小智科普：單片機詳解

導(dǎo)語：單片機也被稱為單片微控器，屬于一種集成式電路芯片。在單片機中主要包含CPU、只讀存儲器ROM和隨機存儲器RAM等，相當(dāng)于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設(shè)備。多樣化數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)能夠讓單片機完成各項復(fù)雜的運算，無論是對運算符號進行控制，還是對系統(tǒng)下達運算指令都能通過單片機完成。單片機的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。下文會詳細(xì)介紹什么是單片機，包括其特點、組成部分、工作原理、基本結(jié)構(gòu)、分類等。

丨什么是單片機

單片機（Single-Chip Microcomputer）是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)。

概括地講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學(xué)習(xí)使用單片機是了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。

丨單片機的特點

1.具有優(yōu)異的性價比

單片機的這種高性能、低價格是它最顯著的一個特點。單片機可以盡可能的應(yīng)用所需要的存儲器，各種功能的I/O口都集成在一個芯片內(nèi)，使之成為名副其實的單片機。有的單片機為了提高速度和執(zhí)行效率，開始采用了RISC流水線和DSP的技術(shù)。使單片機的性能明顯的優(yōu)于同性能的微處理器，有的單片機ROM可達64KB，片內(nèi)可達2KB，單片機的尋址已突破64KB的限制，八位和十六位單片機尋址可達1MB和16MB。

單片機的另一個顯著的特點是量大面廣，因為世界上各大公司在提高單片機性能的同時，進一步降低價格，性能/價格之比是各個公司競爭的主要策略。

2.集成度高、體積小、可靠性高?

單片機把各個功能部件都集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連接，大大提高了單片機的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣的環(huán)境下工作。

3.控制功能強

單片機是電子計算機這個龐大家庭的一個特殊產(chǎn)品，體積雖小，但“五臟俱全”，它非常適合用于專門的控制用途。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機的指令系統(tǒng)中有極其豐富的轉(zhuǎn)移指令，I/O口的邏輯操作以及為處理器功能。單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微型計算機。

4.低電壓、低功耗

單片機大量應(yīng)用于便攜式產(chǎn)品和家用消費產(chǎn)品，低電壓和低功耗的特點尤為重要。許多單片機已可以在2.3.V的電壓下運行，有的已突破1.2V或0.9V下工作；功耗至微安級，一個紐扣電池就可以使其長期使用。?

丨單片機的分類

單片機（Microcontrollers）作為計算機發(fā)展的一個重要分支領(lǐng)域，根據(jù)發(fā)展情況，從不同角度，單片機大致可以分為通用型/專用型、總線型/非總線型及工控型/家電型。

(1)通用型

這是按單片機（Microcontrollers）適用范圍來區(qū)分的。例如，80C51式通用型單片機，它不是為某種專門用途設(shè)計的；專用型單片機是針對一類產(chǎn)品甚至某一個產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)的，例如為了滿足電子體溫計的要求，在片內(nèi)集成ADC接口等功能的溫度測量控制電路。

(2)總線型

這是按單片機（Microcontrollers）是否提供并行總線來區(qū)分的?？偩€型單片機普遍設(shè)置有并行地址總線、 數(shù)據(jù)總線、控制總線，這些引腳用以擴展并行外圍器件都可通過串行口與單片機連接，另外，許多單片機已把所需要的外圍器件及外設(shè)接口集成一片內(nèi)，因此在許多情況下可以不要并行擴展總線，大大減少封裝成本和芯片體積，這類單片機稱為非總線型單片機。

(3)控制型

這是按照單片機（Microcontrollers）大致應(yīng)用的領(lǐng)域進行區(qū)分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運算能力強；用于家電的單片機多為專用型，通常是小封裝、低價格，外圍器件和外設(shè)接口集成度高。顯然，上述分類并不是唯一的和嚴(yán)格的。例如，80C51類單片機既是通用型又是總線型，還可以作工控用。

丨單片機的組成

單片機的組成部分包括：中央處理器（CPU）、程序存儲器（ROM）、隨機存儲器（RAM）、I/O設(shè)備。

中央處理器是單片機的核心單元，通常由算術(shù)邏輯運算部件（ALU）和控制部件構(gòu)成。CPU就像人的大腦一樣，決定了單片機的運算才能和處理速度。

ROM拿來寄存用戶程序，分為EPROM、Mask ROM、OTP ROM和Flash ROM等。我們的ROM一般情況來說能夠反復(fù)運用，而且掉電內(nèi)容也還在。

RAM拿來寄存程序運行時的工作變量和數(shù)據(jù)，由于RAM的制作工藝復(fù)雜，價格比ROM高得多，所以單片機的內(nèi)部RAM非常寶貴，通常僅有幾十到幾百字節(jié)。RAM的內(nèi)容具有易失性（也稱為易揮發(fā)性），掉電后數(shù)據(jù)會丟失。

I/O口就是與外圍設(shè)備連接，進行數(shù)據(jù)傳輸或者控制。

丨單片機的基本結(jié)構(gòu)介紹

1.運算器

運算器由運算部件—算術(shù)邏輯單元（Arithmetic & Logical Unit，簡稱ALU）、累加器和寄存器等幾部分組成。ALU的作用是把傳來的數(shù)據(jù)進行算術(shù)或邏輯運算，輸入來源為兩個8位數(shù)據(jù)，分別來自累加器和數(shù)據(jù)寄存器。ALU能完成對這兩個數(shù)據(jù)進行加、減、與、或、比較大小等操作，最后將結(jié)果存入累加器。例如，兩個數(shù)6和7相加，在相加之前，操作數(shù)6放在累加器中，7放在數(shù)據(jù)寄存器中，當(dāng)執(zhí)行加法指令時，ALU即把兩個數(shù)相加并把結(jié)果13存入累加器，取代累加器原來的內(nèi)容6。

