目录

前言

一、51单片机的基本框架

1、单片机的概念

2、简略结构

3、详细结构

1、微处理器（CPU）

①运算部件

②控制部件

2、存储结构

内部数据存储器（内部RAM）

特殊功能寄存器

外部数据存储器（外扩RAM）

程序存储器

3、I/O口

4、时钟电路和时序

时钟电路

机器周期、指令周期与指令时序

二、运行过程

完结

51单片机（MCS—51）是一款比较适合新手入门的单片机，通过对51单片机的学习，打好基础，就可以轻松的过渡到其他比较复杂的单片机上去（如STM32，MSP430等），对于理解其他单片机甚至是更复杂微机的基本结构、工作原理都有很大的帮助。下面将从51单片机的内核、硬件结构、工作原理、内部运行过程等方面进行介绍，对其外设不作过多介绍。

在此之前，为了方便理解内容，最好具备一些微机基础知识，以及一些模数电知识等。可以先看看

①微机基础概念及其内容

②冯诺依曼结构和哈佛结构

③机器语言、汇编语言、高级语言

有助于理解下面内容。 

将组成微型计算机的各个功能部件：中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM等）、定时/计数器、串行口、I/O接口电路等集成在一块集成电路芯片中，从而构成完整的微型计算机，所以叫作单片微型计算机，简称单片机，也可以称作微控制器（MCU）或嵌入式微控制器（EMCU）。

如下51单片机的简略结构框图：

CPU主要包括控制器、运算器（ALU）和寄存器。

RAM用作数据存储器，而ROM用作程序存储器（即指令存储器），由此可以看出，数据存储器和指令存储器是分开的，所以其存储结构为哈佛结构。

I/O接口主要是：①与数据总线相连的I/O数据缓冲寄存器，用作单片机与外设交换数据的缓冲器；②与地址总线相连的寄存器地址译码器，用来正确寻址与单片机进行数据交换的外设；③与控制总线相连的读写控制逻辑部件，用来提供单片机与外设交换数据时所需的控制逻辑和状态信号。所有的外设都需要通过I/O接口来驱动，即所谓的I/O操作是指对I/O接口中端口（寄存器）的操作，进而间接访问I/O设备，所以必须要有I/O接口。

各个部件通过总线的连接形成一个整体。特别是数据总线的宽度为8位（或者说数据总线的条数为8），即字长为8（字长的概念在 微机基础概念及其内容中有提到），所以51单片机是8位单片机。

将其细化一下便有如下框图：

其中主要包括：UPU、数据存储器、程序存储器、I/O口、串行口、定时/计数器、中断系统以及特殊功能寄存器（SFR），其中SFR较为重要。

按功能大概可以分为八个功能部件，通过片内总线将其连接在一起。而单片机的控制方式就是：CUP通过对特殊功能寄存器的控制，进而对各个功能部件集中控制。简单地说，学习单片机的控制方式，实则就是学习如何操作特殊功能寄存器。

主要由运算器和控制器构成，如果将51单片机的硬件结构继续展开，便可以看到51单片机CUP的更详细的组成,如下：

运算部件以算数逻辑运算单元（ALU）为核心，同时包含累加器ACC（简称A）、B寄存器、暂存器以及标志寄存器（PSW）等。

累加器A：使用最频繁的寄存器，是ALU单元的输入之一，又是运算结果存放单元；数据传输大多通过累加器A；A的进位标志Cy同时是位处理机的累加器。

寄存器B：主要用于乘、除运算。寄存器B也可作为一般的寄存器用。

PSW：称程序状态字寄存器，地址空间为其分配的地址为：D0H，而每一个地址都对应一个字节，即8位。如下：

Cy：进位标志位，反应ALU运算是否有进位。

AC：辅助进位标志，反应数据的低四位是否向高四位进位，也即十六进制是否有进位。

F0：标志位，留给用户自定义的一个状态标志位。

RS1、RS0：四组工作寄存器区控制位1和位0，即控制选择四个工作寄存器。

OV：溢出标志位，指示运算是否产生溢出。

PSW.1：保留位，未使用。

P：奇偶标志位，若为1，则表示A中“1”的个数位奇数，若为0，则表示A中“1”的个数位偶数。

运算部件功能：实现算运算、逻辑运算、位运算、数据传输等处理。

控制部件是单片机的控制中心，包括定时和控制电路、指令寄存器、指令译码器、程序计数器PC、堆栈指针SP、数据指针DPTR以及信息传送控制部件等。

指令寄存器（IR）：存放所取出的指令；

指令译码器（ID）：对指令进行译码；

定时和控制电路：根据指令发出时序控制信号。

程序计数器PC：是一个16位的计数器，存放下一条要执行的指令在程序存储器中的地址。由于PC不可寻址的，因此用户无法对它直接进行读写操作，但可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。PC的寻址范围为64KB，即地址空间为0000～0FFFFH。其基本工作方式为：

