AT89S51的CPU与并行I/O端口

本文主要涉及8051的CPU组成以及并行的4个I/O端口。CPU，主要由运算器（ALU）和控制器（CU）构成；4个双向的8位并行I/O端口`，分别记为P0、P1、P2和P3

一、CPU的组成

AT89S51是一种由Intel（现在的Microchip Technology）推出的8位单片机，它的核心是Intel 8051架构。下面简要介绍AT89S51的CPU部分，主要由运算器（ALU）和控制器（CU）构成。

1、 运算器（ALU - Arithmetic Logic Unit）

功能： 对操作数进行算术、逻辑和位操作运算。
组成： 算术逻辑运算单元ALU、累加器A、位处理器、程序状态字寄存器PSW及两个暂存器等。

1.1 算术逻辑运算单元ALU

可对8位变量逻辑运算（与、或、异或、循环、求补和清零），还可算术运算（加、减、乘、除）

ALU还有位操作功能，对位变量进行位处理，如置“1”、清“0”、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”等。

1.2 累加器A

累加器A是CPU中使用最频繁的一个8位寄存器，在使用汇编语言编程时，有些场合必须写为Acc。

作用如下：
（1）ALU单元的输入数据源之一，又是ALU运算结果存放单元
（2）数据传送大多都通过累加器A，相当于数据的中转站。为解决“瓶颈堵塞”问题，AT89S51增加了一部分可以不经过累加器的传送指令。

A的进位标志Cy是特殊的，因为它同时又是位处理机的位累加器.

3．程序状态字寄存器PSW

PSW（Program Status Word）位于片内特殊功能寄存器区，字节地址为D0H。
包含了程序运行状态的信息，其中4位保存当前指令执行后的状态，供程序查询和判断.

PSW中各个位的功能：
（1）Cy（PSW.7）进位标志位
可写为C。在算术和逻辑运算时，若有进位/借位，Cy＝1；否则，Cy＝0。在位处理器中，它是位累加器。

（2）Ac（PSW.6）辅助进位标志位
在BCD码运算时，用作十进位调整。即当D3位向D4位产生进位或借位时，Ac＝1；否则，Ac＝0。

（3）F0（PSW.5）用户设定标志位
由用户使用的一个状态标志位，可用指令来使它置“1”或清“0，控制程序的流向。用户应充分利用。

（4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）4组工作寄存器区选择
选择片内RAM区中的4组工作寄存器区中的某一组为当前工作寄存区。如表2-2。

（5）OV（PSW.2）溢出标志位
当执行算术指令时，用来指示运算结果是否产生溢出。
如果结果产生溢出，OV=1；否则，OV=0。

（6）PSW.1位 保留位

（7）P（PSW.0）奇偶标志位
指令执行完，累加器A中“1”的个数是奇数还是偶数。
P=1，表示A中“1”的个数为奇数。
P=0，表示A中“1”的个数为偶数。
此标志位对串行通信有重要的意义，常用奇偶检验的方法来检验数据串行传输的可靠性。

2、 控制器（CU - Control Unit）

任务识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动协调地工作。

控制器包括：程序计数器、指令寄存器、指令译码器、定时及控制逻辑电路等。

功能是控制指令的读入、译码和执行，从而对各功能部件进行定时和逻辑控制。

程序计数器PC是一个独立的16位计数器，不可访问。单片机复位时，PC中的内容为0000H，从程序存储器0000H单元取指令，开始执行程序。

PC工作过程是：CPU读指令时，PC的内容作为所取指令的地址，程序存储器按此地址输出指令字节，同时PC自动加1。

PC中内容变化轨迹决定程序流程。

当顺序执行程序时自动加1；

执行转移程序或子程序、中断子程序调用时，自动将其内容更改成所要转移的目的地址。

PC的计数宽度决定了程序存储器的地址范围。PC为16位，故可对64KB（=2^16B）寻址。

二、 并行I/O端口

4个双向的8位并行I/O端口，分别记为P0、P1、P2和P3，其中输出锁存器属于特殊功能寄存器。端口的每一位均由输出锁存器、输出驱动器和输入缓冲器组成，4个端口按字节输入/输出外，也可位寻址。

2.1、 P0口

P0口字节地址为80H，位地址为80H～87H。
P0口可作为双功能口：在外扩程序存储器、数据存储器（或外扩I/O）情况下，只能作为系统的低8位地址/数据总线端口来使用，否则可作为通用I/O端口使用。

P0口具有如下特点。
（1）当P0口用作地址/数据复用口时，是一个真正的双向口，用作与外部存储器的连接，输出低8位地址和输出/输入8位数据。
（2）当P0口用作通用I/O口时，由于需在片外接上拉电阻，端口不存在高阻抗（悬浮）状态，因此是一准双向口。为保证正确读入引脚信号，应首先向锁存器写1。单片机复位后，锁存器自动被置1；当P0口由原来的输出状态转变为输入状态时，应首先向锁存器写1，方可执行输入操作。
一般情况下，P0口大多作为地址/数据复用口使用，这时就不能再作为通用I/O口使用。

2.2、P1口

单功能的I/O口，字节地址为90H，位地址为90H～97H。
特点如下。
（1）P1口由于有内部上拉电阻，没有高阻抗输入状态，故为准双向口。作为输出口时，不需要在片外接上拉电阻。
（2）P1口“读引脚”输入时，必须先向P1口锁存器先写入1。

2.3、P2口

是一个双功能口，字节地址为A0H，位地址为A0H～A7H。在片外扩有存储器或I/O的情况下，P2口大多作为高8位地址总线口使用，这时就不能再作为通用I/O口。
特点如下：
（1）作为地址输出线使用时，P2口可输出外部存储器的高8位地址，与P0口输出的低8位一起构成16位地址，可寻址64KB的地址空间。当P2口作为高8位地址输出口时，输出锁存器的内容保持不变。
（2）作通用I/O口使用时，P2口为准双向口，功能与P1口一样

2.4、P3口

由于AT89S51的引脚数目有限，因此在P3口电路中增加了引脚的第二功能。P3口的第二功能定义如表2-7

P3口的每一位都可定义为第二输入功能或第二输出功能。
P3口的字节地址为B0H，位地址为B0H～B7H。

P3口的特点如下：
（1）P3口内部有上拉电阻，不存在高阻抗输入状态，为准双向口。
（2）P3口作为第二功能的输出/输入，或第一功能通用输入，需要先将相应位的锁存器置1。

实际应用中，由于复位后P3口锁存器自动置1，满足第二功能所需的条件，所以不需要任何设置工作，就可以进入第二功能操作。
当某位不作为第二功能使用时，可作为第一功能通用I/O使用。