1.2 单片机的结构
下面以AT89S52为例来介绍单片机结构。AT89S52是一个低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，并且在系统中集成了8KB的可编程闪存。AT89S52兼容标准80C51指令集和引脚。AT89S52是一个功能强大的微控制器，具有较高的性价比，可在许多嵌入式控制中应用。
AT89S52单片机在一块芯片中集成了CPU、8KB的Flash、256B内存、32条输入/输出线、看门狗定时器、两个数据指针、3个16位定时器/计数器、6矢量两个级别的中断结构、一个全双工串行口、片内振荡器和时钟电路。
1.2.1 AT89S52单片机的内部构件
AT89S52单片机内包含下列几个部件：
（1）一个8位CPU；
（2）一个片内振荡器及时钟电路；
（3）8KB可重复擦写的Flash程序存储器；
（4）256B内部RAM；
（5）3个16位定时器/计数器；
（6）32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）；
（7）一个可编程全双工串行口；
（8）6个中断源、两个优先级。
AT89S52基本结构如图1.4所示。
1．CPU
CPU是单片机的核心部件，它由运算器和控制器组成。
图1.4 AT89S52基本结构
1）运算器
运算部件是以算术逻辑单元ALU为核心，加上累加器ACC、寄存器B、暂存器、程序状态字PSW以及十进制调整电路和布尔处理器等许多部件组成的。
（1）8位算术和逻辑运算的ALU单元
ALU单元可以对4位（半字节）、8位（一字节）和16位（双字节）数据进行操作。完成算术四则运算和逻辑运算，以及位操作、循环移位等逻辑操作，操作结果的状态信息送至状态寄存器（PSW）。
（2）累加器ACC
累加器ACC，在指令中用助记符A来表示。A是一个8位寄存器，是CPU中工作最繁忙的寄存器。在算术逻辑运算中，用来存放一个操作数或运算结果（包括中间结果）。在与外部存储器和I/O接口打交道时，其完成数据传送。
（3）寄存器B
B可做通用寄存器，在乘、除法运算中使用。做乘法运算时，寄存器B用来存放乘数及积的高位字节；做除法运算时，寄存器B用来存放除数及余数；不做乘、除法运算时，寄存器B可做通用寄存器。
（4）程序状态字寄存器PSW（程序状态标志寄存器）
PSW是8位寄存器，用于存放当前指令执行后操作结果的某些特征，以便为下一条指令的执行提供依据。PSW的各位定义如表1.1所示。
表1.1 PSW的各位定义
① Cy：进位标志位。
在执行某些算术运算和逻辑指令时，Cy可以被硬件或软件置位或清0。在算术运算中它可作为进位标志；在位运算中，它做累加器使用；在位传送、位与及位或等位操作中，都要使用进位标志位。
② AC：辅助进位标志位。
进行加法或减法操作时，当发生低4位向高4位进位或借位时，AC由硬件置位，否则AC位被置0。执行十进制调整指令时，将借助AC状态进行判断。
③ F0：用户标志位。
该位为用户定义的状态标志，用户根据需要用软件对其置位或清0，也可以用软件测试F0来控制程序的跳转。
④ RS1和RS0：寄存器组选择控制位。
此两位通过软件置0或1来选择当前工作寄存器组，如表1.2所示。
表1.2 工作寄存器组选择
CPU通过对PSW中的D4、D3位内容的修改，就能任选一个工作寄存器组。例如：
SETB PSW.3 CLR PSW.4 ;选定第1组 SETB PSW.4 CLR PSW.3 ;选定第2组 SETB PSW.3 SETB PSW.4 ;选定第3组
若不设定则为第0组，也称为默认值，这个特点使单片机具有快速现场保护功能。特别注意的是，如果不加设定，在同一段程序中工作寄存器R0～R7只能用一次，若用两次程序会出错。
⑤ OV：溢出标志位。
当执行算术指令时，在带符号的加减运算中，OV=1表示有溢出（或借位）。反之，OV=0表示运算正确，即无溢出产生。
⑥ P：奇偶标志位。
P用来表示累加器A中1的个数的奇偶性，它常常用于手机通信。若累加器中1的个数为奇数则P=1，否则P=0。
（5）布尔处理器
布尔处理器完成布尔代数逻辑运算。
2）控制器
控制器是CPU的大脑中枢，是单片机的指挥控制部件。它由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）、数据指针（DPTR）、堆栈指针（SP）以及定时控制电路等部件组成，对来自存储器中的指令进行译码，通过定时控制电路在规定的时刻发出各种操作所需的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的功能。
（1）程序计数器PC
程序计数器PC是16位专用寄存器，寻址范围为64KB，用于存放CPU执行的下一条指令的地址，具有自动加1的功能。当一条指令按照PC所指的地址从程序存储器中取出后， PC会自动加1，指向下一条指令。
（2）指令寄存器IR和指令译码器ID
指令寄存器IR是8位寄存器，用于暂存待执行的指令，等待译码；指令译码器ID对指令寄存器中的指令进行译码，即将指令转变为所需的电平信号。
译码器输出的电平信号，再经定时控制电路即可定时产生执行该指令所需要的各种控制信号。
（3）数据指针DPTR
数据指针DPTR是16位专用寄存器。它可以对64KB的外部数据存储器和I/O口进行寻址，也可作为两个8位寄存器，主要用做外部数据存储器的地址指针。
（4）堆栈指针SP
堆栈指针SP是8位特殊功能寄存器，在片内RAM（128B）中开辟栈区，并随时跟踪栈顶地址，它按“先进后出”的原则存取数据，上电复位后，SP指向07H。
