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。

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。

加法器

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。

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