中央處理器(CPU)

MCS-51單片機的CPU字長為8位，內部包含運算器、控制器和特殊功能寄存器。由于特殊功能寄存器在功能和使用方法方面與存儲器比較相似，因此將與存儲器一同講解。本小節(jié)僅介紹運算器和控制器的基本情況。

1.運算器

運算器包含1個8位的算術邏輯運算單元(ALU)、2個暫存器(TMP1和TMP2)、累加器ACC、寄存器B、程序狀態(tài)字寄存器(PSW)和1個布爾處理器。

算術邏輯運算單元ALU可以進行1個字節(jié)(8位二進制數(shù))的加、減、乘、除等算術運算和“與”“或”“非”等邏輯運算。

累加器ACC和寄存器B均是8位寄存器。進行算術邏輯運算時，ACC提供數(shù)據和保存運算結果。在進行乘、除法運算時，寄存器B與ACC配合，提供數(shù)據并保存運算結果。

程序狀態(tài)寄存器PSW是8位寄存器，其中的二進制位用于記錄算術邏輯運算結果的狀態(tài)，如加法是否產生進位、有符號運算結果的符號等。

布爾處理器以PSW中的最高位CY為位累加器，可以進行1個二進制位的邏輯運算，包括“與”“或”“非”等操作。

2.控制器

控制器是CPU的核心，控制、協(xié)調整個單片機系統(tǒng)的工作，包括程序計數(shù)器(PC)、指令寄存器(IR)、指令譯碼器(ID)、地址寄存器(AR)、時鐘振蕩器和定時控制電路等。

程序計數(shù)器PC是16位的寄存器，PC中的數(shù)作為地址指向程序存儲器，由其確定接下來CPU將從程序存儲器中的哪一個字節(jié)單元讀取指令代碼。單片機讀取一條指令，PC中地址將自動改變，以指向下一個讀取指令的存儲單元。因為PC所提供的地址是16位的，所以MCS-51單片機所支持的程序存儲區(qū)最大容量為216個字節(jié)單元，即64KB，其地址范圍為0000H~FFFFH。

地址寄存器AR將接收PC的值，該值將被送上地址總線，用于選中程序存儲器的存儲單元。之后，該存儲單元中存放的指令代碼，將通過數(shù)據總線傳送給IR。

IR中的指令代碼將被送入ID。ID翻譯該指令代碼后，CPU將產生控制信號，用于控制單片機完成指令代碼所指定的操作。

可見，PC的值決定了CPU取指令的順序，也決定了程序執(zhí)行的順序。

時鐘振蕩器和定時控制電路的作用是產生時鐘信號，該時鐘信號起到指揮的作用，用于協(xié)調單片機各部件相互配合、有序工作。

存儲器和寄存器

單片機內部可以存放信息的硬件資源包括存儲器和寄存器。存儲器可以分為兩類，分別是存儲程序的程序存儲器(ROM)和存儲數(shù)據的數(shù)據存儲器(RAM)。存儲器按照其所處位置又可以被分為片內和片外兩種。寄存器通常具有某些特殊的功能，被稱為特殊功能寄存器(Special Function Register，SFR)。

1.片內數(shù)據存儲器

MCS-51單片機片內RAM的地址范圍如圖2-4所示，其中52子系列單片機的高128B RAM又被稱為附加RAM區(qū)。

圖2-4 MCS-51單片機片內數(shù)據存儲器(RAM)的地址范圍

a)51子系列b)52子系列

2.特殊功能寄存器

MCS-51單片機內部有很多特殊功能寄存器。特殊功能寄存器不但有地址，而且還有專屬的符號名稱(如PCON、SCON和PSW等)。圖2-4可以發(fā)現(xiàn)，特殊功能寄存器的地址范圍為80H~FFH，與52子系列單片機片內RAM高128B單元的地址范圍重疊。因此，在通過地址訪問片內RAM高128B存儲單元和特殊功能寄存器時，必須通過數(shù)據的尋址方式明確該地址對應的是片內RAM還是SFR。特殊功能寄存器的尋址方式是直接尋址，片內RAM高128B單元的尋址方式是寄存器間接尋址。

“尋址”是匯編源程序設計中的概念，本書將在第3章的3.3節(jié)中詳細介紹與尋址有關的知識。

另外，某些特殊功能寄存器中的二進制位也有地址，即位地址。有位地址的位可以通過位尋址的方式單獨訪問。

需要特別注意的是，只有字節(jié)地址能夠被8整除的特殊功能寄存器中的位才有位地址，才能按位尋址。

3.片內數(shù)據存儲器的劃分

片內數(shù)據存儲器的不同區(qū)域有不同的尋址方式，其劃分如圖2-5所示。為了強調區(qū)分特殊功能寄存器區(qū)與52子系列附加通用RAM區(qū)的方法，圖2-5中也給出了SFR區(qū)的尋址方式。

