8051单片机的基本结构及工作原理 _2013

8051单片机结构原理8051单片机是一种经典的8位微控制器，由Intel公司于上世纪80年代推出，至今仍然广泛应用于各种嵌入式系统中。

8051单片机具有简单的架构和强大的功能，它被广泛应用于家电、汽车、工业控制、通信、计算机外设等各种领域。

首先是CPU，它是整个单片机的核心部分，负责执行指令、处理数据等任务。

8051的CPU采用哈佛结构，指令存储器和数据存储器分开，分别通过不同的总线输入指令和数据，这样可以提高执行效率。

CPU包括一个8位累加器、一个16位程序计数器PC和一些专用寄存器，如SP（堆栈指针）、PSW（程序状态字）等。

RAM是用于存储程序执行过程中的变量和中间结果的地方。

8051单片机通常配备256字节到8KB大小的RAM，其中一部分用作数据存储，另一部分用来存放堆栈和暂存器等。

ROM是存储固定程序的地方。

8051单片机通常拥有4KB到64KB大小的ROM，其中包括了程序的实际代码和常量等。

ROM可以通过更换EPROM、EEPROM或闪存等器件以更新程序。

IO口是单片机与外部设备进行数据交互的接口。

8051单片机通常有多个IO口，它可以配置为输入和输出模式，用于与按钮、LED、液晶显示屏、键盘、存储器等外设进行数据交换。

定时器是用于计时和测量时间的模块。

8051单片机通常内置一个或多个定时器，用于延时、PWM输出、定时中断等应用。

定时器可以生成固定频率的时钟信号，或者根据预设的定时值生成定时中断。

除了以上主要部分，8051单片机还包含一些辅助模块，如串口通信模块、中断控制器、ADC（模数转换器）等。

这些模块可以扩展单片机的功能，实现更丰富的应用。

8051单片机的工作原理是通过执行一条条指令来完成不同的任务。

指令由程序存储器中读取，并由CPU根据指令集执行相应的操作。

指令集包括各种算术运算、逻辑运算、数据传输、跳转、循环等指令，通过组合这些指令可以实现各种不同的功能。

程序的执行按照顺序进行，程序计数器PC每次执行完一条指令后自动加一，指向下一条指令。

8051单片机的体系结构中央处理器：8051单片机采用的中央处理器由一个8位的累加器（Acc）和一个8位的算术逻辑单元（ALU）组成。

它还配备了一组标志寄存器，用于存储运算过程中的标志位，例如进位标志、零标志、溢出标志等。

该中央处理器支持多种数据操作，包括算术运算、逻辑运算、位操作等。

存储器：8051单片机具有多种类型的存储器。

它包括ROM（只读存储器）、RAM（随机存储器）和特殊功能寄存器（SFR）。

ROM用于存储程序代码和常量数据，RAM用于存储变量和临时数据，而SFR用于存储与特殊功能相关的寄存器。

其中，ROM和RAM的大小可以根据系统需求进行扩展。

输入/输出：8051单片机的输入/输出部分是其最重要的功能之一、它提供了多个通用输入和输出引脚，可以与外部设备进行数据通信。

此外，还提供了一些特殊功能引脚，用于与外围设备（如计时器、串行通信接口等）进行连接。

通过这些引脚，8051单片机可以与外部世界进行高效的数据交换。

时钟：8051单片机需要一个时钟源来提供时序控制和计时功能。

它可以使用外部晶振或者外部时钟源。

时钟源会被输入到时序逻辑单元（TLU），对程序进行节拍控制和计时。

特别值得一提的是，基于提供的根据时钟源产生的节拍信号，8051单片机能够实现采样输入、执行指令并输出结果的协调操作。

除了上述基本组件之外，8051单片机还有一些其他的特点和功能。

其中，片内计时器和串行通信接口（UART）是值得注意的。

片内计时器可以用于计时、延时、脉冲宽度测量等应用，而UART提供了串口通信功能。

另外，8051单片机还具有中断系统，可以在特定事件发生时中断正在执行的程序，并执行响应的中断服务程序。

总的来说，8051单片机的体系结构以其紧凑、高效的设计而著称。

它通过统一的总线结构，实现了不同部件之间的高速通信和数据传输。

这使得它成为一个理想的嵌入式控制器，适用于各种应用领域，如家电、汽车、工业自动化等。

8051 单片机的结构和原理2.1 51 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。

