51单片机CPU结构各部件的原理详细分析

一、 51单片机串行口工作原理

MCS-51系列单片机片内有一个串行I／O端口，通过引脚RXD(P3．0)和TXD(P3．1)可与外设威廉希尔官方网站 进行全双工的串行异步通信。

1．串行端口的基本特点

8031单片机的串行端口有4种基本工作方式，通过编程设置，可以使其工作在任一方式，以满足不同应用场合的需要。其中，方式0主要用于外接移位寄存器，以扩展单片机的I／O威廉希尔官方网站 ；方式1多用于双机之间或与外设威廉希尔官方网站 的通信；方式2，3除有方式l的功能外，还可用作多机通信，以构成分布式多微机系统。

串行端口有两个控制寄存器，用来设置工作方式、发送或接收的状态、特征位、数据传送的波特率(每秒传送的位数)以及作为中断标志等。

串行端口有一个数据寄存器SBUF(在特殊功能寄存器中的字节地址为99H)，该寄存器为发送和接收所共同。发送时，只写不读；接收时，只读不写。在一定条件下，向阳UF写入数据就启动了发送过程；读SBUf就启动了接收过程。

串行通信的波特率可以程控设定。在不同工作方式中，由时钟振荡频率的分频值或由定时器Tl的定时溢出时间确定，使用十分方便灵活。

2．串行端口的工作方式

①方式0

8位移位寄存器输入／输出方式。多用于外接移位寄存器以扩展I／O端口。波特率固定为fosc/12。其中，fosc为时钟频率。

在方式0中，串行端口作为输出时，只要向串行缓冲器SBUF写入一字节数据后，串行端口就把此8位数据以等的波特率，从RXD引脚逐位输出(从低位到高位)；此时，TXD输出频率为fosc/12的同步移位脉冲。数据发送前，仅管不使用中断，中断标志TI还必须清零，8位数据发送完后，TI自动置1。如要再发送，必须用软件将TI清零。

串行端口作为输入时，RXD为数据输入端，TXD仍为同步信号输出端，输出频率为fosc/12的同步移位脉冲，使外部数据逐位移入RxD。当接收到8位数据(一帧)后，中断标志RI自动置。如果再接收，必须用软件先将RI清零。

串行方式0发送和接收的时序过程见下图。

②方式1

10位异步通信方式。其中，1个起始位(0)，8个数据位(由低位到高位)和1个停止位(1)。波特率由定时器T1的溢出率和SMOD位的状态确定。

一条写SBUF指令就可启动数据发送过程。在发送移位时钟(由波特率确定)的同步下，从TxD先送出起始位，然后是8位数据位，最后是停止位。这样的一帧10位数据发送完后，中断标志TI置位。

在允许接收的条件下(REN＝1)，当RXD出现由1到O的负跳变时，即被当成是串行发送来的一帧数据的起始位，从而启动一次接收过程。当8位数据接收完，并检测到高电乎停止位后，即把接收到的8位数据装入SBUF，置位RI，一帧数据的接收过程就完成了。

方式1的数据传送波特率可以编程设置，使用范围宽，其计算式为：

波特率＝2SMOD/32×(定时器T1的溢出率)

其中，SMOD是控制寄存器PCON中的一位程控位，其取值有0和l两种状态。显然，当SMOD＝0时，波特率＝1/32(定时器Tl溢出率)，而当SMOD＝1时，波特率＝1/16(定时器T1溢出率)。所谓定时器的溢出率，就是指定时器一秒钟内的溢出次数。波特率的算法，以及要求一定波特率时定时器定时初值的求法，后面将详细讨论。

串行方式1的发送和接收过程的时序见下图。

③方式2，3

11位异步通信方式。其中，1个起始位(0)，8个数据位(由低位到高位)，1个附加的第9位和1个停止住(1)。方式2和方式3除波特率不同外，其它性能完全相同。方式2，3的发送、接收时序见下图。

由图可见，方式2和方式3与方式l的操作过程基本相同，主要差别在于方式2，3有第9位数据。

发送时，发送机的这第9位数据来自该机SCON中的TB8，而接收机将接收到的这第9位数据送入本机SCON中的RB8。这个第9位数据通常用作数据的奇偶检验位，或在多机通信中作为地址／数据的特征位。

方式2和方式3的波特率计算式如下：

方式2的波特率＝2SMOD/64×fosc

方式3的波特率＝2SMOD/32×定时器T1的溢出率

由此可见，在晶振时钟频率一定的条件下，方式2只有两种波特率，而方式3可通过编程设置成多种波特率，这正是这两种方式的差别所在。

3．串行端口的控制寄存器

串行端口共有2个控制寄存器SCON和PCON，用以设置串行端口的工作方式、接收／发送的运行状态、接收／发送数据的特征、波特率的大小，以及作为运行的中断标志等。

二、51单片机I/O脚工作原理分析

一、P0端口的结构及工作原理

P0端口8位中的一位结构图见下图：

由上图可见，P0端口由锁存器、输入缓冲器、切换开关、一个与非门、一个与门及场效应管驱动威廉希尔官方网站 构成。再看图的右边，标号为P0.X引脚的图标，也就是说P0.X引脚可以是P0.0到P0.7的任何一位，即在P0口有8个与上图相同的威廉希尔官方网站 组成。

