MCS-51 單片機的體系結構介紹以及內部資源展示
MCS-51單片機的體系結構
MCS-51單片機內部集成了微處理器、存儲器、輸入接口和輸出接口,其體系結構如圖2-1所示。在MCS-51單片機中,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器和數(shù)據(jù)存儲器。因為,程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是獨立分開的,所以MCS-51單片機屬于哈佛體系結構。
哈佛結構是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結構。哈佛結構是一種并行體系結構,它的主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中,即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個獨立的存儲器,每個存儲器獨立編址、獨立訪問。
與兩個存儲器相對應的是系統(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)總線可允許在一個機器周期內同時獲得指令字(來自程序存儲器)和操作數(shù)(來自數(shù)據(jù)存儲器),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)存儲在兩個分開的物理空間中,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器中讀取程序指令內容,解碼后得到數(shù)據(jù)地址,再到相應的數(shù)據(jù)存儲器中讀取數(shù)據(jù),并進行下一步的操作(通常是執(zhí)行)。程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開,可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度。
哈佛結構的計算機由CPU、程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器組成,程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器采用不同的總線,從而提供了較大的存儲器帶寬,使數(shù)據(jù)的移動和交換更加方便,尤其提供了較高的數(shù)字信號處理性能。哈佛結構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的,執(zhí)行時可以預先讀取下一條指令。
哈佛結構與馮·諾依曼結構處理器相比,處理器有兩個明顯的特點:使用兩個獨立的存儲器模塊,分別存儲指令和數(shù)據(jù),每個存儲模塊都不允許指令和數(shù)據(jù)并存;使用獨立的兩條總線,分別作為CPU與每個存儲器之間的專用通信路徑,而這兩條總線之間毫無關聯(lián)。
改進的哈佛結構,其結構特點為:
使用兩個獨立的存儲器模塊,分別存儲指令和數(shù)據(jù),每個存儲模塊都不允許指令和數(shù)據(jù)并存,以便實現(xiàn)并行處理;具有一條獨立的地址總線和一條獨立的數(shù)據(jù)總線,利用公用地址總線訪問兩個存儲模塊(程序存儲模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊),公用數(shù)據(jù)總線則被用來完成程序存儲模塊或數(shù)據(jù)存儲模塊與CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸;兩條總線由程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分時共用。
圖2-1 MCS-51單片機的體系結構
MCS-51單片機又分為51和52兩個子系列,其主要內部資源的配置情況見表2-1,其中51子系列的結構框圖如圖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表示該單片機是CHMOS器件。分析表2-1可知:①52子系列的內部資源比51子系列多,如前者內部定時器和中斷源均比后者多一個,而且片內存儲器容量大一倍;②8031、80C31、8032和80C32沒有片內ROM存儲器,使用這些單片機時,必須擴展片外的程序存儲器。
圖2-2 MCS-51單片機51子系列的結構框圖
MCS-51單片機的內部資源
MCS-51單片機的內部結構如圖2-3所示,其內部主要有以下資源:
圖2-3 MCS-51單片機的內部結構
1)8位CPU。
2)布爾處理器,具有位邏輯處理能力。
3)4KB/8KB片內程序存儲器(ROM)。
4)128B/256B片內數(shù)據(jù)存儲器(RAM)。5)擴展64KB程序存儲器空間的控制電路。6)擴展64KB數(shù)據(jù)存儲器空間的控制電路。
7)2/3個16位定時/計數(shù)器。
8)32位雙向且可獨立尋址的I/O線,即4個8位并行I/O接口。9)一個可編程全雙工異步串行接口。
10)5/6個中斷源,有兩個中斷優(yōu)先級。
11)片內時鐘振蕩器。