第二章AT89S52单片机的硬件结构

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第二章AT89S52单片机的硬件结构

• AT89S52单片机的硬件组成及引脚结构
  • .AT89S52单片机的功能部件及特点 (1)8位微处理器 CPU：AT89S52单片机8位CPU包括运算器和控制器 （2）数据存储 RAM：AT89S52单片机片内有256x8b RAM，片外最多可以扩展64KB的数据存储器，用来存放数据 (3）程序存储器ROM：AT89S52 单片机片内有8 KB Flash ROM存储器，片外最多可以扩展64KB (4）可编程并行I/0口：程序存储器，用来存放程序代码和功能AT89S52单片机包含4个8位可编程并行1/0口，即PO口、PI口P2口和P3 口 (5）串行通信接口 UART：AT89S52单片机包含1个全双工的异步串行通信接口UART，有4种工作方式，可以进行一对一单机串行通信、一对多多机串行通信，还可用于扩展并行1/0接口。 (6）定时器／计数器：AT89S52单片机包括3个可编程的16位定时器／计数器﹣-TO、T1和T2,具有4种工作方式，可用于内部定时和外部事件计数。 (7)"看门狗"定时器 WDT：AT89S52单片机"看门狗"定时器用于监视程序的运行。当单片机应用系统受到干扰引起程序"跑飞"或进人"死循环"状态时，"看门狗"会使系统复位，重新从0000H地址处执行程序。WDT包括1个14位计数器和"看门狗"复位寄存器 WDTRST (8）中断系统：AT89S52单片机有8个中断源、6个中断矢量、2级中断优先权，每个中断源都可以分别使能和禁止。 (9）特殊功能寄存器 SFR：AT89S52单片机共有32个特殊功能寄存器SFR，单元地址映射在片内RAM 中，用于CPU对片内外设部件进行管理、控制和监视。 （10）低功耗模式：AT89S52单片机有两种低功耗节电模式：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）工作电压：AT89S52单片机工作电压Vcc范围是4.5~5.5V。 (12）时钟频率：AT89S52单片机的外部时钟频率为0~33 MHz。
  • 控制引脚
    • (1)PSEN：访问片外程序存储器的读选通信号，低电平有效。访问片外程序存储器读取指令代码时，每个机器周期输出两个PSEN有效脉冲。读取片内程序存储器指令代码时不产生脉冲，读取外部存储器数据时也不产生PSEN信号。
    • (2) ALE/PROG：ALE为地址锁存信号为第一功能。访问外部程序存储器或外部数据存储器时，ALE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（即6分频），可用作外部定时或触发信号。
    • （3) EA/Vpp：EA为外部程序存储器访问允许控制信号，是第一功能。EA为高电平，在PC值不超出1FFFH（即不超出片内8 KB Flash存储器的地址范围）时，AT89S52单片机执行片内程序存储器（8KB）中的指令代码但当PC值超出IFFFH（即超出片内8KBFlash地址范围）时，将自动转向读取片外56KB(2000H~FFFFH）程序存储器空间中的指令代码。当EA引脚为低电平时，只读取外部程序存储器中的指令代码，地址为0000H~FFFFH，此时片内的8 KB Flash 程序存储器不起作用。Vpp为第二功能，对片内8 KB Flash编程时，该引脚接 12 V 编程电压
    • (4)RST：复位信号输人，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。正常工作时此引脚电平应≤0.5V。当"看门狗"定时器溢出时，向该引脚输出长达96个时钟振荡周期的高电平，使单片机复位
  • 电源及时钟引脚
    • （1） Vcc接+5V直流电
    • （2）Vss接数字地
    • (3)XTAL1(19脚）片内时钟振荡器的反相放大器的输入端。当使用片内时钟振荡器时，该引脚接外部石英晶体和微调电容。当使用外部时钟振荡器时，该引脚接外部时钟振荡器的输出信号
    • (4)XTAL2(18脚）片内时钟振荡器的反相放大器的输出端。当使用片内时钟振荡器时，该引脚连接外部石英晶体和微调电容。当使用外部时钟振荡器时，该引脚悬空
