51單片機(jī)的工作原理詳解

1.ROM：只讀存儲(chǔ)器，單片機(jī)的只讀存儲(chǔ)區(qū)大多用于存儲(chǔ)程序固又稱程序存儲(chǔ)器。

51單片機(jī)是EPROM，所謂的EPROM是可擦除的只讀存儲(chǔ)器?？梢园言瓉?lái)的程序擦除了，再寫一個(gè)新的進(jìn)去。

解析51單片機(jī)的工作原理

想學(xué)習(xí)單片機(jī)的同學(xué)可以關(guān)注、私信我或者在評(píng)論區(qū)回復(fù)我要入門。

51單片機(jī)與許多單片機(jī)的工作原理是一樣的它們都遵循馮諾依曼架構(gòu)，簡(jiǎn)單來(lái)說就是數(shù)據(jù)區(qū)和代碼區(qū)是區(qū)分開來(lái)的。在單片機(jī)中的具體表現(xiàn)就是數(shù)據(jù)RAM區(qū)和程序ROM區(qū)。

我們就要比較廣泛的51單片機(jī)為例來(lái)了解單片機(jī)的工作原理。

一、微處理器

主要包括算數(shù)邏輯運(yùn)算單元和控制部件。

先來(lái)說ALU，它執(zhí)行的是單片機(jī)的算數(shù)工作。邏輯運(yùn)算單元執(zhí)行單片機(jī)的邏輯運(yùn)算(如：與、或、非、==、!、!=、同或、異或、||、&&等等)。實(shí)際上C語(yǔ)言也是在執(zhí)行以上這些邏輯運(yùn)算和數(shù)學(xué)運(yùn)算。

至于控制部件，它是控制單片機(jī)的程序計(jì)數(shù)器PC向程序存儲(chǔ)器獲取指令和操作數(shù)的主要部件，在取得操作數(shù)之后經(jīng)過譯碼和控制電路把相應(yīng)的指令轉(zhuǎn)換成不同的電控制信號(hào)，讓ALU、SFR、外設(shè)GPIO、ADC、定時(shí)器、中斷等這些外設(shè)能夠正常運(yùn)作。

二、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)是運(yùn)行系統(tǒng)棧SP和程序局部變量、數(shù)組等數(shù)據(jù)的區(qū)域。

上圖所示的程序是51單片機(jī)毫秒延時(shí)函數(shù)，局部變量j、i在RAM中的r3和r5寄存器中，入?yún)在r7寄存器中，R0-R7寄存器組在RAM中，其實(shí)左邊調(diào)試欄中的寄存器均在RAM中運(yùn)行?？傊琑AM是運(yùn)行數(shù)據(jù)的地方，而代碼(指令)則是存放在ROM區(qū)的。

三、程序存儲(chǔ)區(qū)

程序存儲(chǔ)區(qū)是存儲(chǔ)常量和代碼的區(qū)域。

如下圖所示：在.m51文件中標(biāo)紅箭頭處最左邊的“C：”的地方表示的是代碼在ROM中，“D：”表示數(shù)據(jù)在RAM中，“B：”則表示位。

從中我們也可以看出main以及Delay_ms這些函數(shù)的地址都是存在ROM中的，也就是我們的所說的代碼區(qū)。總之，C語(yǔ)言編譯成機(jī)器碼后，其指令和常數(shù)全局變量等就存儲(chǔ)于ROM中了(PS:掉電不丟失的地方)。

四、中斷系統(tǒng)

中斷就是當(dāng)中斷管腳有外部信號(hào)輸入的時(shí)候(中斷管腳可以設(shè)置上升沿、下降沿、高電平或者低電平作為觸發(fā)中斷的條件)，微控制器接收到這個(gè)控制信號(hào)后正在執(zhí)行的任務(wù)會(huì)暫時(shí)停止，去處理中斷里面的任務(wù)，處理完成中斷任務(wù)后又繼續(xù)從原先中斷停止的地方繼續(xù)執(zhí)行。21個(gè)特殊功能寄存器(52系列是26個(gè))不連續(xù)地分布在128個(gè)字節(jié)的SFR存儲(chǔ)空間中，地址空間為80H-FFH，在這片SFR空間中，包含有128個(gè)位地址空間，地址也是80H-FFH，但只有83個(gè)有效位地址，可對(duì)11個(gè)特殊功能寄存器的某些位作位尋址操作(這里介紹一個(gè)技巧：其地址能被8整除的都可以位尋址)。

