51系列单片机的内部结构

　AT89S51兼容标准8051的指令系统及引脚。下面以AT89S51单片机为例，简要介绍51系列单片机的内部结构。

　通常，单片机片内含CPU、ROM、RAM、并行I/O口、定时器/计数器、中断控制系统、时钟、系统总线等。

　1．中央处理器(CPU)
　　
　　中央处理器是AT89S51单片机的核心，完成运算和控制功能。其CPU能处理8位数或代码。
　　
　　2．程序
　　
　　程序存储器用于存放用户编写的程序、原始数据或表格，分为片内程序存储器和片外程序存储器。  

　AT89S51采用片内、片外统一编址的64kB(OOOOH～FFFFH)程序存储器地址空间。片内有4kB Flash Memery，地址范围为OOOOH～OFFFH，既可在线编程(ISP)，也可以用传统方法进行编程。

　采用汇编语言或C语言编写的源程序，必须通过编译软件（如Keil C51）把编译生成二进制代码，即机器码。用户编写的程序、原始数据、表格等，都是以二进制的形式存放在程序存储器中的。计算机的工作，就是按照事先编好的程序从OOOOH地址单元一条条地循序执行的。

　当AT89S51(31)脚EA接高时，从片内ROM中的OOOOH地址单元开始执行程序。当AT89S51(31)脚EA接低电平时，片内ROM不起作用，CPU只能从片外ROM中取指令。

　内部ROM OOOOH～002AH共43个单元，被分为六段，作为程序运行的入口地址使用。其中：

　0000H～0002H为复位后或初始化引导程序地址区；0003H～000AH外部中断0中断入口地址区；000BH～0012H定时器/计数器O中断入口地址区；0013H～001AH外部中断1中断入口地址区；001BH～0022H定时器/计数器1中断入口地址区；0023H～002AH串行中断入口地址区。

　通常，我们编写程序时不得占用上述中断程序入口地址单元，即0003H～002AH单元。也就是说，主程序一般不放在该地址空间。编程时，可以采用起始伪指令ORG，跳过0003H～002AH单元。

　伪指令，是告诉汇编程序如何进行汇编的一类指令，不会被汇编成机器代码，只能为汇编软件(如KeilC51)所识别。

　单片机复位后，是从0000H单元开始取指令执行程序的。因此，应在0000H～0002H三个单元存放一条无条件转移指令，转到主程序，程序结构如下：

　ORG000H；用伪指令ORG指示随后的指令代码从0000H地址单元开始存放。

　LJMPSTART；在0000H～0002H存放一条长跳转指令，执行该指令，程序转到以START为语句标号的地址执行。

　ORG0030H；伪指令ORG指示随后的指令代码从0030H地址单元开始存放。

　START：；START是主程序入口地址标号，主程序开始。

　END；结束伪指令，标志程序代码到此结束。

　通过该程序，保留了各中断入口地址。对各个中断入口地址的使用，我们在学习中断系统时再进行介绍。

　3．数据存储器(RAM)
　　
　　单片机的数据存储器有片内和片外之分．AT89S51片内有256字节RAM，其中高128单元被专用寄存器占用，低128字节供用户使用，用于存放可读写的数据。片外数据存储器可扩展6kB存储空间，地址范围为0000H～FFFFH。片内和片外RAM的地址空间各自独立，指令MOV用于片内数据存储器之间的传送，指令MOVX用于片外数据存储器和累加器A之间的数据传送。

　AT89S51内部RAM共有256字节，通常分为低128字节（地址00H～7FH）和高128字节（地址80H～FFH）两部分。低128字节，按其用途分为三个区域，如下表所示。

　　(1)工作寄存器区
　　
　　工作寄存器区有四组工作寄存器，每组8个寄存器，用于存放操作数及中间结果等。其地址为内部RAM的00H～1FH单元地址。在任一时刻，CPU只能使用其中一组寄存器，并把正在使用的那组寄存器称为当前寄存器组，用R0～R7表示。当前使用的到底是哪一组工作寄存器，则由程序状态字寄存器PSW得RS1、RSO位的状态组合决定，下表为工作寄存器选择。