下面，我们先就组成P0口的每个单元部份跟大家介绍一下：

先看输入缓冲器：在P0口中，有两个三态的缓冲器，在学数字威廉希尔官方网站 时，我们已知道，三态门有三个状态，即在其的输出端可以是高电平、低电平，同时还有一种就是高阻状态（或称为禁止状态），大家看上图，上面一个是读锁存器的缓冲器，也就是说，要读取D锁存器输出端Q的数据，那就得使读锁存器的这个缓冲器的三态控制端（上图中标号为‘读锁存器’端）有效。下面一个是读引脚的缓冲器，要读取P0.X引脚上的数据，也要使标号为‘读引脚’的这个三态缓冲器的控制端有效，引脚上的数据才会传输到我们单片机的内部数据总线上。

D锁存器：构成一个锁存器，通常要用一个时序威廉希尔官方网站 ，时序的单元威廉希尔官方网站 在学数字威廉希尔官方网站 时我们已知道，一个触发器可以保存一位的二进制数（即具有保持功能），在51单片机的32根I/O口线中都是用一个D触发器来构成锁存器的。大家看上图中的D锁存器，D端是数据输入端，CP是控制端（也就是时序控制信号输入端），Q是输出端，Q非是反向输出端。

对于D触发器来讲，当D输入端有一个输入信号，如果这时控制端CP没有信号（也就是时序脉冲没有到来），这时输入端D的数据是无法传输到输出端Q及反向输出端Q非的。如果时序控制端CP的时序脉冲一旦到了，这时D端输入的数据就会传输到Q及Q非端。数据传送过来后，当CP时序控制端的时序信号消失了，这时，输出端还会保持着上次输入端D的数据（即把上次的数据锁存起来了）。如果下一个时序控制脉冲信号来了，这时D端的数据才再次传送到Q端，从而改变Q端的状态。

多路开关：在51单片机中，当内部的存储器够用（也就是不需要外扩展存储器时，这里讲的存储器包括数据存储器及程序存储器）时，P0口可以作为通用的输入输出端口（即I/O）使用，对于8031（内部没有ROM）的单片机或者编写的程序超过了单片机内部的存储器容量，需要外扩存储器时，P0口就作为‘地址/数据’总线使用。那么这个多路选择开关就是用于选择是做为普通I/O口使用还是作为‘数据/地址’总线使用的选择开关了。大家看上图，当多路开关与下面接通时，P0口是作为普通的I/O口使用的，当多路开关是与上面接通时，P0口是作为‘地址/数据’总线使用的。

输出驱动部份：从上图中我们已看出，P0口的输出是由两个MOS管组成的推拉式结构，也就是说，这两个MOS管一次只能导通一个，当V1导通时，V2就截止，当V2导通时，V1截止。

与门、与非门：这两个单元威廉希尔官方网站 的逻辑原理我们在第四课数字及常用逻辑威廉希尔官方网站 时已做过介绍，不明白的同学请回到第四节去看看。

前面我们已将P0口的各单元部件进行了一个详细的讲解，下面我们就来研究一下P0口做为I/O口及地址/数据总线使用时的具体工作过程。

1、作为I/O端口使用时的工作原理

P0口作为I/O端口使用时，多路开关的控制信号为0（低电平），看上图中的线线部份，多路开关的控制信号同时与与门的一个输入端是相接的，我们知道与门的逻辑特点是“全1出1，有0出0”那么控制信号是0的话，这时与门输出的也是一个0（低电平），与让的输出是0，V1管就截止，在多路控制开关的控制信号是0（低电平）时，多路开关是与锁存器的Q非端相接的（即P0口作为I/O口线使用）。

P0口用作I/O口线，其由数据总线向引脚输出（即输出状态Output）的工作过程：当写锁存器信号CP 有效，数据总线的信号→锁存器的输入端D→锁存器的反向输出Q非端→多路开关→V2管的栅极→V2的漏极到输出端P0.X。前面我们已讲了，当多路开关的控制信号为低电平0时，与门输出为低电平，V1管是截止的，所以作为输出口时，P0是漏极开路输出，类似于OC门，当驱动上接电流负载时，需要外接上拉电阻。

下图就是由内部数据总线向P0口输出数据的流程图（红色箭头）。

P0口用作I/O口线，其由引脚向内部数据总线输入（即输入状态Input）的工作过程：数据输入时（读P0口）有两种情况

1、读引脚

读芯片引脚上的数据，读引脚数时，读引脚缓冲器打开（即三态缓冲器的控制端要有效），通过内部数据总线输入，请看下图（红色简头）。

2、读锁存器

通过打开读锁存器三态缓冲器读取锁存器输出端Q的状态，请看下图（红色箭头）：

在输入状态下，从锁存器和从引脚上读来的信号一般是一致的，但也有例外。例如，当从内部总线输出低电平后，锁存器Q＝0，Q非＝1，场效应管T2开通，端口线呈低电平状态。此时无论端口线上外接的信号是低电乎还是高电平，从引脚读入单片机的信号都是低电平，因而不能正确地读入端口引脚上的信号。又如，当从内部总线输出高电平后，锁存器Q＝1，Q非＝0，场效应管T2截止。如外接引脚信号为低电平，从引脚上读入的信号就与从锁存器读入的信号不同。为此，8031单片机在对端口P0一P3的输入操作上，有如下约定：为此，8051单片机在对端口P0一P3的输入操作上，有如下约定：凡属于读-修改-写方式的指令，从锁存器读入信号，其它指令则从端口引脚线上读入信号。

