單片機是一種什么器件

從20世紀90年代開始，單片機技術就已經發展起來，隨之時期的發展與高新科技的發展趨勢，現階段該技術性的實踐活動運用日趨成熟期，單片機設計被運用于各行各業。目前，大家愈來愈高度重視單片機設計在智能設備技術性層面的開發設計和運用，單片機設計的發展趨勢進到到新的時期，不論是自動測控系統還是智能儀表的實踐活動，都能見到單片機設計技術性的背影。但大家了解單片機嗎?其的作用又是什么?下面一起來看看：

1.基本概念

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。

單片機又稱單片微控制器，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、為學習、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。

圖1 單片機

2.特點

2.1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，單片機的尋址以突破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。

2.2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。

2.3控制功能強

單片機是電子計算機這個龐大家庭的一個特是產品，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。

2.4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，有的以突破1.2V或0.9V下工作;功耗至微按級，一個紐扣電池就可以使其長期使用。?

圖2 單片機外形

3.基本結構

3.1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。

3.2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，以便于執行規定的動作。

(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。

3.3主要寄存器

(1)累加器A

圖3 單片機組成框圖

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。

本文介紹了單片機的基本概念、特點以及基本結構。單片機發展先后經歷了4位、8位、16位和32位等階段。8位單片機由于功能強，被廣泛用于工業控制、智能接口、儀器儀表等各個領域，8位單片機在中、小規模應用場合仍占主流地位，代表了單片機的發展方向，在單片機應用領域發揮著越來越大的作用。

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