單片機(jī)工作原理詳解

單片機(jī)是將中央處理單元(CPU)、儲存器、輸入輸出集成在一片芯片上，可以說單片機(jī)就是一臺微型計算機(jī)，只是和我們平常使用的計算機(jī)相比它的功能有所不同，也沒有我們用的計算機(jī)那樣強(qiáng)大。

計算機(jī)可以運(yùn)行一個個應(yīng)用，單片機(jī)可以按照工程師的編寫可執(zhí)行文件，實現(xiàn)各種各樣的功能。那么，單片機(jī)是怎么知道要執(zhí)行什么指令，做什么動作呢，我們的指令又是怎么被單片機(jī)識別呢?了解這個過程，可以加深對單片機(jī)的理解。

CPU

首先要從CPU的組成說起，CPU是由晶體管組成的，這些晶體管是一種半導(dǎo)體器件，比如二極管就是最為常見的半導(dǎo)體器件。電流只能從正極流向負(fù)極，反向則截止。

晶體管通過各種組合方式構(gòu)成門電路：與門，或門，非門，異或門等。門電路又稱為邏輯門，是數(shù)字電路的基礎(chǔ)，常見門電路，及其真值表：

我們了解下與門電路：

與門電路可以想象為兩個串聯(lián)開關(guān)控制一個燈泡，只有同時閉合兩個開關(guān)，燈泡才會被點亮。開關(guān)表示晶體管的導(dǎo)通與截止，燈泡的點亮與熄滅表示電路輸出的高低電平。

其他門電路也是由各種晶體管構(gòu)成，不同的輸入，有不同的輸出，構(gòu)成各種功能。各種門電路通過復(fù)雜的組合就成了CPU了。然后用CPU完成各種復(fù)雜計算的。

加法器

有了CPU，我們用它來算一道小學(xué)生算術(shù)題1+1=2，看看它是怎么計算的，從一個簡單加法器開始，加法器由半加器組成。

半加器

半加器由一個與門和異或門構(gòu)成。不考慮低位進(jìn)位來的進(jìn)位值，只有兩個輸入，兩個輸出。

1+1=2，2在二進(jìn)制中表示為0010。在半加器中：異或門輸入不同的電平(不是同時高或低)，輸出為高，也就是1+0或0+1,輸出1，當(dāng)兩個都輸入為1輸出為0，與門則輸出為1，也就是進(jìn)位?？梢园阉橄蟪梢粋€黑盒子：

全加器

用兩個半加器可以組成一個全加器：

當(dāng)多位數(shù)相加時，半加器可用于最低位求和，并給出進(jìn)位數(shù)。第二位的相加有兩個待加數(shù)(B和進(jìn)位CO)，還有一個來自前面低位送來的進(jìn)位數(shù) (A)。這三個數(shù)相加，得出本位和數(shù)(全加和數(shù))和進(jìn)位數(shù)。同樣可以把它抽象出來：

這個黑盒子就是一個函數(shù)，輸入兩個加數(shù)，相加運(yùn)算，輸出和數(shù)。

如果要計算多位數(shù)的相加，則需要多個全加器以及其他門電路，組合出更復(fù)雜的加法器。減法的運(yùn)算可以用加法來分解：

減法：10 - 5 = 10 +(-5)，須通過反碼，補(bǔ)碼等操作。

其他運(yùn)算器也有相關(guān)的門電路來組成，有關(guān)知識這里不展開。

從加法器我們不難得出，CPU的運(yùn)算是各種門電路的高低電平的輸入和輸出，高電平為1，低電平為0，把我們平常的十進(jìn)制數(shù)字轉(zhuǎn)成二進(jìn)制數(shù)輸入，輸出二進(jìn)制數(shù)。

寄存器

兩個數(shù)字相加用全加器的組合來完成，如果是多個數(shù)字的相加呢?比如1+2+3+4+5+……+100,該怎么完成呢?

按照我們的計算過程來看這個問題，我們先把前兩個數(shù)拿出來相加，得到的和再和第三個數(shù)相加，依次累加到100，轉(zhuǎn)換到單片機(jī)來完成，那就要把所有的相加數(shù)放到一個存儲器中，以便在每次的相加中取出，還要把每次相加的和數(shù)保存起來用到下一次的相加，這就用到了寄存器了。

寄存器-1保存1-100的數(shù)字，寄存器-2保存每次的相加結(jié)果。計算1-100的相加，寄存器-2的初始值為0，依次取出寄存器-1的數(shù)字和寄存器-2的結(jié)果相加：

1+0=1，

2+1=3，

3+3=6，

4+6=10……

鎖存器

但是寄存器是怎么幫我們保存數(shù)據(jù)的呢?這就要鎖存器(Latch)來幫助了，兩個或非門組成了一個最簡單的鎖存器。

簡單的說，這個單元記住了之前S端的輸入1，直到我們把R端設(shè)為1，輸出端Q才變回0。

然后在這個簡單鎖存器加上控制端G和一個輸入端D就變成了D鎖存器：

它有兩個輸入端，分別是一個信號控制G,一個輸入數(shù)據(jù)信號D，一個輸出Q。它的功能就是在G有效的時候把D的值傳給Q，也就是鎖存的過程。

觸發(fā)器

把兩個D鎖存器結(jié)合到一起就成了D觸發(fā)器(DATA flip-flop)。觸發(fā)器也叫雙穩(wěn)態(tài)門，又稱雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，是一種可以在兩種狀態(tài)下運(yùn)行的數(shù)字邏輯電路。

