導語：單片機也被稱為單片微控器，屬于一種集成式電路芯片。在單片機中主要包含CPU、只讀存儲器ROM和隨機存儲器RAM等，相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設備。多樣化數據采集與控制系統能夠讓單片機完成各項復雜的運算，無論是對運算符號進行控制，還是對系統下達運算指令都能通過單片機完成。單片機的使用領域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統、家用電器等。下文會詳細介紹什么是單片機，包括其特點、組成部分、工作原理、基本結構、分類等。

丨什么是單片機

單片機（Single-Chip Microcomputer）是一種集成電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統。

概括地講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、為應用和開發提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇。

丨單片機的特點

1.具有優異的性價比

單片機的這種高性能、低價格是它最顯著的一個特點。單片機可以盡可能的應用所需要的存儲器，各種功能的I/O口都集成在一個芯片內，使之成為名副其實的單片機。有的單片機為了提高速度和執行效率，開始采用了RISC流水線和DSP的技術。使單片機的性能明顯的優于同性能的微處理器，有的單片機ROM可達64KB，片內可達2KB，單片機的尋址已突破64KB的限制，八位和十六位單片機尋址可達1MB和16MB。

單片機的另一個顯著的特點是量大面廣，因為世界上各大公司在提高單片機性能的同時，進一步降低價格，性能/價格之比是各個公司競爭的主要策略。

2.集成度高、體積小、可靠性高?

單片機把各個功能部件都集成在一塊芯片上，內部采用總線結構，減少了各芯片之間的連接，大大提高了單片機的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對于強磁場環境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣的環境下工作。

3.控制功能強

單片機是電子計算機這個龐大家庭的一個特殊產品，體積雖小，但“五臟俱全”，它非常適合用于專門的控制用途。為了滿足工業控制的要求，一般單片機的指令系統中有極其豐富的轉移指令，I/O口的邏輯操作以及為處理器功能。單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微型計算機。

4.低電壓、低功耗

單片機大量應用于便攜式產品和家用消費產品，低電壓和低功耗的特點尤為重要。許多單片機已可以在2.3.V的電壓下運行，有的已突破1.2V或0.9V下工作；功耗至微安級，一個紐扣電池就可以使其長期使用。?

丨單片機的分類

單片機（Microcontrollers）作為計算機發展的一個重要分支領域，根據發展情況，從不同角度，單片機大致可以分為通用型/專用型、總線型/非總線型及工控型/家電型。

(1)通用型

這是按單片機（Microcontrollers）適用范圍來區分的。例如，80C51式通用型單片機，它不是為某種專門用途設計的；專用型單片機是針對一類產品甚至某一個產品設計生產的，例如為了滿足電子體溫計的要求，在片內集成ADC接口等功能的溫度測量控制電路。

(2)總線型

這是按單片機（Microcontrollers）是否提供并行總線來區分的。總線型單片機普遍設置有并行地址總線、 數據總線、控制總線，這些引腳用以擴展并行外圍器件都可通過串行口與單片機連接，另外，許多單片機已把所需要的外圍器件及外設接口集成一片內，因此在許多情況下可以不要并行擴展總線，大大減少封裝成本和芯片體積，這類單片機稱為非總線型單片機。

(3)控制型

這是按照單片機（Microcontrollers）大致應用的領域進行區分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運算能力強；用于家電的單片機多為專用型，通常是小封裝、低價格，外圍器件和外設接口集成度高。顯然，上述分類并不是唯一的和嚴格的。例如，80C51類單片機既是通用型又是總線型，還可以作工控用。

丨單片機的組成

單片機的組成部分包括：中央處理器（CPU）、程序存儲器（ROM）、隨機存儲器（RAM）、I/O設備。

中央處理器是單片機的核心單元，通常由算術邏輯運算部件（ALU）和控制部件構成。CPU就像人的大腦一樣，決定了單片機的運算才能和處理速度。

ROM拿來寄存用戶程序，分為EPROM、Mask ROM、OTP ROM和Flash ROM等。我們的ROM一般情況來說能夠反復運用，而且掉電內容也還在。

RAM拿來寄存程序運行時的工作變量和數據，由于RAM的制作工藝復雜，價格比ROM高得多，所以單片機的內部RAM非常寶貴，通常僅有幾十到幾百字節。RAM的內容具有易失性（也稱為易揮發性），掉電后數據會丟失。

