单片机应用技术：MCS-51中央处理器

单片机内部最核心的部分是CPU，它是单片机的大脑和心脏。CPU的主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/输出端口的数据传送、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等。

CPU从功能上可分为控制器和运算器两部分，下面将分别介绍这两部分组成及功能。

1）控制器

如图2.2所示，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。它的功能是对来自存储器中的指令进行译码，通过定时控制电路，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。

图2.2　8051单片机内部结构图

（1）程序计数器

程序计数器（Program Counter PC）是一个16位的专用寄存器，用来存放下一条指令的地址。它具有自动加1的功能。当CPU要取指令时，PC的内容传送至地址总线上，从存储器中取出指令后，PC内容便自动加1，指向下一条指令，以保证程序按顺序执行。

（2）指令寄存器

指令寄存器是一个8位的寄存器，用于暂存待执行的指令，等待译码。

（3）指令译码器

指令译码器用来对指令寄存器中的指令进行译码，将指令转变为执行此指令所需要的电信号，根据译码器输出的信号，再经定时控制电路定时产生执行该指令所需要的各种控制信号。

（4）数据指针DPTR

DPTR是一个16位的专用地址指针寄存器，它主要用来存放16位地址，作间接寻址寄存器使用。因为MCS-51单片机可以外接64 KB的数据存储器和I/O端口，对它们的寻址就可使用DPTR来间接寻址。它也可以拆成两个独立的8位寄存器，即DPH（高8位）和DPL（低8位）。

（5）振荡器及定时电路

8051单片机内有振荡电路，只需外接石英晶体和频率微调电容（1个30 PF左右），其频率范围为1.2～12 MHz，该脉冲信号作为8051工作的最基本节拍，即时间的最小单位。8051同其他计算机一样，在基本节拍的控制下协调工作，就像乐队按着指挥的节拍演奏音乐一样。

2）运算器

运算器由算术逻辑运算部件ALU、累加器ACC、暂存器、程序状态寄存器PSW、BCD码运算调整电路等组成。为了提高数据处理和位操作功能，片内增加了一个通用寄存器B和一些专用寄存器以及位处理逻辑电路。

ALU的功能十分强，它不仅可对8位变量进行逻辑“与”、“或”、“异或”、循环、求补和清0等基本操作，还可进行加、减、乘、除等基本运算。ALU具有一般的微机ALU所不具备的功能，即位处理操作功能，它可对位（bit）变量布尔处理，如置位、清0、求补、测试转移及逻辑“与”“或”等操作。由此可见，ALU在算术逻辑运算及控制处理方面的能力是很强的。

累加器ACC是一个8位累加器（简称A），它通过暂存器与ALU相连。它是CPU工作中使用最频繁的寄存器，用来存一个操作数或结果。

寄存器B是为执行乘法和除法操作而设置的，与ACC构成寄存器对AB。而一般情况下可把它当作一个暂存器使用。(www.xing528.com)

程序状态寄存器PSW是一个8个位寄存器，用于存程序运行中的各种状态信息，PSW各位的定义如图2.3所示。

图2.3　PSW各位定义

CY（PSW.7）　进位标志位。在进行加或减运算时，如果操作结果最高位有进位或借位时，CY由硬件置“1”，否则清“0”。在进行位操作时，CY又可以被认为是位累加器，它的作用相当于CPU中的累加器A。

AC（PSW.6）　半进位标志位，也称辅助进行标位。在进行加或减运算时，低四位向高四位产生进位或借位，将由硬件置“1”，否则清“0”。AC位可用于BCD码调整时的判断位。

F0（PSW.5）　用户标志。由用户置位或复位。它可作为用户自定义的一个状态标记。

OV（PSW.2）　溢出标志位。当进行算术运算时，如果产生溢出，则由硬件将OV置“1”，否则清“0”。

当执行有符号数的加法或减法时，D6位有向D7位的进位或借位，即C6Y=1时，而D7位没有向CY位的进位或借位，即C7Y=0时，则OV=1；或C6Y=0，C7Y=1，则OV=1。所以，溢出的逻辑表达式为：

OV=C6Y⊕C7Y

因此，溢出标志位在硬件上可以通过一个“异或”获得。溢出即结果超一个字长所能表示的数据范围。例如有符号数字长为8位，最高位（D7）用于表示正负号，数据有效位为7位，能表示-128～+127的数，若超出此范围即产生溢出。

在MCS-51中，无符号数乘除法运算的结果也会影响标志位。

F1（PSW.1）　用户标志位，同F0。

P（PSW.0）　奇偶标志位。该位始终跟踪累加器A内容的奇偶性。如果有奇数“1”，则P置“1”，否则清“0”。凡是改变累加器A中内容的指令均会影响P标志位。

此标志位对串行通信中的数据传输有重要的意义，在串行通信中常采用奇偶校验的方法来校验数据传输的可靠性。

RS1RS0（PSW.4 PSW.3）　工作寄存器组指针。用于选择CPU当前工作的寄存器组。可由用户用软件来改变RS1RS0的组合，以切换当前选用寄存器组。RS1RS0与寄存器组对应关系见表2.2。

表2.2　工作寄存器地址表

单片机上电或复位后，RS1RS0=00，CPU选中的是第0组的8个单元为当前工作寄存器。根据需要，用户可以利用传送指令或位操作指令来改变其状态，便于程序中保护现场。

以上所述主要介绍8051CPU硬件结构，存储器、定时器、I/O端口、中断结构、串行口的相关内容将在后文中分别介绍。