【正文】 AT89C51的結構ATMEL公司的89系列單片機是ATMEL公司的8位Flash單片機[1]。這個系列單片機最吸引人的特點就是在片內含有Flash存儲器，因此，它有十分廣泛的用途，特別是在便攜式和需要特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中顯得更加有用。這里主要介紹AT89系列中的AT89C51。AT89C51系列單片機對于一般用戶來說，存在3個明顯的特點：(1)內含F(xiàn)lash存儲器 因此在應用[2]系統(tǒng)的開發(fā)過程中可以十分容易的進行程序的修改，這就大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期；同時，在系統(tǒng)工作過程中，能有效的保存一些數(shù)據(jù)信息，即使外接電源損壞也不影響信息的保存。(2)與80C51插座兼容[3] AT89C51系列單片機的引腳與80C51是一樣的，當用AT89C51單片機取代80C51時，可以直接進行取代。這時，不管采用40引腳還是44引腳的產(chǎn)品，只要用相同引腳的AT89C51單片機取代80C51的單片機即可。(3)靜態(tài)時鐘方式 AT89C51單片機采用靜態(tài)時鐘方式，所以可以節(jié)省電能。這對于降低便攜式產(chǎn)品的功耗十分有用。AT89C51單片機的內部結構與一般單片機相似[4]，有CPU、存儲器和I/O接口等部件。AT89C51是ATMEL公司的8位Flash單片機系列，這個系列單片機的最大特點是在片內含有Flash存儲器，因此，在應用中有廣泛的前景和用途，特別是在便攜式，省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中顯得更為有用。89系列單片機若干優(yōu)點：內部含F(xiàn)lash存儲器，在系統(tǒng)的開發(fā)過程中可以十分容易進行程序修改，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，同時，在系統(tǒng)工作過程中能有效保存一些數(shù)據(jù)信息[5]，即使外界電源損壞也不會影響到信息的保存；與80c51插座兼容，用相同引腳的89系列單片機可直接取代80c51的單片機；靜態(tài)時鐘方式，89系列單片機采用靜態(tài)的時鐘方式所以可以節(jié)省電能，這對于降低便攜式產(chǎn)品的功耗十分有用；錯誤編程亦無廢品產(chǎn)生，一般的OTP產(chǎn)品，一旦編程編誤即成廢品，而89系列的單片機內部采用了Flash memory，所以錯誤編程之后仍可重新編程，直到正確為止，故不存在廢品；可進行反復系統(tǒng)試驗，用89系列單片機設計的系統(tǒng)，可以反復進行系統(tǒng)試驗，每次試驗可以編入不同的程序，這樣保證用戶的系統(tǒng)設計達到最優(yōu)，而且，隨用戶的需要和發(fā)展[6]，還可以修改，使系統(tǒng)不斷能追隨用戶的最新要求。89C51在89系列單片機中屬標準型單片機，它和MCS51系列單片機兼容。內部有4K可重復編程的Flash memory，可進行1000次擦寫操作，全靜態(tài)工作為小33MHz，有三級程序存儲器加密鎖定，有內部含12856字節(jié)的RAM，32條可編程的FO端口，有2個16位定時器/計數(shù)器，有通用串行接口，有低電壓空閑及電源下降方式；中斷有6級。 AT89C51的引腳描述AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器(FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機[14]。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS51[7]指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口[8]，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平[9]，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流(ILL)這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3口管腳備選功能： RXD(串行輸入口)， TXD(串行輸出口)， /INT0(外部中斷0)， /INT1(外部中斷1)， T0(記時器0外部輸入)， T1(記時器1外部輸入)， /WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)， /RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)。P3口同時為閃爍。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流[15][16]。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時[10]，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流(ILL)這是由于上拉的緣故[11]。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0[12]。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)。EA/VPP：當EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器(0000HFFFFH)，不管是否有內部程序存儲器[13]。