2.2 单片机工作原理

单片机是通过执行程序来工作的，执行不同的程序就能完成不同的任务。而程序是指令的有序集合，指令是规定计算机执行某种具体操作的命令，中央处理器CPU根据指令控制计算机各部分协调地工作，完成规定操作。因此单片机的工作过程就是单片机执行指令的过程。在执行程序中起关键作用的是CPU，CPU主要由运算器和控制器两部分组成。运算器用于进行运算术、逻辑运算以及位操作处理等；控制器根据指令码产生相应的控制信号，使运算器、存储器、输入/输出端口等各功能部件之间能自动协调地工作。

图2-2是AT89S51/52内部更详细的结构框图，由图中可知，单片机内部除了有中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM和定时器、串行口等主要功能部件外，还有驱动器、锁存器、指令寄存器、地址存储器等辅助电路部分，以及各功能模块在单片机中的位置和相互关系。

图2-2 AT89S51/52内部结构框图

2.2.1 运算器

运算器主要用于对数据进行算术运算和逻辑运算，包括算术逻辑单元ALU、累加器ACC、暂存寄存器、程序状态字PSW寄存器、通用寄存器等，运算器具有很强的数据处理和位处理能力。

1.算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）

ALU用于对二进制数据进行算术运算、逻辑操作、移位操作和位处理等，由加法器和其他逻辑电路等组成。此外，还可以通过对运算结果的测试，影响程序状态字PSW的相关标志位。由图2-2可知，ALU的两个操作数，一个通过暂存器1输入，另一个经由ACC通过暂存器2输入，运算结果的状态影响程序状态字PSW寄存器。

2.暂存寄存器

由图2-2可知，暂存器主要用于暂时保存进入ALU之前的数据。

3.累加器ACC（Accumulator）

累加器ACC为8位寄存器，通常简称为A。由图2-2可知，累加器A通过暂存器与ALU相连。在进行算术或逻辑运算时，大多操作数取自累加器A，而运算的中间结果也多要送到累加器A中，因此，累加器A是CPU中最常用的特殊功能寄存器。

因为单片机中大部分数据操作都是通过累加器进行的，所以累加器的使用十分频繁，很容易出现阻塞现象。因此累加器实际上已成为单片机程序运行的“瓶颈”，制约着单片机执行效率的提高，这就是累加器结构所特有的瓶颈效应。为此，部分单片机已开始使用寄存器阵列来代替累加器，即赋予更多的寄存器具有累加器的功能，形成多累加器结构，从而彻底解决单累加器的“瓶颈”问题，并有助于提高单片机的执行效率。

4.程序状态字PSW（Program Status Word）

程序状态字PSW是一个8位寄存器，用于保存程序运行的状态信息。其中有些位状态是根据指令执行结果，由硬件自动设置的，而有些位状态则可以由程序员进行设定。程序状态字PSW可以进行位寻址，其各位的定义见表2-1。

表2-1 程序状态字PSW各位的定义

（1）CY（PWS.7）——进位/借位标志（Carry）

CY是程序状态字PSW中最常用的标志位，在进行加法或减法运算时，用于表示运算结果最高位（第7位）是否有进位或借位。

CY=1，表示运算结果最高位有进位或借位；

CY=0，表示运算结果最高位无进位或借位。

此外，在进行位操作时，CPU也使用CY作为位传送、位与、位或等操作的操作数。

（2）AC（PSW.6）——辅助进位标志（Auxiliary Carry）

辅助进位标志也称为半进位标志，在加减法运算中，当运算结果低4位向高4位有进位或借位时，AC被相应由硬件置位。

AC=1，表示运算结果低4位向高4位有进位或借位；

AC=0，表示运算结果低4位向高4位无进位或借位。

在进行BCD码运算时，需要进行二进制至十进制数调整运算，要用到AC位的状态进行判断。

（3）F0（PSW.5）——用户标志位

由用户定义的标志位，可以根据需要用软件方法置位或复位，用以控制程序的转向或作为标志位。

（4）RS1和RS0（PSW.4，PSW.3）——当前工作寄存器组选择位

通用工作寄存器组共有4组，其与RS1、RS0两个标志位对应关系见表2-2，与RS1、RS0的值对应的那一组通用工作寄存器组称为当前工作寄存器组。只有当前工作寄存器组才可以通过寄存器寻址的方式访问。

