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1.3 8051微控制器架构

在之前的8051单片机教程中，我们已经了解了8051单片机的一些基础知识，以及它的引脚图和引脚描述。在本教程中，我们将探讨8051单片机的架构以及架构中的各个组成部分。

8051单片机架构​

我们已经看到了8051单片机标准40引脚双列直插式封装（DIP）配置的引脚图。在本教程中，我们将探讨8051单片机的硬件方面，如I/O端口、RAM、ROM、定时器和串行端口等。

在深入探讨8051单片机架构的细节之前，我们先来看看微控制器的基本组成部分，这些组成部分使微控制器成为一个真正的片上计算机。

在继续本教程之前，请先阅读8051单片机简介。

微控制器的基本组成部分​

微处理器与微控制器的区别在于微控制器集成了片上外设，如存储器（包括RAM和ROM）、I/O端口、定时器/计数器、通信接口（如串行端口）等。

下图展示了微控制器的基本组成部分。由于所有组件（以及一些其他组件）都集成在一个芯片（集成电路 - IC）上，微控制器可以被视为一个微型计算机（或片上计算机）。

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CPU（中央处理单元）​

CPU是微控制器的核心，主要由算术逻辑单元（ALU）和控制单元（CU）以及其他重要组件组成。CPU是与存储器、输入和输出等外设进行通信的主要设备。

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ALU（算术逻辑单元）顾名思义，执行算术和逻辑运算。CU（控制单元）负责CPU与其外设之间通信过程的时序控制。

程序存储器​

CPU的指令存储在程序存储器中。它通常实现为只读存储器（ROM），即使在断电或系统复位时，写入其中的程序也会被保留。

现代程序存储器模块通常由EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）组成，这是一种非易失性存储器。在这种类型的存储器中，数据可以使用特殊的编程信号进行擦除和重新编程。

当微控制器上电或手动复位时，处理器从程序存储器中预定义的存储位置（地址）执行一组指令。

数据存储器​

微控制器中的数据存储器负责存储变量的值、临时数据、中间结果以及其他数据，以确保程序的正常运行。

数据存储器通常被称为随机存取存储器（RAM），这是一种易失性存储器。它通常被组织为寄存器，包括特殊功能寄存器（SFR）和用户可访问的存储位置。

输入和输出端口​

I/O端口（输入/输出端口）为微控制器提供了与外部世界进行物理连接的接口。输入端口借助传感器将外部世界的数据传递进来。

来自输入端口的数据将根据应用进行处理，并决定输出端口上的数据。输出端口允许微控制器控制外部设备（如电机和LED）。通常，微控制器中的所有端口都具有双重功能，即它们可以作为输入端口和输出端口（尽管不是同时）。

时钟发生器（振荡器）​

时钟信号使微控制器内部的操作以及其他部分能够同步。时钟发生器是微控制器架构的一个重要组成部分，用户需要提供一个额外的时序电路，形式为晶体。

8051单片机架构与特性​

当我们开始使用一个新的设备，如电视或洗衣机时，我们会先了解该设备的能力。我们会尝试了解设备的不同特性，例如在洗衣机的情况下，了解电机转速、负载能力和功耗等。

这同样适用于我们的情况，即当我们开始使用8051单片机时，最好先了解8051单片机的内部硬件设计，这也被称为8051单片机架构。

在下一节中，我们将看到8051单片机的架构及其一些重要的特性。关于一些重要特性（如8051存储器组织和8051输入/输出（I/O）端口）的详细信息将在新的教程中讨论。

8051单片机架构​

8051单片机是一个8位单片机，即它可以读取、写入和处理8位数据。有许多制造商，如Atmel、NXP、TI等，生产他们自己的8051单片机版本。

无论制造商如何，内部硬件设计，即8051单片机架构，基本保持不变。下图以方框图的形式展示了8051单片机的架构。

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8051单片机架构的方框图显示，8051单片机由CPU、RAM（SFR和数据存储器）、闪存（EEPROM）、I/O端口以及用于外设之间通信的控制逻辑组成。

所有这些不同的外设将通过8位数据总线（也称为内部数据总线）相互通信。

8051单片机架构特性​

我们在上一节中看到了8051单片机的内部架构。现在，我们将了解8051单片机架构的特性。

注意：一些特性，如内部ROM和RAM的大小，会因8051单片机的具体型号而异。

  • 8位CPU，带有两个寄存器A（累加器）和B。
  • 8KB内部ROM - 这是一种支持片上编程的闪存。
  • 256字节内部RAM - RAM的前128字节（00H到7FH）再次被分为4个银行，每个银行有8个寄存器（R0-R7）、16位可寻址寄存器和80个通用寄存器。RAM的高128字节（80H到FFH）由特殊功能寄存器（SFR）组成。通过SFR，我们可以控制不同的外设，如定时器、串行端口、所有I/O端口等。
  • 32个I/O引脚（输入/输出引脚） - 分为4个端口：P0、P1、P2和P3。
  • 8位堆栈指针（SP）和程序状态字（PSW）。
  • 16位程序计数器（PC）和数据指针（DPTR）。
  • 两个16位定时器/计数器 - T0和T1。
  • 控制寄存器 - SCON、PCON、TCON、TMOD、IP和IE。
  • 全双工操作的串行数据发送器和接收器 - SBUF。
  • 中断：两个外部中断和三个内部中断。
  • 振荡器和时钟电路。

在本教程中，我们对8051单片机架构进行了简要介绍。在下一个8051教程中，我们将探讨8051存储器组织和I/O端口。