AT89S51单片机硬件结构

AT89S51单片机片内结构

由此可以看出，基本结构为CPU 加上外围芯片的传统微机结构。CPU对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（SFR，Special Function Register）的集中控制方式。片内各功能部件通过片内单一总线连接而成。有如下功能部件和特性：

8位微处理器（CPU）：与通用CPU基本相同，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。
数据存储器（128B RAM）：片内为128B（52子系列为256B），片外最多可扩64KB。
程序存储器（4KB Flash ROM）：片内集成有4KB的Flash存储器（AT89S52 则为8KB；AT89C55片内20KB），如片内容量不够，片外可外扩至64KB。
4个8位可编程并行I/O口：P0口、P1口、P2口、P3口。
1个全双工的异步串行口，4种工作方式。可进行串行通信，扩展并行I/O口，还可与多个单片机构成多机通信系统。
中断系统有5个中断源，2级中断优先级。
2个可编程的16位定时器/计数器（52子系列有3个16位定时器/计数器），4种工作方式。
1个看门狗定时器，当由于干扰程序陷入死循环或跑飞时，可使程序恢复正常运行。
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。
特殊功能寄存器（SFR）26个，对片内各功能部件管理、控制和监视。是各功能件的控制寄存器和状态寄存器，映射片内RAM区80H～FFH内。

AT89S51双列直插封装方式的引脚

特殊功能引脚
（1）VCC（40脚）：+5V电源。
（2）VSS（20脚）：数字地。
（3）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，该脚接来自外部时钟振荡器的信号。
（4）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。
（5）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。当看门狗溢出时，该脚将输出96个时钟振荡周期的高电平。
（6）EA*/VPP (Enable Address/Voltage Pulse of Programing，31脚)：
EA*：引脚第一功能，外部程序存储器访问允许控制端。
EA*=1，在PC值≤0FFFH（不超出片内4KB Flash存储器地址范围）时，单片机读片内Flash存储器（4KB）中的程序，但PC值>0FFFH （超出片内4KB Flash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。
EA*=0，只读取片外程序存储器中内容，读取地址范围为0000H～FFFFH，片内的4KB Flash 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。
（7）ALE/PROG*（Address Latch Enable/PROGramming，30脚）：
ALE：引脚第一功能，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控制信号，将低8位地址锁存在片外的地址锁存器中。此外，单片机正常运行时，ALE端一直有正脉冲信号输出，此频率为fosc的1/6。该信号可作外部定时或触发信号使用。

PROG*：引脚第二功能，对片内Flash编程，加编程脉冲输入。
（8） PSEN* （Program Strobe ENable，29脚）：片外程序存储器读选通信号，低电平有效。
普通引脚
（1）P0口：P0.7~ P0.0脚，8位，双向I/O口，使用时需加上拉电阻。
当外扩存储器及I/O接口芯片时，P0口作为低8位地址总线及数据总线的分时复用端口。
P0口也可作通用的I/O口用，需加上拉电阻，这时为准双向口。如作输入，应先向端口写1。可驱动8个LS型TTL负载。
（2）P1口：P1.7~ P1.0脚，8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。
准双向I/O口，作通用I/O输入时，应先向端口锁存器写1, P1口可驱动4个LS型TTL负载。
（3）P2口：P2.7~ P2.0脚，8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。
当AT89S51扩展外部存储器及I/O口时，P2口作为高8位地址总线输出高8位地址。
P2口也可作普通I/O使用。当作通用I/O输入时，应先向端口输出锁存器写1。可驱动4个LS型TTL负载。
（4）P3口：P3.7~ P3.0脚，8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。
可作为通用的I/O口使用。作为通用I/O输入，应先向端口输出锁存器写入1。可驱动4个LS型TTL负载。
P3口还具有第二功能，如下表所示：

CPU中的运算器

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。
累加器A
累加器A是CPU中使用频繁的一个8位寄存器，在使用汇编语言编程时，有些场合必须写为Acc。作用如下：
（1）ALU单元的输入数据源之一，又是ALU运算结果存放单元。
（2）数据传送大多都通过累加器A，相当于数据的中转站。为解决“瓶颈堵塞”问题，AT89S51增加了一部分可不经过累加器的传送指令。
A的进位标志Cy同时又是位处理机的位累加器。
程序状态字寄存器PSW（Program Status Word）
位于片内特殊功能寄存器区，字节地址D0H。
包含了程序运行状态的信息，其中4位保存当前指令执行后的状态，供程序查询和判断。

PSW中各位功能：
（1）Cy（PSW.7）进位标志位：可写为C。在算术和逻辑运算时，若有进位/借位，Cy＝1；否则，Cy＝0。在位处理器中，它是位累加器。
（2）Ac（PSW.6）辅助进位标志位：在BCD码运算时，用作十进位调整。即当D3位向D4位产生进位或借位时，Ac＝1；否则，Ac＝0。
（3）F0（PSW.5）用户设定标志位：由用户使用的一个状态标志位，可用指令来使它置“1”或清“0，控制程序的流向。用户应充分利用。
（4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）4组工作寄存器区选择：选择片内RAM区中的4组工作寄存器区中的某一组为当前工作寄存区。

（5）OV（PSW.2）溢出标志位：当执行算术指令时，用来指示运算结果是否产生溢出。如果结果产生溢出，OV=1；否则，OV=0。
（6）PSW.1位：保留位。
（7）P（PSW.0）奇偶标志位：指令执行后，累加器A中“1”的个数是奇数还是偶数。
- P=1，A中“1”的个数为奇数。
- P=0，A中“1”的个数为偶数。

此标志位对串行通信有重要意义，常用奇偶检验来检验数据串行传输的可靠性。

CPU中的控制器
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。功能是控制指令的读入、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，指令不可直接访问。单片机复位时，PC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：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。PC内容变化轨迹决定程序流程。当顺序执行程序时自动加1；执行转移程序或子程序、中断子程序调用时，自动将其内容更改成所要转移的目的地址。PC计数宽度决定了程序存储器的地址范围，16位，故可对64KB（=216B）寻址。

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