初学者必读！单片机基础结构解析

2023-11-04 理论教育版权反馈

【摘要】：8051单片机的内部结构由运算器、控制器、存储器、数据总线和I/O接口组成。7）中断控制系统 8051单片机拥有5个中断源，两个中断优先级的中断控制系统，以满足控制应用的需要。图3-2 单片机内部振荡图3-3 HMOS8051单片机外部时钟图3-4 CHMOS80C51单片机9）时序定时51单片机共有4个，分别为振荡周期、状态周期、机器周期和指令周期。

本书所讲的51系列单片机指的是MCS-51系列单片机，可能不同厂家生产的51系列单片机从表面到内部资源不完全一样，但是芯片的内部结构是一致的，都采用了8051内核。51单片机内部基本模块包括中央处理器（CPU）、存储器（数据存储器RAM和程序存储器ROM）、并行I/O口、串行通信口、定时/计数器、中断系统等功能器件，内部模块之间通信由总线连接，51单片机内部结构框图如图3-1所示。

8051单片机的内部结构由运算器、控制器、存储器（ROM及RAM）、数据总线和I/O接口组成。中央处理器CPU包括运算器、控制器以及若干寄存器等部件。

运算器电路包括ALU（算术逻辑单元）、ACC（累加器）、B寄存器、状态寄存器PSW、暂存器TMP1和暂存器TMP2等部件，运算器的功能是进行算术运算、逻辑运算和位运算。

1.累加器A

累加器为8位寄存器，是程序中最常用的专用寄存器，在指令系统中累加器的助记符为A。作用：作为暂存寄存器，用于提供操作数和存放运算结果。直接与内部总线相连，一般信息传递和交换都要经过ACC。

2.寄存器B

B寄存器为8位寄存器，主要用于乘除指令中。乘法指令的两个操作数分别取自累加器A和寄存器B，其中B为乘数，乘法结果的高8位存放于寄存器B中。除法指令中，被除数取自A，除数取自B，除法的结果商数存放于A，余数存放于B中。在其他指令中，B寄存器也可作为一般的数据单元来使用。

3.程序状态字PSW

程序状态字是一个8位寄存器，它包含程序的状态信息。在状态字中，有些位状态是根据指令执行结果，由硬件自动完成设置的，而有些状态位则必须通过软件方法设定。PSW中的每个状态位都可由软件读出，PSW的各位定义如下：

图3-1 51单片机内部结构框图

（1）CY：进位标志位

在执行某些算术和逻辑指令时，可以被硬件或软件置位或清零。在算术运算中它可作为进位标志，在位运算中，它作累加器使用，在位传送、位与和位或等位操作中，都要使用进位标志位。

（2）AC：辅助进位标志

进行加法或减法操作时，当发生低四位向高四位进位或借位时，AC由硬件置位，否则AC位被置“0”。在进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记，用户根据需要用软件对其置位或清零，也可以用软件测试F0来控制程序的跳转。

（4）RS1和RS0：寄存器区选择控制位

该两位通过软件置“0”或“1”来选择当前工作寄存器区。

（5）OV：溢出标志位

当执行算术指令时，由硬件置位或清零来指示溢出状态。在带符号的加减运算中，OV=1表示加减运算结果超出了累加器A所能表示的符号数有效范围（-128～127），即运算结果是错误的，反之，OV=0，即无溢出产生。

（6）P：奇偶标志位

每个指令周期由硬件来置位或清零，用以表示累加器A中1的个数的奇偶性，若累加器中1的个数为奇数则P=1，否则P=0。(www.chuimin.cn)

51单片机各部分功能介绍如下：

1）中央处理器（CPU）单片机的核心，完成运算和控制功能，MCS-51的CPU能处理8位二进制数或代码。

2）内部数据存储器（内部RAM） 8051芯片中有128个RAM单元，用于存放可读写的数据，简称内部RAM。

3）内部程序存储器（内部ROM） 8051芯片内部有8KB掩膜ROM，用于存放程序或表格，因此称为程序存储器，简称内部ROM。

4）定时器/计数器 8051共有两个可编程的16位定时器/计数器，以实现定时或计数功能。

5）并行I/O口 MCS-51单片机共有4个可编程的8位I/O口（P0，P1，P2，P3），以实现数据的并行输入/输出。

6）串行口 MCS-51单片机有一个全双工的串行I/O口，以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。

7）中断控制系统 8051单片机拥有5个中断源，两个中断优先级的中断控制系统，以满足控制应用的需要。

8）时钟电路由振荡电路得到一个基本的振荡信号，然后对振荡信号进行分频，从而得到相应的时钟。单片机的振荡电路有两种：内部振荡（电路设计时使用比较多）和外部振荡。

内部振荡如图3-2所示：MCS-51芯片的内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为放大器的输入端和输出端，将其余外接的晶体振荡器和微调电容相连，构成内部自激振荡器产生振荡时钟脉冲，电容C1和C2电容容量选择范围为5～30pF，系统允许的晶振频率为1.2～12MHz（此种情况电路设计时使用比较多）。

外部振荡：利用外部已有的时钟信号引入到单片机内部。对于HMOS 8051单片机外部时钟XTAL2用来输入外部时钟信号，XTAL1接地如图3-3所示；对于CHMOS 80C51单片机必须用XTAL1输入外部时钟信号，XTAL2悬空如图3-4所示。（注意：8051与80C51完全兼容，差别主要在芯片制造工艺上，80C51的制造工艺是在8051基础上进行了改进，8051采用HMOS工艺，高速度、高密度；80C51采用CHMOS工艺，高速度、高密度和低功耗）。