一张图基本搞清楚单片机的工作原理

图1

这张图第一眼看过去，可能会让人觉得头皮发麻，但稍微想一下，其实并不复杂。

这里以定时器中断T0为例。先看

图2

定时器（也就是计数器）T0到达PT0H之前，先要经过TF0，开关ET0和开关EA。事实上，TF0也是一个开关，那么，为了让定时器T0的中断顺利到达PT0H，这三个开关就必须都闭合。

为什么说TF0也是一个开关呢？注意到TF0所在的那一列，一共有8位，这8位刚好可以用一个寄存器来保存和控制，这个寄存器就叫做定时器控制寄存器：

图3

图3和TF0所在的那一列不是完全相同，我们暂且不管。这个TF0其实是定时器0的溢出中断标志位 ，当T0从初值开始加1计数到产生溢出时，由硬件使TF0置1，也就是说，TF0等于1的时候（相当于这个开关接通），表示T0（一个8位寄存器）这个定时器（计数器）已经由8个0通过加1计数变成了8个1，再加1将产生溢出。这个时候就会引起CPU硬件复位，让T0重新变成8个0。那么，TF0等于1的作用其实相当于把T0这个寄存器重新置0，当然，重新置0之后这个开关又重新断开。

再看ET0所在的那一列。这一列同样由一个寄存器来控制，叫做中断允许控制寄存器IE:

图4

那么，将ET0这个开关闭合，就只要将寄存器IE中的那一位置1就可以了。ET0置1以后，就相当于定时器T0所引起的操作已经被CPU允许了。

再看图1中EA所在的那一列。这一列的所有开关要么全断开，要么全闭合。全断开的时候，CPU不响应任何中断；全闭合的时候，CPU响应全部中断。所以，EA叫做中断允许控制位。至此，图1中左边的三个开关已经解释清楚了，那么右边的呢？

右边的更简单了。我们注意到，图1中一共有六个不同的中断源：定时器T0,T1和T2，外中断0和外中断1，还有一个串口中断。这六个不同的中断源要是同时产生中断请求怎么办呢？这个时候就有一个优先级的问题，那么

图5

优先级就由PT0H和PT0这两位来设置：

图6

也就是说，六个不同的中断源中的任何一个，都可以通过这两位设置成0到3中的任何一个优先级。再看图1中任何一个优先级的左边

图7

是不是都有6根连线？

通过上述解释，图1就可以这样简单理解：

是不是很简单？

当定时器T0中断经过左边三个开关以及优先级设定后，到达图7的位置以后，这个时候就要把定时器T0的中断服务程序的入口地址放到CPU的PC寄存器里边以便执行这个中断程序。

最后以一个简单的定时器程序来说明：

MOV TMOD,A ; 将工作方式控制字写入TMOD

MOV TL0, #9CH ; 送初值

MOV TH0, #9CH ; 送重装初值，这个程序的前三句是设定定时器T0的初值，可以不管

SETB ET0 ; 图1中的ET0开关闭合，允许定时器T0中断

SETB EA ; 图1中EA开关闭合，CPU允许全部中断

SETB TR0 ; 启动定时器T0，这一句和图1中的TF0开关闭合不同，可以这样理解：TF0开关 闭合是让计数器T0重新变成0，这个过程是自动进行的；而计数器T0重新变成0 以后，要重新开始计数，TR0置1就是启动这个过程。

HERE: SJMP HERE ; 循环等待，当计数器T0没有变成全1的时候重复执行这个指令，就是 空转

; 定时器T0的中断服务程序

CTC0: 当计数器T0变成全1的时候 ，将 CTC0这个中断程序的入口地址送人PC寄存 器

CPL P1.7

这个程序的作用是在P1.7引脚输出周期为200 μs的方波，所以中断程序只有一句，就是对P1.7引脚的电压不断进行取反操作。

上面程序的编写思路是这样的：主程序中设置好中断发生的所有条件，即把该闭合的开关闭合，然后启动定时器，等待定时器计数，当定时器计数未满时，主程序空转；当计数器满了以后，相当于图1中最左边的那个开关TF0闭合，从而将中断程序的入口地址CTC0送入PC让CPU执行，并同时将计数器清0。

