单片机内部主要部件

1.2 单片机内部主要部件单片机内部电路比较复杂，MCS-51系列的8051型号单片机的内部电路根据功能可以分为CPU、RAM、ROM/EPROM、并行口、串行口、定时/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）等8个主要部件，如图1-2-1所示。

这些部件通过片内的单一总线相连，采用CPU加外围芯片的结构模式，各个功能单元都采用特殊功能寄存器集中控制的方式。

其他公司的51系列单片机与8051结构类似，只是根据用户需要增加了特殊的部件，如A/D转换器等。

在设计程序过程中，寄存器的使用非常频繁。

本节内容在了解单片机内部的组成机构基础上，重点介绍单片机内部常用的寄存器的作用。

图1-2-1 MCS-51架构1.2.1中央处理器（CPU）中央处理器是单片机的核心，主要功能是产生各种控制信号，根据程序中每一条指令的具体功能，控制寄存器和输入/输出端口的数据传送，进行数据的算术运算、逻辑运算以及位操作等处理。

MCS-51系列单片机的CPU字长是8位，能处理8位二进制数或代码，也可处理一位二进制数据。

单片机的CPU从功能上一般可以分为运算器和控制器两部分。

一、控制器控制器由程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器、定时控制与条件转移逻辑电路等组成。

其功能是对来自存储器中的指令进行译码，通过定时电路，在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的功能。

各部分功能部件简述如下。

1．程序计数器PC（Program Counter）程序计数器是一个16位的专用寄存器，用来存放下一条指令的地址，具有自动加1的功能。

当CPU要取指令时，PC的内容送地址总线上，从存储器中去取出一个指令码后，PC 内容自动加1，指向下一个指令码，以保证程序按顺序执行。

PC是用来指示程序的执行位置，在顺序执行程序时，单片机每执行一条指令，PC就自动加1，以指示出下一条要取的指令的存储单元的16位地址。

也就是说，CPU总是把PC 的内容作为地址，根据该地址从存储器中取出指令码或包含在指令中的操作数。

因此，每当取完一个字节后，PC的内容自动加1，为取下一个字节做好准备。

由于51系列单片机的寻址范围为64K，所以，PC中数据的编码范围为0000H～FFFFH，共64K。

单片机上电或复位时，PC自动清0，即装入地址0000H，这就保证了单片机上电或复位后，程序从0000H 地址开始执行。

2．指令寄存器IR（Instruction Register）指令寄存器是一个8位寄存器用于暂存待执行的指令，等待译码。

3．暂存器TMP用于暂存进入运算器之前的数据。

4．指令译码器ID（Instruction Decoder）指令译码器是对指令寄存器中的指令进行译码，将指令变为执行此指令所需要的电信号。

根据译码器的输出信号，再经定时电路定时产生执行该指令所需要的各种控制信号。

5．数据指针DPTR（Data Pointer）数据指针是一个16位的专用地址指针寄存器，主要用来存放16位地址，作间址寄存器，访问片外64K字节的数据存储器和I/O端口及程序存储器。

由两个独立的特殊功能寄存器组成，分别为DPH（高8位）和DPL（低8位），占据83H和82H两个地址。

DPTR与PC不同，DPTR有自己的地址，可以进行读写操作，而PC没有地址，不能对它进行读写操作，但可以通过转移、调用、返回编程操作改变其内容，从而实现程序的转移。

二、运算器运算器主要进行算术和逻辑运算。

运算器由算术逻辑单元ALU、累加器ACC、程序状态字PSW、BCD码运算电路、通用寄存器B和一些专用寄存器及位处理逻辑电路等组成。

1．算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）ALU由加法器和其他逻辑电路等组成，完成数据的算术逻辑运算、循环移位、位操作等，参加运算的两个操作数，一个由A通过暂存器2提供，另外一个由暂存器1提供，运算结果送回A，状态送PSW。

2．累加器ACC（Accumulator）累加器是一个8位特殊功能寄存器，简称A，通过暂存器与ALU传送信息，用来存放一个操作数或中间结果。

3．程序状态字PSW（Program Status Word）PSW也是一个8位的特殊功能寄存器，用于存储程序运行过程中的各种状态信息。

4．其他部件暂存器用来存放中间结果，B寄存器用于乘法和除法时，提供一个操作数，对于其他指令，只用作暂存器。

5．位处理器单片机能处理布尔操作数，能对位地址空间中的位直接寻址，进行清零、取反等操作，这种功能提供了把逻辑式（随机组合逻辑）直接变为软件的简单明了的方法，不需要过多的数据传送、字节屏蔽和测试分支，就能实现复杂的组合逻辑功能。

位处理器是单片机的一个特殊组成部分，具有相应的指令系统，可提供17条位操作指令。

硬件上有自己的“累加器”和自己的位寻址RAM、I/O口空间，是一个独立的位处理器，位处理器和8位处理器形成完美的组合。

1.2.2存储器单片机内部包含随机存取存储器RAM和程序存储器ROM，RAM用于保存单片机运行的中间数据；单片机的ROM不只是用来装载程序，增强51系列也可以在单片机运行过程中利用程序把数据存贮在ROM的部分空间内。

