51单片机CPU的内部结构
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51单片机基本结构详解51单片机(也称为8051单片机)是一种8位微控制器,由Intel公司于1980年代推出。
它是目前市场上最广泛使用的低成本单片机之一,被广泛应用于各个领域,包括家电、工业控制、仪器仪表等。
本文将详细介绍51单片机的基本结构。
一、51单片机的总体结构51单片机的总体结构主要分为五个部分,包括中央处理器(CPU)、存储器、IO口、定时器/计数器以及串行通信接口。
1. 中央处理器(CPU)51单片机中心的核心是一个8位的CPU,负责执行指令集中的操作。
它包括一个累加器(Accumulator)用于存放运算结果,以及一组寄存器用于存放操作数和地址。
2. 存储器51单片机的存储器主要包括内部RAM和内部ROM。
内部RAM用于存放程序和数据,容量通常较小,而内部ROM则用于存储不变的程序指令。
3. IO口51单片机提供了多个通用IO口,用于与外部设备进行数据交互。
这些IO口既可以作为输入口用于接收外部信号,也可以作为输出口用于发送信号控制外部设备。
4. 定时器/计数器51单片机内置的定时器/计数器模块可用于产生精确的时间延时和计数应用。
它能够协助实现各种时间相关的功能,如PWM输出、测速和脉冲计数等。
5. 串行通信接口51单片机的串行通信接口可用于与其他设备进行数据的串行传输。
常见的串行通信协议包括UART、SPI和I2C等。
二、51单片机的工作原理51单片机的工作原理可以概括为以下几个步骤:1. 程序存储器中的指令被复制到内部RAM中。
2. CPU从内部RAM中取出指令并执行。
3. 根据指令的要求,CPU可能会与IO口、定时器/计数器或串行通信接口进行数据交互。
4. 执行完指令后,CPU将结果存回内部RAM或IO口。
三、51单片机的应用领域51单片机由于其成本低、技术成熟、易于开发和应用广泛等优点,被广泛应用于各个领域。
1. 家电控制51单片机可以用于家电控制,如空调、洗衣机、电视机等。
MCS-51单片机的基本组成 - 单片机图1说明MCS-51系列单片机的基本组成。
1、8051单片机内部结构和功能1.中央处理器CPU(1)运算器1) 算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit)2) 累加器ACC (Accumulator)3) 寄存器B4) 程序状态字PSW(ProgramStatusWord)程序状态字PSW是一个8位特殊功能寄存器,它的各位包含了程序运行的状态信息,以供程序查询和判断。
PSW程序状态字格式和含义如下:①Cy(PSW.7) 进位标志位。
Cy是PSW中最常用的标志位。
由硬件或软件置位和清零。
它表示运算结果是否有进位(或借位)。
如果运算结果在最高位有进位输出(加法时)或有借位输入(减法时),则Cy由硬件置“1”,否则Cy被清“0”。
②AC(PSW.6) 辅助进位(或称半进位)标志。
当执行加减运算时,运算结果产生低四位向高四位进位或借位时,AC由硬件置“1”;否则AC 位被自动清“0”。
③F0(PSW.5) 用户标志位。
用户可根据自己的需要对F0位赋予一定的含义,由用户置位或复位,作为软件标志。
④RSl和RS0(PSW.4,PSW.3) 工作寄存器组选择位。
这两位的值决定选择哪一组工作寄存器为当前工作寄存器组。
由用户通过软件改变RSl和RS0值的组合,以切换当前选用的工作寄存器组。
其组合关系如表2-1所示⑤OV(PSW.2) 溢出标志位。
它反映运算结果是否溢出,溢出时则由硬件将OV位置“1”,否则置“0”。
⑥F1(PSW.1) 用户标志位,同F0(PSW.5)。
⑦P(PSW.0) 此位为奇偶标志位。
P标志表明累加器ACC中1的个数的奇偶性。
在每条指令执行完后,单片机根据ACC的内容对P位自动置位或复位。
若累加器ACC中有奇数个“1”,则P=1;若累加器ACC 中有偶数个“1”,则P=0。
5) 布尔处理器MCS-51的CPU是8位微处理器,它还具有1位微处理器的功能。
51单片机的内部结构MCS-51单片机内部结构8051是MCS-51系列单片机的典型产品,我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。
8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线,现在我们分别加以说明:·中央处理器:中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件,是8位数据宽度的处理器,能处理8位二进制数据或代码,CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作,完成运算和控制输入输出功能等操作。
