2.1 51系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

8051單片機(jī)是由中央處理器（CPU）、程序存儲器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、串行接口、并行I/O接口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等幾大單元，以及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線組成的。8051系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框架示意圖如圖2.1所示。

2.1.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要組成部分

單片機(jī)的性能都反映在單片機(jī)所特有的結(jié)構(gòu)和資源上。這里首先介紹8051單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)的主要組成部分。

1．中央處理器（CPU）

中央處理器（CPU）是整個(gè)單片機(jī)的核心部件。51系列單片機(jī)是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，它能處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼。CPU主要由算術(shù)邏輯部件、控制器和專用寄存器三部分電路組成，這個(gè)將在后面詳細(xì)介紹。它負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入/輸出功能等操作。

2．程序存儲器（ROM）

8051單片機(jī)共有4096個(gè)8位掩膜ROM，用于存放用戶程序、原始數(shù)據(jù)或表格。有些新型的單片機(jī)，如AT89S52采用的是Flash存儲器。

3．?dāng)?shù)據(jù)存儲器（RAM）

8051單片機(jī)內(nèi)部有128個(gè)8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個(gè)專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的。專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)。所以，用戶能使用的RAM只有128個(gè)。這些單元可存放讀/寫的數(shù)據(jù)、運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。對于一些新型的單片機(jī)，內(nèi)部RAM的單元可能更多，例如AT89S52的內(nèi)部有256個(gè)RAM數(shù)據(jù)存儲單元。

4．定時(shí)/計(jì)數(shù)器

8051有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)。它也可以產(chǎn)生中斷，從而控制程序轉(zhuǎn)向。

5．并行輸入/輸出（I/O）口

單片機(jī)需要和外部設(shè)備進(jìn)行通信，以便于處理外部的輸入和將運(yùn)算結(jié)果反饋到外部設(shè)備。8051共有4組8位I/O口（P0、P1、P2和P3），用于對數(shù)據(jù)的讀入和輸出。

6．全雙工串行口

8051內(nèi)置一個(gè)全雙工串行通信口，用于與其他設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送。該串行口既可以用做異步通信收發(fā)器，也可以用做同步移位器。

7．中斷系統(tǒng)

8051具備較完善的中斷功能，有兩個(gè)外中斷、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串行中斷。這些功能可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。

8．時(shí)鐘電路

8051內(nèi)置最高頻率達(dá)12MHz的時(shí)鐘電路，可以外置振蕩晶振和電容，便可以產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時(shí)序。設(shè)計(jì)人員也可以采用外部的時(shí)鐘源作為工作時(shí)鐘。

2.1.2 單片機(jī)結(jié)構(gòu)的類型

按照程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的體系結(jié)構(gòu)，單片機(jī)大致有如下兩種類型。

◆ 一種是程序存儲器（ROM）和數(shù)據(jù)存儲器（RAM）分開的形式，即哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)便于對程序和數(shù)據(jù)同時(shí)訪問，可以減輕程序運(yùn)行時(shí)的訪存瓶頸，提高數(shù)據(jù)的吞吐率。

◆ 一種是采用通用計(jì)算機(jī)廣泛使用的程序存儲器（ROM）與數(shù)據(jù)存儲器（RAM）合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓（Princeton）結(jié)構(gòu)，也稱為馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)。由于程序指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個(gè)存儲器的不同物理位置，因此程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同。

例如，Intel的MCS-51系列單片機(jī)普遍采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式，而后續(xù)產(chǎn)品16位的MCS-96系列單片機(jī)則采用普林斯頓結(jié)構(gòu)。