51系列单片机在系统结构上采用哈佛结构（Harvard architecture），即程序存储器和数据存储器的寻址空间是分开管理的。

它共有4个物理上独立的存储器空间，即内部和外部程序存储器及内部和外部数据存储器。

从用户的角度看，单片机的存储器逻辑上分为三个存储空间，见图1-2-2所示，即统一编址的64KB的程序存储器地址空间（包括片内ROM和外部扩展ROM），地址从0000H—FFFFH；256B 的片内数据存储地址空间（包括128B的片内RAM和特殊功能寄存器的地址空间）；64KB 的外部扩展的数据存储器地址空间。

图中EA是单片机的程序扩展控制引脚。

一、单片机的RAM51单片机芯片中共有256个字节的RAM单元，但其中128个字节被专用寄存器占用，能作为存储单元供用户使用的只是前128B，用于存放可读写的数据。

因此通常所说的内部数据存储器就是指前128B，简称片内RAM。

在程序比较复杂，且运算变量较多而导致51内部RAM不够用时，可根据实际需要在片外扩展，最多可扩展64KB，但在实际应用中如需要大容量RAM时，往往会利用增强型的51单片机而不再扩展片外RAM。

增强型的51系列单片机如52和58子系列分别有256 B和512B的RAM。

00H7FH80H0000HFFFFH地址地址图1-2-2 51单片机的存储器空间分布51单片机片内128B RAM根据功能又划分为工作寄存器区（地址00H—1FH），位寻址区（地址20H—2FH），一般RAM区（地址30H—7FH）和堆栈区（地址2FH以后），其中位寻址区共16字节128个单元。

51单片机共有21个特殊功能寄存器（Special Function Register，SFR），它是片内RAM 的一部分。

特殊功能寄存器用于对片内各功能模块进行监控和管理，是一些控制寄存器和状态寄存器，与片内RAM单元统一编址。

二、内部程序存储器（内部ROM）51单片机共有4 KB的ROM，单片机的生产商不同，内部程序存储器可以是EEPROM 或Flash ROM。

可根据实际需要在片外扩展，最多可扩展64KB。

增强型的51单片机内部ROM空间可以达到64KB，在使用时不须再扩展片外ROM。

数据存储器、程序存储器以及位地址空间的地址有一部分是重叠的，但在具体寻址时，可由不同的指令格式和相应的控制信号来区分不同的地址空间，因此不会造成冲突。

1.2.3 单片机的其它部件51单片机还有定时器/计数器，并行I/O口，串行口，中断系统，时钟电路等部件。

51单片机有两个16位的定时/计数器，具有4种工作方式，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对系统进行控制；51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3口），表现在单片机外部共有32条引脚，内部与寄存器连接，以实现数据的并行输入/输出。

51单片机有一个全双工的串行口，具有4种工作方式，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。

该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。

为满足控制应用的需要，51单片机共有5个中断源，即外部中断两个，定时/计数中断两个，串行口中断一个。

全部中断分为高级和低级两个优先级别。

时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。

51单片机芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接，系统常用的晶振频率一般为6 MHz或12 MHz。

从上面的介绍可以看出，51系列单片机虽然只是一个芯片，但作为计算机应该具有的基本部件它都包含，实际上单片机就是一个基本的微型计算机系统。

增强型51系列与51系列单片机完全兼容，但内部资源在51基础上有所增加，如52子系列片内ROM从4 KB增加到8 KB，片内RAM从128 B增加到256 B，定时/计数器从2个增加到3个，中断源从5个增加到6个，功能的增强大大拓展了8位单片机的应用空间。

STC8951RC系列为增强51系列单片机，表1-2-1给出了STC89系列常用的几种单片机内部资源，由于此类型单片机支持串口在线下载，并且有低功耗、速度快、稳定可靠性、价格低等优点，因此本书实例将重点以STC8951为例说明。

表1-2-1 STC89系列单片机内部资源1.2.4特殊功能寄存器特殊功能寄存器（Special Function Register）是通过专门规定而且具有特定用途的RAM 部分，它是单片机内部很重要的部件。

特殊功能寄存器能综合反映单片机系统内部的工作状态和工作方式，其中一部分作内部控制用，如定时器/计数器和串行口的控制，如果改变控制寄存器的状态就可以改变其功能，使得单片机内部硬件的控制以可编程的形式体现51系列单片机内部堆栈指针SP、累加器A、程序状态字PSW以及I/O锁存器、定时器、计数器以及控制寄存器和状态寄存器等都是特殊功能寄存器，和片内RAM统一编址，分散占用80～FFH单元，共有21个，增强型的52系列单片机则有26个，表1-2-2列出了单片机的特殊功能寄存器名称、标识符和对应的字节地址，其中含有52系列的寄存器T2，T2CON 等。

在单片机C语言编程应用中，单片机的特殊功能寄存器标识符经常用到。

下面只介绍其中部分寄存器，一些控制寄存器会在单片机内部资源编程应用中详细介绍。

表1-2-2 特殊功能寄存器一、累加器ACC/A（Accumulator）累加器A为8位寄存器，是最常用的专用寄存器，功能较多，使用最为频繁。

它既可用于存放操作数，也可用来存放运算的中间结果。

51系列单片机中大部分单操作数指令的操作数就取自累加器，许多双操作数指令中的一个操作数也取自累加器。