读-修改-写指令的特点是，从端口输入(读)信号，在单片机内加以运算(修改)后，再输出(写)到该端口上。下面是几条读--修改-写指令的例子。

这样安排的原因在于读-修改-写指令需要得到端口原输出的状态，修改后再输出，读锁存器而不是读引脚，可以避免因外部威廉希尔官方网站 的原因而使原端口的状态被读错。

P0端口是8031单片机的总线口，分时出现数据D7一D0、低8位地址A7一AO，以及三态，用来接口存储器、外部威廉希尔官方网站 与外部设备。P0端口是使用最广泛的I／O端口。

2、作为地址/数据复用口使用时的工作原理

在访问外部存储器时P0口作为地址/数据复用口使用。

这时多路开关‘控制’信号为‘1’，‘与门’解锁，‘与门’输出信号电平由“地址/数据”线信号决定；多路开关与反相器的输出端相连，地址信号经“地址/数据”线→反相器→V2场效应管栅极→V2漏极输出。

例如：控制信号为1，地址信号为“0”时，与门输出低电平，V1管截止；反相器输出高电平，V2管导通，输出引脚的地址信号为低电平。请看下图（兰色字体为电平）：

反之，控制信号为“1”、地址信号为“1”，“与门”输出为高电平，V1管导通；反相器输出低电平，V2管截止，输出引脚的地址信号为高电平。请看下图（兰色字体为电平）：

可见，在输出“地址/数据”信息时，V1、V2管是交替导通的，负载能力很强，可以直接与外设存储器相连，无须增加总线驱动器。

P0口又作为数据总线使用。在访问外部程序存储器时，P0口输出低8位地址信息后，将变为数据总线，以便读指令码（输入）。

在取指令期间，“控制”信号为“0”，V1管截止，多路开关也跟着转向锁存器反相输出端Q非；CPU自动将0FFH（11111111，即向D锁存器写入一个高电平‘1’）写入P0口锁存器，使V2管截止，在读引脚信号控制下，通过读引脚三态门威廉希尔官方网站 将指令码读到内部总线。请看下图

如果该指令是输出数据，如MOVX @DPTR，A（将累加器的内容通过P0口数据总线传送到外部RAM中），则多路开关“控制”信号为‘1’，“与门”解锁，与输出地址信号的工作流程类似，数据据由“地址/数据”线→反相器→V2场效应管栅极→V2漏极输出。

如果该指令是输入数据（读外部数据存储器或程序存储器），如MOVX A，@DPTR（将外部RAM某一存储单元内容通过P0口数据总线输入到累加器A中），则输入的数据仍通过读引脚三态缓冲器到内部总线，其过程类似于上图中的读取指令码流程图。

通过以上的分析可以看出，当P0作为地址/数据总线使用时，在读指令码或输入数据前，CPU自动向P0口锁存器写入0FFH，破坏了P0口原来的状态。因此，不能再作为通用的I/O端口。大家以后在系统设计时务必注意，即程序中不能再含有以P0口作为操作数（包含源操作数和目的操作数）的指令。

二、P1端口的结构及工作原理

P1口的结构最简单，用途也单一，仅作为数据输入/输出端口使用。输出的信息有锁存，输入有读引脚和读锁存器之分。P1端口的一位结构见下图.

由图可见，P1端口与P0端口的主要差别在于，P1端口用内部上拉电阻R代替了P0端口的场效应管T1，并且输出的信息仅来自内部总线。由内部总线输出的数据经锁存器反相和场效应管反相后，锁存在端口线上，所以，P1端口是具有输出锁存的静态口。

由上图可见，要正确地从引脚上读入外部信息，必须先使场效应管关断，以便由外部输入的信息确定引脚的状态。为此，在作引脚读入前，必须先对该端口写入l。具有这种操作特点的输入/输出端口，称为准双向I/O口。8051单片机的P1、P2、P3都是准双向口。P0端口由于输出有三态功能，输入前，端口线已处于高阻态，无需先写入l后再作读操作。

P1口的结构相对简单，前面我们已详细的分析了P0口，只要大家认真的分析了P0口的工作原理，P1口我想大家都有能力去分析，这里我就不多论述了。

单片机复位后，各个端口已自动地被写入了1，此时，可直接作输入操作。如果在应用端口的过程中，已向P1一P3端口线输出过0，则再要输入时，必须先写1后再读引脚，才能得到正确的信息。此外，随输入指令的不同，H端口也有读锁存器与读引脚之分。

三、P2端口的结构及工作原理:

P2端口的一位结构见下图：

由图可见，P2端口在片内既有上拉电阻，又有切换开关MUX，所以P2端口在功能上兼有P0端口和P1端口的特点。这主要表现在输出功能上，当切换开关向下接通时，从内部总线输出的一位数据经反相器和场效应管反相后，输出在端口引脚线上；当多路开关向上时，输出的一位地址信号也经反相器和场效应管反相后，输出在端口引脚线上。