在51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)CPU用來(lái)運(yùn)算、控制，有四個(gè)并行I/O口，分別是P0、P1、P2、P3，有ROM，用來(lái)存放程序，有RAM，用來(lái)存放中間結(jié)果，此外還有定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行I/O口，中斷系統(tǒng)，以及一個(gè)內(nèi)部的時(shí)鐘電路。在單片機(jī)中有一些獨(dú)立的存儲(chǔ)單元是用來(lái)控制這些器件的，被稱之為特殊功能寄存器(SFR)。這樣的特殊功能寄存器51單片機(jī)共有21個(gè)并且都是可尋址的列表如下(其中帶*號(hào)的為52系列所增加的特殊功能寄存器)：

分別說明如下：

1、ACC---是累加器，通常用A表示

這是個(gè)什么東西，可不能從名字上理解，它是一個(gè)寄存器，而不是一個(gè)做加法的東西，為什么給它這么一個(gè)名字呢?或許是因?yàn)樵谶\(yùn)算器做運(yùn)算時(shí)其中一個(gè)數(shù)一定是在ACC中的緣故吧。它的名字特殊，身份也特殊，稍后在中篇中我們將學(xué)到指令，可以發(fā)現(xiàn)，所有的運(yùn)算類指令都離不開它。自身帶有全零標(biāo)志Z，若A=0則Z=1;若A≠0則z=0。該標(biāo)志常用作程序分枝轉(zhuǎn)移的判斷條件。

2、B--一個(gè)寄存器

在做乘、除法時(shí)放乘數(shù)或除數(shù)，不做乘除法時(shí)，隨你怎么用。

3、PSW-----程序狀態(tài)字。

這是一個(gè)很重要的東西，里面放了CPU工作時(shí)的很多狀態(tài)，借此，我們可以了解CPU的當(dāng)前狀態(tài)，并作出相應(yīng)的處理。它的各位功能請(qǐng)看下表：

下面我們逐一介紹各位的用途

CY：進(jìn)位標(biāo)志。

8051中的運(yùn)算器是一種8位的運(yùn)算器，我們知道，8位運(yùn)算器只能表示到0-255，如果做加法的話，兩數(shù)相加可能會(huì)超過255，這樣最高位就會(huì)丟失，造成運(yùn)算的錯(cuò)誤，怎么辦?最高位就進(jìn)到這里來(lái)。這樣就沒事了。有進(jìn)、借位，CY=1;無(wú)進(jìn)、借位，CY=0例：78H+97H(01111000+10010111)

AC：輔助進(jìn)、借位(高半字節(jié)與低半字節(jié)間的進(jìn)、借位)。

例：57H+3AH(01010111+00111010)

F0：用戶標(biāo)志位

由用戶(編程人員)決定什么時(shí)候用，什么時(shí)候不用。

RS1、RS0：工作寄存器組選擇位

通過修改PSW中的RS1、RS0兩位的狀態(tài)，就能任選一個(gè)工作寄存器區(qū)。這個(gè)特點(diǎn)提高了MCS-51現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)的速度。對(duì)于提高CPU的工作效率和響應(yīng)中斷的速度是很有利的。若在一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，不需要四組工作寄存器，那么這個(gè)區(qū)域中多余單元可以作為一般的數(shù)據(jù)緩沖器使用。

0V：溢出標(biāo)志位

運(yùn)算結(jié)果按補(bǔ)碼運(yùn)算理解。有溢出，OV=1;無(wú)溢出，OV=0。什么是溢出我們后面的章節(jié)會(huì)講到。

P：奇偶校驗(yàn)位

它用來(lái)表示ALU運(yùn)算結(jié)果中二進(jìn)制數(shù)位“1”的個(gè)數(shù)的奇偶性。若為奇數(shù)，則P=1，否則為0。運(yùn)算結(jié)果有奇數(shù)個(gè)1，P=1;運(yùn)算結(jié)果有偶數(shù)個(gè)1，P=0。