2.1.1 51 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。

8051单片机的内核的结构及运行过程解析1.ALU(算术逻辑单元)：8051单片机内置了一个8位ALU，负责执行算术和逻辑运算。

ALU可以进行加法、减法、与、或、非、异或等操作。

2.寄存器组：8051单片机包括4个8位的通用寄存器(R0~R7)和一个16位的程序计数器(PC)。

通用寄存器可用于保存临时数据和中间结果，程序计数器则记录当前执行指令的地址。

3.存储器：8051单片机的存储器包括内部存储器和外部扩展存储器。

内部存储器包括片内RAM和片内ROM两部分。

片内RAM可以分为128字节的数据存储器(IDATA)和256字节的数据存储器(XDATA)。

片内ROM则存储程序代码。

4.定时器/计数器：8051单片机内核包含两个定时器/计数器(T0、T1)。

定时器模式用于产生一定的时间延迟，计数器模式用于计数外部事件的个数。

定时器/计数器具有可编程的工作模式和计数值。

5.中断源：8051单片机支持多组中断源，包括外部中断INT0和INT1、定时器/计数器中断、串口中断等。

中断源的优先级可以通过程序设置，以满足不同应用场景的需求。

1.取指令阶段：程序计数器(PC)保存了当前指令的地址。

8051单片机通过将PC指针输出地址，从存储器中读取指令。

读取的指令存储于指令寄存器(IR)中。

2.译码阶段：指令寄存器(IR)中的指令会被译码器解码，生成相应的控制信号和操作码。

控制信号会对单片机的内部功能模块进行控制，操作码则确定执行的操作类型。

3.执行阶段：根据指令的操作码，单片机执行相应的操作。

例如，如果操作码指示进行加法运算，则ALU会执行加法操作，并将结果保存在指定的寄存器或存储单元中。

4.访存阶段：在执行一些指令时，单片机需要从存储器中读取或写入数据。

在访存阶段，单片机会将需要访问的存储器地址输出，并根据控制信号读取或写入数据。

5.写回阶段：在一些指令执行结束后，单片机会将执行结果写回到寄存器或存储器中。

写回阶段会更新相应的寄存器或存储单元，以保存最新的结果。

8051单片机教程一、认识8051单片机8051单片机是一款经典的微控制器，自1981年由英特尔公司推出以来，便广泛应用于工业控制、智能家居、嵌入式系统等领域。

本教程将带领大家了解8051单片机的结构、原理及其编程方法。

1. 8051单片机的基本结构（1）中央处理器（CPU）：负责执行程序指令，进行数据处理和控制。

（2）存储器：包括程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）。

程序存储器用于存放程序代码，数据存储器用于存放运行过程中的数据和变量。

（3）定时器/计数器：用于实现定时或计数功能，可应用于各种场合，如延时、脉冲计数等。

（4）并行I/O口：共有4个8位的并行I/O口，可用于连接外部设备，进行数据输入输出。

（5）串行通信接口：用于与其他设备进行串行通信，可实现数据的长距离传输。

（6）中断系统：允许外部设备或内部事件打断正常的程序执行流程，提高系统的实时性。

2. 8051单片机的特点（1）指令丰富：8051单片机拥有111条指令，包括数据传送、逻辑运算、算术运算、位操作等。

（2）硬件资源丰富：具备定时器、串行通信接口、中断系统等硬件资源，易于实现各种功能。

（3）扩展性强：可通过外部总线扩展存储器、I/O口等资源。

（4）功耗低：适用于电池供电的便携式设备。

（5）成本低：8051单片机价格低廉，性价比高。

二、8051单片机的编程基础1. 汇编语言与C语言2. 开发环境搭建（1）并安装Keil软件。

（2）创建一个新项目，选择8051单片机型号。

（3）编写，并将文件添加到项目中。

（4）编译、项目，可执行文件。

（5）将可执行文件到8051单片机中，进行调试和运行。

3. 基本语法与编程规范（1）变量定义：在C语言中，使用变量前需先进行定义。

例如：unsigned char count; // 定义一个无符号字符型变量count（2）数据类型：8051单片机支持多种数据类型，如char、int、long等。

