MCS-51 单片机的体系结构介绍以及内部资源展示

MCS-51单片机的体系结构

MCS-51单片机内部集成了微处理器、存储器、输入接口和输出接口，其体系结构如图2-1所示。在MCS-51单片机中，ROM存放程序代码，RAM存放数据，因此ROM和RAM分别被称为程序存储器和数据存储器。因为，程序存储器和数据存储器是独立分开的，所以MCS-51单片机属于哈佛体系结构。

哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。哈佛结构是一种并行体系结构，它的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。

与两个存储器相对应的是系统的4条总线：程序和数据的数据总线与地址总线。这种分离的程序总线和数据总线可允许在一个机器周期内同时获得指令字(来自程序存储器)和操作数(来自数据存储器)，从而提高了执行速度，提高了数据的吞吐率。又由于程序和数据存储在两个分开的物理空间中，因此取址和执行能完全重叠。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作(通常是执行)。程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度。

哈佛结构的计算机由CPU、程序存储器和数据存储器组成，程序存储器和数据存储器采用不同的总线，从而提供了较大的存储器带宽，使数据的移动和交换更加方便，尤其提供了较高的数字信号处理性能。哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。其程序指令和数据指令分开组织和存储的，执行时可以预先读取下一条指令。

哈佛结构与冯·诺依曼结构处理器相比，处理器有两个明显的特点：使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存;使用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径，而这两条总线之间毫无关联。

改进的哈佛结构，其结构特点为：

使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存，以便实现并行处理;具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线，利用公用地址总线访问两个存储模块(程序存储模块和数据存储模块)，公用数据总线则被用来完成程序存储模块或数据存储模块与CPU之间的数据传输;两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用。

图2-1 MCS-51单片机的体系结构

MCS-51单片机又分为51和52两个子系列，其主要内部资源的配置情况见表2-1，其中51子系列的结构框图如图2-2所示。在表2-1中，字母B表示字节BYTE，芯片名称中的C表示该单片机是CHMOS器件。分析表2-1可知：①52子系列的内部资源比51子系列多，如前者内部定时器和中断源均比后者多一个，而且片内存储器容量大一倍;②8031、80C31、8032和80C32没有片内ROM存储器，使用这些单片机时，必须扩展片外的程序存储器。

图2-2 MCS-51单片机51子系列的结构框图

MCS-51单片机的内部资源

MCS-51单片机的内部结构如图2-3所示，其内部主要有以下资源：

图2-3 MCS-51单片机的内部结构

1)8位CPU。

2)布尔处理器，具有位逻辑处理能力。

3)4KB/8KB片内程序存储器(ROM)。

4)128B/256B片内数据存储器(RAM)。5)扩展64KB程序存储器空间的控制电路。6)扩展64KB数据存储器空间的控制电路。

7)2/3个16位定时/计数器。

8)32位双向且可独立寻址的I/O线，即4个8位并行I/O接口。9)一个可编程全双工异步串行接口。

10)5/6个中断源，有两个中断优先级。

11)片内时钟振荡器。