【正文】 AT89C51的結(jié)構(gòu)ATMEL公司的89系列單片機(jī)是ATMEL公司的8位Flash單片機(jī)[1]。這個(gè)系列單片機(jī)最吸引人的特點(diǎn)就是在片內(nèi)含有Flash存儲(chǔ)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(jī)對(duì)于一般用戶來說，存在3個(gè)明顯的特點(diǎn)：(1)內(nèi)含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器 因此在應(yīng)用[2]系統(tǒng)的開發(fā)過程中可以十分容易的進(jìn)行程序的修改，這就大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期；同時(shí)，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(jī)的引腳與80C51是一樣的，當(dāng)用AT89C51單片機(jī)取代80C51時(shí)，可以直接進(jìn)行取代。這時(shí)，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(jī)取代80C51的單片機(jī)即可。(3)靜態(tài)時(shí)鐘方式 AT89C51單片機(jī)采用靜態(tài)時(shí)鐘方式，所以可以節(jié)省電能。這對(duì)于降低便攜式產(chǎn)品的功耗十分有用。AT89C51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與一般單片機(jī)相似[4]，有CPU、存儲(chǔ)器和I/O接口等部件。AT89C51是ATMEL公司的8位Flash單片機(jī)系列，這個(gè)系列單片機(jī)的最大特點(diǎn)是在片內(nèi)含有Flash存儲(chǔ)器，因此，在應(yīng)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(jī)若干優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)部含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器，在系統(tǒng)的開發(fā)過程中可以十分容易進(jìn)行程序修改，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，同時(shí)，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(huì)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(jī)可直接取代80c51的單片機(jī)；靜態(tài)時(shí)鐘方式，89系列單片機(jī)采用靜態(tài)的時(shí)鐘方式所以可以節(jié)省電能，這對(duì)于降低便攜式產(chǎn)品的功耗十分有用；錯(cuò)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(jī)內(nèi)部采用了Flash memory，所以錯(cuò)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(jìn)行反復(fù)系統(tǒng)試驗(yàn)，用89系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，可以反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，每次試驗(yàn)可以編入不同的程序，這樣保證用戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)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(jī)中屬標(biāo)準(zhǔn)型單片機(jī)，它和MCS51系列單片機(jī)兼容。內(nèi)部有4K可重復(fù)編程的Flash memory，可進(jìn)行1000次擦寫操作，全靜態(tài)工作為小33MHz，有三級(jí)程序存儲(chǔ)器加密鎖定，有內(nèi)部含12856字節(jié)的RAM，32條可編程的FO端口，有2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)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(jí)。 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(chǔ)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(jī)[14]。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)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(jià)廉的方案。VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口[8]，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)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(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)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(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)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(shí)器0外部輸入)， T1(記時(shí)器1外部輸入)， /WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通)， /RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)。P3口同時(shí)為閃爍。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)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(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)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(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)[10]，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)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(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0[12]。此時(shí)，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(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。EA/VPP：當(dāng)EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器(0000HFFFFH)，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器[13]。