8051工作原理8051是一款8位单片机，由Intel公司设计和生产。

它使用了哈佛结构，具有内部ROM、RAM、I/O端口和定时器等功能，可以实现复杂的计算和控制任务。

8051的工作原理可以简述为以下几个步骤：1. 初始化：首先将8051的寄存器和内存初始化为默认值，设置好时钟和外部设备。

2. 程序执行：8051按照程序存储器中的指令逐条执行，从程序存储器中读取指令并解码。

指令可以包括算术逻辑运算、数据传输、I/O操作等。

3. 存储器和寄存器访问：根据指令的要求，8051会访问存储器和寄存器来读取或写入数据。

存储器包括RAM、ROM和特殊功能寄存器(SFR)，寄存器则包括通用寄存器、计数器、状态寄存器等。

4. I/O操作：如果指令需要对外部设备进行操作，8051会通过相应的I/O端口与外部设备进行数据交互。

这些外部设备可以是LED、LCD、键盘、传感器等。

5. 中断处理：当外部设备产生中断信号时，8051会暂时停止执行主程序，转向中断处理程序来处理中断请求。

中断可以是外部中断、定时器中断或串行口中断等。

6. 定时器和计数器：8051内部集成了一个或多个定时器和计数器，可以用来进行时间计数、波特率生成、定时任务等。

这些定时器和计数器可以根据需要进行配置和控制。

7. 控制跳转：根据程序中的控制语句（如if、for、while等），8051可以根据条件跳转到指定的地址继续执行相应的代码段。

上述是8051的基本工作原理，它能够通过灵活的编程和配置，实现各种不同的应用，包括嵌入式系统、自动控制系统、通信系统等。

第二章MCS51单片机的基本结构与工作原理一、8051单片机内部包含哪些主要逻辑功能部件？提示：（1）CPU—包括运算器和控制器。

其中运算器主要有运算逻辑部件ALU（实质上就是一个全加器）、累加器A、暂存器TMP（如B寄存器、数据指针DPTR）、程序状态字PSW（寄存程序运行的状态信息）；控制器主要有程序计数器PC（实质是加1计数器）、指令寄存器IR（存放指令操作码的专用寄存器）、指令译码器、定时控制逻辑电路（按指令的性质发出一系列定时信号）、条件转移逻辑电路。

（2）内部RAM。

共有256个RAM单元。

其中低128个单元（00H—7FH）供用户使用，高128个单元（80H—FFH）是专用寄存器，有着特殊逻辑功能（又名特殊功能寄存器SFR）。

（3）内部ROM。

8031内部无ROM，8051有4KB掩膜ROM。

（4）定时/计数器。

MCS51共有2个16位的定时/计数器（T0、T1）。

（5）并行I/O口。

MCS51共有4个8位并行I/O口（P0、P1、P2、P3）。

（6）串行口。

MCS51有1个全双工的串行口。

（7）中断控制系统。

MS51共有5个中断源，且分两个优先级别。

（8）时钟电路。

系统允许的最高晶振频率为12MHz（主要用于通信）。

二、MCS51问片内RAM、片外提示：（1（2）（片内外统一编址空间共64KB）、128个单元中的21个单元SFR，高128个单元中的107个空闲地址，用户不能使用。

切记！）、片外数据存储器（寻址空间64KB）。

（3）从功能上划分为程序存储器、内部数据存储器、特殊功能寄存器、位地址空间、外部数据存储器。

访问片内RAM的指令助记符是MOV；如MOV P1，A访问片外RAM的指令助记符是MOVX；如MOVX @DPTR ，A访问片外ROM的指令助记符是MOVC；如MOVC A，@A+PC三、MCS51单片机片内RAM按用途可以划分几个区域？各有什么作用？（片内RAM低128单元划分哪三个主要部分？各部分主要功能是什么？）提示：片内RAM是最灵活的地址空间，在物理上分成两个独立的功能不同的区域，即低128个单元（00H —7FH）的数据RAM区、高128个单元（80H—FFH）的特殊功能寄存器SFR区（见下一题的回答）。