对于8031单片机必须外接程序存储器才能构成应用威廉希尔官方网站 （或者我们的应用威廉希尔官方网站 扩展了外部存储器），而P2端口就是用来周期性地输出从外存中取指令的地址(高8位地址)，因此，P2端口的多路开关总是在进行切换，分时地输出从内部总线来的数据和从地址信号线上来的地址。因此P2端口是动态的I/O端口。输出数据虽被锁存，但不是稳定地出现在端口线上。其实，这里输出的数据往往也是一种地址，只不过是外部RAM的高8位地址。

在输入功能方面，P2端口与P0和H端口相同，有读引脚和读锁存器之分，并且P2端口也是准双向口。

可见，P2端口的主要特点包括：

①不能输出静态的数据；

②自身输出外部程序存储器的高8位地址；

②执行MOVX指令时，还输出外部RAM的高位地址，故称P2端口为动态地址端口。

即然P2口可以作为I/O口使用，也可以作为地址总线使用，下面我们就不分析下它的两种工作状态。

1、作为I/O端口使用时的工作过程

当没有外部程序存储器或虽然有外部数据存储器，但容易不大于256B，即不需要高8位地址时（在这种情况下，不能通过数据地址寄存器DPTR读写外部数据存储器），P2口可以I/O口使用。这时，“控制”信号为“0”，多路开关转向锁存器同相输出端Q，输出信号经内部总线→锁存器同相输出端Q→反相器→V2管栅极→V2管9漏极输出。

由于V2漏极带有上拉电阻，可以提供一定的上拉电流，负载能力约为8个TTL与非门；作为输出口前，同样需要向锁存器写入“1”，使反相器输出低电平，V2管截止，即引脚悬空时为高电平，防止引脚被钳位在低电平。读引脚有效后，输入信息经读引脚三态门威廉希尔官方网站 到内部数据总线。

2、作为地址总线使用时的工作过程

P2口作为地址总线时，“控制”信号为‘1’，多路开关车向地址线（即向上接通），地址信息经反相器→V2管栅极→漏极输出。由于P2口输出高8位地址，与P0口不同，无须分时使用，因此P2口上的地址信息（程序存储器上的A15~A8）功数据地址寄存器高8位DPH保存时间长，无须锁存。

四、P3端口的结构及工作原理

P3口是一个多功能口，它除了可以作为I/O口外，还具有第二功能，P3端口的一位结构见下图。

由上图可见，P3端口和Pl端口的结构相似，区别仅在于P3端口的各端口线有两种功能选择。当处于第一功能时，第二输出功能线为1，此时，内部总线信号经锁存器和场效应管输入/输出，其作用与P1端口作用相同，也是静态准双向I/O端口。当处于第二功能时，锁存器输出1，通过第二输出功能线输出特定的内含信号，在输入方面，即可以通过缓冲器读入引脚信号，还可以通过替代输入功能读入片内的特定第二功能信号。由于输出信号锁存并且有双重功能，故P3端口为静态双功能端口。

P3口的特殊功能（即第二功能）：

使P3端品各线处于第二功能的条件是:

1、串行I/O处于运行状态(RXD,TXD);

2、打开了处部中断(INT0,INT1);

3、定时器/计数器处于外部计数状态(T0,T1)

4、执行读写外部RAM的指令(RD,WR)

在应用中,如不设定P3端口各位的第二功能(WR,RD信叼的产生不用设置),则P3端口线自动处于第一功能状态，也就是静态I／O端口的工作状态。在更多的场合是根据应用的需要，把几条端口线设置为第二功能，而另外几条端口线处于第一功能运行状态。在这种情况下，不宜对P3端口作字节操作，需采用位操作的形式。

端口的负载能力和输入／输出操作:

P0端口能驱动8个LSTTL负载。如需增加负载能力，可在P0总线上增加总线驱动器。P1，P2，P3端口各能驱动4个LSTTL负载。

前已述及，由于P0-P3端口已映射成特殊功能寄存器中的P0一P3端口寄存器，所以对这些端口寄存器的读／写就实现了信息从相应端口的输入／输出。例如：

MOV A， P1 ；把Pl端口线上的信息输入到A

MoV P1， A ；把A的内容由P1端口输出

MOV P3， #0FFH ；使P3端口线各位置l

这里我们已将51单片机的4个8位的并行口跟大家一起来分析了一下~

三、编码及译码器工作原理分析

这里主要简单介绍下，学过数字威廉希尔官方网站 对编码译码了解的朋友可以跳过这部分。

把所使用的每一种二进制代码状态都赋于特定的含义，表示一个特定的信号或对象，叫编码。如用四位二进制数的0000~1001这十种状太，分别表示0~9这十个十进制数码，称为8421编码。反过来把代码的特定含义翻译出来，称为译码。

计算机在处理各种文字符号或数码时，必须把这些信息进行二进制编码，在编码时所使用的第一种二进制代码状态都赋予了特定的含义，即表示一个确定的信号或者对象，实现这种功能的威廉希尔官方网站 叫编码器，如用于键盘的BCD码，ASCII码编码器等。

