51单片机的内部硬件结构(CPU工作原理,储存器结构,51,52和89C51,89S51型号对比)2009-09-15 23:4851系列单片机的内部结构
主要由以下部分组成： CPU、RAM、ROM、 四个并行I/O口、1个串行口、 2个16位定时器/计数器、中断系统、特殊功能寄存器。
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简述下CPU的工作原理
构建CPU的基石是晶体管，可以看成是微型电子开关，代表两种状态:ON(开)和OFF(关)。这一开一关两种状态正好与二进制中的基础状态“0”和“1”对应。
CPU由控制单元、运算单元、寄存器单元和时钟等组成。运算单元是计算机对数据进行加工处理的中心，它主要由算术逻辑部件（ALU：Arithmetic and Logic Unit）、寄存器组和状态寄存器组成。
CPU工作流程：指令指示器指向内存中存放指令的地方。取指器在那里取出指令，并把它交给解码器。解码器解释指令。然后，ALU执行指令所要求的操作，它对数据进行加、减运算，或者其它的一些处理。在CPU解释并执行完一条指令后，控制器会告诉取指器在内存中取出下一条指令。这个过程一直持续着，一条指令接一条指令，以令人眼花的速度运行。为了使一切都按时发生，各组成部分还需要一个时钟发生器。时钟发生器是用来调节CPU的每一个动作的。像节拍器一样，它发出调整CPU步伐的脉冲。
举个简单的例子，某个指令系统的指令长度为32位，操作码长度为8位，地址长度也为8位。当它收到一个 “00000010000001000000000100000110”的指令时，先取出它的前8位操作码，即00000010，分析得出这是一个减法操作，有3个地址，分别是两个源操作数地址和一个目的地址。于是，CPU就到内存地址00000100处取出被减数，到00000001处取出减数，送到 ALU中进行减法运算，然后把结果送到00000110处。
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更详细的单片机内部结构
图中一些重要的寄存器：
PSW是标志寄存器或程序状态字，其中存放着各种标志位，比如溢出标志、进位标志等。
PC是程序计数器，存放着下一条将要执行的指令的地址（16位），可寻址64KB地址空间。复位后的值是0000H。CPU每读取一个字节的指令内容，PC即自动加一，不能在程序中直接读或修改PC的内容。
IR是指令寄存器，ID是指令译码器。
DPTR是数据指针，16位地址寄存器，可以寻址64KB地址空间。
ACC是累加器，常用A表示，在运算器做运算时其中一个数一定是在ACC中，所有的运算类指令都离不开它。
B是乘除运算寄存器，在做乘、除法时放乘数或除数。
SP是堆栈指针。单片机的RAM中有一个区域是堆栈区，存放数据的规则是“先进后出，后进先出”。用堆栈来存放数据的原因是在运算时可以简化操作。
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储存器结构
采用程序与数据分离的哈佛结构
特殊功能寄存器结构见这里。
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不同机型硬件特性
MCS-51系列单片机分为两大系列，即51子系列与52子系列。
51子系列：基本型，根据片内ROM的配置，对应的芯片为8031、8051、8751、8951
52子系列：增强型，根据片内ROM的配置，对应的芯片为8032、8052、8752、8952
片内ROM型式
ROM
大小
RAM
大小
寻址范围
I/O特性
中断源
数量
无
ROM
EPROM
计数器
并行口
8031
8051
8751
4KB
128B
64KB
2*16
4*8
5
80C31
80C51
87C51
4KB
128B
64KB
2*16
4*8
5
8032
8052
8752
8KB
256B
64KB
3*16
4*8
6
80C32
80C52
87C52
8KB
256B
64KB
3*16
4*8
6
8051与80C51单片机的主要差别就在于芯片的制造工艺上，80C51的制造工艺是在8051基础上进行了改进。8051系列单片机采用的是HMOS工艺，高速度、高密度；80C51系列单片机采用的是CHMOS工艺，高速度、高密度、低功耗；也就是说80C51单片机是一种低功耗单片机。
89C51和89S51内核相同，89S51针对89C51的明显的几个升级如下：
1.程序存储器写入方式：二者的写入程序的方式不同，89C51只支持并行写入，同时需要VPP烧写高压。89S51则支持ISP在线可编程写入技术!串行写入，速度更快，稳定性更好，烧写电压也仅仅需要4～5V即可。
2.电源范围：89S5*电源范围宽达4～5。5V，而89C5*系列在低于4。8V和高于5。3V的时候则无法正常工作。
3.工作频率：目前89S1*的性能远高于89C5*，89S5*系列支持最高高达33MHZ的工作频率，而89C51工作频率范围最高只支持到24M。
4.市场价格：由于89C51已经全面停产，所以在市场价格方面，库存的89C5*的批发价格要比89S5*贵将近一倍!
5.兼容型：89S5*向下兼容89C5*，就是说用89S5*可以替代89C5*使用，同样的程序，运行结果相同。
6.加密功能：89S5*系列全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。
7.抗干扰性：内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。
8.烧写寿命更长：由Flash存储器取带了原来的ROM，89S5*标称的1000次，实际最少是1000次～10000次。
在教学、实验和生产的许多实验场合，常常需要临时的频率可方便调节的信号发生器。但是市场上的函数发生器相对较贵，因为它们一般都是利用专用数字合成DSS芯片,虽然能产生任意波形并达到很高的频率，但是成本较高。而如果用分立元件组成函数发生器，通常只能产生低频信号，而且工作不稳定，不易调试。利用51系列单片机制作一个简易的函数发生器，具有成本低、理论能产生任意波形，达到较高的频率，且易于设计和调试的优点