2.3 中央處理器

中央處理器（CPU）是整個單片機的核心部件。51系列單片機是8位數據寬度的處理器，能處理8位二進制數據或代碼。CPU負責控制、指揮和調度整個單元系統協調的工作，完成運算和控制輸入/輸出功能等操作。AT89S52的CPU與8051的CPU完全兼容。

中央處理器是由運算器、定時控制部件和寄存器通過總線連接而成的一個整體。

2.3.1 算術邏輯運算部件

AT89S52單片機的算術邏輯運算部件（ALU）包括運算器、累加器A、寄存器B、暫存器TMP、程序狀態寄存器PSW、堆棧指針SP、數據指針DPTR等。

算術邏輯運算部件可以進行加、減、乘、除四則運算，也可以進行與、或、非、異或等邏輯運算，還可以執行數據傳送、移位、判斷和程序轉移等功能。

51系列單片機的ALU提供了豐富的指令系統和極快的指令執行速度，大部分指令執行時間為1μs，乘法指令為4μs。AT89S52的ALU與8051的ALU完全兼容，其位處理功能非常強，這對“面向控制”特別有用，指令功能極為豐富，8位并行處理能力極強。

2.3.2 控制器

控制器包括時鐘發生器、定時控制邏輯、指令寄存器、指令譯碼器、程序計數器PC、程序地址寄存器、數據指針寄存器DPTR和堆棧指針SP等。

控制器是用來統一指揮和控制計算機進行工作的部件。它的功能是從程序存儲器中提取指令，送到指令寄存器，再送入指令譯碼器進行譯碼，并通過定時和控制電路，在規定的時刻發出各種操作所需要的全部內部控制信息及CPU外部所需要的控制信號，如ALE、、RD和WR等，使各部分協調工作，完成指令所規定的各種操作。

2.3.3 通用寄存器

寄存器是用來存放信息的單元，其優點是存取速度快、方便，寄存器的數量是衡量一臺計算機處理能力的重要標志。

51系列單片機的寄存器可分為工作寄存器（即通用寄存器）、專用寄存器和特殊功能寄存器（SFR）。特殊功能寄存器專為對應功能服務，在“數據存儲器”一節將詳細介紹。本節主要介紹通用工作寄存器R0～R7。

片內RAM的00H～1FH（共32B）空間，開辟了4個工作寄存器區，每組共有8個8位的寄存器R0～R7，通過對PSW的RS1和RS2進行設置，選擇任意一組使用，其余3組被屏蔽。其優點是，避免進棧保護，減少堆棧深度，節省出入棧指令和時間。不用的工作寄存器可作為片內RAM訪問。

2.3.4 專用寄存器

專用寄存器包括程序計數器（PC）、累加器A、寄存器B、程序狀態寄存器（PSW）、堆棧指針（SP）、數據指針（DPTR）等，下面分別介紹這幾種寄存器的功能。

1．程序計數器（PC）

程序計數器（PC）是一個16位二進制的程序地址寄存器，專門用來存放下一條需要執行指令的內存地址，能自動加1。

CPU執行指令時，根據程序計數器（PC）中的地址從存儲器中取出當前執行的指令碼，將其送給控制器分析執行，隨后程序計數器（PC）中的地址碼自動加1，以便取下一條指令碼。這樣一次次加1，指令就被一條條執行。

8051的程序計數器（PC）是由16個觸發器構成的，其編碼范圍為0000H～FFFFH，其尋址范圍為64KB。

2．累加器A

累加器A（或者ACC）是運算過程中的暫存寄存器，是一個8位二進制寄存器，用于提供操作數和存放操作結果。累加器A通過內部總線直接與ALU相連，一般的信息傳遞和交換均需通過累加器A。

3．寄存器B

寄存器B一般用于乘除法操作指令，也是一個8位二進制寄存器，由8個觸發器組成，與累加器A配合使用。寄存器中存放乘數或除數、乘積的高位字節和除法的余數。其他情冴下，可作為一般寄存器或者中間結果暫存器使用。

4．程序狀態寄存器（PSW）

程序狀態寄存器（PSW）是一個8位寄存器，用于存放指令執行后的有關狀態，為后面的指令執行提供狀態條件。PSW中的各狀態位通常是在指令執行過程中自動形成的，用戶可以根據需要改變PSW的狀態。PSW中的各狀態標志位如圖2.4所示。

PSW中的各狀態標志位說明如下。

◆ Cy：高位進位標志位。如果指令運算結果高位產生進位或借位，則Cy被置為“1”，否則為“0”。它在位處理指令中作為累加器用，所以又稱為“布爾累加器”。

◆ AC：輔助進位標志位。根據指令運算結果的低4位即D3有無向高4位D4進位或借位，來進行置位。如果有進位或借位，則置AC為“1”，否則為“0”。AC也常被稱為半字節進位標志位，常用于BCD碼調整。

◆ F0：用戶標志位。該標志位不是在指令執行過程中自動形成的，是由用戶根據需要通過傳送指令設置的。該標志位可用于決定用戶程序的走向。

◆ RS1 和RS0：工作寄存器選擇標志位。用于選擇內部RAM的4組工作寄存器的某組置于前臺，每個寄存器由8個8位寄存器（R0～R7）組成。通過改變RS1和RS0，可以決定通用寄存器的實際物理地址。這兩者之間的關系如表2.1所示。

表2.1 RS1、RS0與寄存器R0～R7間對應關系

◆ OV：溢出標志位。當運算結果數值的絕對值超過允許的最大值時，就會產生溢出。由機器在程序執行過程中自動形成，當運算結果數的A7或A6其中的一位產生進位或借位時，OV位自動置“1”，否則置“0”。其邏輯表達式為OV=A7⊕A6。

◆ —：保留位，無定義，用戶不能使用。

◆ P ：奇偶校驗標志位。邏輯運算后，運算結果中的1的個數為奇數，則P位自動置“1”，否則置“0”。

5．堆棧指針（SP）

堆棧是一組編有地址碼的特殊存儲單元。堆棧指針（SP）是在片內RAM中開辟一個存儲區域，專門存放堆棧棧頂的地址。堆棧指針SP是一個8位增量寄存器，堆棧深度為0～255個存儲單元。

數據進棧時，SP自動增1，將數據壓入SP所指向的堆棧單元；彈出時，將SP所指向的堆棧單元內的數據推出棧，然后SP自動減1。SP總是指向棧頂，按照“先進后出、后進先出”的原則進行數據存取。

在系統復位后，棧指針SP的初始值為07H，即棧底為08H單元。這樣就與工作寄存器區域重疊，必須重新定義SP，在片內RAM中開辟一個合適的堆棧區域。

6．數據指針（DPTR）

數據指針（DPTR）是一個16位寄存器，由8位寄存器DPH和DPL組合而成。其中DPH為DPTR的高8位，DPL為DPTR的低8位。它既可以作為16位數據指針使用，也可以分開以8位寄存器（DPH、DPL）單獨使用。DPTR可以用來存放片內ROM的地址，也可以存放片外RAM和片外ROM的地址。

AT89S52設有2個DPTR，分別為DP0（DP0H、DP0L）和DP1（DP1H、DP1L），通過對特殊功能寄存器AUXR1的DPS位進行設置來選擇不同的DPTR。當DPS=0，選擇DP0；當DPS=1，選擇DP1。