电话系统智能去电控制器的设计(论文+电子通信类英文文献翻译) 第11页
第2章 MCS-51单片机的结构
MCS-51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方式。
2.1 控制器
控制器是单片机的指挥控制部件，控制器的主要任务是识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。
单片机执行指令是在控制器的控制下进行的。首先从程序存储器中读出指令，送指令寄存器保存，然后送至指令译码器进行译码，译码结果送定时控制逻辑电路，由定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号，再送到单片机的各个部件去进行相应的操作。这就是执行一条指令的全过程，执行程序就是不断重复这一过程。
控制器主要包括程序计数器、程序地址寄存器、指令寄存器IR、指令译码器、条件转移逻辑电路及时序控制逻辑电路。
2.1.1 程序计数器
程序计数器PC是控制部件中最基本的寄存器，是一个独立的计数器，存放着下一条将要从程序存储器中取出的指令的地址。其基本的工作过程是：读指令时，程序计数器将其中的数作为所取指令的地址输出给程序存储器，然后程序存储器按此地址输出指令字节，同时程序计数器本身自动加1，读完本指令，PC指向下一条指令在程序存储器中的地址。
程序计数器PC中内容的变化决定程序的流程。程序计数器的宽度决定了单片机对程序存储器可以直接寻址的范围。在MCS-51单片机中，程序计数器PC是一个16位的计数器，故可对64KB（216=65536=64K）的程序存储器进行寻址。
程序计数器的基本工作方式有以下几种：
(1) 序计数器自动加1，这是最基本的工作方式，这也是为何该寄存器被称为计数器的原因。
(2) 行有条件或无条件转移指令时，程序计数器将被置入新的数值，从而使程序的流向发生变化。
(3) 在执行调用子程序指令或响应中断时，单片机自动完成如下的操作：
[1] PC的现行值, 即下一条将要执行的指令的地址，即断点值，自动送入堆栈。
[2] 将子程序的入口地址或中断向量的地址送入PC，程序流向发生变化，执行子程序或中断子程序。子程序或中断子程序执行完毕，遇到返回指令RET或RETI时，将栈顶的断点值弹到程序计数器PC中，程序的流程又返回到原来的地方，继续执行。
2.1.2 指令控制逻辑电路
指令寄存器IR是用来存放指令操作码的专用寄存器。执行程序时，首先进行程序存储器的读指令操作，也就是根据PC给出的地址从程序存储器中取出指令，并送指令寄存器IR，IR的输出送指令译码器；然后由指令译码器对该指令进行译码，译码结果送定时控制逻辑电路。定时控制逻辑电路根据指令的性质发出一系列的定时控制信号，控制单片机的各组成部件进行相应的工作，执行指令。
条件转移逻辑电路主要用来控制程序的分支转移。
综上所述，单片机整个程序的执行过程就是在控制部件的控制下，将指令从程序存储器中逐条去处，进行译码，然后由定时控制电路发出各种定时控制信号，控制指令的执行。对于运算指令，还要将运算的结果特征送入程序状态寄存器PSW。以主振频率为基准(每个主振周期为振荡周期)，控制器控制CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，它将各个硬件环节的动作组织在一起。
2.2 存储器的结构
MCS-51单片机存储器采用的是哈佛(Har-vard)结构，即程序存储器空间和数据存储器空间截然分开，程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式，寻址空间和控制系统。
这种结构对于单片机“面向控制”的实际应用极为方便和有利。在89C51/8751单片机中，不仅在片内集成了一定容量的程序存储器和数据存储器及众多的特殊功能寄存器，而且还具有极强的外存储器的扩展能力，寻址能力分别可达64KB，寻址和操作简单方便。MCS-51的存储器空间可划分为如下几类：
1. 程序存储器
单片机系统之所以能够按照一定的次序进行工作，主要是程序存储器中存放了经调试正确的应用程序和表格之类的固定常数。程序实际上是一串二进制码，程序存储器可以分为片内和片外两部分。8031由于无内部存储器，所以只能外扩程序存储器来存放程序。
MCS-51单片机复位后，程序存储器PC的内容为0000H，故系统必须从0000H单元开始取指令，执行程序。程序存储器中的0000H地址是系统程序的启动地址。一般在该单元存放一条绝对跳转指令，跳向用户设计的主程序的起始地址。
64K程序存储器中有5个单元具有特殊用途。5个特殊单元分别对应于5种中断源的中断服务程序的入口地址。通常在这些中断入口地址处都放一条绝对跳转指令。加跳转指令的目的是由于两个中断入口间隔仅有8个单元，存放中断服务程序往往是不够用的。
在MCS-51单片机的指令系统中，同外部程序存储器打交道的指令仅有两条：
(1) MOVC A @A+DPTR
(2) MOVC A @A+PC
2. 内部数据存储器
MCS-51单片机内部有128个字节的随机存取存储器RAM，作为用户的数据寄存器，它能满足大多数控制型应用场合的需要，用作处理问题的数据缓冲器。
MCS-51单片机的片内存储器的字节地址为00H-7FH。MCS-51单片机对其内部RAM的存储器有很丰富的操作指令，从而使得用户在设计程序时非常方便。地址为00H-1FH的32个单元是4组通用工作寄存器区，每个区含八个8位寄存器，编号为R7-R0。用户可以通过指令改变PSW中的RS1、RS0这二位来切换当前的工作寄存器区，这种功能给软件设计带来极大的方便，特别是在中断嵌套时，为实现工作寄存器现场内容保护提供了极大的方便。
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