51單片機(jī)CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯51單片機(jī)CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理 從上圖中我們可以看到，在虛線框內(nèi)的就是CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)了，8位的MCS-51單片機(jī)的CPU內(nèi)部有數(shù)術(shù)規(guī)律單元ALU（Arithmetic Logic Unit）、累加器A（8位）、寄存器B（8位）、程序狀態(tài)字PSW（8位）、程序計(jì)數(shù)器PC（有時(shí)也稱為指令指針，即IP，16位）、地址寄存器AR（16位）、數(shù)據(jù)寄存器DR（8位）、指令寄存器IR（8位）、指令譯碼器ID、掌握器等部件組成。 1、運(yùn)算器（ALU）的主要功能 A）算術(shù)和規(guī)律運(yùn)算，可對半字節(jié)（一個(gè)字節(jié)是8位，半個(gè)字節(jié)就是4位）和單字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。B）加、減、乘、除

2、、加1、減1、比較等算術(shù)運(yùn)算。C）與、或、異或、求補(bǔ)、循環(huán)等規(guī)律運(yùn)算。D）位處理功能（即布爾處理器）。由于ALU內(nèi)部沒有寄存器，參與運(yùn)算的操作數(shù)，必需放在累加器A中。累加器A也用于存放運(yùn)算結(jié)果。例如：執(zhí)行指令 ADD A，B執(zhí)行這條指令時(shí)，累加器A中的內(nèi)容通過輸入口In_1輸入ALU，寄存器B通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線經(jīng)輸入口In_2輸入ALU，A+B的結(jié)果通過ALU的輸出口Out、內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，送回到累加器A。2、程序計(jì)數(shù)器PCPC的作用是用來存放將要執(zhí)行的指令地址，共16位，可對64K ROM直接尋址，PC低8位經(jīng)P0口輸出，高8位經(jīng)P2口輸出。也就是說，程序執(zhí)行到什么地方，程序計(jì)數(shù)器PC就指到哪里

3、，它始終是跟躥著程序的執(zhí)行。我們知道，用戶程序是存放在內(nèi)部的ROM中的，我們要執(zhí)行程序就要從ROM中一個(gè)個(gè)字節(jié)的讀出來，然后到CPU中去執(zhí)行，那么ROM詳細(xì)執(zhí)行到哪一條呢？這就需要我們的程序計(jì)數(shù)器PC來指示。程序計(jì)數(shù)器PC具有自動(dòng)加1的功能，即從存儲(chǔ)器中讀出一個(gè)字節(jié)的指令碼后，PC自動(dòng)加1（指向下一個(gè)存儲(chǔ)單元）。3、指令寄存器IR指令寄存器的作用就是用來存放即將執(zhí)行的指令代碼。在這里我們先簡潔的了解下CPU執(zhí)行指令的過程，首先由程序存儲(chǔ)器（ROM）中讀取指令代碼送入到指令寄存器，經(jīng)譯碼器譯碼后再由定時(shí)與掌握電路發(fā)出相應(yīng)的掌握信號(hào)，從而完成指令的功能。關(guān)于指令在單片機(jī)內(nèi)部的執(zhí)行過程，我們在后面將

4、會(huì)以另一節(jié)課來進(jìn)行具體的講解。4、指令譯碼器ID用于對送入指令寄存器中的指令進(jìn)行譯碼，所謂譯碼就是把指令轉(zhuǎn)變成執(zhí)行此指令所需要的電信號(hào)。當(dāng)指令送入譯碼器后，由譯碼器對該指令進(jìn)行譯碼，依據(jù)譯碼器輸出的信號(hào)，CPU掌握電路定時(shí)地產(chǎn)生執(zhí)行該指令所需的各種掌握信號(hào)，使單片機(jī)正確的執(zhí)行程序所需要的各種操作。5、地址寄存器AR（16位）AR的作用是用來存放將要尋址的外部存儲(chǔ)器單元的地址信息，指令碼所在存儲(chǔ)單元的地址編碼，由程序計(jì)數(shù)器PC產(chǎn)生，而指令中操作數(shù)所在的存儲(chǔ)單元地址碼，由指令的操作數(shù)給定。從上圖中我們可以看到，地址寄存器AR通過地址總線AB與外部存儲(chǔ)器相連。6、數(shù)據(jù)寄存器DR用于存放寫入外部存儲(chǔ)器或I/O端口的數(shù)據(jù)信息?？梢?，數(shù)據(jù)寄存器對輸出數(shù)據(jù)具有鎖存功能。數(shù)據(jù)寄存器與外部數(shù)據(jù)總線DB直接相連。7、程序狀態(tài)字PSW用于記錄運(yùn)算過程中的狀態(tài)，如是否溢出、進(jìn)位等。例如，累加器A的內(nèi)容83H，執(zhí)行：ADD A，#8AH ；累加器A與馬上數(shù)8AH相加，并把結(jié)果存放在A中。指令后，將產(chǎn)生和的結(jié)果為10DH，而累加器A只有8位，只能存放低8位，即0DH，元法存放結(jié)果中的最高位B8。為些，在CPU內(nèi)設(shè)置一個(gè)進(jìn)位標(biāo)志位C，當(dāng)