8051单片机中央处理器设计与实训

1 单片机内部主要部件

单片机内部电路比较复杂，MCS-51系列的8051型号单片机的内部电路根据功能可以分为CPU、RAM、ROM/EPROM、并行接口、串行接口、定时/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）等8个主要部件。这些部件通过片内的单一总线相连，采用CPU加外围芯片的结构模式，各个功能单元都采用特殊功能寄存器集中控制的方式。其他公司的51系列单片机与8051结构类似，只是根据用户需要增加了特殊的部件，如A-D转换器等。在设计程序过程中，寄存器的使用非常频繁。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。MCS-51系列单片机芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接，系统常用的晶振频率一般为6 MHz或12 MHz。

图2-2 MCS-51系列单片机内部结构

图2-3 MCS-51系列单片机的CPU基本结构框图

2 中央处理器（CPU）

CPU是单片机的核心，它主要由运算器、时序控制逻辑电路（控制器）以及各种寄存器等部件组成。主要功能是产生各种控制信号，根据程序中每一条指令的具体功能，控制寄存器和输入/输出端口的数据传送，进行数据的算术运算、逻辑运算以及位操作等处理。MCS-51系列单片机的CPU字长是8位，能处理8位二进制数或代码，也可处理一位二进制数据，具体如图2-3所示。

（1）运算器

运算器主要用来对操作数进行算术、逻辑和位操作运算。主要包括算术逻辑运算单元（ALU）、累加器（ACC）、程序状态字寄存器（PSW）、位处理逻辑电路、通用寄存器B及两个暂存器等。

1）算术逻辑运算单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）。ALU由加法器和其他逻辑电路等组成，ALU的功能强，参加运算的两个操作数，一个由A通过暂存器2提供，另外一个由暂存器1提供，运算结果送回ACC，状态送PSW。

2）累加器（Accumulator，ACC/A）。累加器（ACC）是一个8位特殊功能寄存器，简称A，通过暂存器与ALU传送信息，用来存放一个操作数或存放运算的中间结果。书写指令时，ACC通常记作A（特例除外）。累加器是CPU中使用最频繁的一个8位寄存器。AT89S51单片机增加了一部分可以不经过累加器ACC的传送指令。累加器ACC的进位位Cy（位于程序状态字特殊功能寄存器PSW中）是特殊的，因为它同时又是位处理器的位累加器。51系列单片机中大部分单操作数指令的操作数就取自累加器，许多双操作数指令中的一个操作数也取自累加器。累加器有自己的地址，因而可以进行地址操作。

3）程序状态字寄存器（Program Status Word，PSW）。单片机的程序状态字寄存器PSW也是一个8位的特殊功能寄存器，用于存储程序运行过程中的各种状态信息。PSW用来存放指令执行后的有关状态，如计算结果有无进位/借位、溢出等，是一个标志寄存器，其中的各个状态位通常是在指令执行过程中自动形成的，但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变。其中有些位的状态是由程序执行结果决定，硬件自动设置的，而有些位的状态则使用软件方法设定。PSW的位状态可以用专门的指令进行测试，也可以用程序读出。一些条件转移程序可以根据PSW特定位的状态，进行程序转移。

PSW位于单片机片内的特殊功能寄存器区，字节地址为D0H。PSW的不同位包含了程序运行状态的不同信息，其中4位保存当前指令执行后的状态，以供程序查询和判断。PSW格式见表2-1。

表2-1 PSW各位标识符定义格式

PSW中各个位的功能如下：

①Cy（PSW.7）进/借位标志位（Carry）：也可写为C。在执行算术运算和逻辑运算指令时，若有进位/借位，由硬件置1，则Cy=1；否则，Cy=0。在位处理器中，对位操作指令它是位累加器。

②AC（PSW.6）辅助进位标志位：AC（Auxiliary Carry）标志位用于在BCD码运算时进行十进位调整。在进行加减运算中，当低4位向高4位进位或借位时，AC由硬件置1，否则AC位被清0。即在运算时，当D3位向D4位产生进位或借位时，AC=1；否则，AC=0。

③F0（PSW.5）用户使用的标志位：F0（Flag 0）是一个供用户定义的标志位，可用指令来使它置1或清0，也可用指令来测试该标志位，根据测试结果控制程序的流向。

④RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）4组工作寄存器区选择控制位1和位0：RS1/RS0这两位用来选择片内RAM区中的4组工作寄存器区中的某一组为当前工作寄存区，RS1、RS0与所选择的4组工作寄存器区的对应关系见表2-2。

表2-2 RS1、RS0（Register Selection）与4组工作寄存器区的对应关系

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RS1、RS0这两个选择位的状态是由程序设置的，被选中的寄存器组即为当前寄存器组。单片机上电或复位后，RS1/RS0=00，即默认的工作寄存器组是第0组。

⑤OV（PSW.2）溢出标志位：当执行算术指令时，OV（Overflow）用来指示运算结果是否产生溢出。如果结果产生溢出，OV=1；否则，OV=0。

在带符号数的加减运算中，OV=1表示加减运算超出了累加器A所能表示的符号数有效范围（-128～+127），即产生了溢出，表示A中的数据只是运算结果的一部分；在乘法运算中，OV=1表示乘积超过255，即乘积分别在B与A中；否则，OV=0，表示乘积只在A中。在除法运算中，OV=1表示除数为0，除法不能进行；否则，OV=0，除数不为0，除法可正常进行。