单片机外围威廉希尔官方网站 用译码器较多，所以在这节课我们主要与大家一起来学习下译码器的工作原理（购买了本站产品的朋友，在我们配套的多媒体教学光盘中有相关的教学内容，建议大家观看），把代码的含义‘翻译’成相应的输出信号，以表示其原意。其功能恰恰与编码器相反。

译码器可以将输入代码的状态翻译成相应的输出信号，以高、低电平的形式在各自的输出端口送出，以表示其意愿。译码器有多个输入端和多个输出端。假如输入的端个数为，每个输出端只能有两个状态，则输出端个数最多有2n个。常用译码器输入、输出端头数来称呼译码器，如3线-8线译码器，4线-10线译码器等。我们经常用到的74138就是一个三线-八线译码器，朋友们可以到百度搜索74138的中文资料。

编码、译码的概念我们了解下，下面我们就来重点来讲一下三-八译码器的工作原理，这在我们51单片机的接口威廉希尔官方网站 中也是经常用到的。

74138的工作原理如下图所示：

从上图可看出，74138有三个输入端：A0、A1、A2和八个输出端Q0~Q7。当输入端A0、A1、A2的编码为000时，译码器输出为Q0=0，而Q1~Q7=1。即Q0对应于A0、A1、A2为000状态，低电平有效。A0、A1、A2的另外7种组合见后面的真值表。

图中S1、S2、S3为使能控制端，起到控制译码器是否能进行译码的作用。只有S1为高电平，S2、S3均为低电平时，才能进行译码，否则不论输入羰输入为何值，每个输出端均为1。

下图是输入端A0、A1、A2为000，控制端S1=1、S1=0、S2=0的电平示意图（红色数字为端口电平），大家可按下图进行分析，也可以分析输出端另外七种组合时的输出情况。

四、51单片机CPU结构分析

在前面的文章里我们已知道了单片机内部有一个8位的CPU，同时知道了CPU内部包含了运算器，控制器及若干寄存器。在这节课，我们就与大家一起来讨论一下51单片机CPU的内部结构及工作原理。

从上图中我们可以看到，在虚线框内的就是CPU的内部结构了，8位的MCS-51单片机的CPU内部有数术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、累加器A（8位）、寄存器B（8位）、程序状态字PSW（8位）、程序计数器PC（有时也称为指令指针，即IP，16位）、地址寄存器AR（16位）、数据寄存器DR（8位）、指令寄存器IR（8位）、指令译码器ID、控制器等部件组成。

1、运算器（ALU）的主要功能

A）算术和逻辑运算，可对半字节（一个字节是8位，半个字节就是4位）和单字节数据进行操作。

B）加、减、乘、除、加1、减1、比较等算术运算。

C）与、或、异或、求补、循环等逻辑运算。

D）位处理功能（即布尔处理器）。

由于ALU内部没有寄存器，参加运算的操作数，必须放在累加器A中。累加器A也用于存放运算结果。

例如：执行指令 ADD A，B 

执行这条指令时，累加器A中的内容通过输入口In_1输入ALU，寄存器B通过内部数据总线经输入口In_2输入ALU，A+B的结果通过ALU的输出口Out、内部数据总线，送回到累加器A。

2、程序计数器PC

PC的作用是用来存放将要执行的指令地址，共16位，可对64K ROM直接寻址，PC低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。也就是说，程序执行到什么地方，程序计数器PC就指到哪里，它始终是跟蹿着程序的执行。我们知道，用户程序是存放在内部的ROM中的，我们要执行程序就要从ROM中一个个字节的读出来，然后到CPU中去执行，那么ROM具体执行到哪一条呢？这就需要我们的程序计数器PC来指示。

程序计数器PC具有自动加1的功能，即从存储器中读出一个字节的指令码后，PC自动加1（指向下一个存储单元）。

3、指令寄存器IR

指令寄存器的作用就是用来存放即将执行的指令代码。

在这里我们先简单的了解下CPU执行指令的过程，首先由程序存储器（ROM）中读取指令代码送入到指令寄存器，经译码器译码后再由定时与控制威廉希尔官方网站 发出相应的控制信号，从而完成指令的功能。关于指令在单片机内部的执行过程，我们在后面将会在后面的文章里进行详细的讲解。

4、指令译码器ID

用于对送入指令寄存器中的指令进行译码，所谓译码就是把指令转变成执行此指令所需要的电信号。当指令送入译码器后，由译码器对该指令进行译码，根据译码器输出的信号，CPU控制威廉希尔官方网站 定时地产生执行该指令所需的各种控制信号，使单片机正确的执行程序所需要的各种操作。

5、地址寄存器AR（16位）

AR的作用是用来存放将要寻址的外部存储器单元的地址信息，指令码所在存储单元的地址编码，由程序计数器PC产生，而指令中操作数所在的存储单元地址码，由指令的操作数给定。从上图中我们可以看到，地址寄存器AR通过地址总线AB与外部存储器相连。

