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单片机8051的CPU由运算器和控制器组成

已有 971 次阅读2014-3-29 11:27 | 关键词: 单片机

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技术交流  找杨工  Q1075349026
  一、运算器
运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件ALU为核心,再加上暂存器TMP、累加器ACC、寄存器B、程序状态标志寄存器PSW及布尔处理器。累加器ACC是一个八位寄存器,它是CPU中工作最频繁的寄存器。在进行算术、逻辑运算时,累加器ACC往往在运算前暂存一个操作数(如被加数),而运算后又保存其结果(如代数和)。寄存器B主要用于乘法和除法操作。标志寄存器PSW也是一个八位寄存器,用来存放运算结果的一些特征,如有无进位、借位等。其每位的具体含意如下所示。PSW CY AC FO RS1 RS0 OV - P对用户来讲,最关心的是以下四位。
    1进位标志CY(PSW7)。它表示了运算是否有进位(或借位)。如果操作结果在最高位有进位(加法)或者借位(减法),则该位为1,否则为0。
    2辅助进位标志AC。又称半进位标志,它反映了两个八位数运算低四位是否有半进位,即低四位相加(或减)有否进位(或借位),如有则AC为1状态,否则为0。
    3溢出标志位OV。MCS-51反映带符号数的运算结果是否有溢出,有溢出时,此位为1,否则为0。
    4奇偶标志P。反映累加器ACC内容的奇偶性,如果ACC中的运算结果有偶数个1(如11001100B,其中有4个1),则P为0,否则,P=1。
    PSW的其它位,将在以后再介绍。由于PSW存放程序执行中的状态,故又叫程序状态字?运算器中还有一个按位(bit)进行逻辑运算的逻辑处理机(又称布尔处理机)。其功能在介绍位指令时再说明。
  二、控制器
  控制器是CPU的神经中枢,它包括定时控制逻辑电路、指令寄存器、译码器、地址指针DPTR及程序计数器PC、堆栈指针SP等。这里程序计数器PC是由16位寄存器构成的计数器。要单片机执行一个程序,就必须把该程序按顺序预先装入存储器ROM的某个区域。单片机动作时应按顺序一条条取出指令来加以执行。因此,必须有一个电路能找出指令所在的单元地址,该电路就是程序计数器PC。当单片机开始执行程序时,给PC装入第一条指令所在地址,它每取出一条指令(如为多字节指令,则每取出一个指令字节),PC的内容就自动加1,以指向下一条指令的地址,使指令能顺序执行。只有当程序遇到转移指令、子程序调用指令,或遇到中断时(后面将介绍),PC才转到所需要的地方去。8051 CPU碢C指定的地址,从ROM相应单元中取出指令字节放在指令寄存器中寄存,然后,指令寄存器中的指令代码被译码器译成各种形式的控制信号,这些信号与单片机时钟振荡器产生的时钟脉冲在定时与控制电路中相结合,形成按一定时间节拍变化的电平和时钟,即所谓控制信息,在CPU内部协调寄存器之间的数据传输、运算等操作。
    三、存储器
    存储器是单片机的又一个重要组成部分,图6给出了一种存储容量为256个单元的存储器结构示意图。其中每个存储单元对应一个地址,256个单元共有256个地址,用两位16进制数表示,即存储器的地址(00H~FFH)。存储器中每个存储单元可存放一个八位二进制信息,通常用两位16进制数来表示,这就是存储器的内容。存储器的存储单元地址和存储单元的内容是不同的两个概念,不能混淆。
    一、程序存储器