⑥F1（PSW.1）用户标志位：保留位，未用，与F0类似。

⑦P（PSW.0）奇偶标志位：P（Parity）标志位表示指令执行完时，累加器ACC中“1”的个数是奇数还是偶数。P=1，表示ACC中“1”的个数为奇数；P=0，则表示ACC中“1”的个数为偶数。该标志位对串行接口通信中的数据传输有重要的意义。在串行通信中，常用奇偶检验的方法来检验数据串行传输的可靠性。

注意：标志位P并非用于表示累加器A中数的奇偶性。凡是改变累加器A中内容的指令均会影响P标志位。

4）位处理器。单片机能处理布尔操作数，能对位地址空间中的位直接寻址，进行清0、取反等操作，这种功能提供了把逻辑式（随机组合逻辑）直接变为软件的简单明了的方法，不需要过多的数据传送、字节屏蔽和测试分支，就能实现复杂的组合逻辑功能。位处理器硬件上有自己的“累加器”和自己的位寻址RAM、I/O接口空间。

5）其他部件。B寄存器是一个8位寄存器，主要用于乘除运算。用于乘法和除法时，B寄存器提供一个操作数，对于其他指令，B寄存器只用作暂存器使用。在不进行乘、除运算时，可以作为通用的寄存器使用。

暂存器用来存放中间结果，TMP1、TMP2用于暂时存放从数据总线或ACC送来的操作数。

堆栈指针（Stack Pointer，SP）是一个特殊的存储区，用来暂存系统的数据或地址，SP总是指向最新的栈顶位置。由于MCS-51系列单片机的堆栈设在片内RAM中，SP是一个8位寄存器。系统复位后，SP的初值为07H，但堆栈实际上是从08H单元开始的。由于08H～1FH单元分别属于工作寄存器1～3区，20H～2FH是位寻址区，如果程序要用到这些单元，最好把SP值改为2FH或更大的值。一般在片内RAM的30H～7FH单元中设置堆栈。堆栈是为子程序调用和中断操作而设，主要用来保护断点地址和现场状态。

（2）控制器

控制器的主要任务是识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动协调地工作。控制器由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）、定时控制与条件转移逻辑电路等组成。

各部分功能部件简述如下：

1）程序计数器（Program Counter，PC）。程序计数器是控制器中一个16位的专用寄存器，程序计数器作为最基本的寄存器，它是一个独立的16位计数器，它总是存放着下一个将要执行的指令码所在的地址。用户不能直接使用指令对PC进行读写。当单片机复位时，PC中的内容为0000H，即CPU从程序存储器0000H单元取指令，开始执行程序。程序计数器的计数宽度决定了访问程序存储器的地址范围。由于51系列单片机中的PC位数为16位，寻址范围为64KB（2¹⁶），所以PC中数据的编码范围为0000H～FFFFH，故可对64KB的程序存储器进行寻址。单片机上电或复位时，PC自动清0，即装入地址0000H，这就保证了程序从0000H地址开始执行。

PC的基本工作过程是：CPU读取指令时，PC内容作为欲读取指令的地址发送给程序存储器，然后程序存储器按此地址输出指令字节，同时PC自动加1，这也是为什么PC被称为程序计数器的原因。由于PC实质上是作为程序寄存器的地址指针，所以也称其为程序指针。PC内容的变化轨迹决定了程序的流程，执行转移程序或子程序或中断子程序调用时，由运行的指令自动将其内容更改成所要转移的目的地址。

2）指令寄存器（Instruction Register，IR）：指令寄存器实际上是一个8位寄存器用于暂存待执行的指令，等待译码。

3）暂存器TMP：用于暂存进入运算器之前的数据。

4）指令译码器（Instruction Decoder，ID）：指令译码器是对指令寄存器中的指令进行译码，将指令变为执行此指令所需要的电信号。根据译码器的输出信号，再经定时电路定时产生执行该指令所需要的各种控制信号。

5）数据指针（Data Pointer，DPTR）：数据指针是一个16位的专用地址指针寄存器，主要用来存放16位地址，用作间址寄存器，访问片外64KB的数据存储器和I/O接口及程序存储器。在系统扩展中，DPTR作为程序存储器和片外数据存储器的地址指针，用来指示要访问的ROM和片外RAM的单元地址。编程时，DPTR既可以按16位寄存器使用，也可以按两个独立的特殊功能寄存器组成，分别为DPH（高8位）和DPL（低8位），占据83H和82H两个地址。

DPTR与PC不同，DPTR有自己的地址，可以进行读写操作，而PC没有地址，不能对它进行读写操作，但可以通过转移、调用、返回编程操作改变其内容，从而实现程序的转移。

6）定时与控制部件：定时与控制部件的功能是根据指令译码器的译码结果，产生实现指令功能所需的各种微操作控制信号，控制、协调各部件的工作，以完成相应指令的执行。

7）其他部件。程序地址寄存器用于存放当前指令的地址，具体数据由程序计数器送入。内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线，分别用于传递与它们的名称相对应的信号，内部总线是各部件间进行信息传递的公共通道，信号传递过程由CPU全盘控制，分时操作，不会发生冲突。