第二章(2.3)：微控制器8051的硬件结构---内部总线与微控制器工作原理
内部总线(bus)
MCU内部总线或称片内总线，是微控制器CPU与各功能模块之间传输信息的公共通道，包括数据总线DB(data bus)、地址总线AB(address bus)和控制总线CB(control bus)三类，分别用来传输数据、地址和控制信号。
- 数据总线：数据总线DB是双向的，用于传送数据，实现CPU与存储器、I/O接口、各功能模块之间的信息交互，其方向取决于是读操作还是写操作。数据总线的位数就是CPU的字长，是微控制器的重要指标。对于8位、16位、32位和64位的CPU，它们的数据线是8条、16条、32条和64条，其计算性能随着数据总线位数的增加而增强。
- 地址总线：地址总线AB是单向的，由CPU发出地址信息，用来访问存储器和I/O接口。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的存贮空间的大小，若地址总线为16位，则其最大可寻址空间为2^{16}=64K字节=64K byte=64KB；若地址总线为20位，则其可寻址空间为2^{20}=1M byte=1MB；若地址总线为n位，则其寻址空间为2^n字节。
- 控制总线：控制总线CB用来传送控制信号或时序信号。控制总线是单向的，有的是CPU输出，如读/写信号、时钟信号等；有的是外设传送给CPU的，如中断请求信号、复位信号等。每个信号都有自己的功能，控制着微控制器有序工作。
以CPU访问存储器为例，CPU通过地址总线、数据总线和控制总线的配合， 与存储器之间传输信息，如从存储器读取指令、数据；或将运算结果输出，写入存储器保存。(存储器由存储矩阵、地址译码器、读写控制（三态双向缓冲器）等部分组成)，
微控制器工作原理
对于微控制器使用者来说不需要详细了解其内部结构的具体线路，但需要清楚理解微控制器的工作原理和过程。微型计算机和微控制器的工作过程就是执行程序的过程，执行不同的程序就完成不同的任务、实现不同的功能。用户编写的程序预先存放在ROM中，微控制器的工作过程就是从ROM中逐条取出指令并执行的过程。
在介绍工作原理之前，先了解程序与指令的概念：程序是为实现某个功能而编写的一系列指令的有序集合。而指令是微控制器指挥各功能部件工作的指示和命令。微控制器使用者熟悉的指令用助记符进行表示，而微控制器能识别的是指令的机器码，是一组二进制数。对于微控制器的指令类别、数量、助记符、机器代码等，因其使用的内核不同而不同，是由内核设计者规定的。采用8051内核的MCU，其指令系统都是相同的。
一条指令包括两部分内容：
1.操作码，指明指令的功能(即做什么操作)
2.操作数，指明指令执行的数据或数据存放的地址(即操作对象)
以以下指令为例：
第一条指令的操作码是24H，操作数是68H。指令执行的操作是将累加器A的内容与立即数68相加，并把结果放回A中，即(A) <- (A)+68。
第二条指令的操作码是74H，操作数是15H。指令执行的操作是将立即数15H赋给累加器A，执行后A中的内容为15H，即(A) <- 15H。
第三条指令的操作码是D2H，操作数是90H。指令执行的操作是将P1口的D0位即P1.0置为1，执行后P1.0引脚变为高电平，即P1.0 <- 1。
之前在CPU一节中说到过CPU由运算器(ALU)和控制器组成，控制器又由指令部件、时序部件和操作控制部件三部分组成，指令部件由程序计数器PC（Program Counter） 、指令寄存器IR（Instruction Register）和指令译码器ID（Instruction Decode）组成，其中程序计数器 PC是16位的ROM指针(16位特殊功能寄存器)，用于存放下一条取指指令的地址，寻址范围为64K；指令寄存器IR为8位寄存器，存放当前指令的操作码，等待译码；指令译码器ID对当前指令操作码进行译码，并通过控制电路产生执行该指令需要的控制信号，完成指令规定的操作。
指令执行过程：每条指令的执行可分为三个步骤，即读取指令(取指)、分析指令(译码)和执行指令(执行)。
- 读取指令(取指)：根据程序计数器PC中的值，从ROM中读出当前指令的操作码，送到指令寄存器IR
- 分析指令(译码)：将指令寄存器IR中的操作码送入指令译码器进行译码，分析该指令要求进行什么操作、操作数在那里。
- 执行指令(执行)：根据译码结果取出操作数，由控制逻辑电路发出完成这条指令需要的一系列时序和控制信号，完成指令规定的操作。
以指令“MOV A，#15H” (机器码为74H，15H，分别存放到ROM单元的0000H 和0001H)为例详细说明微控制器的工作过程：
- 取指令：程序开始执行时，CPU内部的程序计数器（PC）当前值为
0000H。第一步PC将地址0000H送入地址寄存器，第二步CPU发出读信号，从ROM的0000H单元取出操作码74H，第三步取出的操作码74H经数据总线(DB)送入指令寄存器；第四步，PC值自动加1，指向下一个要读取的单元（0001H）。 - 分析指令：由指令译码器对现行指令进行译码，分析该指令要求 实现什么操作，如执行数据传送，还是加、减等运算等。第一步指令寄存器中的操作码74H送入译码器；第二步译码器分析74H，确认为“MOV A, #data”指令，并识别到需要从下一个存储单元获取立即数。
- 执行指令：取出操作数，由控制逻辑电路发出相应的控制信号， 完成操作码规定的操作。第一步CPU根据PC当前值（0001H）取出操作数15H；第二步将取出的立即数15H经由内部数据总线送入累加器A；第三步PC值再次自动加1，指向下一条指令的地址（0002H）。
微控制器在工作前，必须要把程序（完成一定功能的指令序列）存放在ROM中。微控制器上电后，即从ROM的0000H单元开始逐条取出指令，执行程序。