·数据存储器(RAM):8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元,它们是统一编址的,专用寄存器只能用于存放控制指令数据,用户只能访问,而不能用于存放用户数据,所以,用户能使用的的RAM只有128个,可存放读写的数据,运算的中间结果或用户定义的字型表。
·程序存储器(ROM):8051共有4096个8位掩膜ROM,用于存放用户程序,原始数据或表格。
·定时/计数器(ROM):8051有两个16位的可编程定时/计数器,以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。
·并行输入输出(I/O)口:8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3),用于对外部数据的传输。
·全双工串行口:8051内置一个全双工串行通信口,用于与其它设备间的串行数据传送,该串行口既可以用作异步通信收发器,也可以当同步移位器使用。
·中断系统:8051具备较完善的中断功能,有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断,可满足不同的控制要求,并具有2级的优先级别选择。
·时钟电路:8051内置最高频率达12MHz的时钟电路,用于产生整个单片机运行的脉冲时序,但8051单片机需外置振荡电容。
单片机的结构有两种类型,一种是程序存储器和数据存储器分开的形式,即哈佛(Harvard)结构,另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构,即普林斯顿(Princeton)结构。
51单片机基本结构详解1.什么是单片机单片机是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU 、随机存储器RAM 、只读存储器ROM 、多种I/O 口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调试电路电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。
图1-1 单片机外形图2.单片机的引脚排列常用的单片机有40个引脚,其排列和功能如图2-1所示。
外ROM读选通信号外接晶体引线端地址锁存控制引脚内外ROM选择引脚21222324252627282930313233343536373839402019181716151413121110987654321VSS XTAL1XTAL2T1/P3.5TO/P3.4TXD/P3.1RXD/P3.0RST/VPD P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0INT0/P3.2INT1/P3.3P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0VCC EA/VPP ALE/PROG PSEN RD/P3.7WR/P3.6电源引脚接地引脚复位信号P1口P0口P3口P2口图2-1单片机的引脚排列和功能3.单片机最小系统单片机最小系统是单片机正常工作的最小硬件要求,包括供电电路、时钟电路、复位电路,如图3-1所示。
图3-1 单片机的最小应用系统判断单片机芯片及时钟系统是否正常工作有一个简单的办法,就是用万用表测量单片机晶振引脚(18、19脚)的对地电压,以正常工作的单片机用数字万用表测量为例:18脚对地约2.24V ,19脚对地约2.09V 。
对于怀疑是复位电路故障而不能正常工作的单片机也可以采用模拟复位的方法来判断,单片机正常工作时第9脚对地电压为零,可以用导线短时间和+5V 连接一下,模拟一下上电复位,如果单片机能正常工作了,说明这个复位电路有问题。
MCS-51单⽚机的硬件结构MCS-51单⽚机的基本组成MCS-51是Intel公司⽣产的⼀个单⽚机系列的总称.在功能上,该系列单⽚机有基本型和增强型两⼤类,通常以芯⽚型号的末位数字来区别。
末位数字位“1”的型号是基本型,为“2”的信号是增强型。
