2.2 AT89S51单片机的内部结构及引脚功能

AT89系列单片机的各种型号均是以8031为核心电路发展起来的，具有51系列单片机的基本结构与软件特征。Atmel公司新推出的可在系统编程（ISP）的MCS-51兼容单片机AT89S51/52将全面替代AT89C51/52单片机。其中AT89S51现已成为AT89系列单片机的主流产品，本书以AT89S51单片机为例介绍MCS-51系列单片机。

2.2.1 AT89S51单片机的基本结构

AT89S51的内部结构如图2-6所示，其基本组成部分包括如下几部分

· 适于控制应用的8位CPU。

· 一个片内振荡器及时钟电路，最高工作频率可达33MHz。

· 工作电压4.0～5.5V。

·4KB Flash程序存储器，支持在系统编程（ISP）1000次擦写周期。

·128B数据存储器。

· 可寻址64KB外部数据存储器空间及64KB程序存储器空间的控制电路。

·32根双向可按位寻址的I/O接口线。

·1个全双工串行口。

·2个16位定时/计数器。

·5个中断源，具有两个优先级。

· 三级程序加密。

· 低功耗支持Idle和Power-down模式，Power-down模式支持中断唤醒。

· 看门狗定时器。

· 双数据指针。

· 上电复位标志。

若程序存储器带有4KB Flash，即为51子系列；若RAM/Flash容量为256B/8KB，则为52子系列。

下面分别介绍AT89S51单片机内部各部分的主要功能。

1．微处理器

AT89S51单片机的微处理器（MPU）与一般的微型计算机类似，也是由运算器和控制器组成。运算器可以对半字节（4位）、单字节等数据进行算术、逻辑运算，并将结果送至状态寄存器。运算器中还包括一个专门用于位数据操作的布尔处理器。控制器包括程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器、振荡器、时钟电路及控制电路等部件，它可以根据不同指令产生的操作时序控制单片机各部分工作。

2．存储器

单片机的存储器分两种：一种用于存放已编写好的程序及数据表格，称为程序存储器，常用ROM、EPROM、E2PROM等类型，AT89S51中采用的就是Flash E2PROM，其存储容量为4 KB。另一种用于存放输入与输出数据、中间运算结果，称为数据存储器，常用RAM类型，AT89S51中的数据存储器较小，存储容量仅128 B。若存储器空间不够用，可以外部扩展。

单片机存储器采用哈佛结构，它将程序存储器和数据存储器分开编址，各自有自己的寻址方式。

3．输入/输出接口

AT89S51的输入/输出（I/O）接口包括4个8位并行口及1个全双工的串行口。4个并行口既可作为I/O端口使用，又可作为外部扩展电路时的数据总线、地址总线及控制总线。内部的串行口是一个可编程的全双工串行通信接口，具有通用异步接收/发送器（UART）的全部功能，可以同时进行数据的接收和发送，还可以作为一个同步移位寄存器使用。

4．其他内部资源

AT89S51内部还有2个16位定时/计数器及中断系统。定时/计数器可以通过对系统时钟计数实现定时，也可用于对外部事件的脉冲进行计数。中断系统可以对5个中断源进行中断允许及优先级的控制。5个中断源中有2个为外部中断，由单片机的外围引脚、引入；3个为内部中断，分别由2个定时/计数器及串行口产生。

2.2.2 AT89S51单片机的引脚及封装

AT89S51单片机的封装共分为DIP、PLCC及PQFP 3种形式，常用为DIP封装方式。其外形及引脚分配如图2-7所示。

AT89S51共40个引脚，大致可分为4类。

（1）电源引脚

VCC：电源端，+5V。

VSS：接地端（GND）。

（2）时钟电路引脚

XTAL1：外接晶振输入端。

XTAL2：外接晶振输出端。

（3）I/O引脚

P0.0～P0.7/AD0～AD7：一组8位漏极开路型双向I/O口，也是地址/数据总线复用口。作输入/输出口用时，必须外接上拉电阻，它可驱动8 个TTL 门电路。当访问片外存储器时，用作地址/数据分时复用口线。在Flash编程时，P0口接收指令，而在程序校验时，输出指令，校验时，要求外接上拉电阻。

P1.0～P1.7：一组内部带上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口，可驱动 4 个 TTL 门电路。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。P1.5～P1.7用于ISP编程控制。

P2.0～P2.7/A8～A15：一组内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，可驱动4个TTL门电路。当访问片外存储器时，用作高8位地址总线。Flash编程和程序校验期间，P2亦接收高位地址及其他控制信号。

