深度解析，单片机运行原理，你知道吗？

单片机是将中央处理单元（CPU）、储存器、输入输出集成在一片芯片上，可以说单片机就是一台微型计算机，只是和我们平常使用的计算机相比它的功能有所不同，也没有我们用的计算机那样强大。

计算机可以运行一个个应用，单片机可以按照工程师的编写可执行文件，实现各种各样的功能。那么，单片机是怎么知道要执行什么指令，做什么动作呢，我们的指令又是怎么被单片机识别呢？了解这个过程，可以加深对单片机的理解。

首先要从CPU的组成说起，CPU是由晶体管组成的，这些晶体管是一种半导体器件，比如二极管就是最为常见的半导体器件。电流只能从正极流向负极，反向则截止。

晶体管通过各种组合方式构成门电路：与门，或门，非门，异或门等。门电路又称为逻辑门，是数字电路的基础，常见门电路，及其真值表：

我们了解下与门电路：

与门电路可以想象为两个串联开关控制一个灯泡，只有同时闭合两个开关，灯泡才会被点亮。开关表示晶体管的导通与截止，灯泡的点亮与熄灭表示电路输出的高低电平。

其他门电路也是由各种晶体管构成，不同的输入，有不同的输出，构成各种功能。各种门电路通过复杂的组合就成了CPU了。然后用CPU完成各种复杂计算的。

有了CPU，我们用它来算一道小学生算术题1+1=2，看看它是怎么计算的，从一个简单加法器开始，加法器由半加器组成。

半加器

半加器由一个与门和异或门构成。不考虑低位进位来的进位值，只有两个输入，两个输出。

1+1=2，2在二进制中表示为0010。在半加器中：异或门输入不同的电平（不是同时高或低），输出为高，也就是1+0或0+1,输出1，当两个都输入为1输出为0，与门则输出为1，也就是进位。可以把它抽象成一个黑盒子：

全加器

用两个半加器可以组成一个全加器：

当多位数相加时，半加器可用于最低位求和，并给出进位数。第二位的相加有两个待加数(B和进位CO)，还有一个来自前面低位送来的进位数 (A)。这三个数相加，得出本位和数（全加和数）和进位数。同样可以把它抽象出来：

这个黑盒子就是一个函数，输入两个加数，相加运算，输出和数。

如果要计算多位数的相加，则需要多个全加器以及其他门电路，组合出更复杂的加法器。减法的运算可以用加法来分解：

减法：10 - 5 = 10 +（-5），须通过反码，补码等操作。

其他运算器也有相关的门电路来组成，有关知识这里不展开。

从加法器我们不难得出，CPU的运算是各种门电路的高低电平的输入和输出，高电平为1，低电平为0，把我们平常的十进制数字转成二进制数输入，输出二进制数。

寄存器

两个数字相加用全加器的组合来完成，如果是多个数字的相加呢？比如1+2+3+4+5+……+100,该怎么完成呢？

按照我们的计算过程来看这个问题，我们先把前两个数拿出来相加，得到的和再和第三个数相加，依次累加到100，转换到单片机来完成，那就要把所有的相加数放到一个存储器中，以便在每次的相加中取出，还要把每次相加的和数保存起来用到下一次的相加，这就用到了寄存器了。

寄存器-1保存1-100的数字，寄存器-2保存每次的相加结果。计算1-100的相加，寄存器-2的初始值为0，依次取出寄存器-1的数字和寄存器-2的结果相加：

1+0=1，

2+1=3，

3+3=6，

4+6=10……

锁存器

但是寄存器是怎么帮我们保存数据的呢？这就要锁存器（Latch）来帮助了，两个或非门组成了一个最简单的锁存器。

简单的说，这个单元记住了之前S端的输入1，直到我们把R端设为1，输出端Q才变回0。

然后在这个简单锁存器加上控制端G和一个输入端D就变成了D锁存器：

它有两个输入端，分别是一个信号控制G,一个输入数据信号D，一个输出Q。它的功能就是在G有效的时候把D的值传给Q，也就是锁存的过程。

触发器

把两个D锁存器结合到一起就成了D触发器（DATA flip-flop）。触发器也叫双稳态门，又称双稳态触发器，是一种可以在两种状态下运行的数字逻辑电路。

触发器一直保持它们的状态，直到它们收到输入脉冲，又称为触发。常见的触发器包括：RS 触发器、D 触发器和 JK触发器等，其中D触发器最为常用。

当锁存器-1控制G为有效信号时，D的输入传到到锁存器-2的输入，但是此时锁存器-2的控制信号不是有效的，所以锁存器-2的输出Q没有改变；当锁存器-1的控制G变为无效，锁存器-2的控制信号变为有效，锁存器-2的输出Q就改变了，也就是触发器的D输入传到了Q，并且D没有输入就一直不变。

时序电路

我们再来看看1—100的累加过程，如果寄存器-1和寄存器-2的存储速度不一样，或者运算单元取数不协调，也就是寄存器-2没来得及存储，或者寄存器-1还没取出下一个参与运算的数字，则此次的运算就会就会出错，又会影响到下一次的运算，这个影响会无限放大到之后的结果，并且单片机还有很多外设需要同步运行，这时就需要一个统一指挥来同步各个部分的行动，什么时候该做什么，做到哪一步了。

这个指挥就是时钟。时钟电路产生脉冲信号给电路，可以认为给一次脉冲信号，单片机各个部位就动一下，电路就刷新一下，这就做到了行动统一。前面的D锁存器，D触发器G输入端就是时钟脉冲信号输入，控制G输入信号，进而控制Q的输出，或者记住Q值。这是内存最初的样子。