    程序是控制计算机动作的一系列命令,单片机只认识由“0”和“1”代码构成的机器指令。如前述用助记符编写的命令MOV A,#20H,换成机器认识的代码74H、20H:(写成二进制就是01110100B和00100000B)。在单片机处理问题之前必须事先将编好的程序、表格、常数汇编成机器代码后存入单片机的存储器中,该存储器称为程序存储器。程序存储器可以放在片内或片外,亦可片内片外同时设置。由于PC程序计数器为16位,使得程序存储器可用16位二进制地址,因此,内外存储器的地址最大可从0000H到FFFFH。8051内部有4k字节的ROM,就占用了由0000H~0FFFH的最低4k个字节,这时片外扩充的程序存储器地址编号应由1000H开始,如果将8051当做8031使用,不想利用片内4kROM,全用片外存储器,则地址编号仍可由0000H开始。不过,这时应使8051的第{31}脚(即EA脚)保持低电平。当EA为高电平时,用户在0000H至0FFFH范围内使用内部ROM,大于0FFFH后,单片机CPU自动访问外部程序存储器。
  二、数据存储器
  单片机的数据存储器由读写存储器RAM组成。其最大容量可扩展到64k,用于存储实时输入的数据。8051内部有256个单元的内部数据存储器,其中00H~7FH为内部随机存储器RAM,80H~FFH为专用寄存器区。实际使用时应首先充分利用内部存储器,从使用角度讲,搞清内部数据存储器的结构和地址分配是十分重要的。因为将来在学习指令系统和程序设计时会经常用到它们。8051内部数据存储器地址由00H至FFH共有256个字节的地址空间,该空间被分为两部分,其中内部数据RAM的地址为00H~7FH(即0~127)。而用做特殊功能寄存器的地址为80H~FFH。在此256个字节中,还开辟有一个所谓“位地址”区,该区域内不但可按字节寻址,还可按“位(bit)”寻址。对于那些需要进行位操作的数据,可以存放到这个区域。从00H到1FH安排了四组工作寄存器,每组占用8个RAM字节,记为R0~R7。究竟选用那一组寄存器,由前述标志寄存器中的RS1和RS0来选用。在这两位上放入不同的二进制数,即可选用不同的寄存器组,如附表1所示。
  三、特殊功能寄存器
  特殊功能寄存器(SFR)的地址范围为80H~FFH。在MCS-51中,除程序计数器PC和四个工作寄存器区外,其余21个特殊功能寄存器都在这SFR块中。其中5个是双字节寄存器,它们共占用了26个字节。各特殊功能寄存器的符号和地址见附表2。其中带*号的可位寻址。特殊功能寄存器反映了8051的状态,实际上是8051的状态字及控制字寄存器。用于CPU PSW便是典型一例。这些特殊功能寄存器大体上分为两类,一类与芯片的引脚有关,另一类作片内功能的控制用。与芯片引脚有关的特殊功能寄存器是P0~P3,它们实际上是4个八位锁存器(每个I/O口一个),每个锁存器附加有相应的输出驱动器和输入缓冲器就构成了一个并行口。MCS-51共有P0~P3四个这样的并行口,可提供32根I/O线,每根线都是双向的,并且大都有第二功能。其余用于芯片控制的寄存器中,累加器A、标志寄存器PSW、数据指针DPTR等的功能前已提及,而另一些寄存器的功能在后面有关部分再作进一步介绍
单片机的指令系统和寻址方式
单片机要正常运作,事先需编制程序,再把程序放入存贮器中,然后由CPU执行该程序。程序是由指令组成的,指令的基本组成是操作码和操作数。单片机的品种很多,设计时怎样表示操作码和操作数,都有各自的规定,再有指令代码也各不相同,因此,必须对所选单片机的全部指令,也就是所谓“指令系统”,有足够的了解。各个系列的单片机虽然有不同的指令系统,但也有其共同性。掌握一种单片机的指令系统,对其它系列单片机可以起到触类旁通的作用。MCS-51单片机应用广泛,派生品种多,具有代表性,所以,这里以MCS-51系列的指令系统为例说明“指令”的组成和应用。
  1、MOV A,#20H
       这条指令表示把20H这个数送入累加器A中(一个特殊功能寄存器)。
    2、ADD A,70H