MCS-51单⽚机的内部结构如图所⽰,基本结构包括:⼀个8位的CPU及⽚内振荡器;4KB掩膜ROM(8051),4KB EPROM(8751),⽆ROM(8031);128B RAM,21个特殊功能寄存器SFK;4个(P0~P3)8位并⾏I/O接⼝,⼀个可编程全双⼯通⽤异步串⾏接⼝(UART);具有5个中断源,2个优先级;可寻址64KB 的⽚外ROM和64KB的⽚外RAM;两个16位的定时/计数器;具有位操作功能的布尔处理机及位寻址功能。
MCS-51单⽚机的引脚及其功能MCS-51单⽚机的引脚封装MCS-51单⽚机有普通的HMOS芯⽚和CMOS低功耗芯⽚。
HMOS芯⽚采⽤双列直插封装⽅式,⽽CMOS芯⽚采⽤的封装⽅式有双列直插也有⽅形封装的。
尽管封装的⽅式不同,但是它们的结构完全⼀样。
输⼊/输出接⼝MCS-51单⽚机有4个双向8位I/O接⼝,它们是P0、P1、P2、P3。
在⽆外接存储器时,这4个I/O接⼝均可以作为通⽤I/O接⼝使⽤,CPU既可以对它们进⾏字节操作也可以进⾏位操作。
当外接程序存储器或数据存储器时,P0⼝和P2⼝不再作为通⽤I/O⼝使⽤。
此时,P0⼝传送存储器地址的低8位以及双向的8位数据,P2⼝传送存储器地址的⾼8位。
P0⼝和P2共同组成MCS-51单⽚机的16位地址总线,⽽低8位地址总线与8位双向数据总线分时复⽤。
P0⼝P0⼝有8位,每⼀位由⼀个锁存器、两个三态输⼊缓冲器、控制电路和驱动电路组成。
P0⼝有两种功能,⼀是作为通⽤I/O⼝;⼆是当外接存储器时,作为低8位地址总线和8位双向数据总线。
P0 ⼝作为通⽤I/O ⼝作为通⽤I/O ⼝时,P0 ⼝既可以做输⼊⼝,也可以做输出⼝,并且每⼀位都可以设定为输⼊或输出。
简述51系列单片机的内部组成结构51系列单片机是一种非常常见的单片机产品,被广泛应用于各种电子设备中。
它具有强大的功能和灵活的可编程性,能够满足不同应用场景的需求。
那么,究竟51系列单片机的内部是如何组成的呢?我们来了解一下51系列单片机的基本结构。
51系列单片机由中央处理器、存储器、输入输出端口、定时器、中断系统等多个部分组成。
其中,中央处理器是51系列单片机的核心部件,负责执行指令和进行数据处理。
存储器用于存储程序代码和数据,包括ROM、RAM 和特殊功能寄存器等。
输入输出端口用于与外部设备进行数据交互,可以实现数据输入、输出和控制功能。
定时器可以生成指定时间间隔的定时信号,用于定时操作和计时功能。
中断系统可以在特定条件下中断正常的程序执行,执行相应的中断服务程序。
接下来,我们详细介绍一下51系列单片机的内部组成结构。
首先是中央处理器部分,它由一个8位的CPU核心组成,具有丰富的指令集和寄存器。
这些指令可以执行各种算术和逻辑操作,以及数据传输、位操作等功能。
CPU核心还包括时钟发生器和系统控制逻辑,用于产生时钟信号和控制系统的运行。
其次是存储器部分,51系列单片机的存储器主要包括ROM和RAM。
ROM是只读存储器,用于存储程序代码和常量数据。
RAM是随机存储器,用于存储变量和临时数据。
此外,51系列单片机还具有一些特殊功能寄存器,用于存储各种控制和状态信息。
再次是输入输出端口部分,51系列单片机有多个I/O口,用于与外部设备进行数据交互。
每个I/O口都有一个特定的地址和控制寄存器,可以设置输入输出方向和电平状态。
通过读写这些寄存器,可以实现数据输入、输出和控制功能。
51系列单片机还具有定时器部分,用于生成精确的定时信号。
定时器可以根据设定的参数生成不同频率和周期的定时信号,用于各种定时操作和计时功能。
此外,定时器还可以用于产生脉冲信号、PWM 信号等。
最后是中断系统部分,51系列单片机具有多个中断源和中断向量。
51单片机内部有一个8位的CPU,同时知道了CPU内部包含了运算器,控制器及若干寄存器。
在这节课,我们就与大家一起来讨论一下51单片机CPU的内部结构及工作原理。
从上图中我们可以看到,在虚线框内的就是CPU的内部结构了,8位的MCS-51单片机的CPU内部有数术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit)、累加器A(8位)、寄存器B(8位)、程序状态字PSW(8位)、程序计数器PC(有时也称为指令指针,即IP,16位)、地址寄存器AR(16位)、数据寄存器DR(8位)、指令寄存器IR(8位)、指令译码器ID、控制器等部件组成。
1、运算器(ALU)的主要功能A)算术和逻辑运算,可对半字节(一个字节是8位,半个字节就是4位)和单字节数据进行操作。
B)加、减、乘、除、加1、减1、比较等算术运算。
C)与、或、异或、求补、循环等逻辑运算。
D)位处理功能(即布尔处理器)。
由于ALU内部没有寄存器,参加运算的操作数,必须放在累加器A中。
累加器A也用于存放运算结果。
