2.2 80C51单片机的逻辑结构

2.2.1 80C51单片机的组成

单片机芯片上集成了微型计算机的5个组成部分，单片机的片内结构框图如图2-1所示。它主要由以下几部分组成：8位的微处理器CPU，内含布尔处理器，一个片内振荡器和时钟电路；数据存储器RAM，程序存储器ROM；定时器/计数器；串行通信接口；64KB总线扩展控制器和4个并行I/O接口等。MCS-51单片机片内总体结构框图如图2-1所示。

2.2.2 中央处理单元

中央处理单元（CPU）是MCS-51单片机核心部分，主要由运算器和控制器两部分构成。它的工作过程是，取指令→分析指令→根据指令的功能控制单片机的各功能部件执行指定的运算或操作，如此循环往复。

1.运算器

运算器由算术/逻辑运算单元ALU、累加器ACC、寄存器B、暂存寄存器、程序状态字寄存器PSW组成。它所完成的任务是实现算术与逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。

1）算术/逻辑运算单元ALU可以实现8位数据的加、减、乘、除算术运算和与、或、异或、循环、取反等逻辑运算，同时还具有一般微处理器所不具备的位处理功能。

2）累加器ACC的作用是向ALU提供操作数和存放运算的结果。同一般微机一样，MCS-51单片机在结构上也是以累加器ACC为中心，大部分指令的执行都要通过累加器ACC进行。在运算时将累加器ACC中的一个操作数经暂存器2送至ALU，与另一个来自暂存器1的操作数在ALU中进行运算，运算后的结果又送回累加器ACC。

图2-1 MCS-51单片机片内总体结构框图

3）寄存器B作为通用的寄存器使用。另外在乘、除运算时用来存放一个操作数，也用来存放运算后的一部分结果。

4）暂存寄存器用来暂时存放数据总线或其他寄存器送来的操作数。它作为ALU的数据输入源，向ALU提供操作数。

5）程序状态字寄存器PSW用来保存ALU运算结果的特征位，如结果是否有溢出、是否有进位/借位等。这些特征位可以作为控制程序转移的条件，供程序判别和查询。

2.控制器

控制器是由指令寄存器IR、指令译码器ID、定时及控制逻辑电路和程序计数器PC等部件组成。

1）程序计数器PC是一个16位的计数器。它总是存放着下一个要取指令的16位存储单元地址。即CPU将PC的内容作为地址，从内存中取出指令码或含在指令中的操作数。每取完一个字节后，PC的内容自动加1，为取下一个字节做好准备。在执行转移、子程序调用指令和中断响应时例外，PC的内容不再加1，而是由指令或中断响应过程自动给PC置入新的地址。

2）指令寄存器（IR）保存当前正在执行的一条指令。执行一条指令，先要把它从程序存储器取到指令寄存器中，然后进行译码，并形成相应指令的微操作信号。

3）定时与控制是微处理器的核心部件，它的任务是控制取指令、执行指令、存取操作数或运算结果等操作，以及向其他部件发出各种微操作控制信号、协调各部件的工作。

2.2.3 存储器

MCS-51系列单片机片内有程序存储器ROM和数据存储器RAM，不同型号的单片机片内存储器的容量稍有不同，内部结构框图如图2-2所示。

图2-2 MCS-51单片机内部结构框图

8051及8751的片内程序存储器容量为4KB，用于存放程序和表格常数；8051/8751/8031片内数据存储器均为128B，用于存放运算的中间结果、数据暂存以及数据缓冲等。在这128B的RAM中，有32B可指定为工作寄存器，和片内RAM排在一个队列里统一编址。

2.2.4 输入/输出接口

MCS-51系列单片机有四个8位并行接口（P0～P3），它们都是双向的，每个接口的8条I/O线均可以进行数据的输入/输出。端口的详细介绍请看本章第5节。