       这条指令表示把累加器A中的内容(在上例中送入的#20H)和存贮器中地址为70H单元中的内容(也是一个数字),通过算术逻辑单元(英文缩写为ALU)相加,并将结果保留在A中。这里MOV、ADD等称为操作码,而A、#20H、70H等均称为操作数。在汇编语言程序中,操作码通常由英文单词缩写而成,这样有助于记忆,所以又称助记符。如MOV就是英文单词MOVE的缩写,含有搬移的意思;而ADD即为英文单词,其意为相加。因此,对于略懂英语的用户,掌握单片机指令的含意是较为方便的。操作数有多种表示法,如以上的#20H称为立即数,即20H就是真正的操作数。而70H是存贮器中某个单元的地址,在该单元中,放着操作数(比如说是3AH),ADD A,70H不是将70H和A中的内容相加,而是从存贮器70H单元中将3AH取出和A中的内容相加。由上可知,要找到实际操作数,有时就要转个弯,甚至转几个弯,这个过程称为寻址,MCS-51共有7种寻址方式,现介绍如下:
    一、立即寻址:操作数就写在指令中,和操作码一起放在程序存贮器中。把“#”号放在立即数前面,以表示该寻址方式为立即寻址,如#20H。
    二、寄存器寻址:操作数放在寄存器中,在指令中直接以寄存器的名字来表示操作数的地址。例如MOV A,R0就属于寄存器寻址,即将R0寄存器的内容送到累加器A中。
    三、直接寻址:操作数放在单片机的内部RAM某单元中,在指令中直接写出该单元的地址。如前例的ADD A,70H中的70H。
    四、寄存器间接寻址:操作数放在RAM某个单元中,该单元的地址又放在寄存器R0或R1中。
    如果RAM的地址大于256,则该地址存放在16位寄存器DPTR(数据指针)中,此时在寄存器名前加@符号来表示这种间接寻址。如MOV A,@ R0。其它还有变址寻址、相对寻址、位寻址等,待以后再详细介绍。可能有人会问,在指令中直接给出实际操作数,不是简单、明了吗?为什么还要用其它几种寻址方式呢?这是因为在编制程序时很难一下子就给出操作数。如用单片机控制温度时,时时需要将给定的控制温度(如20℃)减去环境温度,而环境温度时时有变化,显然无法在程序指令中给出,只有通过一定方式,将其送入某个输入/输出口,再存放在某个寄存器中,这就必须用到寄存器寻址。又如要进行算术运算,要计算每班学员各科成绩的平均值,如果把每个学员的各科都编一个程序,在程序中直接给出该学员各科成绩,再求平均值,显然太麻烦。这里可以编一个求平均成绩的通用程序,把每位学员的成绩送入存贮器的各个单元中,这时可采取直接寻址,一个程序可供每个学员用,不是更方便吗?所以,寻址方式越多,编制程序就越方便、灵活,适用范围就越广。寻址有如找人,如被找的人有手机、BP机、座机电话等多种联系方式则就容易找到他,单片机也是如此,寻址方式越多,找操作数越方便,单片机的功能就越强。前面介绍51系列单片机的寻址方式时,常遇到单片机内部的一些寄存器、累加器A、通用寄存器R0~R7、数据指针DPTR和存贮器等。在以后介绍指令时,数据就要在这些寄存器、存贮器之间传送,或者进行运算。因此,编制程序就需熟悉单片机的内部结构。
    8051单片机的内部总体结构其基本特性如下:
    8位CPU、片内振荡器
    4k字节ROM、128字节RAM
    21个特殊功能寄存器
    32根I/O线
    可寻址的64k字节外部数据、程序存贮空间
    2个16位定时器、计数器
    中断结构:具有二个优先级、五个中断源
    一个全双口串行口
    位寻址(即可寻找某位的内容)功能,适于按位进行逻辑运算的位处理器。除128字节RAM、4k字节ROM和中断、串行口及定时器模块外,还有4组I/O口P0~P3,余下的就是CPU的全部组成。把4kROM换为EPROM就是8751的结构,如去掉ROM/EPROM部分即为8031的框图,如果将ROM置换为Flash存贮器或EEPROM,或再省去某些I/O,即可得到51系列的派生品种,如89C51、AT89C2051等单片机的框图。
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