例如:执行指令 ADD A,B执行这条指令时,累加器A中的内容通过输入口In_1输入ALU,寄存器B通过内部数据总线经输入口In_2输入ALU,A+B的结果通过ALU的输出口Out、内部数据总线,送回到累加器A。
2、程序计数器PCPC的作用是用来存放将要执行的指令地址,共16位,可对64K ROM直接寻址,PC低8位经P0口输出,高8位经P2口输出。
也就是说,程序执行到什么地方,程序计数器PC就指到哪里,它始终是跟蹿着程序的执行。
我们知道,用户程序是存放在内部的ROM中的,我们要执行程序就要从ROM中一个个字节的读出来,然后到CPU中去执行,那么ROM具体执行到哪一条呢?这就需要我们的程序计数器PC 来指示。
程序计数器PC具有自动加1的功能,即从存储器中读出一个字节的指令码后,PC自动加1(指向下一个存储单元)。
3、指令寄存器IR指令寄存器的作用就是用来存放即将执行的指令代码。
51单片机CPU的内部结构
在前面的课程中,我们已知道了单片机内部有一个8位的CPU,同时知道了CPU 内部包含了运算器,控制器及若干寄存器。
在这节课,我们就与大家一起来讨论一下51单片机CPU的内部结构及工作原理。
从上图中我们可以看到,在虚线框内的就是CPU的内部结构了,8位的MCS-51单片机的CPU内部有数术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit)、累加器A (8位)、寄存器B(8位)、程序状态字PSW(8位)、程序计数器PC(有时也称为指令指针,即IP,16位)、地址寄存器AR(16位)、数据寄存器DR(8位)、指令寄存器IR(8位)、指令译码器ID、控制器等部件组成。
1、运算器(ALU)的主要功能
A)算术和逻辑运算,可对半字节(一个字节是8位,半个字节就是4位)和单字节数据进行操作。
B)加、减、乘、除、加1、减1、比较等算术运算。
C)与、或、异或、求补、循环等逻辑运算。
D)位处理功能(即布尔处理器)。
由于ALU内部没有寄存器,参加运算的操作数,必须放在累加器A中。
累加器A 也用于存放运算结果。
例如:执行指令 ADD A,B
执行这条指令时,累加器A中的内容通过输入口In_1输入ALU,寄存器B通过内部数据总线经输入口In_2输入ALU,A+B的结果通过ALU的输出口Out、内部
数据总线,送回到累加器A。
2、程序计数器PC
PC的作用是用来存放将要执行的指令地址,共16位,可对64K ROM直接寻址,PC低8位经P0口输出,高8位经P2口输出。
也就是说,程序执行到什么地方,程序计数器PC就指到哪里,它始终是跟蹿着程序的执行。
我们知道,用户程序是存放在内部的ROM中的,我们要执行程序就要从ROM中一个个字节的读出来,然后到CPU中去执行,那么ROM具体执行到哪一条呢?这就需要我们的程序计数器PC来指示。
程序计数器PC具有自动加1的功能,即从存储器中读出一个字节的指令码后,PC自动加1(指向下一个存储单元)。
3、指令寄存器IR
指令寄存器的作用就是用来存放即将执行的指令代码。
在这里我们先简单的了解下CPU执行指令的过程,首先由程序存储器(ROM)中读取指令代码送入到指令寄存器,经译码器译码后再由定时与控制电路发出相应的控制信号,从而完成指令的功能。
关于指令在单片机内部的执行过程,我们在后面将会以另一节课来进行详细的讲解。
4、指令译码器ID
用于对送入指令寄存器中的指令进行译码,所谓译码就是把指令转变成执行此指令所需要的电信号。
当指令送入译码器后,由译码器对该指令进行译码,根据译码器输出的信号,CPU控制电路定时地产生执行该指令所需的各种控制信号,使单片机正确的执行程序所需要的各种操作。
5、地址寄存器AR(16位)
AR的作用是用来存放将要寻址的外部存储器单元的地址信息,指令码所在存储单元的地址编码,由程序计数器PC产生,而指令中操作数所在的存储单元地址码,由指令的操作数给定。
从上图中我们可以看到,地址寄存器AR通过地址总线AB与外部存储器相连。
6、数据寄存器DR
用于存放写入外部存储器或I/O端口的数据信息。
可见,数据寄存器对输出数据具有锁存功能。
数据寄存器与外部数据总线DB直接相连。
7、程序状态字PSW
用于记录运算过程中的状态,如是否溢出、进位等。
例如,累加器A的内容83H,执行:
ADD A,#8AH ;累加器A与立即数8AH相加,并把结果存放在A中。
指令后,将产生和的结果为[1]0DH,而累加器A只有8位,只能存放低8位,即0DH,元法存放结果中的最高位B8。
为些,在CPU内设置一个进位标志位C,当执行加法运算出现进位时,进位标志位C为1。
8、时序部件
由时钟电路和脉冲分配器组成,用于产生微操作控制部件所需的定时脉冲信号在后面的课程中我们将会安排一节课来讲解这些专用的寄存器。