接方式相同。要读出的程序存贮器单元地址由P1口和P2口的P2.0~P2.3送入，P2口的其他引脚及PSEN保持低电平，ALE、EA和RST接高电平，检验的单元内容由P0口送出。在检验操作时，需在P0的各位外部加上电阻10k?。
(3) 程序存贮器的保险位
AT89S51内部有一个保险位，亦称保密位，一旦将该位写入便建立了保险，就可禁止任何外部方法对片内程序存贮器进行读写。将保险位写入以建立保险位的过程与正常
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学士学位论文 写入的过程相似，仅只P2.6脚要加TTL高电平而不是像正常写入时加低电平，而P0、P1和P2的P2.0~P2.3的状态随意，加上编程脉冲后就可使保险位写入。
保险位一旦写入，内部程序存贮器便不能再被写入和读出校验，而且也不能执行外部存贮器的程序。只有将EPROM全部擦除时，保险位才能被一起擦除，也才可以再次写入。
通过以上对单片机硬件系统的简单介绍，应该已经掌握了单片机的内部结构及工作的原理和过程，但是单片机要实现它的强大控制功能特性，只有硬件是不能工作的，还必须依靠它的指令才能发挥单片机的强大作用。下面介绍单片机的指令系统。
3.4 AT89S51的指令系统
指令是规定计算机进行某种操作的命令，一条指令只能完成有限的的功能，为使计算机完成一定的或复杂的功能就需要一系列指令。计算机能够执行的各种指令的集合称为指令系统。单片机的主要功能也是有指令系统体现的。
C51 指令系统使用了 7种寻址方式，共有111条指令。指令一般有两部分组成，即操作码和操作数。
80S51 汇编语言指令格式如下： 操作码 [操作数] ；[注释]
操作码 ：是有助记符表示的字符串，它规定了指令的操作功能。 操作码 ：是指参加操作的数据或数据的地址。 注释 ：是为该条指令作的说明，以便于阅读。
在80S51指令系统中，操作数可以是1、2、3个，也可以没有。不同功能的指令，操作数作用不同。例如，传送指令多数有两个操作数，写在左边的称为目的操作数(表示操作结果存放的单元地址)，写在右边的称为元操作数(支出操作数的来源)。
例如，一条传送指令的书写格式为：
MOV A ，3A H ； 表示将3A H 存储单元的内容送到累加器 A中。
1. 寻址方式包括：立即数寻址、直接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、变址寻址(基址寄存器 + 变址寄存器间接寻址)、相对寻址、位寻址，共7种寻址方式，且每种寻址方式所涉及的存储器空间各有不同。请参考相关书籍。
2. 数据传送类指令； 3. 算数运算类； 4. 逻辑运算类； 5. 控制转移类； 6. 位操作类；
80S51 指令系统的寻址方式、各类指令的格式及功能等相关内容，请参考相关书籍，这里不再赘述。但指令系统是学习和使用单片机的一个很重要环节，应理解和熟练掌握这些指令系统。且不同种类的单片机其指令系统一般是不同的。
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学士学位论文 3.5 本章小结
AT89S51单片机是美国Atmel公司生产低电压，高性能CMOS 8位单片机。51单片机有微处理器、储存器、I/O口以及特殊功能寄存器SFR构成。51单片机有两种时钟信号有内部时钟方式和外部是种方式两种。内部的各种微操作都以晶振周期为时序的基准。晶振信号二分频后形成两种相错开的时钟信号P1和P2，12分频后形成机器周期。一个机器周期包含12个晶振周期(或6个时钟周期)。指令的执行时间称作指令周期。51单片机的存储器在物理上设计成程序存储器和数据存储器两个独立的空间片内程序存储器容量为4KB，片内数据存储器为128字节。51的工作方式有复位方式、程序执行方式、待机方式、掉电方式、编程和校验方式
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