P3.0～P3.7：一组内部带上拉电阻的8位准双向I/O口。出于芯片引脚数的限制，P3端口每个引脚具有第二功能。

（4）控制线引脚

RST：复位端。当RST端出现持续两个机器周期以上的高电平时，可实现复位操作。/VPP：片外程序存储器选择端/Flash存储器编程电源。若要访问外部程序存储器则端必须保持低电平。VPP端用于Flash存储器编程时的编程允许电源+12V输入端。

ALE/：地址锁存允许端/编程脉冲输入端。当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE输出脉冲用于锁存P0口分时送出的低8位地址（下降沿有效）。不访问外部存储器时，该端以时钟频率的1/6输出固定的正脉冲信号，可用作外部时钟。对内部Flash存储器编程期间，该引脚用于输入编程脉冲。：读片外程序存储器选通信号输出端。当AT89S51从外部程序存储器取指令时，该脚有效（上升沿）。每个机器周期均产生两次有效输出信号。

2.2.3 AT89S51单片机的I/O口

AT89S51单片机有4个8位并行I/O口，P0～P3，共32根口线。每个端口都包括：锁存器（即SFR中的P0～P3）、输出驱动器、两个三态缓冲器以及控制电路。

1．I/O口的特性

（1）P0口

P0口的位结构示意图如图2-8所示，其特点如下。

[1] 控制端高电平时，作为低8位地址和8位数据分时复用口，供扩展时使用。

[2] 控制端低电平时，作I/O口使用。场效应晶体管VT1截止，使VT2漏极开路，需外接上拉电阻。

[3] 当作输入口时，具有“读引脚”和“读锁存器”两种情况。前一种情况是数据由引脚输入，此时需先向锁存器写1，使场效应晶体管VT1和VT2都截止；后一种情况是读锁存器Q端的状态。

[4] 每位最多可带8个LSTTL负载。

（2）P1口

P1口的位结构示意图如图2-9所示，其特点如下。

[1] 只作为I/O端口使用，内部用上拉电阻代替了场效应晶体管VT1。

[2] 与P0口一样，也有读引脚和读端口两种情况，操作方法与P0口相似。

[3] 每位可带4个LSTTL电路。

（3）P2口

P2口的位结构示意图如图2-10所示，其特点如下。

[1] 控制端高电平时，作为高8位地址输出口。

[2] 控制端低电平时，作为I/O端口使用，使用方法与P0、P1口相同。

[3] 每位可带4个LSTTL负载。

（4）P3口

P3口位结构示意图如图2-11所示，其特点如下。

[1] 具有第二功能，如表2-1所示。

[2] 第二功能输出端为“1”时，与非门的输出由锁存器输出端Q决定，P3口作为通用输出口使用。

[3] 当P3口作为第二功能输出使用时，锁存器输出端Q应置“1”，与非门的输出由第二功能输出端决定。

[4] 当P3口作为读引脚或第二功能输入使用时，应将锁存器输出端Q及第二功能输出端均置“1”，使场效应晶体管VT2截止。

[5] 每位可带4个LSTTL负载。

2．I/O的应用

由AT89S51各端口的特性可知，P0口既可作为地址/数据总线口，又可作为通用I/O口。在作地址/数据总线口时，它是真正的双向口，可以直接驱动MOS输入，不需要加上拉电阻。当它作为通用I/O口时，必须外接上拉电阻才能驱动MOS输入。对P1、P2、P3口而言，内部已接有上拉电阻，因此不必外接任何电阻就可驱动MOS输入。

P0口和P1、P2、P3口作为通用I/O口时一样，在输入时分为“读锁存器”和“读引脚”两种操作，这两种操作是用不同的指令区分的。

当CPU在执行“读—修改—写”类指令时，如“ ANL P1，A” ，则采用读锁存器的操作方式。它将锁存器Q端的数据读入进行运算修改后，将结果送回到端口锁存器并输出到引脚。

CPU执行“ MOV”类指令时，则进行“读引脚”操作。在读引脚前必须先对锁存器写“1”，使场效应晶体管VT2截止，才能正确输入引脚上的信息。因此，把具有这种特性的端口称为准双向口。

例如：将P1口的状态输入累加器A中，必须执行两条指令。

                MOV    P1，#0FFH  ； 将P1口的锁存器写 “1”
                MOV    A，P1      ； 将P1口引脚状态读入A中

总的来说，由于单片机I/O口的电气特性决定了单片机端口的驱动能力有限，只能提供很小的驱动电流，所以带负载时应当在单片机的I/O口加上驱动芯片。