單片機內(nèi)部有一個8位的CPU，同時知道了CPU內(nèi)部包含了運算器，控制器及若干寄存器。51單片機CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理。

從圖中我們可以看到，在虛線框內(nèi)的就是CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)了，8位的MCS-51單片機的CPU內(nèi)部有數(shù)術(shù)邏輯單元ALU（Arithmetic Logic Unit）、累加器A（8位）、寄存器B（8位）、程序狀態(tài)字PSW（8位）、程序計數(shù)器PC（有時也稱為指令指針，即IP，16位）、地址寄存器AR（16位）、數(shù)據(jù)寄存器DR（8位）、指令寄存器IR（8位）、指令譯碼器ID、控制器等部件組成。

圖片1

1、運算器（ALU）的主要功能
A）算術(shù)和邏輯運算，可對半字節(jié)（一個字節(jié)是8位，半個字節(jié)就是4位）和單字節(jié)數(shù)據(jù)進行操作。
B）加、減、乘、除、加1、減1、比較等算術(shù)運算。
C）與、或、異或、求補、循環(huán)等邏輯運算。
D）位處理功能（即布爾處理器）。
由于ALU內(nèi)部沒有寄存器，參加運算的操作數(shù)，必須放在累加器A中。累加器A也用于存放運算結(jié)果。
例如：執(zhí)行指令 ADD A，B
執(zhí)行這條指令時，累加器A中的內(nèi)容通過輸入口In_1輸入ALU，寄存器B通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線經(jīng)輸入口In_2輸入ALU，A+B的結(jié)果通過ALU的輸出口Out、內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，送回到累加器A。

2、程序計數(shù)器PC
PC的作用是用來存放將要執(zhí)行的指令地址，共16位，可對64K ROM直接尋址，PC低8位經(jīng)P0口輸出，高8位經(jīng)P2口輸出。也就是說，程序執(zhí)行到什么地方，程序計數(shù)器PC就指到哪里，它始終是跟躥著程序的執(zhí)行。我們知道，用戶程序是存放在內(nèi)部的ROM中的，我們要執(zhí)行程序就要從ROM中一個個字節(jié)的讀出來，然后到CPU中去執(zhí)行，那么ROM具體執(zhí)行到哪一條呢？這就需要我們的程序計數(shù)器PC來指示。
程序計數(shù)器PC具有自動加1的功能，即從存儲器中讀出一個字節(jié)的指令碼后，PC自動加1（指向下一個存儲單元）。
3、指令寄存器IR
指令寄存器的作用就是用來存放即將執(zhí)行的指令代碼。
在這里我們先簡單的了解下CPU執(zhí)行指令的過程，首先由程序存儲器（ROM）中讀取指令代碼送入到指令寄存器，經(jīng)譯碼器譯碼后再由定時與控制電路發(fā)出相應(yīng)的控制信號，從而完成指令的功能。關(guān)于指令在單片機內(nèi)部的執(zhí)行過程，我們在后面將會以另一節(jié)課來進行詳細的講解。
4、指令譯碼器ID
用于對送入指令寄存器中的指令進行譯碼，所謂譯碼就是把指令轉(zhuǎn)變成執(zhí)行此指令所需要的電信號。當(dāng)指令送入譯碼器后，由譯碼器對該指令進行譯碼，根據(jù)譯碼器輸出的信號，CPU控制電路定時地產(chǎn)生執(zhí)行該指令所需的各種控制信號，使單片機正確的執(zhí)行程序所需要的各種操作。

5、地址寄存器AR（16位）
AR的作用是用來存放將要尋址的外部存儲器單元的地址信息，指令碼所在存儲單元的地址編碼，由程序計數(shù)器PC產(chǎn)生，而指令中操作數(shù)所在的存儲單元地址碼，由指令的操作數(shù)給定。從上圖中我們可以看到，地址寄存器AR通過地址總線AB與外部存儲器相連。
6、數(shù)據(jù)寄存器DR
用于存放寫入外部存儲器或I/O端口的數(shù)據(jù)信息?？梢姡瑪?shù)據(jù)寄存器對輸出數(shù)據(jù)具有鎖存功能。數(shù)據(jù)寄存器與外部數(shù)據(jù)總線DB直接相連。
7、程序狀態(tài)字PSW
用于記錄運算過程中的狀態(tài)，如是否溢出、進位等。
例如，累加器A的內(nèi)容83H，執(zhí)行：
ADD A，#8AH ；累加器A與立即數(shù)8AH相加，并把結(jié)果存放在A中。
指令后，將產(chǎn)生和的結(jié)果為[1]0DH，而累加器A只有8位，只能存放低8位，即0DH，元法存放結(jié)果中的最高位B8。為些，在CPU內(nèi)設(shè)置一個進位標(biāo)志位C，當(dāng)執(zhí)行加法運算出現(xiàn)進位時，進位標(biāo)志位C為1。
8、時序部件
由時鐘電路和脈沖分配器組成，用于產(chǎn)生微操作控制部件所需的定時脈沖信號