  • 并行I/0口引脚
    • (1) PO 口：PO为漏极开路的8位并行双向I/0口。当作为输出口时，每个引脚可以驱800MA动8个LS型TTL负载。当向PO 口写人1后，PO口就成为高阻态的输入口。当作为通用1/0口使用时，需要外接上拉电阻，为准双向口。当AT89S52扩展外部存储器和1/O接口芯片时，PO口为分时复用的低8位地址／数据总线，为双向口，此时，PO口内部被拉高。当对片内Flash程序存储器编程时，PO口接收字节代码，在程序校验时，PO口输出字节代码，程序校验期间应外接上拉电阻
    • (2)P1口：Flash编程和校验时，P1口定义为低8位地址线，P1口为准双向I/O口，引脚内部接有上拉电阻，可以驱动4个LS型TTL负载。 P1口部分引脚的第二功能
    • (3)P2口：P2口为准双向I/O口，引脚内部接有上拉电阻，可以驱动4个LS型TTL 当AT89S52访问外部存储器及I/O接口芯片时，P2提供高8位地址。当P2口不作地址总线使用时，可作为通用I/O口使用。当CPU访问外部程序存储器、外部数据存储器及可编程接口芯片时，PO口、P2口与ALE地址锁存信号相配合，提供16位地址，当 CPU 访问外部程序存储器、外部数据存储器及可编程接口芯片时， ALE 引脚的负跳变将 PO 口先发出的低8位地址锁存在地址锁存器74LS373中，与P2口输出的高8位地址一同形成16位地址，然后 PO 口再作为数据总线，输出8位二进制数据
    • (4)P3口：P3口为准双向 I / O 口，引脚内部接有上拉电阻。P3口用作第一功能时，可以驱动4个 LS 型 TTL 负载。P3口引脚还具有第二功能
• AT89S52单片机的微处理器CPU
  • 运算器
    • 1．算术逻辑运算单元：算术逻辑运算单元ALU是运算器的核心部件，由加法器、移位电路和判断电路等组成，完成对8位数据的算术加、减、乘、除运算，逻辑与、或、异或、求反、循环移位、清零等操作，同时还可以对位变量进行"位"操作，如置1、清0、求反、测试转移及逻辑与、或等操作。
    • 2．累加器 A/Acc ：累加器A是一个8位寄存器，参与算数和逻辑运算的操作数通过累加器A 的寄存器。
    • 3．程序状态字寄存器：PSW位于片内特殊功能寄存器区，字节地址为DOH。PSW各位包含了程序运行状态的不同信息，其中5位保存当前指令执行后的状态，供程序查询和判断；2位是工作寄存器区选择控制位寄存器B在进行乘法和除法运算时，寄存器B作为ALU的输入之一，与累加器 A 配合完成运算，并保存运算结果。在执行其他指令时，寄存器B可用作暂存器使用
    • 4．暂存器：单片机CPU中有两个暂存器，用于暂存进入ALU之前的操作数
  • 控制器：控制指令的读人、译码和执行，根据指令的性质控制单片机片内各部件，对单片机各功能部件进行定时和逻辑控制。控制器包括程序计数器pc、指令寄存器IR、堆栈指针SP、双数据指针DPTRO和DPTRI 定时及控制逻辑电路等部件
    • 1．程序计数器PC：程序计数器PC是程序存储器的地址指针，用于存放当前正在执行指令的下一条指令的首地址。当按照PC所指向的地址从存储器中取出一条指令后，PC 会指向下一条指令的首地址。PC是一个独立的16位计数器，可以对2"=64KB范围程序存储器进行寻址
    • 2．指令寄存器IR：指令寄存器 IR的功能是对将要执行的指令进行存储和译码。当指令代码送入IR后，对该指令进行译码，即把指令转变成所需要的电平信号，CPU根据译码输出的电平信号，使定时及控制逻辑电路产生执行指令所需要的时钟和控制信号，并执行指令
• AT89S52单片机的存储器结构
  • 程序存储器空间 程存储器用于存放已编辑调试好的程序和数据表格之类的固定常数，使单片机能够按照预先编制的程序依次执行指令，完成预定功能。种程序存储器分为片内程序存储器和片外程序存储器两部分。AT89S52单片机片内程序存储器为8KB的Flash，地址范围为0000H-1FFFH，编程和擦除完全是电气实现，速度快，可用通用编程器对其编程，也可在线编程ISP。当片内8KB 可扩展至64KB程序存储器，地址范围为0000H-FFFFH。关于程序存储器的使的Flash 存储器不够用时，可片外扩展。AT89S52单片机有16位地址总线