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源(VPP)。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。時鐘振蕩器 AT89C51中有一個用于構成內部振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入段和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷謝振器一起構成自激振蕩器，外接石英晶體或陶瓷謝振器級電容CC2接在放大器的反饋回路中構成并聯(lián)電路。對外接電容CC2雖嚴然沒有十分嚴格的要求[14]，但電容容量的大小會影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、祁震得難易程度及溫度的穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，我們推薦電容使用30PF+10PF，而如果陶瓷諧振器建議使用40PF+10PF。用戶也可以使用外部時鐘，這種情況下，外部時鐘脈沖接到XTAL1端，即內部時鐘脈沖的輸入端，XTAL2則懸空。由于外部時鐘信號是通過一個2分頻觸發(fā)器作為內部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求[13]，但最小高電平時持續(xù)時間和最大低電平持續(xù)時間應符合產(chǎn)品技術條件的要求。AT89C51有二種可用軟件編程的省電模式，他們是空閑模式和掉電工作模式。這二種方式是控制專用寄存器PCON(電源控制寄存器)中的PD和IDL來實現(xiàn)的。PD是掉電模式，當PD=1時，激活掉電工作模式，單片機進入掉電工作狀態(tài)，IDL是空閑等待狀態(tài)，當IDL=1時，激活空閑工作模式，單片機進入睡眠狀態(tài)[15]，如需同時進入二種狀態(tài)，即PD和ID同時為1，則先激活掉電工作模式。在空閑工作模式狀態(tài)，CPU保持睡眠狀態(tài)而所而所有片內的外設仍保持激活狀態(tài)，這種方式由軟件產(chǎn)生。此時，片內RAM和所有特殊功能寄存器的內容保持不變?？臻e模式可有任何允許的中斷請求或硬件復位中止。中止空閑模式的方法有二種，其一是任何一條被允許中斷的事件被激活，IDL被硬件清除，既中止空閑工作模式。程會首先響應中斷，進入中斷服務程序，執(zhí)行完中斷服務程序并緊隨RET1(中斷返回)指令后，下一條要執(zhí)行的指令就是是單片機進入空閑模式那條指令后面的一條指令[12]。其二是通過硬件復位電路也可將空閑模式終止。需要注意的是當由硬件復位來中止空閑模式時，CPU通常是從激活空閑模式那條指令的下一條指令開始繼續(xù)執(zhí)行程序的，要完成內部復位工作，硬件復位脈沖要保持二個機器周期(24個時鐘周期)有效，在這種情況下，內部禁止CPU訪問片內RAM，而允許訪問其它端口。為了避免對端口產(chǎn)生意外寫入，激活空閑模式的指令后一條指令不應是一條對端口或外部存儲器的寫入指令。掉電模式：在掉電模式下，進入掉電模式的指令是最最后一條被執(zhí)行的指令，片內RAM和特殊功能寄存器的內容在中止掉電模式前被凍結。推出掉電模式的唯一方法是硬件復位，復位后將重新定義全部特殊功能寄存器但不改變RAM中的內容，再VCC恢復到正常工作電平前，復位應無效，且必須保持一定時間內使振蕩器重啟動并穩(wěn)定工作。 74LS373地址鎖存器 74LS373的引腳介紹74LS373是一個三態(tài)門的8D鎖存器，也是帶允許輸出端的8D鎖存器，有8個D輸入端，8個Q輸出端，一個時鐘輸入端CP，一個鎖存允許信號E。373引腳功能如表31所示： D0~D7：數(shù)據(jù)輸入端；OE：三態(tài)允許控制端(低電平有效)；LE：鎖存允許端；O0O7：輸出端[12]。表21 74LS373引腳功能表輸出控制LE使G輸入D輸出QLHHHLHLLLLXQoHXXZ 圖21 74LS373引腳 74LS373的功能74LS373是帶有三態(tài)門的八D鎖存器，當使能信號線OE為低電平時，三態(tài)門處于導通狀態(tài)，允許1Q8Q輸出到OUT1OUT8，當OE端為高電平時，輸出三態(tài)門斷開，輸出線OUT1OUT8處于浮空狀態(tài)。G稱為數(shù)據(jù)打入線，當74LS373用作地址鎖存器時，首先應使三態(tài)門的使能信號OE為低電平，這時，當G端輸入端為高電平時，鎖存器輸出（1Q8Q）狀態(tài)和輸入端（1D8D）狀態(tài)相同；當G端從高電平返回到低電平（下降沿）時，輸入端（1D8D）的數(shù)據(jù)鎖入1Q8Q的八位鎖存器中。當用74LS373作為地址鎖存器時，它們的G端可直接與單片機的鎖存控制信號端ALE相連，在ALE下降沿進行地址鎖存[16]。鎖存器就是把當前的狀態(tài)鎖存起來，使CPU送出的數(shù)據(jù)在接口電路的輸出端保持一段時間鎖存后狀態(tài)不再發(fā)生變化，直到解除鎖定。還有些芯片具有鎖存器，芯片74LS373就具有鎖存的功能，它可以通過把一個引腳置高后，輸出就會保持現(xiàn)有的狀態(tài)，直到把該引腳清0后才能繼續(xù)變化。鎖存器用于存儲數(shù)據(jù)來進行交換[17]，使數(shù)據(jù)穩(wěn)定下來保持一段時間不變化，直到新的數(shù)據(jù)將其替換。 本章小結本章是對用到的元件引腳功能和硬件結構的。首先對AT89C51系列的單片機進行了簡單的介紹，從硬件結構和功能方面進行了比較。其次對設計中用到的主控芯片AT89C51單片機的引腳和內部結構進行了介紹。最后對本科學習課程中地址鎖存器進行了詳細的介紹，對主要用到的74LS373八D鎖存器模塊的結構和引腳都作了詳細地介紹，本章對單片機硬件方面進行了較全面地介紹，也為系統(tǒng)的設計提供了理論知識。