（1）程序计数器自动加一，即当某一条指令被取出之后，程序计数器就会自动的加一，所以当执行某一条指令时，PC中方的就是下一条指令的地址。

（2）执行有条件或无条件转移指令时，程序计数器将被置入新的数值，即新的将要跳转目的地的入口地址，从而使程序的流向发生变化。

（3）执行子程序调用或中断调用时完成下列操作：

①PC的当前值保护；

②子程序入口地址或中断向量的地址送入PC。

堆栈指针SP：SP为8位寄存器，用于指示栈顶单元地址。堆栈是一种数据结构，只允许在其一端进行数据删除和数据插入操作的线性表。数据写入堆栈叫入栈（PUSH），数据读出堆栈叫出栈（POP）。进栈时，使SP的内容增1后作数据压入操作；出栈时，先把栈顶的数据弹出，然后使SP的内容减1。（先进后出原则）

数据指针DPTR：数据指针DPTR为16位寄存器，它是一个16位寄存器。DPTR通常在访问外部数据存储器时作为地址指针使用，寻址范围为64KB。编程时，既可按16位寄存器使用，也可作为两个8位寄存器分开使用。

控制部件基本功能及其运作过程：以振荡信号为基准产生CPU时序，从程序存储器中取出指令到指令寄存器中，然后在指令译码器中对指令进行译码，产生控制信号，指挥各个功能部件产生相应的操作，完成对应的功能。

51单片机采用的是哈佛结构，所以数据和指令分开存放在数据存储器（RAM）和程序存储器（ROM，一般使用闪存）中。ROM主要用来存放程序、表格、常数；RAM主要用来存放变量、原始数据、中间数据、运算结果；

地址的简单理解：通过16条地址线，便可以产生2的16次方个地址，也即64K的地址空间。可以将地址比作教室门牌号，而数据可以比作教室里面的学生，每间教室8个座位，也即每个内存单元只能存储8位数据（一个字节），而数据存在什么地方，也就可以比作学生坐在哪间教室哪个座位，我们需要根据门牌号去找，如果告诉了座位号，则直接可以找到（即可以进行位寻址），如果没有座位号，则需要将八个学生一起叫出来，然后进行分辨（即只支持字节寻址）。而现在有64K（1K=1024）个门牌号可以给教室用，很明显最多只能给64K个教室用，不能再多了，没有门牌号的教室无意义。所以，地址的空间决定了存储器的大小。（举例不一定恰当）

数据总线的宽度为8位，决定了51单片机一次性能够并发处理的数据宽度为8位，即51单片机为8位单片机。而地址总线宽度为16位（有的为8位），决定了51单片机的寻址范围为64KB（ 地址总线的概念在 微机基础概念及其内容中有提到），寻址空间的大小决定了存储器的空间大小，即不超过64K。而51单片机的存储器空间分为了5类：

程序存储器空间（最大64KB）；

内部数据存储空间（地址8位，寻址范围256B）；

特殊功能寄存器（128B）；

位地址空间（16B）；

外部数据寄存器空间（可以外扩64KB的RAM，地址总线宽度决定）。

基于哈佛结构，程序存储器和数据存储器独立编址，同时51单片机将特殊功能寄存器一起纳入内部数据存储器一起统一编址。以8051为例，内部RAM为128B，内部ROM为4KB。

三个问题：

①64KB的程序存储器和64KB的片外程序存储器地址空间地址都为0000H—FFFFH，地址空间有重叠的部分（0000H—0FFFH），他们如何区分？通过EA控制引脚便可区分，在后续的程序存储器部分有说明。

②片内数据存储器和片外数据存储器的低256字节的地址空间是重叠的，他们如何区分？采用不同的指令或寻址方式来访问。

③程序存储器和数据存储器地址空间存在重叠，他们如何区分？MCS-51的存储器采用哈佛结构，就是64KB程序存储器和64KB数据存储器是各自单独编址，各自独立的地址空间。 其地址编号是允许重叠的。原因是：从硬件连线上，访问外部程序存储器（读取）是控制线EA、PSEN有效，访问外部数据存储器是RD（读）、WR（写有效；从指令系统来说，采用不同的指令来访问，一般MOVC访问程序存储器，MOVX访问外部数据存储器。 在MCS-51中外部I/O接口地址是和外部数据存储器的地址在一起统一编址的，换句话说，就是I/O地址是外部数据存储器地址空间的一部分，因此I/O地址和外部数据存储器一样可以和外部程序存储器重叠。

工作寄存器区：00H～1FH：32个单元，是4组通用工作寄存器区，在任一时刻，CPU只能使用其中一组通用寄存器，称为当前通用寄存器组，由程序状态寄存器PSW中RS1，RS0位的状态组合来确定。简单的说就是用来存放单片机运行的数据，R0,R1 支持寄存器寻址,可以当作高级语言中的指针用。R2-R7 一般用来存数据,相当于高级语言中的普通变量。因为51支持四组工作寄存器切换,所以R0-R7可以在不同子程序、中断程序中使用不同的组,避免当前工作参数被其它子程序或中断改变，有效的保护现场，相当于高级语言中的局部变。特别是在中断嵌套时，只要通过软件对程序状态字PSW中的RS0、RS1两位进行设置，切换工作寄存器组，就可以极其方便地实现对工作寄存器的现场保护。