  • 数据存储器空间 数据存储器用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。AT89S52单片机的数据存储器分为片内和片外两个部分
    • 1． 片内数据存储器空间：AT89S52单片机的片内数据存储器RAM共256个单元，片内RAM字节地址00H~1FH的32个单元是4组通用工作寄存器区，每组工作寄存器区包含8x8b工作寄存器，编号为RO~R7 ，片内256B的RAM
    • 2． 片外数据存储器空间：AT89S52单片机有16位地址总线，最多可扩展至64KB数据存储器，地址范围为0000H~FFFFH。访问片内RAM，使用指令MOV：当访问片外RAM时，使用指令MOVX
  • 特殊功能寄存器空间 AT89S52单片机的特殊功能寄存器SFR是专用于控制、选择、管理、存放单片机内部各部分的工作方式、条件、状态和结果的寄存器，共有32个特殊功能寄存器
    • 1.辅助寄存器AUXR和 AUXR1： AUXR用于管理"看门狗"定时器和 ALE 引脚的脉冲输出。AUXR1 用于选择数据指针 DPTR 和DPTR1
    • 2.堆栈指针SP ：在片内RAM中一个专门的区域来存放某些特别的数据，它遵循"先进后出的规则，这个 RAM区叫做堆栈。堆栈主要是为了程序调用和中断操作而设立的 (1）保护断点：在子程序调用或中断服务子程序调用时，CPU将当前PC值压栈保存，返回时CPU自动将PC值弹出。 (2）现场保护／恢复现场：在调用子程序或中断服务子程序时，CPU要把主程序中相关寄存器的内容压入堆栈保存起来 堆栈包括数据压入堆栈（PUSH）和数据弹出堆栈（POP）
    • 3.数据指针DPTRO和DPTR1 DPTRO和DPTR1为双数据指针寄存器，分别由两个8位寄存器DPOL和DPOH、DP1L和DP1H构成，用于访问内部和外部数据存储器。由AUXR1 寄存器来选择使用数据指针DPTRO和DPTR
  • 位地址空间 AT89S52单片机可直接位寻址的空间共有219个，其中一部分位于内部RAM，字节地址为20H~2FH这16个单元，共128位，位地址为00H~7FH；另一部分位于特殊功能寄存器区，字节地址为80H~FFH区间、末尾为0或8的单元
• AT89S52单片机I/O端口
  • P0口
    • 作地址／数据总线 当AT89S52单片机外部扩展存储器或可编程接口芯片时，PO口作为地址／数据总线，分时复用（双向口），用来输出低8位地址和8位数据信息。 (1）"控制"端信号为1，开关MUX打向上位，接通反相器的输出。 当"地址／数据"输出信息为1时，与门输出为1， VTO导通，非门输出为0， VT1截止，PO.x输出为1。(2）"控制"端信号为0， 当"地址／数据"输出信息为0时，与门输出为0， VTO截止，非门输出为1， VT1导通，PO.x输出为0
    • 作通用I/O口 "控制"端信号为0,MUX打向下位，接通锁存器的Q端，与门输出为0， VTO截止。 (1)锁存器 D=1时，Q=0,VT1截止，输出为漏极开路，此时引脚PO.x必须外接上拉电阻=1；当锁存器D=0时，Q=1,VT1导通，引脚PO.x=0 (2)向锁存器写1，VT0截止锁存器Q=0,VT1截止
  • P1口
    • 作为通用1/0口 (1） CPU输出1时，锁存器D=1,Q’=0,VT1截止，P1.x=1 （2）当CPU输出0时，锁存器D=0、Q’=1,VTI导通，PI.x=0 (3）向锁存器写1，锁存器Q=0.VT1截止， P1.x的状态经三态缓冲器BUF2进入内部数据总线
    • 作为第二功能使用 P1.0/T2用作定时器／计数器T2的外部计数信号输人／时钟输出的引脚，P1.1/T2EX用作定时器／计数器T2的捕获／重装载触发及方向控制引脚，PL.5、Pl.6和P1.7引脚用于ISP操作。在Flash编程利校验时，P1口接收低8位地址字节
  • P2口
    • 作高8位地址总线 （1）"地址"线为0时，经非门输出为1， VT1导通，引脚P2.x= 0。 （2）当"地址"线为1时，经非门输出为0， VT1截止，有上拉电阻， P2.x= 1。
    • 作通用I/0口 (1)作通用I/O口输出，当CPU输出1时，Q=1，经非门输出为0， VT1截止， P2.x= 1。（2）CPU输出0时，Q=0，经非门输出为1， VT1导通， P2.x= 0。 (3)向锁存器写1，锁存器Q=1，经非门输出为0,VT1截止， P2.x的状态经三态缓冲器BUF2进入内部数据总线。
