【技术】解析单片机的定义、特点、分类、组成、基本结构和工作原理

单片机也被称为单片微控器，属于一种集成式电路芯片。在单片机中主要包含CPU、只读存储器ROM和随机存储器RAM等，相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。多样化数据采集与控制系统能够让单片机完成各项复杂的运算，无论是对运算符号进行控制，还是对系统下达运算指令都能通过单片机完成。单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。下文会详细介绍什么是单片机，包括其特点、组成部分、工作原理、基本结构、分类等。

什么是单片机

单片机（Single-Chip Microcomputer）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。

概括地讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

单片机的特点

1.具有优异的性价比

单片机的这种高性能、低价格是它最显著的一个特点。单片机可以尽可能的应用所需要的存储器，各种功能的I/O口都集成在一个芯片内，使之成为名副其实的单片机。有的单片机为了提高速度和执行效率，开始采用了RISC流水线和DSP的技术。使单片机的性能明显的优于同性能的微处理器，有的单片机ROM可达64KB，片内可达2KB，单片机的寻址已突破64KB的限制，八位和十六位单片机寻址可达1MB和16MB。

单片机的另一个显著的特点是量大面广，因为世界上各大公司在提高单片机性能的同时，进一步降低价格，性能/价格之比是各个公司竞争的主要策略。

2.集成度高、体积小、可靠性高 

单片机把各个功能部件都集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连接，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣的环境下工作。

3.控制功能强

单片机是电子计算机这个庞大家庭的一个特殊产品，体积虽小，但“五脏俱全”，它非常适合用于专门的控制用途。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中有极其丰富的转移指令，I/O口的逻辑操作以及为处理器功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微型计算机。

4.低电压、低功耗

单片机大量应用于便携式产品和家用消费产品，低电压和低功耗的特点尤为重要。许多单片机已可以在2.3.V的电压下运行，有的已突破1.2V或0.9V下工作；功耗至微安级，一个纽扣电池就可以使其长期使用。 

单片机的分类

单片机（Microcontrollers）作为计算机发展的一个重要分支领域，根据发展情况，从不同角度，单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。

(1)通用型

这是按单片机（Microcontrollers）适用范围来区分的。例如，80C51式通用型单片机，它不是为某种专门用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。

(2)总线型

这是按单片机（Microcontrollers）是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减少封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。

(3)控制型

这是按照单片机（Microcontrollers）大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。显然，上述分类并不是唯一的和严格的。例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。

单片机的组成

单片机的组成部分包括：中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、随机存储器（RAM）、I/O设备。

中央处理器是单片机的核心单元，通常由算术逻辑运算部件（ALU）和控制部件构成。CPU就像人的大脑一样，决定了单片机的运算才能和处理速度。

ROM拿来寄存用户程序，分为EPROM、Mask ROM、OTP ROM和Flash ROM等。ROM一般情况来说能够反复运用，而且掉电内容也还在。

RAM拿来寄存程序运行时的工作变量和数据，由于RAM的制作工艺复杂，价格比ROM高得多，所以单片机的内部RAM非常宝贵，通常仅有几十到几百字节。RAM的内容具有易失性（也称为易挥发性），掉电后数据会丢失。

I/O口就是与外围设备连接，进行数据传输或者控制。

单片机的基本结构介绍

1.运算器

运算器由运算部件—算术逻辑单元（Arithmetic & Logical Unit，简称ALU）、累加器和寄存器等几部分组成。ALU的作用是把传来的数据进行算术或逻辑运算，输入来源为两个8位数据，分别来自累加器和数据寄存器。ALU能完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。例如，两个数6和7相加，在相加之前，操作数6放在累加器中，7放在数据寄存器中，当执行加法指令时，ALU即把两个数相加并把结果13存入累加器，取代累加器原来的内容6。

运算器有两个功能：
(1)执行各种算术运算。
(2)执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。

运算器所执行全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，并且，一个算术操作产生一个运算结果，一个逻辑操作产生一个判决。

2.控制器
控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令的“决策机构”，即协调和指挥整个微机系统的操作。

其主要功能有：
(1)从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置；
(2)对指令进行译码和测试，并产生相应的操作控制信号，以便执行规定的动作；
(3)指挥并控制CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。

微处理器内通过内部总线把ALU、计数器、寄存器和控制部分互联，并通过外部总线与外部的存储器、输入输出接口电路联接。外部总线又称为系统总线，分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。通过输入输出接口电路，实现与各种外围设备连接。

3.主要寄存器
(1)累加器A
累加器A是微处理器中使用最频繁的寄存器。在算术和逻辑运算时它有双功能：运算前，用于保存一个操作数；运算后，用于保存所得的和、差或逻辑运算结果。

(2)数据寄存器DR
数据寄存器通过数据总线向存储器和输入/输出设备送（写）或取（读）数据的暂存单元。它可以保存一条正在译码的指令，也可以保存正在送往存储器中存储的一个数据字节等等。

(3)指令寄存器IR和指令译码器ID
指令包括操作码和操作数。指令寄存器是用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存中取到数据寄存器中，然后再传送到指令寄存器。当系统执行给定的指令时，必须对操作码进行译码，以确定所要求的操作，指令译码器就是负责这项工作的。其中，指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。

(4)程序计数器PC
PC用于确定下一条指令的地址，以保证程序能够连续地执行下去，因此通常又被称为指令地址计数器。在程序开始执行前必须将程序的第一条指令的内存单元地址（即程序的首地址）送入PC，使它总是指向下一条要执行指令的地址。

(5)地址寄存器AR
地址寄存器用于保存当前CPU所要访问的内存单元或I/O设备的地址。由于内存与CPU之间存在着速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存读/写操作完成为止。

显然，当CPU向存储器存数据、CPU从内存取数据和CPU从内存读出指令时，都要用到地址寄存器和数据寄存器。同样，如果把外围设备的地址作为内存地址单元来看的话，那么当CPU和外围设备交换信息时，也需要用到地址寄存器和数据寄存器。

单片机的工作原理
统一的时钟节拍
(1)这里有一个概念叫：同步。同步就是好多个独立的部分按照同一个节奏步调来动，以此来实现一个配合；

(2)和同步相对的一个概念叫异步，异步就是各自干各自的；

(3)单片机的各个模块之间是同步工作的，CPU和存储器和IO和单片机中其他东西这些模块之间通过一个统一的节拍来同步工作，这个统一节拍就是单片机的时钟；

(4)这个时钟节拍对单片机很重要，单片机内部在一个时钟节拍中只能做一件事情。所以单片机要发生一些变化或者做一些事情，最小的时间单位就是1个时钟节拍。单片机的时间单位都是时钟节拍的整数倍；

(5)单片机中的CPU、存储器、IO等都是以时钟节拍为动作节拍的，所以单片机是一个同步系统；

(6)时钟周期的长度（时钟节拍的快慢）影响了单片机的速度，所以这个时钟就叫做单片机的主频。主频越高性能越高，一般PC的主频都是2G多3G多，51单片机的主频MHz级别。一般手机CPU的主频也在1G-2G左右。一般高级单片机如STM32的主频在百MHz级别。