圖2-5片內數(shù)據存儲器的劃分

(1)工作寄存器區(qū)

工作寄存器區(qū)共有32個字節(jié)，分成0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)和3區(qū)，共4個子區(qū)，見表2-4。每個子區(qū)均有R0~R7共8個工作寄存器。單片機CPU每一時刻只能使用一個工作寄存器子區(qū)，所用寄存器子區(qū)由PSW寄存器的PSW.4位和PSW.3位決定，見表2-4。工作寄存器區(qū)中的所有寄存器均可以通過寄存器尋址、直接尋址和寄存器間接尋址的方式訪問。

(2)位尋址區(qū)

位尋址區(qū)的每個字節(jié)都有字節(jié)地址，可以通過直接尋址和寄存器間接尋址的方式訪問。另外，位尋址區(qū)中的每個位都有地址，即位地址，可以通過位尋址方式單獨訪問，見表2-5。

(3)通用RAM區(qū)

MCS-51單片機的低128B通用RAM區(qū)可以采用直接尋址和寄存器間接尋址的方式訪問，

而52子系列的高128B通用RAM區(qū)僅能采用寄存器間接尋址的方式訪問。

4.片外數(shù)據存儲器和I/O接口

MCS-51單片機可以擴展64KB的片外數(shù)據存儲器，其地址范圍如圖2-6所示。需要特別指出的是，單片機的片外擴展I/O空間與片外RAM的地址是統(tǒng)一編址的，即在0000H~0FFFFH共64K個地址中，一部分地址分配給片外RAM，一部分地址分配給片外擴展的I/O接口，也可以全部地址都分配給片外RAM或I/O接口。因為是統(tǒng)一編址的，所以在程序中訪問片外RAM和片外擴展I/O接口的指令相同。

圖2-6片外數(shù)據存儲器(RAM)區(qū)或片外擴展I/O區(qū)的地址范圍

另外，片外RAM區(qū)(或片外擴展I/O區(qū))與片內RAM區(qū)是獨立編址的，即圖2-5中片內RAM區(qū)地址00H~FFH不會分配給片外RAM區(qū)(或片外擴展I/O區(qū))，同樣，圖2-6中片外RAM區(qū)(或I/O區(qū))地址0000H~0FFFFH也不會分配給片內RAM區(qū)。因為是獨立編址的，所以訪問片內RAM區(qū)和訪問片外RAM區(qū)(或片外擴展I/O區(qū))時所用的指令不同。

5.程序存儲器

程序存儲器(ROM)用來存放代碼，MCS-51單片機除片內ROM外，還可以擴展

64KB的片外程序存儲器。圖2-7給出了程序存儲器的配置，圖中的EA是單片機的引腳，

決定了單片機是否使用片外程序存儲器。由圖2-7可知，當EA=0時，單片機只能使用片外

程序存儲器;當EA=1時，對于51子系列單片機，地址為0000H~0FFFH的存儲單元來自于片內ROM，對于52子系列單片機，地址為0000H~1FFFH的存儲單元來自于片內ROM，其他地址所對應的存儲單元則均來自于片外ROM。

圖2-7程序存儲器的配置

a)EA=0

b)51子系列單片機且EA=1 c)52子系列單片機且EA=1

在單片機程序中，有一類被稱為中斷服務子程序的特殊子程序，專用于處理中斷源所產生的中斷事件。在程序存儲器中，有一塊區(qū)域專用于存放中斷服務處理子程序的指令代碼。

以51子系列單片機為例(見表2-1)，該系列單片機有5個中斷源，分別是INT0、T0、

INT1、T1和串口中斷，它們的中斷服務處理程序在ROM中的存放地址分別為0003H、000BH、0013H、001BH和0023H，這些地址被稱為中斷服務處理程序的入口地址，如圖2-8所示。程序存儲器的地址0000H對應于復位入口，即主程序的入口，單片機開始工作時將首先從程序存儲器中地址為0000H的存儲單元中取指令的。

圖2-8中斷服務處理子程序的入口

需要注意，比較中斷服務處理程序的中斷入口地址后，可以發(fā)現(xiàn)相鄰入口地址之間的差很小，如：T0中斷入口與INT0中斷入口之差為000BH-0003H=8H。這意味著如果T0中斷與INT0中斷的中斷服務處理程序都存在，則INT0中斷服務處理程序的長度不能超過8B，否則將占用T0中斷服務處理程序的存儲空間。解決這一問題的方法是，將中斷服務處理子程序存放在ROM的其他位置，而僅在中斷入口存儲單元存放一條能跳轉至中斷服務處理程序的跳轉指令。