1.2　8051微控制器的内部架构

前面在介绍嵌入式系统时已经提到，微控制器（MCU）是构建嵌入式系统的一种典型的嵌入式处理器芯片。这个芯片内部集成了构成小型计算机系统的基本功能部件。本书将以8051微控制器（MCU，单片机）为原型，介绍MCU的内部结构，如图1.4所示。

从图中可知，其主要功能模块包括：中央处理单元、程序存储器、随机访问存储器、中断系统、计数器／定时器、外设接口模块，以及连接各个功能部件的总线。

1．中央处理单元

中央处理单元是单片机系统的大脑和中枢，它可以完成以下基本功能：

（1）与不同地址空间的不同类型的存储器交换信息。通过对存储器的读和写操作，完成CPU和存储器的信息交换。

（2）执行逻辑和算术指令。基本的指令包括：加／减运算、逻辑按位或运算、逻辑按位与运算、逻辑按位异或运算、移位运算等。

2．程序存储器

程序存储器用于保存将要执行的程序代码。例如，8051单片机内提供的程序存储器采用了非易失性工艺，即一旦把将要运行的程序“烧写”（固化）到程序存储器中，它就会一直存在，而不依赖于单片机处于上电还是断电的状态。只有将新的程序“烧写”（固化）到程序存储器中，才会覆盖掉上一次“烧写”（固化）在程序存储器中的程序。

从工艺上来说，大多数单片机的程序存储器采用Flash工艺，极少数的单片机采用一次可编程（One-Time-Programmable，OTP）工艺。当采用Flash工艺时，设计者可以多次修改和固化程序；当采用OTP工艺时，一旦程序固化，设计者就再也没有机会修改程序。

3．随机访问存储器

随机访问存储器（Random Access Memory，RAM）用于“暂存”程序中临时需要保存的数据，它采用易失性工艺，即8051单片机处于断电状态时，RAM内的数据将全部丢失。STC 8051单片机提供了用于不同目的的RAM，包括片内基本RAM、片内扩展RAM以及可以通过并行总线扩展的外部RAM。通过使用不同的指令，访问这些RAM资源。

4．中断系统

中断系统用于CPU对紧急事件的处理进程。当CPU正在执行当前程序时，若外部设备发出了紧急事件的请求（即通常所说的中断请求信号），如果CPU允许立即处理当前紧急事件，则CPU暂时停止运行（打断）当前正在执行的程序，并对紧急事件进行处理。这一过程就是通常所说的用于处理紧急事件的程序，即中断服务程序。

当CPU开始处理外部紧急事件时，中断系统会通知外部设备CPU已经开始处理紧急事件。这样，外部设备会做出相应的判断。

5．定时器／计数器

在单片机中，定时器／计数器单元是最基本的功能单元之一。通过这个单元，可以对不同的事件进行同步。例如，当定时器中的计数值到达预先设置的初值时，就会产生定时器中断信号，通过这个信号，外部设备可以做出相应的判断。

6．外部设备接口模块

尽管STC是全球最大的8051 MCU生产厂商，它提供的不同系列的8051单片机的外部接口模块也不尽相同。但是，它提供了通用的输入／输出（General Purpose Input&Output，GPIO）和RS-232接口。

根据产品的应用范围，STC公司不同系列的8051单片机还提供了一些个性化的外设。例如，STC15系列单片机中就集成了模拟-数字转换器（Analog to Digital Converter，ADC）模块。

7．总线

总线是一组相关逻辑信号的集合。目前大多数计算机系统都是基于总线的结构。总线包括：控制总线、地址总线和数据总线。

对于8051单片机系统而言，总线分为内部总线和外部总线，其中：

（1）内部总线用于连接芯片内各个模块单元，如图1.4所示。

（2）外部总线用于将外设连接到单片机上。STC公司的8051单片机提供了外部并行总线，通过该总线可以为8051单片机扩展外部存储器资源，也可以同时连接多个外部设备。通过外部并行总线，可以显著地提高8051单片机内CPU访问外部设备的速度和吞吐量。

思考与练习1-6：说明在8051单片机中所包含的主要功能单元，以及它们各自实现的任务。

思考与练习1-7：说明在8051单片机内，程序存储器所采用的工艺以及随机访问存储器所采用的工艺。