I/O口就是與外圍設備連接，進行數據傳輸或者控制。

丨單片機的基本結構介紹

1.運算器

運算器由運算部件—算術邏輯單元（Arithmetic & Logical Unit，簡稱ALU）、累加器和寄存器等幾部分組成。ALU的作用是把傳來的數據進行算術或邏輯運算，輸入來源為兩個8位數據，分別來自累加器和數據寄存器。ALU能完成對這兩個數據進行加、減、與、或、比較大小等操作，最后將結果存入累加器。例如，兩個數6和7相加，在相加之前，操作數6放在累加器中，7放在數據寄存器中，當執行加法指令時，ALU即把兩個數相加并把結果13存入累加器，取代累加器原來的內容6。

運算器有兩個功能：

(1) 執行各種算術運算。

(2) 執行各種邏輯運算，并進行邏輯測試，如零值測試或兩個值的比較。

運算器所執行全部操作都是由控制器發出的控制信號來指揮的，并且，一個算術操作產生一個運算結果，一個邏輯操作產生一個判決。

2.控制器

控制器由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序發生器和操作控制器等組成，是發布命令的“決策機構”，即協調和指揮整個微機系統的操作。其主要功能有：

(1) 從內存中取出一條指令，并指出下一條指令在內存中的位置；

(2) 對指令進行譯碼和測試，并產生相應的操作控制信號，以便執行規定的動作；

(3) 指揮并控制CPU、內存和輸入輸出設備之間數據流動的方向。

微處理器內通過內部總線把ALU、計數器、寄存器和控制部分互聯，并通過外部總線與外部的存儲器、輸入輸出接口電路聯接。外部總線又稱為系統總線，分為數據總線DB、地址總線AB和控制總線CB。通過輸入輸出接口電路，實現與各種外圍設備連接。

3.主要寄存器

(1)累加器A

累加器A是微處理器中使用最頻繁的寄存器。在算術和邏輯運算時它有雙功能：運算前，用于保存一個操作數；運算后，用于保存所得的和、差或邏輯運算結果。

(2)數據寄存器DR

數據寄存器通過數據總線向存儲器和輸入/輸出設備送（寫）或取（讀）數據的暫存單元。它可以保存一條正在譯碼的指令，也可以保存正在送往存儲器中存儲的一個數據字節等等。

(3)指令寄存器IR和指令譯碼器ID

指令包括操作碼和操作數。指令寄存器是用來保存當前正在執行的一條指令。當執行一條指令時，先把它從內存中取到數據寄存器中，然后再傳送到指令寄存器。當系統執行給定的指令時，必須對操作碼進行譯碼，以確定所要求的操作，指令譯碼器就是負責這項工作的。其中，指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入。

(4)程序計數器PC

PC用于確定下一條指令的地址，以保證程序能夠連續地執行下去，因此通常又被稱為指令地址計數器。在程序開始執行前必須將程序的第一條指令的內存單元地址（即程序的首地址）送入PC，使它總是指向下一條要執行指令的地址。

(5)地址寄存器AR

地址寄存器用于保存當前CPU所要訪問的內存單元或I/O設備的地址。由于內存與CPU之間存在著速度上的差異，所以必須使用地址寄存器來保持地址信息，直到內存讀/寫操作完成為止。

顯然，當CPU向存儲器存數據、CPU從內存取數據和CPU從內存讀出指令時，都要用到地址寄存器和數據寄存器。同樣，如果把外圍設備的地址作為內存地址單元來看的話，那么當CPU和外圍設備交換信息時，也需要用到地址寄存器和數據寄存器。

丨單片機的工作原理

統一的時鐘節拍

(1)這里有一個概念叫：同步。同步就是好多個獨立的部分按照同一個節奏步調來動，以此來實現一個配合；

(2)和同步相對的一個概念叫異步，異步就是各自干各自的；

(3)單片機的各個模塊之間是同步工作的，CPU和存儲器和IO和單片機中其他東西這些模塊之間通過一個統一的節拍來同步工作，這個統一節拍就是單片機的時鐘；

(4)這個時鐘節拍對單片機很重要，單片機內部在一個時鐘節拍中只能做一件事情。所以單片機要發生一些變化或者做一些事情，最小的時間單位就是1個時鐘節拍。單片機的時間單位都是時鐘節拍的整數倍；

(5)單片機中的CPU、存儲器、IO等都是以時鐘節拍為動作節拍的，所以單片機是一個同步系統；

(6)時鐘周期的長度（時鐘節拍的快慢）影響了單片機的速度，所以這個時鐘就叫做單片機的主頻。主頻越高性能越高，一般PC的主頻都是2G多3G多，51單片機的主頻MHz級別。一般手機CPU的主頻也在1G-2G左右。一般高級單片機如STM32的主頻在百MHz級別。

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審核編輯 黃昊宇