单片机原理

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(ArithmeticandLogicUnit)，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。