到此，我们知道了寄存器就是一种时序逻辑电路，但这种时序逻辑电路只包含存储电路。寄存器的存储电路是由锁存器或触发器构成的，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果。

一个锁存器或触发器能存储1位二进制数，所以由N个锁存器或触发器可以构成N位寄存器，一般有8位寄存器、16位寄存器等。它被广泛的用于各类数字系统和计算机中。

- 运行程序 -

有了前面的铺垫，我们来分析一下，代码从是怎么被单片机识别的，并转换成功能输出的。

首先工程师把代码逻辑写好，再编译成单片机的可执行程序，这个可执行程序实际上就是变成由0，1组成的按一定规律排列好的二进制数，再用烧录器写进单片机。

单片机内部就是由我们前面学的门电路的各种组合，门电路也由半导体器件构成，这些半导体PN结是一种特殊的熔丝。空白的单片机内部是矩阵排列的熔丝，在烧录过程，程序中0的地方就熔断，1的地方就导通。烧录好之后，单片机就有了逻辑功能。

执行程序过程：从程序存储区读取程序指令——分析指令——执行指令。

读取指令：就是根据程序计算器（PC）的地址取出相应的指令，送到指令寄存器。

分析指令：将指令寄存器中的指令操作码取出后进行译码，分析其指令性质。如指令是我们之前的加法运算中的取加数，则寻找加数的地址。

执行指令：无非是把一条二进制代码，转换成数字信号（高低电平），操作逻辑门电路，就像我们的加法器一样输入输出。把经过逻辑门运算的结果输出，把单片机的相关引脚电平输出高或低。

也就是单片机上电开机，单片机处于初始状态，可以认为初始状态中程序计算器（PC）就有了第一个指令地址，在时序电路作用下，送到指令寄存器，分析指令，执行指令，输出功能，如此循环。单片机就这样自动进入执行程序过程。

当然单片机运行的过程是很复杂的，这里只是个人简单的理解，总结。

从晶体管组合成逻辑电路，逻辑电路组合成单片机，再从单片机在到现在的计算机，超级计算机，是一个不断积累，不停进步的过程。想要你的人生也是这样的精彩过程吗，来找我领取入门资料，开启与导师的一对一互动，进入高阶学习，成就精彩人生。

教你玩单片机之单片机的认识

什么是单片机

单片机就是在一块硅片上集成了微处理器（CPU），存储器（RAM,ROM,E-PROM）和各种输入输出接口（定时器/计数器、并行I/O口、串行口，A/D转换器以及脉冲调制器PWM等），这样一块芯片具有一台计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。

而我们理解为单片机就是一块 CPU和很多资源集成在一起的芯片。你可以通过编写程序控制单片机里面的各种资源，和外接I/O口，让它根据你的意愿做出个各种动作（而我们就是要学习怎么控制里面的这些资源）

单片机的预备知识

电平特性

数字电路中只有两种电平：高电平和低电平

高电平：5V或者3.3V，取决单片机电源。

低电平：0V

RS232电平：计算机串口的电平

高电平：-12V

低电平：+12V

所以当我们用单片机跟电脑通信的时候，我们要通过各种元器件将单片机的电平转换为计算机可识别的电平才能跟电脑进行通信。

二进制

由于数字电路中的只有两种电平的特性，计算机中使用的数字采用都是二进制的。

二进制是使用0和1两个数码来表示的数，它的基数是2，进位规则是“逢二进一”。

十六进制

十六进制的基数是F，进位规则是“逢十六进一”。

二进制逻辑运算

“与”运算

有0得0

1&1=1 ；1&0=0 ；0&0=0 ；

“或”运算

有1得1

1|1=1 ；1|0=1 ；0|0=0；

“非”运算

1的非得0,0的非得1。

~1=0；~0=1；

“异或”运算

必须不同，否则没有（0）

1^1=0；1^0=1；0^0=0；

ROM的概念

ROM用来存储我们编写的程序

RAM

RAM用来存放程序运算中使用的数据

我们学习单片机学习什么？

内部

IO,定时器，串口，中断，AD,DA,PWM…（都是通过各种寄存器来控制的，我们学习的就是怎么去操作这些寄存器。）

外部

各种外设，外部模块的原理和应用。（比如说：键盘，LCD，液晶屏，还有各种通信协议。）

实践第一

基本知识：

C51的数据类型扩充定义

sfr:特殊功能寄存器声明

sfr 变量名=地址值；

*特殊功能寄存器在reg51.H这个头文件里面都帮我们定义好了，所以平时我们就不要自己去定义寄存器的名字。

sbit:特殊功能位声明

sbit 变量名=地址值；

*在给某个引脚取名的时候经常会用到。

bit:位变量声明

*用来定义位数据变量

例：sfr SCON = 0X98;

sbit LED = P0^2;

C51中常用到的一些预处理命令

#define

#define A P0(注意后面不用加分号)

#typedef

typedef unsigned char uint;（后面要加分号）

重新定义一些常用的关键词，可以增强程序的可移植性，因为在不同的编译软件上面，C语言的数据类型的关键词的位宽是不一样的。

#ifndef…#endif

条件编译，常用于头文件的定义还有一些程序条件编译

其实，这里边的内容真的仅仅是单片机的一点皮毛，只是为了让大家有点基础的了解与认识。更多的内容大家可以百度百科。

请不要介意，谢谢。

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