MCS-51單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)

MCS-51單片機(jī)內(nèi)部集成了微處理器、存儲(chǔ)器、輸入接口和輸出接口，其體系結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。在MCS-51單片機(jī)中，ROM存放程序代碼，RAM存放數(shù)據(jù)，因此ROM和RAM分別被稱為程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。因?yàn)?，程序存?chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是獨(dú)立分開的，所以MCS-51單片機(jī)屬于哈佛體系結(jié)構(gòu)。

哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)是一種并行體系結(jié)構(gòu)，它的主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問。

與兩個(gè)存儲(chǔ)器相對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)的4條總線：程序和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線與地址總線。這種分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線可允許在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)同時(shí)獲得指令字(來自程序存儲(chǔ)器)和操作數(shù)(來自數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器)，從而提高了執(zhí)行速度，提高了數(shù)據(jù)的吞吐率。又由于程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在兩個(gè)分開的物理空間中，因此取址和執(zhí)行能完全重疊。中央處理器首先到程序指令存儲(chǔ)器中讀取程序指令內(nèi)容，解碼后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一步的操作(通常是執(zhí)行)。程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開，可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度。

哈佛結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)由CPU、程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器組成，程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用不同的總線，從而提供了較大的存儲(chǔ)器帶寬，使數(shù)據(jù)的移動(dòng)和交換更加方便，尤其提供了較高的數(shù)字信號(hào)處理性能。哈佛結(jié)構(gòu)的微處理器通常具有較高的執(zhí)行效率。其程序指令和數(shù)據(jù)指令分開組織和存儲(chǔ)的，執(zhí)行時(shí)可以預(yù)先讀取下一條指令。

哈佛結(jié)構(gòu)與馮·諾依曼結(jié)構(gòu)處理器相比，處理器有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：使用兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器模塊，分別存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)，每個(gè)存儲(chǔ)模塊都不允許指令和數(shù)據(jù)并存;使用獨(dú)立的兩條總線，分別作為CPU與每個(gè)存儲(chǔ)器之間的專用通信路徑，而這兩條總線之間毫無關(guān)聯(lián)。

改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：

使用兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器模塊，分別存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)，每個(gè)存儲(chǔ)模塊都不允許指令和數(shù)據(jù)并存，以便實(shí)現(xiàn)并行處理;具有一條獨(dú)立的地址總線和一條獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線，利用公用地址總線訪問兩個(gè)存儲(chǔ)模塊(程序存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊)，公用數(shù)據(jù)總線則被用來完成程序存儲(chǔ)模塊或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸;兩條總線由程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分時(shí)共用。

圖2-1 MCS-51單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)

MCS-51單片機(jī)又分為51和52兩個(gè)子系列，其主要內(nèi)部資源的配置情況見表2-1，其中51子系列的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示。在表2-1中，字母B表示字節(jié)BYTE，芯片名稱中的C表示該單片機(jī)是CHMOS器件。分析表2-1可知：①52子系列的內(nèi)部資源比51子系列多，如前者內(nèi)部定時(shí)器和中斷源均比后者多一個(gè)，而且片內(nèi)存儲(chǔ)器容量大一倍;②8031、80C31、8032和80C32沒有片內(nèi)ROM存儲(chǔ)器，使用這些單片機(jī)時(shí)，必須擴(kuò)展片外的程序存儲(chǔ)器。

圖2-2 MCS-51單片機(jī)51子系列的結(jié)構(gòu)框圖

MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部資源

MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，其內(nèi)部主要有以下資源：

圖2-3 MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1)8位CPU。

2)布爾處理器，具有位邏輯處理能力。

3)4KB/8KB片內(nèi)程序存儲(chǔ)器(ROM)。

4)128B/256B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)。5)擴(kuò)展64KB程序存儲(chǔ)器空間的控制電路。6)擴(kuò)展64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間的控制電路。

7)2/3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。

8)32位雙向且可獨(dú)立尋址的I/O線，即4個(gè)8位并行I/O接口。9)一個(gè)可編程全雙工異步串行接口。

10)5/6個(gè)中斷源，有兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)。

11)片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。