6、数据寄存器DR

用于存放写入外部存储器或I/O端口的数据信息。可见，数据寄存器对输出数据具有锁存功能。数据寄存器与外部数据总线DB直接相连。

7、程序状态字PSW

用于记录运算过程中的状态，如是否溢出、进位等。

例如，累加器A的内容83H，执行：

ADD A，#8AH ；累加器A与立即数8AH相加，并把结果存放在A中。

指令后，将产生和的结果为[1]0DH，而累加器A只有8位，只能存放低8位，即0DH，元法存放结果中的最高位B8。为些，在CPU内设置一个进位标志位C，当执行加法运算出现进位时，进位标志位C为1。

8、时序部件

由时钟威廉希尔官方网站 和脉冲分配器组成，用于产生微操作控制部件所需的定时脉冲信号

五、存储器的存储原理

存储器：用来存放计算机中的所有信息：包括程序、原始数据、运算的中间结果及最终结果等。

只读存储器（ROM）：只读存储器在使用时，只能读出而不能写入，断电后ROM中的信息不会丢失。因此一般用来存放一些固定程序，如监控程序、子程序、字库及数据表等。ROM按存储信息的方法又可分为以下几种：

1、掩膜ROM：

掩膜ROM也称固定ROM，它是由厂家编好程序写入ROM（称固化）供用户使用，用户不能更改内部程序，其特点是价格便宜。

2、可编程的只读存储器（PROM）：

它的内容可由用户根据自已所编程序一次性写入，一旦写入，只能读出，而不能再进行更改，这类存储器现在也称为OTP（Only Time Programmable）。

3、可改写的只读存储器EPROM：

前两种ROM只能进行一次性写入，因而用户较少使用，目前较为流行的ROM芯片为EPROM。因为它的内容可以通过紫外线照射而彻底擦除，擦除后又可重新写入新的程序。

4、可电改写只读存储器（EEPROM）：

EEPROM可用电的方法写入和清除其内容，其编程电压和清除电压均与微机CPU的5V工作电压相同，不需另加电压。它既有与RAM一样读写操作简便，又有数据不会因掉电而丢失的优点，因而使用极为方便。现在这种存储器的使用最为广泛。

随机存储器（RAM）：

这种存储器又叫读写存储器。它不仅能读取存放在存储单元中的数据，还能随时写入新的数据，写入后原来的数据就丢失了。断电后RAM中的信息全部丢失。因些，RAM常用于存放经常要改变的程序或中间计算结果等信息。

RAM按照存储信息的方式，又可分为静态和动态两种：

1、静态SRAM：其特点是只要有电源加于存储器，数据就能长期保存。

2、动态DRAM：写入的信息只能保存若干ms时间，因此，每隔一定时间必须重新写入一次，以保持原来的信息不变。

可现场改写的非易失性存储器：

这种存储器的特点是：从原理上看，它们属于ROM型存储器，从功能上看，它们又可以随时改写信息，作用又相当于RAM。所以，ROM、RAM的定义和划分已逐渐的失去意义。

1、快擦写存储器（FLASH）

这种存储器是在EPROM和EEPROM的制造基础上产生的一种非易失性存储器。其集成度高，制造成本低于DRAM，既具有SRAM读写的灵活性和较快的访问速度，又具有ROM在断电后可不丢失信息的特点，所以发展迅速。

2、铁电存储器FRAM

它是利用铁电材料极化方向来存储数据的。它的特点是集成度高，读写速度快，成本低，读写周期短。

通过前面的学习，我们已知道存储器是计算机的重组成部份。存储器是由大量缓冲寄存器组成的，其用途是存放程序和数据，使计算机具有记忆功能。这些程序和数据在存储器中是以二进制代码表示的。根据计算机的命令，按照指定地址，可以把代码取出来或存入新代码。

在这，我们的学习重点就是来研究一下存储器的内部结构、工作原理及其存储器的主要的技术指标。

第一个要学习的问题：存储器单元和存储单元地址：

存储器是由大量寄存器组成的，其中每一个寄存器就称为一个存储单元。它可存放一个有独立意义的二进制代码。一个代码由若干位（bit）组成，代码的位数称为位长，习惯上也称为字长。

每个存储单元存放几位二进制数呢？一般情况下，计算机中一个代码的位数和它的算术运算单元的位数是相同的。例如，8051单片机中算术单元是8位，则字长就是8位。在计算机中把一个8位的二进制代码称为一个字节（Byte），常写为B。对于一个8位二进制代码的最低位称为第0位（位0），最高位称为第7位（位7）。

在计算机中的存储器往往有成千上万个存储单元，为了使存入和取出不发生混淆，必须给每个存储单元一个唯一的固定编号，这个编号就称为存储单元的地址。因为存储单元的数量很大，我们不可能每个存储单元都把线引到外部，如果每个存储单元都引根线到外部，那一个8位的单片机就需外向外部引出65536根线了，这在现实中是不可能的。为了减少存储器向外引出的地址线，在存储器内部都带有译码器。根据二进制编码、译码的原理，除地线公用之外，n根导线可以译成2n个地址号。例如，当地址线为3根时，可以译成23=8个地址号；地址线为3根时，可以译成28=256个地址号。依此类推，在8051单片机中有16根地址线，也就是说在8051单片机中有216=65 536个地址号，地址号的多少就是我们寻址范围的大小，也就是前面我们提到过的8051单片机的寻址范围是64K。

