单片机的基本构成及工作原理

有了电子电路和数字电路的基础知识，就可以开始学习嵌入式系统的核心元件-单片机。从本期开始我们将为大家介绍单片机的基础知识。

在单片机入门系列讲座中，首先学习单片机的基本构成和工作原理、以及外围功能电路，然后，挑战一个实际单片机的运行。

单片机是控制电子产品的大脑

现如今，我们生活中的许多电器都使用了单片机。例如：手机、电视机、冰箱、洗衣机、以及按下开关，LED就闪烁的儿童玩具。那么，单片机在这些电器中究竟做了些什么呢?

单片机是这些电器动作的关键，是指挥硬件运行的。例如：接收按钮或按键的输入信号，按照事先编好的程序，指挥马达和LCD的外围功能电路动作。

那么，单片机是如何构成的呢?

单片机是由CPU、内存、外围功能等部分组成的。如果将单片机比作人，那么CPU是负责思考的，内存是负责记忆的，外围功能相当于视觉的感官系统及控制手脚动作的神经系统。

尽管我们说CPU相当于人的大脑，但是它却不能像人的大脑一样，能有意识的、自发的思考。CPU只能依次读取并执行事先存储在内存中的指令组合(程序)。当然CPU执行的指令并不是“走路”、“讲话”等高难度命令，而是一些非常简单的指令，象从内存的某个地方“读取数据”或把某个数据“写入”内存的某个地方，或做加法、乘法和逻辑运算等等。然而这些简单指令的组合，却能实现许多复杂的功能。

CPU读取指令时需要知道要执行的指令保存在内存的什么位置，这个位置信息称为地址(相当于家庭住址)。程序计数器(PC)就是存储地址的寄存器。通常，PC是按1递增设计的，也就是说，当CPU执行了0000地址中的指令后，PC会自动加1，变成0001地址。每执行一条指令PC都会自动加1，指向下一条指令的地址。可以说，PC决定了程序执行的顺序。

◇指令解码电路

指令解码电路是解读从内存中读取的指令的含义。运算电路是根据解码结果操作的。确切地讲，指令解码电路就是我们在“数字电路入门(2)”中学过的解码电路，只不过电路结构稍微复杂些，所以，指令解码电路的工作原理就是从被符号化(被加密)的指令中，还原指令。

◇运算电路

运算电路也称为ALU(Arithmetic and Logic Unit)，是完成运算的电路。能进行加法、乘法等算术运算、也能进行AND、OR 、BIT-SHIFT等逻辑运算。运算是在指令解码电路的控制下进行的。通常运算电路的构成都比较复杂。

◇CPU内部寄存器

CPU内部寄存器是存储临时信息的场所。有存储运算值和运算结果的通用寄存器，也有一些特殊寄存器，比如存储运算标志的标志寄存器等。也就是说，运算电路进行运算时，并不是在内存中直接运算的，而是将内存中的数据复制到通用寄存器，在通用寄存器中进行运算的。

单片机这么简单？一分钟看懂单片机最小系统电路原理图：STM8S

坚持每天分享本人十几年的单片机系统开发经验，循序渐进，逐步深入，您的关注是我的动力来源！

本文以ST公司的STM8S003单片机为例，给大家讲解一个单片机最小系统的电路原理图：通过单片机采集一个按键信号，点亮一颗LED灯。

如果你看懂了这张原理图，单片机硬件就入门了——真的到进门了！

一、系统框架

电源从电源插座P1进入电路板，经过LM7805稳压成VCC（=5V）给单片机供电，单片机采集按键S1的信号，点亮LED灯D2，编译好的程序经过程序下载口JP1下载到单片机里。

二、电路细节

电源插座P1可以采用12V电源，二极管D1的作用是为了防止电源不小心反接而损坏电路器件。

LM7805前面的两个电容C1和C2和后面的两个电容C3和C4是为电压滤波的，进一步稳定VCC的电压，让VCC的纹波不要太大，因为纹波大了会影响单片机的工作。

电容C5和C6是依据STM8S003的数据手册要求必须用的两颗电容，遵照执行即可，暂时不用深究，后续我的文章中会谈到。

电阻R1是为了限制发光二极管（LED）D2的电流。LED一般需要5-10mA的电流才能点亮，LED本身的压降一般比较固定，其值是1V左右，当单片机控制PC6口输出低电平时，LED将被点亮，这时LED中的电流为：（5V-1V）/0.47KΩ=8.5mA。

按键S1一端接地，一端接单片机PD3口，在PD3口内部可以通过软件设置上拉电阻，当S1断开时，PD3口为高电平；当S1闭合时，PD3口为低电平。单片机依据PD3口的电平状态即可获知按键是否闭合。

JP1是程序下载接口，所有STM8单片机的程序下载接口都是一样的。其中NRST为单片机复位接口，SWIM为程序下载的数据通道，电脑里的程序代码就是通过SWIM传输到单片机中的。

疑问：为啥没有时钟（晶振）电路？因为现在的单片机一般内部集成有RC振荡电路，通过软件可以设置单片机选用内部的RC振荡脉冲作为单片机内部的时钟。只是内部RC振荡电路的时钟不是太精准，对于一些时钟精度要求比较高的场合可以外接晶振电路。不过，大多数实际应用，内部RC振荡电路的精度已经足够了。

三、总结

所有STM8单片机相关的原理图基本上都是在这个电路基础上进行演进，万变不离其宗。

所有其它品牌和系列的单片机，其硬件原理图基本上也大同小异，掌握其中一个原理图，其它单片机的原理图也就都能看懂了。

这样是不是很简单呢？后续我还会讲解更多的单片机知识，内容是逐步深入的，留言加关注是对我最大的支持！

四、课后作业

如何实现LED灯的渐亮渐灭？

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