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