C单片机的基本结构和工作原理

2 80C51单片机的基本结构 和工作原理
2.1 80C51单片机的组成
（1） 中央处理器（CPU）
单片机中央处理器和通用微处理器基本相同，只是 增设了“面向对象”的处理功能。如位处理、查表、多种 跳转、乘除法运算、状态检测、中断处理等，增强了实时 性。
（2） 存储器
目前微型计算机和单片机的存储器主要有两种结构， 即哈佛（Harvard）结构和普林斯顿（Princeton）结构。 所谓哈佛结构，是将程序存储器和数据存储器截然分开， 分别寻址的结构；而普林斯顿结构，则是将程序和数据共 用一个存储器空间的结构。80C51系列单片机采用前者。
③ B寄存器
B寄存器为8位寄存器，主要用于乘除指令中。乘法 中，ALU的两个输入分别为A、B，运算结果存放在AB寄 存器对中。A中存放积的低8位，B中存放积的高8位。除 法中，A中存放被除数，B中放入除数，商数存放于A，余 数存放于B。当然B寄存器也可作为一个普通的内部RAM 单元使用。
④程序状态字
程序状态字PSW（Program Status Word）是一个逐位 定义的8位标志寄存器，它保存指令执行结果的特征信息， 以供程序查询和判别。其各位的定义如下：
a. PSW.0（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的位数的奇偶性，若累加器中1的位数为奇数则P＝1， 否则P＝0。
（3） I/O接口 ①并行I/O接口 80C51单片机内部有4个8位I/O接口，不仅可灵活地
用作输入或输出，而且还具有多种功能。
②串行口 80C51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机 和其它设备间的串行通讯。该串行口还可作为同步移位 器使用。
（4）时钟电路 80C51单片机内部有时钟电路，但石英晶体和微调电
图2－1 80C51单片机的基本组成框图
①程序存储器（ROM）
程序存储器用来存放程序和始终要保留的常数。常 用的有片内掩膜ROM、可编程ROM（PROM）、可擦除 可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程型ROM （E2PROM）
8031片内没有程序存储器
8051内部设有4KB的掩模ROM程序存储器
8751是将8051片内的ROM换成EPROM
89C51则换成4KB的闪速EEPROM
89S51结构同89C51，4KB的闪速EEPROM可在线编程
增强型52、54、58系列的存储容量为普通型分别为 8KB、16KB、64KB
②数据存储器（RAM） 数据存储存放程序运行中所需要的常数和变量。51 系列内部RAM容量为128B，52系列为256B。
功能划分芯片，由多片构成微型计算机的设计思想，将构 成计算机的许多功能集成在一块晶体芯片上，它已具备了 计算机的基本功能，实际上已经是一个简单的微型计算机 系统了。
2.2 80C51单片机内部结构 和引脚功能
2.2.1 80C51的内部结构
80C51单片机的内部结构如图2－2所示。它主要由以 下几个部分组成：1个8位的中央处理器；4KB的 EPROM/ROM；128B的RAM；32条I/O线；2个定时器/计 数器；1个具有5个中断源、2个优先级的中断嵌套结构； 用于多处理机通讯、I/O口扩展或全双工通用异步接收发 器（UART）；特殊功能寄存器（SFR）；1个片内振荡器 和时钟电路。这些部件通过内部总线连接起来，构成一个 完整的微型计算机。
b. PSW.2（OV，溢出标志位）
c. PSW.3、PSW.4（RS0、RS1，工作寄存器选择控制 位）
该两位通过软件置“0”或“1”来选择当前工作寄存器 组，具体定义见表2－1。
表2－1 工作寄存器组选择
RS1
RS0
所选中的寄存器组
0
0
寄存器0组（00H～07H）
0
1
寄存器1组（08H～0FH）
f. PSW.7（CY，进位标志位） 在算术运算中它可作为进位标志，表示运算结果中 高位是否有进位或借位的状态。
1
0
寄存器2组（10H～17H）
1
1
寄存器3组（18H～1FH）
d. PSW.5（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的状态来实现分支 转移。
e. PSW.6（AC，辅助进位标志位）
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位被清“0”。在进 行十进制调整指令时，将借助AC状态进行判断。
累加器ACC（简称累加器A）为一个8位寄存器，它 是CPU中使用最频繁的寄存器。大部分单操作数指令的操 作数取自累加器A，很多双操作数指令的一个操作数取自 累加器A，加、减、乘和除等算术运算指令的运算结果都 存放在累加器A或AB寄存器中，在变址寻址方式中累加器 被作为变址寄存器使用。
需要注意的是，在80C51单片机，还有一部分可以不 经过累加器A的传送指令，如：寄存器直接寻址单元元、间接寻址单元与立即数之间的传送指令。其目的是加 快传送速度，减少累加器A的堵塞现象。
图2－2 80C51的内部结构图
2.2.2. 中央处理器（CPU）
中央处理器是单片机内部的核心部件，它决定了单 片机的主要功能特性。中央处理器从功能上可分为运算器、 控制器两部分。
（1）运算器
运算器由运算逻辑单元ALU、累加器ACC（A）、暂 存寄存器、B寄存器、程序状态标志寄存器PSW以及BCD 码运算修正电路等组成。
①算术逻辑单元ALU 算术逻辑单元ALU的结构如图2－3所示。ALU功能 十分强大，不仅可以对8位变量进行逻辑“与”、“或”、 “异或”、循环求补、清零等基本操作，还可以进行加、 减、乘、除等基本运算，并具有数据传输、程序转移等功 能。为了乘除运算的需要，设置了B寄存器。
图2－3 ALU结构
②累加器ACC
容需外接，时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。
（5）中断 80C51共有5个中断源，即外部中断2个，定时器/计数
器中断2个，串行口中断1个，全部中断源分为两个优先级， 优先级的高低可通过编程实现。
（6）定时器/计数器 80C51共有2个16位的定时器/计数器，以实现精确的
定时或对外部事件的计数功能。
从以上内容可以看出，单片机突破了常规的按逻辑