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。

单片机的基本结构与特点

单片机在结构设计上，以及硬件、指令系统、I／O能力等方面都有明显的特点，在此简要说明一下。

1.程序存储器和数据存储器分开

单片机的数据存储器和程序存储器在存储器空间上是严格分开的，ROM用来存放程序代码、常数和数据表格，RAM用来存放数据或中间结果。采用这样的存储器结构，主要是考虑到单片机用于控制的特点，在过程控制中需要较大的程序存储器空间和较小的随机数据空间，而且还允许单片机应用系统扩展存储空间，因此单片机既有内部ROM又有外部ROM，既有内部RAM又有外部RAM。所以，CPU进行存储器操作时就要区分内部程序存储器和外部程序存储器；对程序存储器和数据存储器访问时要使用不同的寻址方式、指令助记符和存储器访问信号；要使用两个或多个地址指针来寻找数据。

2.I／O端口多功能分时复用

由于大规模集成电路和生产工艺的要求，芯片的引脚数受到一定的限制，为了解决实际的引脚数和需要的引脚信号之间的矛盾，单片机的部分引线被设计成多功能的。如MCS-51的P0口、P2 E1和P3 E1的引脚都是多功能，如P0口是8位数据线和地址线的低8位共用，P2 El是通用I／O口并与地址线的高8位分时复用，P3 E1是通用I／O口，还具有第二功能。每条引脚在一定时间起什么作用，则由指令和机器状态来决定。所以，单片机对外不存在专门的数据线和控制线，而是采用分时复用技术来解决片外数据和地址的传送问题。

3.片内特殊功能寄存器和工作寄存器组

在MCS-51单片机片内RAM中，还有21个具有特殊功能的寄存器，以及4组8位工作寄存器，每组7个，共有28个8位的工作寄存器，为CPU进行运算、存放中间结果提供了极大的方便。正是有了这些特殊功能寄存器和工作寄存器，才能使一个只有40脚封装的单片机系统的功能获得很大的扩充，并使I／O El在程序控制下具有第二功能。利用特殊功能寄存器还可以完成对定时器斛数器、串行口和中断逻辑的控制。

4.片内有全双工串行通信接口

MCS-51单片机是一种集成的电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 MCS一51单片机的另一个特点是在内部有一个全双工的串行接口。在程序的控制下，串行口有4种工作方式。用户可根据需要将它设定为移位寄存器方式，以扩充I／O接口和外接同步输入、输出设备；或用做异步通信接口，以实现双机或多机通信。因此，单片机能极为方便地组成分布式控制系统。

5.独立的位处理器

在单片机内部有一个能独立进行操作的位处理器，又称为布尔处理器，它有自己的累加器以及可按位寻址的RAM区、特殊功能寄存器和I／0 E1，并设有专门的按位操作的指令。利用位操作功能，可以十分方便地进行组合逻辑的设计和用软件模拟组合逻辑的功能。

单片机主要具有以下特点：

(1)体积小、结构简单、可靠性高 单片机把各功能部件集成在一个芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。

(2)控制能力强 单片机虽然结构简单，但是它“五脏俱全”，已经具备了足够的控制功能。单片机具有较多的I/O口，CPU可以直接对I/O进行操作、算术操作、逻辑操作和位操作，指令简单而丰富。所以单片机也是“面向控制”的计算机。

(3)低电压、低功耗 单片机可以在2.2V的电压下运行，有的已能在1.2V或0.9V下工作；功耗降至为μA级，一颗纽扣电池就可长期使用。

(4)优异的性能/价格比 由于单片机构成的硬件结构简单、开发周期短、控制功能强、可靠性高，因此，在达到同样功能的条件下，用单片机开发的控制系统比用其它类型的微型计算机开发的控制系统价格更便宜。

（5)易扩展。可根据需要并行或串行扩展，构成各种不同应用规模的计算机控制系统。

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