觸發(fā)器一直保持它們的狀態(tài)，直到它們收到輸入脈沖，又稱為觸發(fā)。常見的觸發(fā)器包括：RS 觸發(fā)器、D 觸發(fā)器和 JK觸發(fā)器等，其中D觸發(fā)器最為常用。

當(dāng)鎖存器-1控制G為有效信號時，D的輸入傳到到鎖存器-2的輸入，但是此時鎖存器-2的控制信號不是有效的，所以鎖存器-2的輸出Q沒有改變;當(dāng)鎖存器-1的控制G變?yōu)闊o效，鎖存器-2的控制信號變?yōu)橛行?，鎖存器-2的輸出Q就改變了，也就是觸發(fā)器的D輸入傳到了Q，并且D沒有輸入就一直不變。

時序電路

我們再來看看1—100的累加過程，如果寄存器-1和寄存器-2的存儲速度不一樣，或者運(yùn)算單元取數(shù)不協(xié)調(diào)，也就是寄存器-2沒來得及存儲，或者寄存器-1還沒取出下一個參與運(yùn)算的數(shù)字，則此次的運(yùn)算就會就會出錯，又會影響到下一次的運(yùn)算，這個影響會無限放大到之后的結(jié)果，并且單片機(jī)還有很多外設(shè)需要同步運(yùn)行，這時就需要一個統(tǒng)一指揮來同步各個部分的行動，什么時候該做什么，做到哪一步了。

這個指揮就是時鐘。時鐘電路產(chǎn)生脈沖信號給電路，可以認(rèn)為給一次脈沖信號，單片機(jī)各個部位就動一下，電路就刷新一下，這就做到了行動統(tǒng)一。前面的D鎖存器，D觸發(fā)器G輸入端就是時鐘脈沖信號輸入，控制G輸入信號，進(jìn)而控制Q的輸出，或者記住Q值。這是內(nèi)存最初的樣子。

到此，我們知道了寄存器就是一種時序邏輯電路，但這種時序邏輯電路只包含存儲電路。寄存器的存儲電路是由鎖存器或觸發(fā)器構(gòu)成的，用來暫時存放參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果。

一個鎖存器或觸發(fā)器能存儲1位二進(jìn)制數(shù)，所以由N個鎖存器或觸發(fā)器可以構(gòu)成N位寄存器，一般有8位寄存器、16位寄存器等。它被廣泛的用于各類數(shù)字系統(tǒng)和計算機(jī)中。

運(yùn)行程序

有了前面的鋪墊，我們來分析一下，代碼從是怎么被單片機(jī)識別的，并轉(zhuǎn)換成功能輸出的。

首先工程師把代碼邏輯寫好，再編譯成單片機(jī)的可執(zhí)行程序，這個可執(zhí)行程序?qū)嶋H上就是變成由0，1組成的按一定規(guī)律排列好的二進(jìn)制數(shù)，再用燒錄器寫進(jìn)單片機(jī)。

單片機(jī)內(nèi)部就是由我們前面學(xué)的門電路的各種組合，門電路也由半導(dǎo)體器件構(gòu)成，這些半導(dǎo)體PN結(jié)是一種特殊的熔絲?？瞻椎膯纹瑱C(jī)內(nèi)部是矩陣排列的熔絲，在燒錄過程，程序中0的地方就熔斷，1的地方就導(dǎo)通。燒錄好之后，單片機(jī)就有了邏輯功能。

執(zhí)行程序過程：從程序存儲區(qū)讀取程序指令——分析指令——執(zhí)行指令。

讀取指令：就是根據(jù)程序計算器(PC)的地址取出相應(yīng)的指令，送到指令寄存器。

分析指令：將指令寄存器中的指令操作碼取出后進(jìn)行譯碼，分析其指令性質(zhì)。如指令是我們之前的加法運(yùn)算中的取加數(shù)，則尋找加數(shù)的地址。

執(zhí)行指令：無非是把一條二進(jìn)制代碼，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(高低電平)，操作邏輯門電路，就像我們的加法器一樣輸入輸出。把經(jīng)過邏輯門運(yùn)算的結(jié)果輸出，把單片機(jī)的相關(guān)引腳電平輸出高或低。

也就是單片機(jī)上電開機(jī)，單片機(jī)處于初始狀態(tài)，可以認(rèn)為初始狀態(tài)中程序計算器(PC)就有了第一個指令地址，在時序電路作用下，送到指令寄存器，分析指令，執(zhí)行指令，輸出功能，如此循環(huán)。單片機(jī)就這樣自動進(jìn)入執(zhí)行程序過程。

當(dāng)然單片機(jī)運(yùn)行的過程是很復(fù)雜的，這里只是個人簡單的理解，總結(jié)。

從晶體管組合成邏輯電路，邏輯電路組合成單片機(jī)，再從單片機(jī)在到現(xiàn)在的計算機(jī)，超級計算機(jī)，是一個不斷積累，不停進(jìn)步的過程。想要你的人生也是這樣的精彩過程嗎，找我領(lǐng)取資料，開啟與導(dǎo)師的一對一互動，進(jìn)入高階學(xué)習(xí)，成就精彩人生。