8051单片机硬件结构
8051单片机是一款广泛应用于嵌入式系统设计中的微控制器。

它由英特尔公司于1980年推出，是目前应用最广泛的8位单片机之一、8051单片机的硬件结构包括中央处理器、存储器、输入/输出接口和定时器/计数器等模块。

1.中央处理器（CPU）：
8051单片机使用的是Harvard结构的CPU，包括一个8位的ALU（算术逻辑单元）、一个8位的累加器（Accumulator）和一个8位的程序计数器（PC）。

该CPU还包括4个通用寄存器（R0-R3）和1个存储器指针寄存器（DPTR）。

它还具有处理器状态字寄存器（PSW）和堆栈指针（SP），用于管理程序的执行状态和堆栈操作。

2.存储器：
3.输入/输出接口：
8051单片机提供了大量的输入/输出引脚，用于连接外部设备。

它支持多种输入/输出方式，包括双向I/O口、专用I/O口、串行口和中断端口等。

每个I/O口都可以配置为输入或输出，并且可以通过寄存器编程来控制。

4.定时器/计数器：
8051单片机内置了2个独立的定时器/计数器模块，用于生成精确的时间延迟和测量外部事件。

定时器模块可以配置为定时器或计数器，并具有可编程的预分频器和计数器。

它还可以通过中断机制触发中断请求，用于实现实时操作和时序控制。

5.中断控制器：
6.时钟源：
总之，8051单片机的硬件结构包括中央处理器、存储器、输入/输出接口、定时器/计数器、中断控制器和时钟源等模块。

这些硬件模块相互配合，实现了单片机的功能扩展和系统控制能力。

它广泛应用于各种嵌入式系统设计中，如家电控制、工业自动化、汽车电子等。

8051单片机的结构和原理中央处理器(CPU)是单片机的核心部分，由时钟发生器和控制单元组成。

时钟发生器提供CPU工作需要的时钟信号，控制单元负责指令的获取、译码和执行。

8051单片机的CPU有一个8位的累加器(ACC)和一个可分成两个4位寄存器的B寄存器。

它还具有一个地址总线和一个数据总线，用于与其他芯片进行通信。

存储器是单片机的重要组成部分，用于存储程序和数据。

8051单片机有不同类型的存储器，包括ROM(只读存储器)和RAM(随机存储器)。

ROM用于存储程序代码，而RAM用于存储变量和临时数据。

在一些高级型号的8051单片机中，还可以通过外部存储器接口扩展存储容量。

输入输出(I/O)是单片机与外部设备进行信息交互的接口。

8051单片机的I/O口有两类，即通用I/O口和特殊功能I/O口。

通用I/O口可以配置为输入口或输出口，用于与外部设备进行数字信号输入输出。

特殊功能I/O口具有特定的功能，如串行通信、定时器/计数器控制等。

定时器/计数器是8051单片机的重要辅助模块，用于生成定时延时和计数操作。

它包括两个定时器/计数器(T0和T1)，可以用于测量时间、延时控制、产生波形等应用。

定时器/计数器可以通过编程设置工作模式、计数方式以及定时时间周期。

串行通信器是8051单片机与外部设备进行串行通信的接口。

它包括一个串口(UART)，支持异步串行通信和同步串行通信。

通过串行通信器，8051单片机可以与计算机、终端设备、传感器等进行数据的发送和接收。

中断控制器是8051单片机的另一个重要模块，用于处理外部中断和内部中断。

当外部设备发生中断请求时，中断控制器会暂停当前任务，转而执行中断服务程序。

中断控制器包括外部中断INT0、INT1和内部中断IE0、IE1、TF0、TF1等。

8051单片机的原理是基于冯·诺依曼结构和哈佛结构的混合结构。

它具有单指令多数据流(SISD)并行处理特性，在一条指令周期内可以同时对多个数据进行处理。