淺談AT89S51

2010-11-25 02:37:16徐春河

制造業(yè)自動(dòng)化 2010年15期

徐春河

XU Chun-he

（山東省信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院，濰坊 261061）

0 引言

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，近年來芯片的集成度也越來越高。各種高性能、低價(jià)格的微型計(jì)算機(jī)相繼問世。而較為突出的單片機(jī)由于體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求不高，價(jià)格低廉，指令功能強(qiáng)，運(yùn)行速度快，可靠性高及靈活性好，開發(fā)也較為容易等特點(diǎn)，所以單片機(jī)的應(yīng)用也相應(yīng)的越來越突出。其最具代表性和廣泛應(yīng)用的單片機(jī)為美國Intel公司的MCS-51系列的8位字長和MCS-96系列的16位字長單片機(jī)。

1 AT89S51單片機(jī)的誕生

MCS-51 單片機(jī)是美國INTE公司于1980 年推出的產(chǎn)品，其典型產(chǎn)品有 8031、8051和8751等通用產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在， MCS-51 內(nèi)核系列兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品，比如目前流行的89S51、已經(jīng)停產(chǎn)的89C51 等，有些文獻(xiàn)甚至也將8051泛指MCS-51系列單片機(jī)，8051是早期的最典型的代表作，由于MCS-51單片機(jī)影響極深遠(yuǎn)，許多公司都推出了兼容系列單片機(jī)，就是說MCS-51內(nèi)核實(shí)際上已經(jīng)成為一個(gè)8位單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。其他的公司的 51 單片機(jī)產(chǎn)品都是和MCS-51內(nèi)核兼容的產(chǎn)品而以。同樣的一段程序，在各個(gè)單片機(jī)廠家的硬件上運(yùn)行的結(jié)果都是一樣的，如ATMEL的89C51、89S51，PHILIPS（菲利浦），和WINBOND（華邦）等，我們常說的已經(jīng)停產(chǎn)的89C51 指的是ATMEL公司的AT89C51 單片機(jī)，同時(shí)是在原基礎(chǔ)上增強(qiáng)了許多特性，如時(shí)鐘，更優(yōu)秀的是由Flash（程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容至少可以改寫1000 次）存儲(chǔ)器取帶了原來的ROM（一次性寫入），而AT89C51 的性能相對(duì)于8051 已經(jīng)算是非常優(yōu)越的了。不過在市場化方面，89C51 受到了PIC 單片機(jī)陣營的挑戰(zhàn)，89C51 最致命的缺陷在于不支持ISP（在線更新程序）功能，必須加上ISP 功能等新功能才能更好延續(xù)MCS-51 的傳奇。AT89S51就是在這樣的背景下取代了AT89C51，現(xiàn)在，AT89S51 目前已經(jīng)成為了實(shí)際應(yīng)用市場上新的寵兒，作為市場占有率第一的Atmel 目前公司已經(jīng)停產(chǎn)AT89C51，將用AT89S51代替。AT89S51 在工藝上進(jìn)行了改進(jìn)，AT89S51 采用0.35新工藝，成本降低,而且將功能提升,增加了競爭力。AT89S51可以像下兼容AT89C51 等51 系列芯片。同時(shí)，Atmel 不再接受89C51的定單，大家在市場上見到的89C51 實(shí)際都是Atmel 前期生產(chǎn)的巨量庫存而以。如果市場需要，Atmel當(dāng)然也可以再恢復(fù)生產(chǎn)AT89C51。

2 AT89S51單片機(jī)的功能和特點(diǎn)

AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4K的可編程的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲(chǔ)器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片機(jī)芯片中，ATMEL公司的功能強(qiáng)大，低價(jià)位AT89S51單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。

AT89S51采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內(nèi)部由CPU，4kB的 ROM，256 B的 RAM，2個(gè)16b的定時(shí)／計(jì)數(shù)器TO和T1，4個(gè)8 b的工／O端I：IP0，P1，P2，P3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。

其引腳功能如下：

Vcc：電源電壓

GND：接地

P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口時(shí)，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。

在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。

在Flash編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。

P1口：P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作為輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。

Flash編程和程序校驗(yàn)期間，P1接收低8位地址。

P2口：P2口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸出口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。

在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVE @DPTR指令）時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行MOVX @Ri指令）時(shí)，P2口線上的內(nèi)容，在整個(gè)訪問期間不改變。

