51单片机之冯·诺依曼结构

一、概述

8051系列单片机将作为控制应用最基本的内容集成在一个硅片上,其内部结构如图4-1所示。作为单一芯片的计算机,它的内部结构与一台计算机的主机非常相似。其中微处理器相当于计算机中的CPU,由运算器和控制器两个部分构成;数据存储器(RAM)相当于计算机的内存,负责存储程序运行时的中间数据;程序存储器(ROM/EPROM/FLASH)相当于计算机的硬盘,掉电后数据不会消失,用来保存程序代码;并行I/O口有四组,分别称为P0口、P1口、P2口和P3口,每组I/O口有8根线;串行口有一个,使用两根线进行数据通信。并行口和串行口相当于计算机的多功能接口,用于连接其他输入输出设备。此外,定时器/计数器类似于运动场上裁判员使用的秒表,用于对系统时钟或外部脉冲信号计数;中断系统就像电梯上的紧急按钮,可以暂停主程序的运行,使程序转向处理突发事件;特殊功能寄存器相当于多组开关,用于对单片机功能的设置。

8051系列单片机内部结构归纳整理

核心组件及其功能:

  • 微处理器(CPU): 由运算器和控制器组成,类似于计算机中的中央处理器,负责指令的执行和数据处理。
  • 数据存储器(RAM): 相当于计算机的内存,用于临时存储程序运行时产生的中间数据。
  • 程序存储器(ROM/EPROM/FLASH): 类似于计算机的硬盘,用于永久存储程序代码,即使断电数据也不会丢失。

输入输出接口:

  • 并行I/O口: 包括P0、P1、P2和P3四组端口,每组有8根线,主要用于与外部设备进行数据交换。
  • 串行口: 单个串行口使用两根线进行数据通信,适合与其他设备进行串行数据传输。

辅助功能模块:

  • 定时器/计数器: 用于对系统时钟或外部脉冲信号进行计数,类似运动场上的秒表。
  • 中断系统: 可以暂停主程序的执行来响应突发事件,类似于电梯上的紧急按钮。
  • 特殊功能寄存器: 用于配置单片机的功能,如同一组开关,控制着不同的操作模式和功能设置。

通过将这些基本组成部分集成在一个硅片上,8051系列单片机实现了高度集成化和小型化,非常适合用于各种控制应用。这种设计不仅简化了硬件连接,也提高了系统的稳定性和可靠性。

8051系列单片机是基于冯·诺依曼(Von-Neumann)结构设计的。这种内核结构的单片机典型特点是将CPU、程序存储器和数据存储器等部件都挂接在内部同一条8位的数据总线上,CPU通过该总线与程序存储器、数据存储器、I/O口等进行通信。基于冯·诺依曼结构的单片机内部结构如图4-2所示

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