从上面的介绍可以看出，存储单元地址和这个存储单元的内容含义是不同的。存储单元如同一个旅馆的每个房间；存储单元地址则相当于每个房间的房间号；存储单元内容（二进制代码）就相当于这个房间的房客。

前面我们已讲过，8051的单片机有16根地址线，它的存储地址有216=65 536个，这么多的存储地址，而地址线却只有16根，我们怎么用16根地址线来控制这6万多个存储地址呢？接下来我们就这个问题与大家一起做个探讨：在上节课《第九课：51单片机CPU的结构》时我们已知道，在51单片机的内部有一个叫做译码器的部件。用16根地址线来控制65536个存储地址，就是用译码来实现的。

我们知道，计算机可以进行数学运算，这可令我们非常的难以理解，计算机吗，里面只不过是一些电子元件组成的，怎能么可以进行数学运算呢？我们做数学题时如25+36是这样做的，先在纸上写25，然后在下面写36，然后大脑运算，最后写出结果，运算的原材料：25、36和结果61都是写在纸上的。计算机中又是怎样存放的呢？为了解决定个问题，我们先做一个实验：

下面有一盏灯，我们知道灯要么亮，要么不亮，就有两种状态，我们可以用“0”和“1”来代替这两种状态，规定亮为“1”，不亮为“0”。南以上两盏灯，一共有几种状态呢？

上面已例出，两盏灯可以表达成00 01 10 11四种状态，那么三盏灯呢？

三盏灯应该就是可以表达成000 001 010 011 100 101 110 111八种状态，

如果是八盏灯呢？那么其状就表达就是00000000 00000001 00000010。。。。。11111111 共256种状态。

我们来看，上面这些000 001 010。。。。等等这些数不就是我们学过的二进制数吗？本来灯的亮灭是一种物理现象，可当我们把它们按一定的顺序排列好后，灯的亮和灭就代表数字了。让我们再抽象一步，灯为什么会亮呢？是因为输出威廉希尔官方网站 输出高电平，给灯通了电。因此，灯亮和灭就可以用威廉希尔官方网站 的输出是高电平还是低电平来代替了。这样，数字就和电平的高、低联系上了。

位的含义：通过上面的实验我们已知道：一盏灯亮或者说一根线的电平的高低，可以代表两种状态：0和1。实际上这就是一个二进制位，困此我们把一根线（或者一盏灯）称为一“位”，用BIT表示。

字节的含义：一根线可以表示0和1，两根线可以表达00，01，10，11四种状态，也就是可以表示0到3，而三根给可以表达0至7，计算机中通常用8根线放在一起，同时计数，就可以表达到0~255共256种状态。这8根线或者8位就称之为一个字节（BYTE）。不要问我为什么是8根而不是其它数，因为我也不知道。（计算机是一个人造的世界，不是自然界，很多事情无法问为什么，只能说：字是一种规定，大家在以后的学习过程中也要注意这个问题）。

存储器是用来存放数据的地方。它是利用电平的高低来存放数据的。也就是说，它存放的实际上是电平的高、低，而不是我们习惯认为的1234这样的数字。下面我们就来看看，单片机内的存储器是怎样来寻址的，也就是怎么来找到我们存放在存储器内的数据。

MCS-51单片机在物理结构上有四个存储空间：

1、片内程序存储器

2、片外程序存储器

3、片内数据存储器

4、片外数据存储器

但在逻辑上，即从用户的角度上，8051单片机有三个存储空间：

1、片内外统一编址的64K的程序存储器地址空间

2、256B的片内数据存储器的地址空间

3、以及64K片外数据存储器的地址空间

在访问三个不同的逻辑空间时，应采用不同形式的指令（具体我们在后面的指令系统学习时将会讲解），以产生不同的存储器空间的选通信号。

程序存储器

一个微处理器能够聪明地执行某种任务，除了它们强大的硬件外，还需要它们运行的软件，其实微处理器并不聪明，它们只是完全按照人们预先编写的程序而执行之。那么设计人员编写的程序就存放在微处理器的程序存储器中，俗称只读程序存储器（ROM）。程序相当于给微处理器处理问题的一系列命令。其实程序和数据一样，都是由机器码组成的代码串。只是程序代码则存放于程序存储器中。

MCS-51具有64kB程序存储器寻址空间，它是用于存放用户程序、数据和表格等信息。对于内部无ROM的8031单片机，它的程序存储器必须外接，空间地址为64kB，此时单片机的 端必须接地。强制CPU从外部程序存储器读取程序。对于内部有ROM的8051等单片机，正常运行时， 则需接高电平，使CPU先从内部的程序存储中读取程序，当PC值超过内部ROM的容量时，才会转向外部的程序存储器读取程序。

当 =1时，程序从片内ROM开始执行，当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部ROM空间。

当 =0时，程序从外部存储器开始执行，例如前面提到的片内无ROM的8031单片机，在实际应用中就要把8031的 引脚接为低电平。

8051片内有4kB的程序存储单元，其地址为0000H—0FFFH，单片机启动复位后，程序计数器的内容为0000H，所以系统将从0000H单元开始执行程序。但在程序存储中有些特殊的单元，这在使用中应加以注意：

