淺談單片機的結構和應用

李卓遠

【摘要】單片機即單片微型計算機，就功能而言，單片機相當于一個小型的計算機系統(tǒng)，由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備構成。隨著微電子技術的飛速發(fā)展，單片機的性能迅速提高。目前單片機在工業(yè)控制、智能家電、計算機網(wǎng)絡等的應用屢見不鮮。本文將從單片機的結構，工作過程，應用等方面對單片機進行簡要介紹。

【關鍵詞】單片機 微電子技術 運算器 存儲器

引言：

單片機是單片微型計算機的簡稱，是采用超大規(guī)模集成電路技術把中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM等功能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(tǒng)，是典型的微控制器。就功能而言，這個硅片可以完成計算機所具備的數(shù)據(jù)輸入輸出、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲等功能。但是跟計算機相比，單片機具有體積小、質(zhì)量輕、價格便宜的優(yōu)點，為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。工業(yè)領域最早使用了單片機實現(xiàn)工業(yè)控制。

1、單片機的基本結構

單片機由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備構成。運算器的功能相當于我們生活中常見的計算器，但是操作不一樣，我們平常使用的計算器都是十進制的，單片機所做的數(shù)據(jù)處理都是二進制的，所以通常情況下數(shù)據(jù)都被換算成八位二進制再傳給單片機進行運算。運算器由算術邏輯單元（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(shù)據(jù)進行算術或邏輯運算操作的，起到計算的作用。寄存器和累加器是用來暫時存放計算過程中所用到的操作數(shù)、結果和信息的，一般我們將輸入的兩個二進制數(shù)據(jù)分別存放在寄存器和累加器，再由ALU進行計算操作。ALU能完成對這兩個數(shù)據(jù)進行加、減、與、或、比較大小等操作，最后將結果存入累加器，完成了一次計算。控制器是發(fā)布命令的“決策機構”，即協(xié)調(diào)和指揮整個微機系統(tǒng)的操作。控制器相當于單片機的大腦，它指揮并控制CPU、內(nèi)存、和輸入輸出之間的數(shù)據(jù)傳輸方向。當給單片機發(fā)出指令后，控制器從內(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，讀取指令后，再產(chǎn)生相應的操作控制信號，執(zhí)行任務。輸入輸出設備即單片機的引腳，單片機外部都帶有引腳，這些引腳可以與其他電子器件連接，起到輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)的作用，輸入輸出數(shù)據(jù)并不一定是真實意義上的數(shù)據(jù)，可能是燈光閃爍信號也可能是蜂鳴器報警。

2、單片機的工作過程

單片機自動完成賦予它的任務的過程，也就是單片機執(zhí)行程序的過程，即一條條執(zhí)行的指令的過程，所謂指令就是把需要執(zhí)行的各種操作用命令的形式寫下來。當單片機輸入指令時，單片機按照指令執(zhí)行。指令有特定的語法規(guī)則，是設計人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的，一條指令對應著一種基本操作；單片機所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機的指令系統(tǒng)，不同種類的單片機，其指令系統(tǒng)亦不同。為使單片機能自動完成某一特定任務，必須把要解決的問題編成一系列指令，這一系列指令的集合就成為程序。程序需要預先存放在具有存儲功能的部件——存儲器中。存儲器由許多存儲單元組成，就像大樓房有許多房間組成一樣，指令就存放在這些單元里，單元里的指令取出并執(zhí)行就像大樓房的每個房間的被分配到了唯一一個房間號一樣，每一個存儲單元也必須被分配到唯一的地址號，該地址號稱為存儲單元的地址，這樣只要知道了存儲單元的地址，就可以找到這個存儲單元，其中存儲的指令就可以被取出，然后再被執(zhí)行。程序通常是順序執(zhí)行的，所以程序中的指令也是一條條順序存放的，單片機在執(zhí)行程序時要能把這些指令一條條取出并加以執(zhí)行，必須有一個部件能追蹤指令所在的地址，這一部件就是程序計數(shù)器PC（包含在CPU中），在開始執(zhí)行程序時，給PC賦以程序中第一條指令所在的地址，然后取得每一條要執(zhí)行的命令，PC之中的內(nèi)容就會自動增加，增加量由本條指令長度決定，可能是1、2或3，每執(zhí)行完一條指令，就會直接指向下一條指令的起始地址，保證指令順序執(zhí)行。

3、單片機在生活中的應用

（1）單片機在智能儀器儀表中的應用。單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強大。以生活中常見的煙霧報警器為例，將蜂鳴器、傳感器等電子器件連接到單片機的引腳上，單片機起核心控制作用。給單片機內(nèi)部裝載程序后，傳感器等器件將煙霧濃度轉(zhuǎn)換成電信號傳送給單片機，如果煙霧濃度達到設定最大值，單片機則將報警信號傳給蜂鳴器，蜂鳴器報警。

（2）單片機在工業(yè)控制中的應用。單片機可以經(jīng)過硬件系統(tǒng)設計形成具有多功能的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分配系統(tǒng)。生活中的智能電梯、各種報警系統(tǒng)、煙霧報警器等都離不開單片機的控制作用。如智能電梯，使用過程中按下的樓層就是一個輸入信號，給定單片機內(nèi)部特定的指令后，按下樓層，樓層信息傳遞到單片機內(nèi)部，單片機內(nèi)部進行一系列信息處理，再將指令傳給控制電梯升降的引腳，控制電梯的升降。

（3）單片機在計算機網(wǎng)絡和通信領域中的應用。現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為在計算機網(wǎng)絡和通信設備間的應用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制。

（4）單片機在各種大型電器中的模塊化應用。某些專用單片機設計用于實現(xiàn)特定功能，從而在各種電路中進行模塊化應用，而不要求使用人員了解其內(nèi)部結構。如音樂集成單片機，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機的原理），就需要復雜的類似于計算機的原理。如：音樂信號以數(shù)字的形式存于存儲器中（類似于ROM），由微控制器讀出，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬音樂電信號（類似于聲卡）。在大型電路中，這種模塊化應用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯誤率，也方便于更換。

結語：

隨著科技的發(fā)展，單片機的性能改善是必然的結果，單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。單片機的應用在很大程度上會便利我們?nèi)祟惿睢纹瑱C的學習、開發(fā)與應用將造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師。