表2-2 RS0、RS1对工作寄存器组的选择

单片机在上电或者复位后，RS1RS0=00B，CPU使用第0组为当前工作寄存器组。用户可以根据需要利用传送指令或位运算指令来改变RS1、RS0的值，以改变当前工作寄存器组，这样的结构对于程序中保护现场提供了方便。

（5）OV（PSW.2）——溢出标志位

OV表示在进行算术运算时，运算结果是否发生了溢出。

OV=1，表示运算结果发生溢出；

OV=0，表示运算结果没有溢出。

在有符号数的加减运算中，OV=1表示加减运算结果超出了累加器A所能表示的有效范围（-128～+127），即产生了溢出；OV=0表示运算结果正确，即无溢出。

在乘法运算中，OV=1表示乘积超过255，即乘积分别在B和A中；OV=0表示乘积只在A中。

在除法运算中，OV=1表示除数为0，除法不能进行；OV=0表示除数不为0，除法可正常进行。

溢出与进位是两个不同的概念。溢出是指两个有符号数运算时，结果超出了所能表示的范围，而进位则是指两个数最高位（第7位）相加减时有进位或借位。

（6）F1（PSW.1）——用户标志位

用法同F0。

（7）P（PSW.0）——奇偶标志位

该位用于表示累加器A中内容的奇偶性。在AT89S51单片机的指令系统中，凡是改变累加器A中内容的指令均会影响奇偶标志P。

P=1，表示累加器A中有奇数个1；

P=0，表示累加器A中有偶数个1。

此标志位在串行通信中可以用来进行奇偶校验，以提高数据传输的可靠性。

运算器中的其他特殊功能寄存器将在下面章节中分别介绍。

2.2.2 控制器

控制器主要用于统一指挥和控制计算机协调地工作，它接收来自存储器中的逐条指令，然后进行指令译码，并通过定时逻辑和控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部控制信息及CPU外部所需的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的各种操作。控制器由程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID和定时控制逻辑电路等几部分组成。

1.程序计数器PC（Program Counter）

程序计数器PC是一个16位计数器，用于存储下一条将要执行的指令的首地址，也称为程序指针或指令指针。PC由两个8位特殊功能寄存器PCH（存储地址的高8位）和PCL（存储地址的低8位）组成。

PC具有自动“加1”的功能，即当一条指令从存储器中取出之后，PC值就会自动改变，指向下一条将要执行的指令的地址。需要说明的是，单片机中取指令的操作是以字节为单位的，由于AT89S51/52单片机的指令长度不是固定的（一般为1～3B），因而实际上PC在自动加上该条指令的字节个数以后，才会指向下一条将要执行的指令地址。

一般情况下，程序的执行过程是顺序地将存储器中的指令依次执行，要取的指令地址是由程序计数器PC提供的，以保证程序顺序执行。而在执行转移指令或者子程序、中断程序时，程序需要进行跳转，此时程序计数器PC将被置入新的地址值即子程序或中断程序入口地址值，则程序将转向相应的入口地址，以完成程序的跳转或调用。

PC没有地址，是不可寻址的，因此用户无法对它进行读写操作。但可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以改变程序的执行顺序或实现程序的转移。

2.指令寄存器（Instruction Register）

指令寄存器是一个8位寄存器，用于暂时保存从程序存储器中取出来的指令操作码。如图2-2所示，执行程序时，首先根据PC给出的地址从程序存储器中取出指令，送到指令寄存器暂时保存等待译码。

3.指令译码器（Instruction Decoder）

指令译码器用于对送入指令译码器的指令进行译码，译码结果送定时控制逻辑电路。定时控制逻辑电路产生各种定时控制信号，控制计算机正确地执行各种操作。

2.2.3 指令执行过程

单片机指令执行过程可分为3个阶段进行，即取指令、分析指令和执行指令。

如图2-2所示，取指令就是根据程序计数器PC的值，将指令从程序存储器读出来，送到指令寄存器；分析指令则是将暂存在指令寄存器中的指令操作码取出后，送入指令译码器进行译码；执行指令则是将取出的操作数按操作码所规定的控制逻辑进行操作。单片机执行程序的过程实际上就是逐条指令地重复上述操作过程，直到停机。