從20世紀(jì)90年代開始，單片機(jī)技術(shù)就已經(jīng)發(fā)展起來，隨之時(shí)期的發(fā)展與高新科技的發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)階段該技術(shù)性的實(shí)踐活動(dòng)運(yùn)用日趨成熟期，單片機(jī)設(shè)計(jì)被運(yùn)用于各行各業(yè)。目前，大家愈來愈高度重視單片機(jī)設(shè)計(jì)在智能設(shè)備技術(shù)性層面的開發(fā)設(shè)計(jì)和運(yùn)用，單片機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)到到新的時(shí)期，不論是自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)還是智能儀表的實(shí)踐活動(dòng)，都能見到單片機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)性的背影。但大家了解單片機(jī)嗎?其的作用又是什么?下面一起來看看：
1.基本概念
單片機(jī)(Single-Chip Microcomputer)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能(可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
單片機(jī)又稱單片微控制器，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。
圖1 單片機(jī)
2.特點(diǎn)
2.1具有優(yōu)異的性價(jià)比
單片機(jī)的這種高性能、低價(jià)格是它最顯著的一個(gè)特點(diǎn)。單片機(jī)可以盡可能的應(yīng)用所需要的存儲(chǔ)器，各種功能的I/O口都集成在一個(gè)芯片內(nèi)，使之成為名副其實(shí)的單片機(jī)。有的單片機(jī)為了提高速度和執(zhí)行效率，開始采用了RISC流水線和DSP的技術(shù)。使單片機(jī)的性能明顯的優(yōu)于同性能的微處理器，有的單片機(jī)ROM可達(dá)64KB，片內(nèi)可達(dá)2KB，單片機(jī)的尋址以突破64KB的限制，八位和十六位單片機(jī)尋址可達(dá)1MB和16MB。
單片機(jī)的另一個(gè)顯著的特點(diǎn)是量大面廣，因?yàn)槭澜缟细鞔蠊驹谔岣邌纹瑱C(jī)性能的同時(shí)，進(jìn)一步降低價(jià)格，性能/價(jià)格之比是各個(gè)公司競(jìng)爭(zhēng)的主要策略。
2.2集成度高、體積小、可靠性高
單片機(jī)把各個(gè)功能部件都集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連接，大大提高了單片機(jī)的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣的環(huán)境下工作。
2.3控制功能強(qiáng)
單片機(jī)是電子計(jì)算機(jī)這個(gè)龐大家庭的一個(gè)特是產(chǎn)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(yè)控制的要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中有極其豐富的轉(zhuǎn)移指令，I/O口的邏輯操作以及為處理器功能。單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微型計(jì)算機(jī)。
2.4低電壓、低功耗
單片機(jī)大量應(yīng)用于便攜式產(chǎn)品和家用消費(fèi)產(chǎn)品，低電壓和低功耗的特點(diǎn)尤為重要。許多單片機(jī)已可以在2.3.V的電壓下運(yùn)行，有的以突破1.2V或0.9V下工作;功耗至微按級(jí)，一個(gè)紐扣電池就可以使其長(zhǎng)期使用。
圖2 單片機(jī)外形
3.基本結(jié)構(gòu)
3.1運(yùn)算器
運(yùn)算器由運(yùn)算部件——算術(shù)邏輯單元(Arithmetic & Logical Unit，簡(jiǎn)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(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算，輸入來源為兩個(gè)8位數(shù)據(jù)，分別來自累加器和數(shù)據(jù)寄存器。ALU能完成對(duì)這兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減、與、或、比較大小等操作，最后將結(jié)果存入累加器。例如，兩個(gè)數(shù)6和7相加，在相加之前，操作數(shù)6放在累加器中，7放在數(shù)據(jù)寄存器中，當(dāng)執(zhí)行加法指令時(shí)，ALU即把兩個(gè)數(shù)相加并把結(jié)果13存入累加器，取代累加器原來的內(nèi)容6。
運(yùn)算器有兩個(gè)功能：
(1) 執(zhí)行各種算術(shù)運(yùn)算。
(2) 執(zhí)行各種邏輯運(yùn)算，并進(jìn)行邏輯測(cè)試，如零值測(cè)試或兩個(gè)值的比較。
運(yùn)算器所執(zhí)行全部操作都是由控制器發(fā)出的控制信號(hào)來指揮的，并且，一個(gè)算術(shù)操作產(chǎn)生一個(gè)運(yùn)算結(jié)果，一個(gè)邏輯操作產(chǎn)生一個(gè)判決。
3.2控制器
控制器由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序發(fā)生器和操作控制器等組成，是發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”，即協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的操作。其主要功能有：
(1) 從內(nèi)存中取出一條指令，并指出下一條指令在內(nèi)存中的位置。
(2) 對(duì)指令進(jìn)行譯碼和測(cè)試，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)，以便于執(zhí)行規(guī)定的動(dòng)作。
(3) 指揮并控制CPU、內(nèi)存和輸入輸出設(shè)備之間數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向。
微處理器內(nèi)通過內(nèi)部總線把ALU、計(jì)數(shù)器、寄存器和控制部分互聯(lián)，并通過外部總線與外部的存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路聯(lián)接。外部總線又稱為系統(tǒng)總線，分為數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)與各種外圍設(shè)備連接。
3.3主要寄存器
(1)累加器A
圖3 單片機(jī)組成框圖
累加器A是微處理器中使用最頻繁的寄存器。在算術(shù)和邏輯運(yùn)算時(shí)它有雙功能：運(yùn)算前，用于保存一個(gè)操作數(shù);運(yùn)算后，用于保存所得的和、差或邏輯運(yùn)算結(jié)果。
(2)數(shù)據(jù)寄存器DR
數(shù)據(jù)寄存器通過數(shù)據(jù)總線向存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備送(寫)或取(讀)數(shù)據(jù)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(chǔ)器中存儲(chǔ)的一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)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(shù)。指令寄存器是用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，先把它從內(nèi)存中取到數(shù)據(jù)寄存器中，然后再傳送到指令寄存器。當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行給定的指令時(shí)，必須對(duì)操作碼進(jìn)行譯碼，以確定所要求的操作，指令譯碼器就是負(fù)責(zé)這項(xiàng)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(jì)數(shù)器PC
PC用于確定下一條指令的地址，以保證程序能夠連續(xù)地執(zhí)行下去，因此通常又被稱為指令地址計(jì)數(shù)器。在程序開始執(zhí)行前必須將程序的第一條指令的內(nèi)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(zhí)行指令的地址。
(5)地址寄存器AR
地址寄存器用于保存當(dāng)前CPU所要訪問的內(nèi)存單元或I/O設(shè)備的地址。由于內(nèi)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(nèi)存讀/寫操作完成為止。
顯然，當(dāng)CPU向存儲(chǔ)器存數(shù)據(jù)、CPU從內(nèi)存取數(shù)據(jù)和CPU從內(nèi)存讀出指令時(shí)，都要用到地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。同樣，如果把外圍設(shè)備的地址作為內(nèi)存地址單元來看的話，那么當(dāng)CPU和外圍設(shè)備交換信息時(shí)，也需要用到地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。
本文介紹了單片機(jī)的基本概念、特點(diǎn)以及基本結(jié)構(gòu)。單片機(jī)發(fā)展先后經(jīng)歷了4位、8位、16位和32位等階段。8位單片機(jī)由于功能強(qiáng)，被廣泛用于工業(yè)控制、智能接口、儀器儀表等各個(gè)領(lǐng)域，8位單片機(jī)在中、小規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)合仍占主流地位，代表了單片機(jī)的發(fā)展方向，在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。
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