当中断程序执行完成以后（执行了一遍CPL P1.7指令），CPU又回到主程序的空转指令

HERE: SJMP HERE ;继续等待，这个时候因为计数器已经重新清0并已经开始重新计数（定时器只要启动一次），并且TFo这个开关已经重新断开，所以主程序就在那里等待计数器下一次计满溢出，如此周而复始。

单片机的由来及基础原理

在我们的日常生活中所使用的家用电气与电子器件中包含有各种各样的集成电路板。电路板上的零件使电子产品具有多种功能。在集成电路板中最重要的零件莫过于单片机。单片机是一种集成电路芯片，它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和存储器以及多种IO接口集成在一起。

在1971年全球第一个型号为4004的计算机微处理器，由美国英特尔公司推出。同时，单片机的技术也逐渐发展并得到广泛应用。单片机全称单片微型计算机又称为微型控制器，可以理解为精简版的计算机。

单片机主要由三部分组成，分别是CPU，存储器和IO。这三个组成部分的功能是什么呢？

CPU的主要功能是运算和控制。运算就是进行各种数学计算，而控制就是根据程序代码来控制输入输出以及电平的高低。那么程序代码存放在什么地方呢？

程序代码是放在存储器中的。单片机中的存储器一般分为两种，一种是只读存储器ROM，另一种是随机存储器RAM。只读存储器，用来存储用户编译好的程序，运行时CPU直接从只读存储器中读取指令来运行。指令运行过程中产生的临时数据，如变量放在随机存储器中。所以可以理解为只读存储器是用来存放程序的，随机存储器是用来存放数据的。

IO是输入输出模块，主要用于外部电路与CPU进行沟通。

那么这三者的具体工作流程是怎样的呢？

这是一个单片机内部包含CPU，只读存储器，随机存储器和IO输入输出模块。首先将写好的程序通过下载器烧录到单片机的只读存储器ROM，然后程序逐条进入CPU，并在CPU内执行。例如CPU可以按照程序指示并通过IO模块输出高电平，点亮外部发光二极管。

如果程序所对应的指令为运算指令，那么CPU就执行运算过程。如果在运算过程中产生了变量，那么产生的变量将存放在随机存储器中。因为CPU内部没有存放变量的地方。

IO接口是单片机与外界的接口，可以作为数据接口对外部存储器进行读写，也可以作为控制接口输出控制指令，如电机控制继电器控制等。也可作为人机交互接口，如液晶显示，键盘输入等。单片机中的各个模块是按统一的节拍同步工作的，这个统一的节拍来源于单片机的时钟，时钟信号是一个高低电瓶交错的信号。单片机在一个时钟周期内只能执行一条指令，而且单片机的时间单位都是时钟周期的整数倍。时钟信号来源于振荡器，振荡器分为内部RC振荡器和外部晶体振荡器，简称晶振。

由于内部RC振荡器的误差比较大，所以一般采用外部晶振在配合晶振电路，通电后产生一定频率的时钟信号。单片机的各个部件都要根据时钟信号协调工作。时钟周期的长度影响了单片机的速度，所以晶体振荡频率也叫做单片机的主频。主频越高，单片机的性能也越高。单片机的频率一般为百兆赫兹级别，而电脑CPU的频率一般为千兆赫兹级别。

总的来说，单片机是一种集成电路芯片，它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，存储器以及多种IO接口集成在一起。CPU的主要功能是运算和控制，只读存储器ROM是用来存放程序的,随机存储器RAM用来存放数据的。IO是输入输出模块，可以用作数据接口控制接口或人机交互接口。

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