8051 单片机的结构和原理

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1、8051单片机的结构和原理2.151系列单片机的结构51单片机最初是由Intel公司开发设计的，但后来Intel公司把51核的设计方案卖给了几家大的电子设计生产商，譬如SST、Philip、Atmel等大公司。如是市面上出现了各式各样的但均以51为内核的单片机，倒是Intel公司自己的单片机却显得逊色了。这些各大电子生产商推出的单片机都兼容51指令、并在51的基础上扩展一些功能而内部结构是与51一致的，在前一章我们已经提到51单片机在今后很长一段时间内仍是主流，所以我们的教材将还是以51核为例给大家进行详细的介绍。2.1.151系列单片机的结构框图我们假设读者是已经学完了计算机的组

2、成原理，所以下面出现的有关计算机的专有名词就不做详细介绍了。我们知道我们PC机的CPU是基于冯诺伊曼的体系结构，然而MCU（单片机）、Dsp（数字信号处理器）都是基于哈佛结构的体系结构。哈佛结构与冯诺伊曼结构有很大的不同，在冯诺伊曼体系结构下只有一个地址空间，ROM和RAM可以随意安排在这一地址范围内的不同空间，即ROM和RAM地址统一分配。CPU访问存储器时，一个地址对应唯一的存储单元，可能是ROM，也可能是RAM。而哈佛结构下ROM和RAM是分开编址，即程序和数据分开保存，访问时用不同的指令加以区分，并可同时访问，在这样的体系结构下有利于提高指令的执行速度。在后面的章节我们将详

3、细介绍单片机的存储器配置。图2－1所示为MCS－51系列单片机的基本结构框图。从结构框图我们可以看出在这一小块芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部分。这些部分包括：（1）一个8位的微处理器（CPU）。（2）片内数据存储器RAM（128B／256B），用以存放可以读／写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等，SST89系列单片机最多提供1K的RAM。（3）片内程序存储器ROM／EPROM（4KB／8KB），用以存放程序、一些原始数据和表格。但也有一些单片机内部不带ROM／EPROM，如8031，8032，80C31等。目前单片机的发展趋势是将RAM和ROM都集成在单

4、片机里面，这样既方便了用户进行设计又提高了系统的抗干扰性。SST公司推出的89系列单片机分别集成了16K、32K、64KFlash存储器，可供用户根据需要选用，读者可查看书的后面部分。（4）四个8位并行I／O接口P0~P3，每个口既可以用作输入，也可以用作输出。（5）两个定时器／计数器，每个定时器／计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。为方便设计串行通信，目前的52系列单片机都会提供3个16位定时器/计数器。（6）五个中断源的中断控制系统。现在新推出的单片机都不只5个中断源，例如SST89E58RD就有9

5、个中断源。（7）一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I／O口，用于实现单片机之间或单机与微机之间的串行通信。（8）片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率为12MHz。SST89V58RD最高允许振荡频率达40MHz，因而大大的提高了指令的执行速度。以上各个部分通过内部数据总线相互连接。早期的51系列单片机有十多个品种，目前已发展到数百种，我们可以看看早期单片机的性能如表2－1所示，拿它和现代新型单片机比较，我们会发现它们的性能相差很大，可以参见后文的SST89系列单片机性能。8051单片机内部结构如图2-2所示。一个完整的计算机应该由运算

6、器、控制器、存储器（ROM及RAM）、数据总线和I／O接口组成。一般微处理器（如8086）就只包括运算器和控制器两部分。和一般微处理器相比，8051增加了四个8位I／O口、一个串行口、4KBROM、128BRAM、很多工作寄存器及特殊功能寄存器（SFR），所以单片机具有比微处理器更强大的控制功能，单片机是专为进行控制设计的，而常见的微处理器是用于运算功能的，下图各部分的功能描述一、中央处理单元（CPU）和PC机的CPU一样，它是单片机的核心，是计算机的控制和指挥中心，由运算器和控制器等部件组成。1．运算器运算器包括一个可进行8位算术运算和逻辑运算的单元ALU，8位的暂存器1、暂存器

7、2，8位的累加器ACC，寄存器B和程序状态寄存器PSW等。ALU：可对4位（半字节）、8位（一字节）和16位（双字节）数据进行操作。能做加、减、乘、除、加1、减1、BCD数十进制调整及比较等算术运算和与、或、异或、求补及循环移位等逻辑操作。ACC：累加器ACC经常作为一个运算数经暂存器2进入ALU的输入端，与另一个来自暂存器1的运算数进行运算，运算结果又送回ACC。除此之外，ACC在8051内部经常作为数据传送的中转站。同一般微处理器一样，它是最繁忙的一定寄存器了。在