Flash編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和其他控制信號(hào)。

P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)P3口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸出端口。作輸入端時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。

P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能。

P3口還接手一些用于Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。

RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。WDT溢出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置SFR AUXR的DISRTO位（地址8EH）可打開或關(guān)閉該功能。DISRTO位缺省為RESET輸出高電平打開狀態(tài)。

ALE/ ～PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址所存允許）輸出脈沖用于所存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。

對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（～PROG）。

如有必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令A(yù)LE 才會(huì)被激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE無效。

～PSEN：程序儲(chǔ)存允許（～PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)，當(dāng)AT89S51由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次～PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，沒有兩次有效的～PSEN信號(hào)。

EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H——FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需要注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)所存EA端狀態(tài)。

如EA端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。

Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上＋12V的編程電壓VPP。

XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。

XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。

AT89S51標(biāo)準(zhǔn)功能：4K字節(jié)閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，看門狗（WDT），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89S51可降至0HZ的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中到內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有工作部件直到下一個(gè)硬件復(fù)位。

其主要性能參數(shù)：

與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容

4K字節(jié)在線系統(tǒng)編程（ISP）Flash 閃速存儲(chǔ)器

1000次擦寫周期

4.0-5.5V的工作電壓范圍

全靜態(tài)工作模式：0HZ-33MHZ

三級(jí)程序加密鎖

128*8字節(jié)內(nèi)部RAM

32個(gè)可編程I/O口線

2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器

6個(gè)中斷源

全雙工串行UART通道

低功耗空閑和掉電模式

中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng)

看門狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針

掉電標(biāo)模示和快速編程特性等

3 AT89S51優(yōu)越性

在AT89C51基礎(chǔ)上新增加的功能使AT89S51性能有了較大提升，但價(jià)格基本不變，甚至比AT89C51 更低。

ISP 在線編程功能，這個(gè)功能的優(yōu)勢在于改寫單片機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離。是一個(gè)強(qiáng)大易用的功能。

最高工作頻率為33MHz， AT89S51比AT89C51具有更高工作頻率，從而具有了更快的計(jì)算速度。

具有雙工UART 串行通道。

內(nèi)部集成看門狗計(jì)時(shí)器，不再需要像AT89C51 那樣外接看門狗計(jì)時(shí)器單元電路。

雙數(shù)據(jù)指示器。

電源關(guān)閉標(biāo)識(shí)。

全新的加密算法，這使得對(duì)于AT89S51 的解密變?yōu)椴豢赡?，程序的保密性大大加?qiáng)，這樣就可以有效的保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)不被侵犯。

兼容性方面：向下完全兼容51 全部字系列產(chǎn)品。比如8051、89C51 等等早期MCS-51 兼容產(chǎn)品。也就是說所有教科書、網(wǎng)絡(luò)教程上的程序，在AT89S51 上一樣可以照常運(yùn)行，這就是所謂的向下兼容。比較結(jié)果：就如同 INTEL 的P3 向P4 升級(jí)一樣，雖然都可以跑Windows98，不過速度是不同的。從 AT89C51 升級(jí)到AT89S51 ,也是同理。

4 單片機(jī)發(fā)展前景

縱觀我們現(xiàn)在生活的各個(gè)領(lǐng)域，從導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，到飛機(jī)上各種儀表的控制，從計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，到工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，以及我們生活中廣泛使用的各種智能IC卡、電子寵物等，這些都離不開單片機(jī)。作為典型的主流的AT89S51型單片機(jī)我們更要深刻的認(rèn)識(shí)和掌握。在單片機(jī)產(chǎn)生后，我們就將控制這些東西變?yōu)橹悄芑耍覀冎恍枰趩纹瑱C(jī)外圍接一點(diǎn)簡單的接口電路，核心部分只是由人為的寫入程序來完成。這樣產(chǎn)品的體積變小了，成本也降低了，長期使用也不會(huì)擔(dān)心精度達(dá)不到了。所以，不僅要掌握好51單片機(jī)，更重要的是運(yùn)用好。

[1] 安然然,聶鑫.基于AVR單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制[J].沈陽化工學(xué)院學(xué)報(bào), 2005(02)：126-128.

[2] 李敏,孟臣.彩色液晶顯示器在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2004(02)：49-52.