2．存储器及特殊功能寄存器
AT89S52外部有两个独立的存储器空间：64KB的程序存储器空间和64KB的数据存储器空间。
1）程序存储器
EA=0：片内ROM不起作用，完全执行片外程序存储器指令。外部ROM的地址为0000H～0FFFFH，可达64KB。
EA=1：执行片内程序存储器指令，地址为0000H～1FFFH；当指令地址超过1FFFH后，自动转向片外ROM取指令，地址为2000H～0FFFFH。
2）数据存储器
数据存储器分为内部数据存储器和外部数据存储器。
（1）内部数据存储器
AT89S52有256B的片内RAM，地址空间为00H～0FFH。其中，低128B（地址为00H～7FH）是真正的RAM区；高128B（地址为80H～0FFH）与片内特殊功能寄存器（SFR）区（80H～0FFH）地址完全重合，但在物理上是完全独立的，单片机采用不同的寻址方式，以区分这两个重叠的逻辑地址空间。
访问（80H～0FFH）区间的SFR时，只能用直接寻址方式。如：
MOV 0A0H, #data
其中，指令的目的操作数是直接地址，将立即数“#data”送入SFR中的0A0H单元中。
访问（80H～0FFH）区间的片内RAM时，只能用间接寻址方式。如：
MOV R0, #0A0H MOV @R0, #data
其中，指令的目的操作数是间接地址，将立即数“#data”存入片内RAM的0A0H单元中。堆栈操作是间接寻址的典型例子，因为栈指针SP为栈顶单元地址。片内RAM 80H～0FFH空间也可用做栈区空间。
AT89S52片内共有32个特殊功能寄存器。表1.3列出了AT89S52 SFR的地址及复位值。
表1.3 AT89S52 SFR的地址及复位值
续表
在80H～FFH地址空间中，SFR并没有被完全占用。对于余留的空间，用户不可使用。
（2）外部数据存储器
外部数据存储器地址范围为0000H～0FFFFH，可达64KB，用MOVX指令进行访问。
1.2.2 AT89S52单片机引脚功能
AT89S52的引脚和封装共有四种形式，如图1.5所示。
下面以40引脚塑料双列直插式封装（PDIP）芯片为例，介绍各个引脚功能。
（1）电源引脚VCC和GND。
① GND（20）：接地端。
② VCC（40）：正常操作时为+5V电源。
通常在VCC和GND引脚之间接0.1μF高频滤波电容。
（2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2。
① XTAL1（19）：内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。
② XTAL2（18）：内部振荡电路反相放大器的输出端，是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。
（3）控制或与其他电源复用引脚RST、ALE/PROG、PSEN和EA/Vpp。
① RST（9）：当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位。
图1.5 AT89S52的引脚和封装
② ALE/PROG（30）：地址锁存允许/编程脉冲输入。在访问外部程序存储器和外部数据存储器时，该引脚输出一个地址锁存脉冲ALE，其下降沿可将低8位地址锁存于片外地址锁存器中。
在编程时，向该引脚输入一个编程负脉冲PROG。
正常操作时为ALE功能（允许地址锁存），将地址的低字节锁存在外部锁存器中，ALE引脚以不变的频率（振荡器频率的1/6）周期性地发出正脉冲信号。
③ PSEN（29）：外部程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。在从外部程序存取指令（或数据）期间，PSEN在每个机器周期内两次有效。在访问外部数据存储器时，PSEN无效。
④ EA/Vpp（31）：内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当EA/Vpp为高电平时，访问内部程序存储器；当EA/Vpp为低电平时，则访问外部程序存储器。
在Flash编程时，该引脚可连接21V的编程电源Vpp。
（4）输入/输出引脚P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7，P3.0～P3.7。
① P0口（32～39）：一个8位漏极开路型双向I/O口。
当用做通用I/O口时，每个引脚可驱动8个TTL负载；当用做输入时，每个端口首先置1。
在访问外部存储器时，它分时传送低字节地址和数据总线，此时，P0口内含提升电阻。
② P1口（1～8）：一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。
当用做通用I/O口时，每个引脚可驱动8个TTL负载。当用做输入时，每个端口首先置1。
P1.0和P1.1引脚也可用做定时器2的外部计数输入（P1.0/T2）和触发器输入（P1.1/T2EX）。
③ P2口（21～28）：一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址。P2口可以驱动4个TTL负载。当用做输入时，每个端口首先置1。
④ P3口（10～17）：一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口，能驱动4个TTL负载。当用做输入时，每个端口首先置1。P3口还可用于第二功能，如表1.4所示。
表1.4 P3口的第二功能
