一、内核框架

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1.ROM:只读存储器,单片机的只读存储区大多用于存储程序固又称程序存储器。51单片机是EPROM,所谓的EPROM是可擦除的只读存储器。可以把原来的程序擦除了,再写一个新的进去。断电后是可以保存的,

2.RAM:随机存取存储器,用于存储定义的变量等,速度快51单片机的RAM存储容量远小于ROM,但是速度非常之快,断电之后数据存储器(RAM)是不能保存的。

内部详细图示

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内部的结构看似十分复杂,但是大致上可以分为两个部分:运算器(红色框)和控制器(蓝色框)。

运算器:主要作用是进行加减乘除和逻辑运算

内部的结构可以上网查询

控制器:控制单片机的各种操作

二、执行过程概括

单片机执行程序的过程,实际上就是执行我们所编制程序的过程。即逐条指令的过程。计算机每执行一条指令都可分为三个阶段进行。即取指令—–分析指令—–执行指令。

取指令的任务是:根据程序计数器PC中的值从程序存储器读出现行指令,送到指令寄存器。

分析指令阶段的任务是:将指令寄存器中的指令操作码取出后进行译码,分析其指令性质。如指令要求操作数,则寻找操作数地址。

计算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,直至遇到停机指令可循环等待指令。

三、取址

1.程序地址

程序开始的时候,要先知道第一条程序的地址,这个通过PC(程序计数器)知道。

比如刚开始的时候地址是0000H,这个是16进制的。

当这个地址送给地址寄存器后,即取出第一条指令后,PC自动加1,准备取出下一条指令。

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四、译码

地址寄存器知道指令的地址后,就从ROM(只读存储器)里面取出地址所指向的一条指令。

并把取出来的指令放到指令寄存器中,经过指令编码器编译

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五、执行

1.数据处理

指令有可能要用到加减乘除和赋值语句的判断。经过指令编码器,就知道要取出那些定义的数据或者哪些赋值语句。

通过总线来调取我们要用到的数据。并通过运算器来运算。

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比如说我们定义了int x和int y,这两个数据放在RAM中。

当我们取出了一个a = x + y 的指令后,需要x和y的值来计算。

那么通过上一张图的取数据的过程后取出了x和y的数据

通过运算器来运算。

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如图,取出x和y进入黑色框(运算器)中来的到最终结果

最终的结果还会通过a这个变量存储在数据存储器(RAM)中

2.操作器件

当然,除了计算这种步骤外,还有一种情况就是来直接控制IO口的高低电平或者其他的器件了。

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六、例子

下面我们将举个实例来说明指令的执行过程:

开机时,程序计算器PC变为0000H。然后单片机在时序电路作用下自动进入执行程序过程。执行过程实际上就是取出指令(取出存储器中事先存放的指令阶段)和执行指令(分析和执行指令)的循环过程。

例如执行指令:MOV A,#0E0H,其机器码为“74H E0H”,该指令的功能是把操作数E0H送入累加器, 0000H单元中已存放74H,0001H单元中已存放E0H。当单片机开始运行时,首先是进入取指阶段,其次序是:

1、程序计数器的内容(这时是0000H)送到地址寄存器;

2、程序计数器的内容自动加1(变为0001H);

3、地址寄存器的内容(0000H)通过内部地址总线送到存储器,以存储器中地址译码电跟,使地址为0000H的单元被选中;

4、 CPU使读控制线有效;

5、在读命令控制下被选中存储器单元的内容(此时应为74H)送到内部数据总线上,因为是取指阶段,所以该内容通过数据总线被送到指令寄存器。

至此,取指阶段完成,进入译码分析和执行指令阶段。

由于本次进入指令寄存器中的内容是74H(操作码),以译码器译码后单片机就会知道该指令是要将一个数送到A累加器,而该数是在这个代码的下一个存储单元。所以,执行该指令还必须把数据(E0H)从存储器中取出送到CPU,即还要在存储器中取第二个字节。其过程与取指阶段很相似,只是此时PC已为0001H。指令译码器结合时序部件,产生74H操作码的微操作系列,使数字E0H从0001H单元取出。因为指令是要求把取得的数送到A累加器,所以取出的数字经内部数据总线进入A累加器,而不是进入指令寄存器。至此,一条指令的执行完毕。单片机中PC=0002H,PC在CPU每次向存储器取指或取数时自动加1,单片机又进入下一取指阶段。这一过程一直重复下去,直至收到暂停指令或循环等待指令暂停。CPU就是这样一条一条地执行指令,完成所有规定的功能。