　　RS1和RSO的状态可以通过指令修改，如指令：

　　SETBRS1；置RS1为1
　　
　　CLRRS0；置RS0为0
　　
　　置当前工作寄存器为第2组，R0～R7的物理地址为10H～17H。

　　(2)位寻址区
　　
　　内部RAM的20H～2FH单元，既可作为一般RAM单元使用，进行字节操作，也可以对各RAM单元的每一位进行位操作，因此，把该区又称为位寻址区。位寻址区有16字节RAM单元，共128位，位地址为00H～7FH。可以用位操作类指令对其进行位操作。如指令：

　　CLR00H；00H为位地址，而不是字节地址，将位地址00H清零SETB07H；07H为位地址，不是字节地址，将位地址07H置1当位地址为80H～FFH时，所代表的是特殊功能寄存器的位地址。

　　如指令：CLRP1.0CLR90H
　　
　　执行的结果是一样的，因为P1.0的位地址就是90H。

　　(3)用户RAM区及堆栈
　　
　　用户RAM区，包括堆栈区和用户标志区等用户自己设定的数据区。其地址在内部RAM低128单元中。如果用户的程序要使用四组工作寄存器，其单元地址为30H～7FH，共80个单元，如果用户程序不需要四组工作寄存器，则其中一部分工作寄存器区也可作用户RAM使用。用户RAM区中的堆栈，用来暂存数据和地址，它是按“先进后出”

　　的原则存取数据的。

　　堆栈有进栈和出栈两种操作，由栈指针SP管理，分别采用压栈和出栈指令PUSH和POP进行数据的存和取。

　　系统复位后，SP的值为07H，此时堆栈是从08H单元开始的。由于08H～1FH单元属于工作寄存器1～3区，如果程序中要用到这些区，最好把SP值改为2FH或更大。堆栈最好在内部RAM的30H～7FH单元中开辟。SP值一经确定，堆栈的位置也就确定下来了。由于SP可通过指令初始化为不同值，因此堆栈的位置是浮动的。如：

　　MOVSP，#30H；SP赋初值30H，即置栈底位置CLRA；累加器A清零，(A)=00HPUSHA；SP自动加1，(SP)=31H，再把A的内容压入31H中POPA；把31H中的内容弹出到A中，然后SP自动减1，(SP)=30H说明：()：表示某寄存器、存储单元或表达式的内容。(())：表示某寄存器、存储单元或表达式的内容为地址单元的内容。

　　4．特殊功能寄存器(SFR)
　　
　　内部RAM的高128单元是特殊功能寄存器区，其单元地址为80H～FFH。本文只讲解累加器A。

　　累加器A是最常用的特殊功能寄存器。它既可存放操作数，也可存放运算的中间结果。51系列单片机(AT89S51)中大部分单操作数指令的操作数取自累加器，许多双操作数指令中的一个操作数也取自累加器。

　　如：指令MOVA，Rn；把当前工作寄存器的内容送累加器A。指令MOVA，#data；把立即数data送累加器A。

　　5．定时器/计数器
　　
　　51系列单片机(AT89S51)共有2个16位定时器/计数器，用以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。

　　6．并行I/O口
　　
　　AT89S51共有四个8位I/O口PO、P1、P2、P3，以实现数据的并行输入输出。在下面的实例中，我们便是用P1口连接8只，并通过程序对其进行控制。

　　7．串行口
　　
　　AT89S51有一个全双工的串行口，以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。该串行口既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。

　　8．中断控制系统
　　
　　AT89S51共有5个中断源，即外中断2个、定时/计数中断2个、串行中断1个。

　　综上所述，51系列单片机(AT89S51)虽然只是一个芯片，但具有计算机应该具有的基本部件，是一个简单的微型计算机系统。