  • P3口
    • 作第二功能输入输出 (1）输出，锁存器D=1,Q=1，与非门为开启。当输出为1时，与非门输出为0， VT1截止，由于有内部上拉电阻，P3.x= 1。当输出为0时，与非门输出为1， VT1导通，P3.x=0。 (2）输入，P3.x位的锁存器和第二功能输出端均需要置1，与非门输出为0， VT1截止，转入由P3.x引脚的信息经输入缓冲器BUF3的输出获得。
    • 作通用I/O口使用 (1)输出，第二功能输出端置1，与非门为开启，CPU输出1时，锁存器Q=1,VT1截止，P3.x=1。 CPU 输出0，锁存器Q=0,VT1导通，P3.x=0 (2)输入， "读锁存器"，锁存器的状态由Q端经三态缓冲器 BUF1 进入内部数据总线。 "读引脚"，P3.x位的锁存器和第二功能输出端均需要置1，与非门输出为0， VT1截止，P3.x 引脚的信息经BUF3和BUF2进入内部总线。
• AT89S52单片机的时钟电路与时序
  • 时钟电路
    • 内部时钟方式：最高时钟频率为33 MHz，频率通常可选择6 MHz、12 MHz（可得到准确的定时时间）、11.0592 MHz（在串行通信中，可以得到准确的串行通信波特率）和33 MHz
    • 外部时钟方式：使用外部震荡时钟脉冲信号，时钟与XTAL1连接，XTAL2悬空
  • 时序
    • 时钟周期：晶振频率的倒数，若晶振频率为fosc，则时钟周期Tosc=1/fosc。 若fosc=6 MHz，则Tosc=166.7ns。
    • 时钟周期：12个时钟周期为1个机器周期，即Tcy=12/fosco 若fosc=6 MHz，则 Toy=12/fosc=2 Jus；若fosc=12 MHz，则Tey=12/fosc=1 Ms。机器周期分为S1~S6，每个状态又分P1和P2。
    • 指令周期：CPU 执行一条指令所需要的时间。指令可分为单字节、双字节和三字节，按时间可分为单周期、双周期和四周期指令
    • 访问外部数据存储器：读取指令代码时，每个机器周期PSEN信号两次有效，读取数据时，RD信号有效；写数据时，WR 信号有效
• AT89S52单片机的复位操作及复位电路
  • 复位操作：单片机片内各寄存器的初始化，给单片机的存储 复位脚RST加上大于2个机器周期的高电平，可以使单片机复位
  • 上电复位：利用电容器C充电实现，RST 引脚上的高电平持续时间必须大于2个机器周期
  • 手动复位：按下按键开关后，通过电阻R和R 的分压，在RST引脚上产生高电平，按键开关按下的时间决定了复位的时间
• AT89S52单片机的最小系统
  • 最少元件组成单片机可以工作的系统。有8 KB Flash程序存储器和256B RAM存储单元，外接时钟电路、复位电路和电源电路，这些就可以构成一个 AT89S52 单片机最小系统。在最小系统的基础上，根据需求分别在PO~P3口连接小型键盘、LED/LCD 显示器以及数字量输入变量
• AT89S52单片机的低功耗节电模式
  • 空闲模式
    • 1进入空闲模式 用指令将PCON中的IDL位置1，通往CPU的时钟信号被关断，单片机进入空闲模式，虽然振荡器运行，但是CPU进入空闲状态。此时片内外围电路的中断系统、串行口和定时器仍继续工作，而内部RAM、SP、PC、PSW、A和PO~P3等特殊功能寄存器中的内容均保持进入空闲模式前的状态
    • (1）中断退出：由于在空闲模式下，中断系统仍在工作，所以任何中断请求被响应都可以使IDL位由硬件自动清零，从而退出空闲模式，执行中断服务子程序。 (2）硬件复位退出：硬件复位时，各个特殊功能寄存器都会恢复默认状态，PCON中的IDL位清零，退出空闲模式，单片机从头开始执行程序
  • 掉电模式
    • 进入掉电模式 用指令将PCON中PD位置1，便进入掉电模式。，振荡器停止工作。所有功能部件均停止工作，片内RAM和SFR的原来内容都被保留，有关端口的输出状态值都保存在特殊功能寄存器中。
    • 退出掉电模式：外部中断和硬件复位操作均可退出掉电模式。Vcc可以降低到2V，在进入掉电模式之前，Vcc不能降低
• 浮动主题
• 浮动主题