2.1 MCS-51单片机内部结构

2.1.1 MCS-51单片机组成框图

目前有很多厂商生产51单片机，图2-1只是列出了几种比较常见的类型，从表面到内部资源不完全一样，但是它们的MCU结构确实是一致的，即都采用了8051核。

图2-1 目前比较常用的几种MCS-51单片机外形

一个基本的MCS-51单片机通常包括如下一些部件：中央处理器、ROM、RAM、I/O口、定时器、串口、中断控制器、振荡电路等。其简单的内部框图如图2-2所示。

并不是所有的8051单片机都具有图2-2所示的所有部件，当然也有比这个更多的，但是，图2-2所示的是个比较完整的、具有代表性的构成。其中I/O口、定时器、串口、中断控制器等是外部功能部件，就程序的执行来讲，单片机最离不开的部件应该是中央处理器、ROM、RAM、振荡电路这几个部分。

图2-2 MCS-51单片机基本组成框图

2.1.2 MCS-51单片机工作机制

笔者认为，在了解每个部分的功能之前，如果对单片机本身的工作机制有比较多的了解，那么对理解每个部分的功能和存在的必要性会有比较清楚的认识。

首先明确一点，单片机是一个受程序控制的控制器，并且在你眼里看起来可能是同时发生的事情，事实上总是有先后的，因为单片机永远是按照特定的顺序来执行操作的，在指令层上只会在完成某个步骤之后，才开始另外一个步骤，无法同时处理两个操作。

在不考虑是否存在这样的工作的可能性，并且工人会严格按照顺序执行命令的前提下，假如有如图2-3所示的这样一个工作，那么我们或许可以像下面这样来描述单片机的工作过程：工人上班了，开始一天的工作；打开第一个抽屉，拿到的纸条上说“去看第三个抽屉”，所以工人就去开第三个抽屉了，便不用看第二个抽屉了；拿到第三个抽屉的纸条上说“工作台1号位置有没有东西？如果没有就去看第五个吧”；于是看了一下，有东西的，所以不能直接去看第五个了，而是按照顺序去拿第四个抽屉里的纸条；第四个纸条上写着：“把1号位置上的东西扔掉吧！”，所以1号位置上的东西就被扔掉了；接着是到第五个抽屉，收到命令说：“没事了，你等着吧”，于是就可以看报纸等下班了。

图2-3 单片机工作机制模拟

虽然上述是个很简单、比较抽象的过程，但实际中单片机的工作机制确实很像刚才描述的过程，如果没有中断控制器的话，放在ROM里的程序就只会是一个不断循环的查询过程，由于程序执行速度很快，所以相对于人的反应时间来讲，很多操作感觉就像是实时的。再次强调一下，单片机一定是按照某种特定的顺序来执行指令的，除非程序本身改变了执行顺序或者受到了很强的干扰。例如在单片机内部，当上电复位之后，取指令总是从0000H地址开始的，而地址的增量取决于指令的长度，如果是单字节长度的指令总是顺序执行程序，那么地址总是每次都自动加1。

2.1.3 MCS-51单片机内部功能部件

在第一小节提到：单片机最离不开的部件是中央处理器、ROM、RAM、振荡电路等部件，在第二小节中又把这几个部分分别看成是抽屉、工作台、工人，虽然比喻不是非常的确切，但是很能够说明问题，下面对每个部件的功能进行说明。

1.只读存储器（ROM）

写出来的程序编译成最终的目标代码，通过烧写，被放在这里。代码是能够被识别的命令的序列（也可以有数据，一般是常量），用来指导CPU一步一步地去做事情。而写程序的你，就是领导了，就是那个往抽屉里放纸条的人，只不过纸条上写的东西，不是简单的一句“去看第三个抽屉”，而你现在在学的，就是怎么当领导。同时请注意“只读”的含义，对一个一般的程序执行过程来讲，程序是不可更改的，就是说，工人是不可以往抽屉里放纸条的。但在实际的系统中，有很多数据是变化的，因此单片机里还需要有一种存储器，就是RAM，也就是程序执行的时候可以使用的工作台。

2.随机存取存储器（RAM）

根据MCS-51单片机的结构特点，RAM里放的肯定是数据，之所以叫随机存取存储器，是因为在工作过程中，数据可以随时读取和修改，正因为这样，一般而言在C51语言中定义的变量实际总会被定位在这里。对很多内部处理来说，RAM的确很像工作台，用来暂时存放和处理一些数据。

3.中央处理器（CPU）

虽然每个部分都不可缺少，但是在单片机内部，最重要的是中央处理器，它负责指令的读取、译码和执行等内部控制以及算术逻辑运算，当然它的结构也很复杂，由于是采用了高级语言来设计程序，我们就不必了解它，在写程序的时候你往往是感觉不到它的存在的，当然如果用汇编语言写的话就不同了。

4.振荡电路

工人是需要吃饭的，但是单片机不是，推动单片机有条不紊地工作的动力在哪里呢？就是要说的振荡电路。振荡电路给出的时钟信号，使得由一大堆数字电路构成的单片机各个部件能够协同工作，并最终实现需要的功能。

有了前面说到的功能部件，程序已经可以执行了，但是如果仔细看看，其实这样的单片机是没有什么用的，首先数据从哪里来呀，捣鼓完之后的数据又有什么用呀，所以要构成实用的系统，还需要其他的部件。

5.输入/输出（I/O）口

输入/输出口是单片机最普通也是最常用的部件，它可以用来获取外部的数字量，输出内部的数字量。例如通过指令可以获取当前P0口所有口线的状态，也可以通过指令控制口线输出高低电平，从而驱动连接在相应口线上的执行、指示部件产生动作，例如控制继电器、发光二极管等。

6.定时/计数器

如果有个功能，需要它每隔100ms运行一次，并且对时间间隔要求比较高，这个时候如果仍然是用查询的方式，可能就达不到预期的效果。因为随着条件的变化，程序循环执行的周期有很大的不确定性，尤其是在程序量很大的情况下，这个时候用定时器配合中断方式来做，就比较合适了。定时器是个硬件计数器，简单地说就是有数脉冲个数的能力，当计数源是从外部输入的时候，它被称做计数器。

7.中断控制器

读书的时候，老师给我们举例来说明中断的概念，他说，下课铃声就是个中断，因为睡着了的学生都会醒过来。严格地说，不仅仅是中断，还是中断唤醒，一个现在流行的低功耗MCU差不多都具有的功能。中断是指停止一件正在做的事情，然后处理另外那件突发事件，做完之后再回来接着做原来的事情。中断控制器就是用来控制单片机处理类似这样的问题的，它具有中断控制，中断优先级处理等功能。