單片機的基本結(jié)構(gòu)和發(fā)展史

單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。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。概括的講：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、為學(xué)習(xí)、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。

單片機中主要包含 CPU、只讀存儲器 ROM 和隨機存儲器 RAM 等，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。由此可見，單片機憑借著強大的數(shù)據(jù)處理技術(shù)和計算功能可以在智能電子設(shè)備中充分應(yīng)用。目前，單片機被廣泛應(yīng)用在智能儀表、實時工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器中。

單片機的基本結(jié)構(gòu)

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。

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。

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，以便于執(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。

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）或取（讀）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。

單片機的發(fā)展史

1971 年，intel 公司研制出世界上第一個 4 位的微處理器；Intel 公司的霍夫研制成功世界上第一塊 4 位微處理器芯片 Intel 4004，標(biāo)志著第一代微處理器問世，微處理器和微機時代從此開始。因發(fā)明微處理器，霍夫被英國《經(jīng)濟學(xué)家》雜志列為“二戰(zhàn)以來最有影響力的 7 位科學(xué)家”之一 。

1971 年 11 月，Intel 推出 MCS－4 微型計算機系統(tǒng)（包括 4001 ROM 芯片、4002 RAM 芯片、4003 移位寄存器芯片和 4004 微處理器 ）其中 4004（下圖）包含 2300 個晶體管，尺寸規(guī)格為 3mm×4mm，計算性能遠遠超過當(dāng)年的 ENIAC，最初售價為 200 美元。

1972 年 4 月，霍夫等人開發(fā)出第一個 8 位微處理器 Intel 8008。由于 8008 采用的是 P 溝道 MOS 微處理器，因此仍屬第一代微處理器。

1973 年，intel 公司研制出 8 位的微處理器 8080；1973 年 8 月，霍夫等人研制出 8 位微處理器 Intel 8080，以 N 溝道 MOS 電路取代了 P 溝道，第二代微處理器就此誕生。主頻 2MHz 的 8080 芯片運算速度比 8008 快 10 倍，可存取 64KB 存儲器，使用了基于 6 微米技術(shù)的 6000 個晶體管，處理速度為 0．64MIPS（Million Instructions Per Second ）。

1975 年 4 月，MITS 發(fā)布第一個通用型 Altair 8800，售價 375 美元，帶有 1KB 存儲器。這是世界上第一臺微型計算機。

1976 年 intel 公司研制出 MCS－48 系列 8 位的單片機，這也是單片機的問世。Zilog 公司于 1976 年開發(fā)的 Z80 微處理器，廣泛用于微型計算機和工業(yè)自動控制設(shè)備。當(dāng)時，Zilog、Motorola 和 Intel 在微處理器領(lǐng)域三足鼎立。

20 世紀(jì) 80 年代初，Intel 公司在 MCS－48 系列單片機的基礎(chǔ)上，推出了 MCS－51 系列 8 位高檔單片機。MCS－51 系列單片機無論是片內(nèi) RAM 容量，I／O 口功能，系統(tǒng)擴展方面都有了很大的提高。

審核編輯：湯梓紅