单片机的组成结构及指令执行过程.doc

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。

微机指令执行过程微机指令执行过程微机指令执行过程微机指令执行过程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。