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)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(nèi)部時(shí)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(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)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(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)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(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)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(shí)器，計(jì)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(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。時(shí)鐘振蕩器 AT89C51中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)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(gè)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(gòu)成自激振蕩器，外接石英晶體或陶瓷謝振器級(jí)電容CC2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)電路。對(duì)外接電容CC2雖嚴(yán)然沒有十分嚴(yán)格的要求[14]，但電容容量的大小會(huì)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(shí)鐘，這種情況下，外部時(shí)鐘脈沖接到XTAL1端，即內(nèi)部時(shí)鐘脈沖的輸入端，XTAL2則懸空。由于外部時(shí)鐘信號(hào)是通過一個(gè)2分頻觸發(fā)器作為內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)的，所以對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的占空比沒有特殊要求[13]，但最小高電平時(shí)持續(xù)時(shí)間和最大低電平持續(xù)時(shí)間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)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(shí)現(xiàn)的。PD是掉電模式，當(dāng)PD=1時(shí)，激活掉電工作模式，單片機(jī)進(jìn)入掉電工作狀態(tài)，IDL是空閑等待狀態(tài)，當(dāng)IDL=1時(shí)，激活空閑工作模式，單片機(jī)進(jìn)入睡眠狀態(tài)[15]，如需同時(shí)進(jìn)入二種狀態(tài)，即PD和ID同時(shí)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(nèi)的外設(shè)仍保持激活狀態(tài)，這種方式由軟件產(chǎn)生。此時(shí)，片內(nèi)RAM和所有特殊功能寄存器的內(nèi)容保持不變?？臻e模式可有任何允許的中斷請(qǐng)求或硬件復(fù)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(huì)首先響應(yīng)中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，執(zhí)行完中斷服務(wù)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(jī)進(jìn)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(fù)位電路也可將空閑模式終止。需要注意的是當(dāng)由硬件復(fù)位來中止空閑模式時(shí)，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(nèi)部復(fù)位工作，硬件復(fù)位脈沖要保持二個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)時(shí)鐘周期)有效，在這種情況下，內(nèi)部禁止CPU訪問片內(nèi)RAM，而允許訪問其它端口。為了避免對(duì)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(yīng)是一條對(duì)端口或外部存儲(chǔ)器的寫入指令。掉電模式：在掉電模式下，進(jìn)入掉電模式的指令是最最后一條被執(zhí)行的指令，片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器的內(nèi)容在中止掉電模式前被凍結(jié)。推出掉電模式的唯一方法是硬件復(fù)位，復(fù)位后將重新定義全部特殊功能寄存器但不改變RAM中的內(nèi)容，再VCC恢復(fù)到正常工作電平前，復(fù)位應(yīng)無效，且必須保持一定時(shí)間內(nèi)使振蕩器重啟動(dòng)并穩(wěn)定工作。 74LS373地址鎖存器 74LS373的引腳介紹74LS373是一個(gè)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(gè)D輸入端，8個(gè)Q輸出端，一個(gè)時(shí)鐘輸入端CP，一個(gè)鎖存允許信號(hào)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(dāng)使能信號(hào)線OE為低電平時(shí)，三態(tài)門處于導(dǎo)通狀態(tài)，允許1Q8Q輸出到OUT1OUT8，當(dāng)OE端為高電平時(shí)，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(dāng)74LS373用作地址鎖存器時(shí)，首先應(yīng)使三態(tài)門的使能信號(hào)OE為低電平，這時(shí)，當(dāng)G端輸入端為高電平時(shí)，鎖存器輸出（1Q8Q）狀態(tài)和輸入端（1D8D）狀態(tài)相同；當(dāng)G端從高電平返回到低電平（下降沿）時(shí)，輸入端（1D8D）的數(shù)據(jù)鎖入1Q8Q的八位鎖存器中。當(dāng)用74LS373作為地址鎖存器時(shí)，它們的G端可直接與單片機(jī)的鎖存控制信號(hào)端ALE相連，在ALE下降沿進(jìn)行地址鎖存[16]。鎖存器就是把當(dāng)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(shí)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(gè)引腳置高后，輸出就會(huì)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(chǔ)數(shù)據(jù)來進(jìn)行交換[17]，使數(shù)據(jù)穩(wěn)定下來保持一段時(shí)間不變化，直到新的數(shù)據(jù)將其替換。 本章小結(jié)本章是對(duì)用到的元件引腳功能和硬件結(jié)構(gòu)的。首先對(duì)AT89C51系列的單片機(jī)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，從硬件結(jié)構(gòu)和功能方面進(jìn)行了比較。其次對(duì)設(shè)計(jì)中用到的主控芯片AT89C51單片機(jī)的引腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹。最后對(duì)本科學(xué)習(xí)課程中地址鎖存器進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，對(duì)主要用到的74LS373八D鎖存器模塊的結(jié)構(gòu)和引腳都作了詳細(xì)地介紹，本章對(duì)單片機(jī)硬件方面進(jìn)行了較全面地介紹，也為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論知識(shí)。