8051单片机基础2:内核和存储器(RAM,Flash)架构
文章目录
- 一、CPU(运算器、控制器)
- 1. 运算器
- 1)算术/逻辑单元 ALU
- 2)累加器ACC
- 3)寄存器B
- 4)程序状态字寄存器 PSW
- 2. 控制器
- 1)程序计数器 PC
- 2)指令通道
- a. 取指单元
- b. 译码单元
- c. 执行指令单元
- 3)双数据指针 DPTR
- 4)堆栈指针 SP
- 二、存储器(内部RAM、扩展RAM、Flash)
- 1. 内部RAM
- 2. 扩展RAM
- 3. 程序存储器Flash
- 三、特殊功能寄存器
- 关于作者
参考资料:
① Keil > Help
②《STC单片机原理及应用——从器件、汇编、C到操作系统的分析和设计》何宾著
③《MCS-51系列单片机及其应用(第6版)》孙育才、孙华芳著
在8051单片机架构中,主要包含:
- CPU(运算器、控制器)
- 存储器(内部RAM、扩展RAM、Flash)
- 特殊功能寄存器
- 其他:外设、时钟系统等
经典8051单片机内部结构
8051存储器结构和地址空间
一、CPU(运算器、控制器)
运算器和控制器构成了8051中央处理单元(Central Processing Unit, CPU)
1. 运算器
单片机的运算器主要包括8位算术/逻辑运算部件、累加器A、寄存器B、程序状态寄 存器等。其功能是实现数据的算术/逻辑运算(数据处理)和数据传输等操作。
1)算术/逻辑单元 ALU
在8051 CPU内的运算器中,最核心的部件就是算术逻辑单元(Arithmetic and Logic Unit,ALU),ALU宽度为8位。它的主要功能是实现8位加、减、乘和除运算,“与”、“或”、“异或”逻辑运算,包括位操作以及循环、清“0”、置“1”、加“1”、 减“1”等若干基本操作。
2)累加器ACC
累加器(Accumulator,ACC)是一个常用的专用寄存器,指令系统中采用 A 作为累加器的助记符,常用于存放算术或逻辑运算的操作数及运算结果。
3)寄存器B
寄存器B 在乘除法运算中需要和 ACC 配合使用,其他情况下,B寄存器还可以用作通用暂存寄存器。
4)程序状态字寄存器 PSW
在程序状态字(Program Status Word,PSW)在 CPU 做算术运算或者逻辑运算时,对应的 PSW 状态位会发生改变。
2. 控制器
1)程序计数器 PC
程序计数器(Program Counter,PC),用于存放下一条即将从程序存储器中读取的指令的地址,不断地从程序存储器中读取指令代码,从而实现计算机自动而连续地执行指令、运行程序。PC中内容(地址码)的变化决定程序运行的流向。
程序计数器的宽度为16位,决定单片机对程序存储器可以寻址的范围,即可寻址的程序存储器的容量最大为64KB。
程序计数器并不能总是让程序地址寄存器递增。这是因为,机器指令可以分成顺序执行和跳转执行两种情况。
2)指令通道
a. 取指单元
根据PC所指向的存放指令程序存储器的地址,取出指令。8051的机器指令有8位、16位或24位。
b. 译码单元
根据取出指令的操作码部分,转换成 一系列的逻辑控制序列,这些控制序列将直接控制CPU内的运算单元。
c. 执行指令单元
根据逻辑控制序列(微指令)所产生的逻辑行为,控制运算器单 元,从而完成指令需要实现的操作行为。
3)双数据指针 DPTR
双数据指针(DPTR)是一个16位的专用寄存器,由DPL和DPH组成。它的主要功能是用来寻址外部数据存储器的16位地址寄存器,也可寻址存放在64KB程序存储器中固定数据。
4)堆栈指针 SP
堆栈指针 SP 是一个 8 位专用寄存器,它指示出堆栈顶部在内部 RAM 块中的位置。
二、存储器(内部RAM、扩展RAM、Flash)
8051架构的单片机存储器主要包括:内部RAM、扩展RAM、特殊功能寄存器和程序存储器Flash。
1. 内部RAM
内部RAM最大支持256字节的存储空间;读取数据非常快,是因为可以通过8位地址直接访问;
低128字节可以直接寻址(data),也可以间接寻址(idata);其中的20H~2FH空间,可以通过位寻址;
高128字节只能间接寻址;当直接寻址访问时,会自动映射到SFR空间;
C51编译器提供3种不同的内存类型来访问内部RAM空间:data, idata和bdata;
关键字 | 指向内部RAM区域 | 寻址方式 |
---|---|---|
data | 低128字节 | 直接寻址 |
idata | 所有256字节 | 间接寻址 |
bdata | 指向20H~2FH空间 | 可以按位读写 |
2. 扩展RAM
访问扩展RAM区域时,通过一个数据指针寄存器进行间接访问,因此读写速度要比内部RAM区域慢。
扩展RAM区域最大支持64K字节存储空间,但是这些地址不一定全部用于内存空间,一些8051单片机会把外设地址映射到扩展RAM区域。
C51编译器提供2中不同的内存类型来访问扩展RAM空间:xdata和pdata:
关键字 | 指向外部RAM区域 | 寻址方式 |
---|---|---|
xdata | 所有64K字节空间 | 间接寻址 |
pdata | 一个页(256字节)的空间 | 间接寻址 |
3. 程序存储器Flash
8051架构支持最大64K字节的Flash空间。
程序代码是存储在Flash空间的,8051只能执行存储在Flash中的代码。常数变量也可以存储在Flash空间。
访问Flash空间的方式是使用MOVC指令间接寻址,不能直接寻址;
三、特殊功能寄存器
8051架构提供128字节的内存空间给特殊功能寄存器(SFR),SFR 和高 128 字节内部 RAM 共用地址 80H ~ FFH, 只能直接寻址。
它是多个控制寄存器和状态寄存器的集合,用于对单片机内的各个功能模块进行管理、控制和监视。
本文完~
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