单片机的组成结构及指令执行过程
单片机的组成结构及指令执行过程
单片机结构
单片机结构 常用的单片机以MCS-51系列单片机为例，它的组成框图如图1-2所示。 微处理器由运算器和控制器两个部分组成，还有包括相关的寄存器。 1.运算器 运算器由运算部件——算术逻辑单元（Arithmetic & Logical Unit，简称ALU）、累加器和寄存器等几部分组成。ALU的作用是把传来的数据进行算术或逻辑运算，输入来源为两个8位数据，分别来自累加器和数据寄存器。ALU能完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。例如，两个数6和7相加，在相加之前，操作数6放在累加器中，7放在数据寄存器中，当执行加法指令时，ALU即把两个数相加并把结果13存入累加器，取代累加器原来的内容6。 运算器有两个功能： (1) 执行各种算术运算。 (2) 执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。 运算器所执行全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，并且，一个算术操作产生一个运算结果，一个逻辑操作产生一个判决。2.控制器 控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令的“决策机构”，即协调和指挥整个微机系统的操作。其主要功能有： (1) 从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。 (2) 对指令进行译码和测试，并产生相应的操作控制信号，以便于执行规定的动作。 (3) 指挥并控制CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。 微处理器内通过内部总线把ALU、计数器、寄存器和控制部分互联，并通过外部总线与外部的存储器、输入输出接口电路联接。外部总线又称为系统总线，分为数据总线DB、地址
微机指令执行过程
总线AB和控制总线CB。通过输入输出接口电路，实现与各种外围设备连接。 3.主要寄存器 （1）累加器A 图1-2 单片机组成框图 累加器A是微处理器中使用 最频繁的寄存器。在算术和逻辑运算时它有双功能：运算前，用于保存一个操作数；运算后，用于保存所得的和、差或逻辑运算结果。 （2）数据寄存器DR 数据寄存器通过数据总线向存储器和输入/输出设备送（写）或取（读）数据的暂存单元。它可以保存一条正在译码的指令，也可以保存正在送往存储器中存储的一个数据字节等等。 （3）指令寄存器IR和指令译码器ID 指令包括操作码和操作数。 指令寄存器是用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存中取到数据寄存器中，然后再传送到指令寄存器。当系统执行给定的指令时，必须对操作码进行译码，以确定所要求的操作，指令译码器就是负责这项工作的。其中，指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。 （4）程序计数器PC PC用于确定下一条指令的地址，以保证程序能够连续地执行下去，因此通常又被称为指令地址计数器。在程序开始执行前必须将程序的第一条指令的内存单元地址（即程序的首地址）送入PC，使它总是指向下一条要执行指令的地址。 （5）地址寄存器AR 地址寄存器用于保存当前CPU所要访问的内存单元或I/O设备的地址。由于内存与CPU之间存在着速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存读/写操作完成为止。 显然，当CPU向存储器存数据、CPU从内存取数据和CPU从内存读出指令时，都要用到地址寄存器和数据寄存器。同样，如果把外围设备的地址作为内存地址单元来看的话，那么当CPU和外围设备交换信息时，也需要用到地址寄存器和数据寄存器。
微机指令执行过程
1．指令
任何计算机都有它的指令系统。指令是指由单片机芯片的设
计者规定的一组数字编码，不可以由单片机的开发者更改。指令由操作码、操作数组成。
操作码是指令的功能部分，操作数是指说明参与操作的数据
或数据所存放的地址。
2．指令执行过程
计算机采取“存储程序”的工作方式，即事先把程序加载到
计算机的存储器中，当启动运行后，计算机便自动进行工作。
计算机执行程序是一条指令一条指令执行的。执行一条指令
的过程可分为两个阶段。如图1-3所示。
开始
取指令
PC+1
执行
指令
图1-3 取指令、执行指令序列
在计算机中程序第一条指令
的第一个字节是操作码。运行
时CPU首先进入取指阶段，
从存储器中取出指令并通过
CPU译码后，转入执指阶段，
即执行指令指定的操作。
取指阶段是由一系列相
同的操作组成的，因此，取指阶段的时间总是相同的。而执行指令的阶段是由不同的事件顺序组成的，它取决于被执行指令的类型。程序的执
行过程是由不断的“取指——执指”循环组成，直至程序结束。