可位寻址区：20H～2FH：16个单元，可进行128位的位寻址。16个字节共128位，每一位都分配一个8位地址，称为位地址，其范围是00H～7FH。位寻址区既可作为一般的RAM区进行字节操作；也可对单元的每一位进行位操作，具有位地址，因此称为位寻址区，是存储空间的一部分。虽然位地址和字节地址有重叠，但是他们的操作指令不同，可以区分。

用 户 RAM区：30H ～ 7FH ： 只能进行字节寻址，用作数据缓冲区以及堆栈区。用户堆栈一般设在这个区间，当系统复位后，SP的内容默认为07H；

堆栈作用：堆栈的主要功能是保护断点和保护现场。因为计算机无论是执行中断程序还是子程序，最终要返回主程序，在转去执行中断或子程序时，要把主程序的断点保护起来，以便能正确的返回。同时，在执行中断或子程序时，可能要用到一些寄存器，需把这些寄存器的内容保护起来，即保护现场。

如何解决重叠：采用不同的指令或寻址方式来访问。

单片机复位后，程序计数器PC的内容为0000H，即系统从0000H单元开始执行程序。然而，由于0003H单元被保留，不能存放用户程序，其空间只有0000H到0002H三个字节大小，但是我们的程序大小不可能才三个字节，所以，一般在0000H～0002H单元，存放一条无条件转移指令（类似goto），从而程序可从转移后的地址开始存放。这样，CPU复位后，PC可以从0000H起始地址跳转到用户程序（如在串行口中断入口地址0023H之后）去执行。

同样，在预留的空间不够的时，中断服务程序也需要按照同样方式进行。

时钟电路用于产生单片机工作所必需的时钟控制信号。时钟频率直接影响单片机的速度，电路的质量直接影响系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式。

内部时钟方式：内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，其输入端：XTAL1，输出端：XTAL2。

外部时钟方式：常用于多片MCS-51 单片机同时工作，通过外部进行时钟输入。

时钟周期：单片机的基本时间单位。若时钟的晶体的振荡频率为fosc，则时钟周期Tosc=1/fosc。如fosc=6MHz，Tosc=166.7ns。

机器周期：CPU完成一个基本操作所需要的时间。执行一条指令分为几个机器周期。每个机器周期 完成一个基本操作。MCS-51单片机每12个时钟周期为一个机器周期，一个机器周期又分为6个状态：S1～S6。 每个状态又分为两拍：P1和P2。因此，一个机器周期中的12个时钟周期表示为： S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、…、S6P2。

指令周期：执行一条指令时，可分为取指令阶段和指令执行阶段 。取指令阶段，PC中地址送到程序存储器，并从中取出需要执行指令的操作码和操作数。指令执行阶段，对指令操作码进行译码，以产生一系列控制信号完成指令的执行。

在上电时，或者在按下复位按键之后都可以使其复位。如下，基本复位电路：

在程序复位之后，PC=0000H，即从头开始执行程序，从内部或外部程序存储器的0000H单元依次开始执行指令（取指令、译码、执行指令）。

首先，PC=0000H，地址寄存器通过地址总线指向程序存储器的0000H存储单元，再通过控制总线输出读命令的控制信号，通过数据总线将程序存储器的0000H存储单元的数据（指令数据）读出并送到数据寄存器（缓冲）中，进而存入指令寄存器中，与此同时PC加一，变为PC=0001H，即指向下一条要执行的指令；读出的数据经过指令译码器后，翻译成相应的指令，然后给控制器进行执行。这里一般是一条跳转指令，使PC值变为用户程序的入口地址，即跳转到用户程序部分去依次执行。当然，期间可能有运算相关的指令，便需要结合累加器A和寄存器B，通过ALU进行运算，结果可以保存到存储器中等。

当遇到中断或调用子程序时，会先将当前的运行现场以及程序断点全部进行保存，通过堆栈指针SP，将这些数据压入栈区，特别是PC的值，因为它保存了程序的断点；然后将PC的值修改为子程序或者中断程序的入口地址，然后跳转到子程序或中断程序去执行。当执行完后，便需要使刚才压入的数据出栈，恢复到原来主程序运行的现场，并把PC值也一同恢复，程序便又可以跳转到断点处继续运行。

通过如上执行指令的方式，将数据写入到特殊给功能寄存器当中，对外设进行配置等，进而便可以驱动外设达到相应的功能，如定时器定时，计数器计数，串口发送数据等功能。

而这一切的操作，都需要根据时钟电路产生的时序，有序的进行，即时钟电路就相当于单片机的“心脏”。

有误之处望指正