第02章 MCS的-51硬件结构.ppt

第二章 MCS-51微处理器 §2-1 微处理器概述： §2-2 微处理器结构： §2-3 MCS-51硬件结构: §2-4 时钟、复位和时序： §2-1 微处理器概述 一、微处理器和微控制器： 二、CISC和RISC体系结构： 三、4位、8位、16位32位单片机： 一、微处理器和微控制器 微处理器： 不同于普通数字逻辑电路，其功能由设计人员编制的程序来实现。特点：可编程 是构成巨型机、微型机、嵌入式系统等计算机系统的核心 微控制器： 特别适合嵌入式应用的计算机系统。 除了微处理器本身性能的提升，更体现在其外围部件的发展。 微处理器是微控制器的核心； 微控制器是微处理器的扩展 。 二、CISC和RISC体系结构 1、指令系统： 指令系统设计体现了微处理器性能。 是指微处理器能够执行的所有机器指令的集合。是软件实现硬件功能的基础。 指令系统的发展分为“复杂化”和“简单化”两个方向。 2、CISC结构：（Complex Instruction Set Computer） 背景：设计初衷是提高程序效率 特点：指令机器码长短不一、指令执行时间多周期且长短不一。 3、RISC结构：（Reduced Instruction Set Computer） 背景：并行处理和流水线工作方式逐渐成熟 特点：指令机器码长度一致、指令执行时间大多数在单周期内完成。 三、4位、8位、16位32位单片机 1、微处理器的字长： 一次运算能够并行处理的二进制数据的位数。 2、通用微处理器的字长： 4位、8位、16位、32位、64位 3、微控制器的字长： 4位、8位、16位、32位 单片机的工作频率和字长是两个比较重要的性能指标。 发展方向：1、高性能的16、32位机 2、高性价比的8位机 §2-2 微处理器结构 一、微处理器的基本组成： 二、运算器与运算结果： 三、控制器和指令执行： 四、寄存器组： 五、总线和存储组织： 六、堆栈 一、微处理器的基本组成 CPU：中央处理单元 计算机中执行运算和控制的部件，由算术逻辑部件和控制部件组成。 CPU和寄存器集成，构成微处理机。 微处理机必须具有指令控制、操作控制、时间控制、数据处理等功能 指令控制：按程序规定的指令顺序执行程序； 操作控制：根据指令进行相应的硬件操作； 时间控制：具有严格的时间约束； 数据处理：算术运算，逻辑运算等。 一、微处理器的基本组成 1、微处理器内部结构 运算器ALU：实现数据处理功能 控制器CU：实现指令、操作和时间控制 寄存器REG：配合ALU和CU工作 2、模型机的指令执行过程； ⑴送出地址：程序计数器送出指令地址到片外地址总线；（地址总线） ⑵获取指令：控制器发出取指令信号，从程序存储器取得指令并送到指令寄存器；（数据总线） ⑶译码取数：指令译码器对指令译码，取相应的操作数（地址总线与数据总线） ⑷操作输出： ALU 结合累加器、缓冲器、程序状态字等进行数据处理。（地址总线与数据总线） 二、运算器与运算结果 1、运算器功能及相关部件： ALU：由补码加法运算、逻辑运算、移位/取反、BCD码加法的电路组成。 能够完成加、减、乘、除等算术运算及与、或、非、异或等逻辑操作； 还具有较强的位处理能力：位置1、位清零、位“与”、位“或”等操作； 通过对运算结果的判断，影响程序状态寄存器相关位的内容。 相关部件：ALU、累加器、缓冲器、程序状态字 2、运算结果及处理： 直接结果：通常在累加器中 间接结果：硬件修改程序状态字 ALU相关寄存器 累加器A 存放第一操作数及操作结果的专用寄存器，也称ACC；（E0H） 累加器B 也称B寄存器，乘、除法运算时用作累加器功能；（F0H） 程序状态字PSW 存放程序运行时指令操作的辅助结果 三、控制器和指令执行（1） 1、控制器：完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作，是整个单片机的指挥中心。 控制器主要作用： 指令的读出、译码和执行 指挥并控制运算器、存储器和输入输出设备之间的数据流。 控制器（CU）主要包括： 程序计数器（PC） 指令寄存器（IR） 指令译码器（ID） 时序部件：定时和控制电路 数据指针（DPTR）和堆栈指针（SP） 三、控制器和指令执行（2） 2、指令译码和执行：