2018年11月23日 | 51单片机体系结构初步分析

2018-11-23 来源：eefocus

单片机有很多种，AVR、PIC、MC6805系列等，他们的体系结构不尽相同，指令集也各异，有些是CISC，有些是RISC，51单片机的指令集采用的是CISC。

51单片机是单片机的一种，之所以这么流行，业界赞同的原因主要有两个：

第一：由于intel公司(开发了51单片机)一开始就开放了授权。

第二：51单片机的体系结构不难，资料很多(也良莠不齐)，学的人很多。

51单片机和电脑联系很大的(单片机某种程度上可以说是一台袖珍电脑)，我们知道电脑由运算器、控制器、存储器(RAM)、输入设备和输出设备，各个部分由总线联接起来，联想到实际设备我们看：

我们的电脑由一下部分组成：CPU、内存、主板、硬盘、光驱、软驱(已淘汰)、显卡、显示器、键盘和鼠标。分析一下各个设备提供的功能：

CPU提供了运算和控制功能(随着电脑的发展和改进，独立显卡代替了CPU了对图形图像相关的数据的运算，主板芯片代替了部分原来由CPU提供的控制功能，例如DMA，内存控制器等)

内存，即RAM，提供了程序运行的空间，就是存储器的功能。

主板，确切地说是主板芯片，把各个部件连接起来，即总线的功能，近年来代替CPU提供一部分控制功能。

硬盘、光驱、软驱，是保存程序的地方，几十年前电脑可能是这样工作的：插入可启动的带有操作系统的软盘(DOS、Linux等)，打开电源，BIOS检查通过后，引导操作系统，进入系统后，在shell下(人机对话界面，在DOS下叫DOS界面)，可以使用软盘里面保存的程序或者文件。后来硬盘和光驱代替了软盘的程序存储功能。

显卡，确切说是独立显卡，代替了CPU图形图像相关数据的运算。

显示器提供了输出功能，键盘和鼠标提供了输入功能。

51单片机有以下部分组成：

微处理器(MCU)，和通用CPU类似，提供运算和控制功能。

数据存储器，和电脑的内存类似，提供数据存储功能，提供程序运行的空间。

程序存储器，和电脑的硬盘、光盘、软盘类似，提供程序存储的空间。

各个部分由总线联系起来。

总线是什么?

一开始系统很简单的时候总线不是必须的，各个部件中需要通信的双方用导线连接在一起，举个例子，就像打局域网，两台电脑想通信，直接用一根交叉的双绞线连接就OK了，不用买交换机，但是如果另外一台电脑想加入，那么这台电脑必须和这两台电脑各自连接一根线，第四台电脑想进来，那么得连接3根线，第五台要连接4根线……第N台要连接N-1根线，是不是很麻烦，当然大家不会这么做，超过2台我们就用交换机了，总线的作用和这个有点类似。总线技术使得相互关系的部分通过这个公共通道连接起来，通过控制信号来区分不同组件间的通信。

总线分数据总线(DB)、控制总线(CB)、地址总线(AB)，顾名思义各自有各自的功能。

我们从51单片机的一个指令的取、译和执行过程来理解一下总线。假如我们现在要求计算2+3=?

;PC是指针，指向程序存储器的某个位置。PC指向的当前地址就是正在或即将执行的指令

;假设此时PC=2000H

MOV A，#02H;PC=2000H

ADD A，#03H;PC=2002H

通电后，PC值为0000H，随着前面指令的取、译和执行，PC值一直改变，当PC值为2000H时，MCU通过AB找到要执行指令的位置，通过内部DB从程序存储器取的操作码(指令由操作码和操作数组成)是74H(是MOV汇编后的机器码)，同时PC=PC+1=2001H，通过译码，发现操作码的意思是将后面的一个字节作为操作数送进累加器A，MCU通过CB发出控制信号，把程序存储器的下一个字节通过内部DB送进累加器A，同时PC=PC+1=2002H，第一个指令执行完毕。

另外一条指令类似，通过对操作码的译码，发现操作码的意思是将后面一个字节作为操作数与累加器A中的内容相加，输出结果放进累加器A。于是发出控制信号，把程序存储器下一个字节通过内部DB送到暂存器，通过MCU进行计算，得出的结果放进累加器A。执行完PC=2004H。

总线有一定的宽度，所以我们有8位机、16位机、32位等等。总线越宽，每次取数据越多，8位宽度每次只能取1个字节，16位是2个字节，越宽每次取越多，同样时间内执行的指令越多，所以，总线宽度是衡量MCU运算能力的重要指标。51单片机的AB宽度是16位，DB宽度是8位，CB宽度是8位，因为运算能力主要和DB宽度有关，所以我们以DB宽度来区分不同的MCU。

51单片机体系结构

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