其中一组特殊是0000H—0002H单元，系统复位后，PC为0000H，单片机从0000H单元开始执行程序，如果程序不是从0000H单元开始，则应在这三个单元中存放一条无条件转移指令，让CPU直接去执行用户指定的程序。

另一组特殊单元是0003H—002AH，这40个单元各有用途，它们被均匀地分为五段，它们的定义如下：

0003H—000AH 外部中断0中断地址区。

000BH—0012H 定时/计数器0中断地址区。

0013H—001AH 外部中断1中断地址区。

001BH—0022H 定时/计数器1中断地址区。

0023H—002AH 串行中断地址区。

可见以上的40个单元是专门用于存放中断处理程序的地址单元，中断响应后，按中断的类型，自动转到各自的中断区去执行程序。从上面可以看出，每个中断服务程序只有8个字节单元，用8个字节来存放一个中断服务程序显然是不可能的。因此以上地址单元不能用于存放程序的其他内容，只能存放中断服务程序。但是通常情况下，我们是在中断响应的地址区安放一条无条件转移指令，指向程序存储器的其它真正存放中断服务程序的空间去执行,这样中断响应后，CPU读到这条转移指令，便转向其他地方去继续执行中断服务程序。

下图是ROM的地址分配图：

从上图中大家可以看到，0000H-0002H，只有三个存储单元，3个存储单元在我们的程序存放时是存放不了实际意义的程序的，通常我们在实际编写程序时是在这里安排一条ORG指令，通过ORG指令跳转到从0033H开始的用户ROM区域，再来安排我们的程序语言。从0033开始的用户ROM区域用户可以通过ORG指令任意安排，但在应用中应注意，不要超过了实际的存储空间，不然程序就会找不到。

数据存储器

数据存储器也称为随机存取数据存储器。数据存储器分为内部数据存储和外部数据存储。MCS-51内部RAM有128或256个字节的用户数据存储（不同的型号有分别），片外最多可扩展64KB的RAM，构成两个地址空间，访问片内RAM用“MOV”指令，访问片外RAM用“MOVX”指令。它们是用于存放执行的中间结果和过程数据的。MCS-51的数据存储器均可读写，部分单元还可以位寻址。

MCS-51单片机的内部数据存储器在物理上和逻辑上都分为两个地址空间，即：

数据存储器空间（低128单元）；

特殊功能寄存器空间（高128单元）；

这两个空间是相连的，从用户角度而言，低128单元才是真正的数据存储器。下面我们就来详细的与大家讲解一下：

低128单元：

片内数据存储器为8位地址，所以最大可寻址的范围为256个单元地址，对片外数据存储器采用间接寻址方式，R0、R1和DPTR都可以做为间接寻址寄存器，R0、R1是8位的寄存器，即R0、R1的寻址范围最大为256个单元，而DPTR是16位地址指针，寻址范围就可达到64KB。也就是说在寻址片外数据存储器时，寻址范围超过了256B，就不能用R0、R1做为间接寻址寄存器，而必须用DPTR寄存器做为间接寻址寄存器。

从上图中我们可以看到，8051单片机片内RAM共有256个单元（00H-FFH），这256个单元共分为两部分。其一是地址从00H—7FH单元（共128个字节）为用户数据RAM。从80H—FFH地址单元（也是128个字节）为特殊寄存器（SFR）单元。从图1中可清楚地看出它们的结构分布。

1、通用寄存器区（00H-1FH）

在00H—1FH共32个单元中被均匀地分为四块，每块包含八个8位寄存器，均以R0—R7来命名，我们常称这些寄存器为通用寄存器。这四块中的寄存器都称为R0—R7，那么在程序中怎么区分和使用它们呢？聪明的INTEL工程师们又安排了一个寄存器——程序状态字寄存器（PSW）来管理它们，CPU只要定义这个寄存的PSW的D3和D4位（RS0和RS1），即可选中这四组通用寄存器。对应的编码关系如下表所示。惹程序中并不需要用4组，那么其余的可用做一般的数据缓冲器，CPU在复位后，选中第0组工作寄存器。

2、位寻址区（20H-2FH）

片内RAM的20H—2FH单元为位寻址区，既可作为一般单元用字节寻址，也可对它们的位进行寻址。位寻址区共有16个字节，128个位，位地址为00H—7FH。位地址分配如下表所示：

CPU能直接寻址这些位，执行例如置“1”、清“0”、求“反”、转移，传送和逻辑等操作。我们常称MCS-51具有布尔处理功能，布尔处理的存储空间指的就是这些为寻址区。

3、用户RAM区（30H-7FH）

在片内RAM低128单元中，通用寄存器占去32个单元，位寻址区占去16个单元，剩下的80个单元就是供用户使用的一般RAM区了，地址单元为30H-7FH。对这部份区域的使用不作任何规定和限制，但应说明的是，堆栈一般开辟在这个区域。

高128单元：（80H-FFH）

前面提到，在片内的RAM中，高128位是专用寄存器区，因这节比较重要，所以我们单独的安排一节课跟大家介绍。下节课我们就重点介绍51单片机片内RAM的高128位，即专用寄存器区。