運算器有兩個功能：

(1) 執(zhí)行各種算術(shù)運算。

(2) 執(zhí)行各種邏輯運算，并進行邏輯測試，如零值測試或兩個值的比較。

運算器所執(zhí)行全部操作都是由控制器發(fā)出的控制信號來指揮的，并且，一個算術(shù)操作產(chǎn)生一個運算結(jié)果，一個邏輯操作產(chǎn)生一個判決。

2.控制器

控制器由程序計數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時序發(fā)生器和操作控制器等組成，是發(fā)布命令的“決策機構(gòu)”，即協(xié)調(diào)和指揮整個微機系統(tǒng)的操作。其主要功能有：

(1) 從內(nèi)存中取出一條指令，并指出下一條指令在內(nèi)存中的位置；

(2) 對指令進行譯碼和測試，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號，以便執(zhí)行規(guī)定的動作；

(3) 指揮并控制CPU、內(nèi)存和輸入輸出設(shè)備之間數(shù)據(jù)流動的方向。

微處理器內(nèi)通過內(nèi)部總線把ALU、計數(shù)器、寄存器和控制部分互聯(lián)，并通過外部總線與外部的存儲器、輸入輸出接口電路聯(lián)接。外部總線又稱為系統(tǒng)總線，分為數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB和控制總線CB。通過輸入輸出接口電路，實現(xiàn)與各種外圍設(shè)備連接。

3.主要寄存器

(1)累加器A

累加器A是微處理器中使用最頻繁的寄存器。在算術(shù)和邏輯運算時它有雙功能：運算前，用于保存一個操作數(shù)；運算后，用于保存所得的和、差或邏輯運算結(jié)果。

(2)數(shù)據(jù)寄存器DR

數(shù)據(jù)寄存器通過數(shù)據(jù)總線向存儲器和輸入/輸出設(shè)備送（寫）或?。ㄗx）數(shù)據(jù)的暫存單元。它可以保存一條正在譯碼的指令，也可以保存正在送往存儲器中存儲的一個數(shù)據(jù)字節(jié)等等。

(3)指令寄存器IR和指令譯碼器ID

指令包括操作碼和操作數(shù)。指令寄存器是用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時，先把它從內(nèi)存中取到數(shù)據(jù)寄存器中，然后再傳送到指令寄存器。當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行給定的指令時，必須對操作碼進行譯碼，以確定所要求的操作，指令譯碼器就是負(fù)責(zé)這項工作的。其中，指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入。

(4)程序計數(shù)器PC

PC用于確定下一條指令的地址，以保證程序能夠連續(xù)地執(zhí)行下去，因此通常又被稱為指令地址計數(shù)器。在程序開始執(zhí)行前必須將程序的第一條指令的內(nèi)存單元地址（即程序的首地址）送入PC，使它總是指向下一條要執(zhí)行指令的地址。

(5)地址寄存器AR

地址寄存器用于保存當(dāng)前CPU所要訪問的內(nèi)存單元或I/O設(shè)備的地址。由于內(nèi)存與CPU之間存在著速度上的差異，所以必須使用地址寄存器來保持地址信息，直到內(nèi)存讀/寫操作完成為止。

顯然，當(dāng)CPU向存儲器存數(shù)據(jù)、CPU從內(nèi)存取數(shù)據(jù)和CPU從內(nèi)存讀出指令時，都要用到地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。同樣，如果把外圍設(shè)備的地址作為內(nèi)存地址單元來看的話，那么當(dāng)CPU和外圍設(shè)備交換信息時，也需要用到地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。

丨單片機的工作原理

統(tǒng)一的時鐘節(jié)拍

(1)這里有一個概念叫：同步。同步就是好多個獨立的部分按照同一個節(jié)奏步調(diào)來動，以此來實現(xiàn)一個配合；

(2)和同步相對的一個概念叫異步，異步就是各自干各自的；

(3)單片機的各個模塊之間是同步工作的，CPU和存儲器和IO和單片機中其他東西這些模塊之間通過一個統(tǒng)一的節(jié)拍來同步工作，這個統(tǒng)一節(jié)拍就是單片機的時鐘；

(4)這個時鐘節(jié)拍對單片機很重要，單片機內(nèi)部在一個時鐘節(jié)拍中只能做一件事情。所以單片機要發(fā)生一些變化或者做一些事情，最小的時間單位就是1個時鐘節(jié)拍。單片機的時間單位都是時鐘節(jié)拍的整數(shù)倍；

(5)單片機中的CPU、存儲器、IO等都是以時鐘節(jié)拍為動作節(jié)拍的，所以單片機是一個同步系統(tǒng)；

(6)時鐘周期的長度（時鐘節(jié)拍的快慢）影響了單片機的速度，所以這個時鐘就叫做單片機的主頻。主頻越高性能越高，一般PC的主頻都是2G多3G多，51單片機的主頻MHz級別。一般手機CPU的主頻也在1G-2G左右。一般高級單片機如STM32的主頻在百MHz級別。

*本文章部分資料、圖片來源于網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)，請與我聯(lián)系刪除，謝謝！

審核編輯 黃昊宇