李卓遠(yuǎn)

【摘要】單片機(jī)即單片微型計(jì)算機(jī)，就功能而言，單片機(jī)相當(dāng)于一個(gè)小型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備構(gòu)成。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)的性能迅速提高。目前單片機(jī)在工業(yè)控制、智能家電、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等的應(yīng)用屢見(jiàn)不鮮。本文將從單片機(jī)的結(jié)構(gòu)，工作過(guò)程，應(yīng)用等方面對(duì)單片機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī) 微電子技術(shù) 運(yùn)算器 存儲(chǔ)器

引言：

單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)稱，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM等功能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)，是典型的微控制器。就功能而言，這個(gè)硅片可以完成計(jì)算機(jī)所具備的數(shù)據(jù)輸入輸出、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。但是跟計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件。工業(yè)領(lǐng)域最早使用了單片機(jī)實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制。

1、單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

單片機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備構(gòu)成。運(yùn)算器的功能相當(dāng)于我們生活中常見(jiàn)的計(jì)算器，但是操作不一樣，我們平常使用的計(jì)算器都是十進(jìn)制的，單片機(jī)所做的數(shù)據(jù)處理都是二進(jìn)制的，所以通常情況下數(shù)據(jù)都被換算成八位二進(jìn)制再傳給單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算。運(yùn)算器由算術(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(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算操作的，起到計(jì)算的作用。寄存器和累加器是用來(lái)暫時(shí)存放計(jì)算過(guò)程中所用到的操作數(shù)、結(jié)果和信息的，一般我們將輸入的兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)分別存放在寄存器和累加器，再由ALU進(jìn)行計(jì)算操作。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，完成了一次計(jì)算。控制器是發(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?？刂破飨喈?dāng)于單片機(jī)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(dāng)給單片機(jī)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(yīng)的操作控制信號(hào)，執(zhí)行任務(wù)。輸入輸出設(shè)備即單片機(jī)的引腳，單片機(jī)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(shí)意義上的數(shù)據(jù)，可能是燈光閃爍信號(hào)也可能是蜂鳴器報(bào)警。

2、單片機(jī)的工作過(guò)程

單片機(jī)自動(dòng)完成賦予它的任務(wù)的過(guò)程，也就是單片機(jī)執(zhí)行程序的過(guò)程，即一條條執(zhí)行的指令的過(guò)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(xiě)下來(lái)。當(dāng)單片機(jī)輸入指令時(shí)，單片機(jī)按照指令執(zhí)行。指令有特定的語(yǔ)法規(guī)則，是設(shè)計(jì)人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的，一條指令對(duì)應(yīng)著一種基本操作；單片機(jī)所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機(jī)的指令系統(tǒng)，不同種類(lèi)的單片機(jī)，其指令系統(tǒng)亦不同。為使單片機(jī)能自動(dòng)完成某一特定任務(wù)，必須把要解決的問(wèn)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(yù)先存放在具有存儲(chǔ)功能的部件——存儲(chǔ)器中。存儲(chǔ)器由許多存儲(chǔ)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(gè)房間的被分配到了唯一一個(gè)房間號(hào)一樣，每一個(gè)存儲(chǔ)單元也必須被分配到唯一的地址號(hào)，該地址號(hào)稱為存儲(chǔ)單元的地址，這樣只要知道了存儲(chǔ)單元的地址，就可以找到這個(gè)存儲(chǔ)單元，其中存儲(chǔ)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(jī)在執(zhí)行程序時(shí)要能把這些指令一條條取出并加以執(zhí)行，必須有一個(gè)部件能追蹤指令所在的地址，這一部件就是程序計(jì)數(shù)器PC（包含在CPU中），在開(kāi)始執(zhí)行程序時(shí)，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(huì)自動(dòng)增加，增加量由本條指令長(zhǎng)度決定，可能是1、2或3，每執(zhí)行完一條指令，就會(huì)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(jī)在生活中的應(yīng)用

（1）單片機(jī)在智能儀器儀表中的應(yīng)用。單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類(lèi)型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、壓力等物理量的測(cè)量。采用單片機(jī)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(qiáng)大。以生活中常見(jiàn)的煙霧報(bào)警器為例，將蜂鳴器、傳感器等電子器件連接到單片機(jī)的引腳上，單片機(jī)起核心控制作用。給單片機(jī)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(hào)傳送給單片機(jī)，如果煙霧濃度達(dá)到設(shè)定最大值，單片機(jī)則將報(bào)警信號(hào)傳給蜂鳴器，蜂鳴器報(bào)警。

（2）單片機(jī)在工業(yè)控制中的應(yīng)用。單片機(jī)可以經(jīng)過(guò)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(bào)警系統(tǒng)、煙霧報(bào)警器等都離不開(kāi)單片機(jī)的控制作用。如智能電梯，使用過(guò)程中按下的樓層就是一個(gè)輸入信號(hào)，給定單片機(jī)內(nèi)部特定的指令后，按下樓層，樓層信息傳遞到單片機(jī)內(nèi)部，單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)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(jī)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用?，F(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制。

（4）單片機(jī)在各種大型電器中的模塊化應(yīng)用。某些專(zhuān)用單片機(jī)設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)特定功能，從而在各種電路中進(jìn)行模塊化應(yīng)用，而不要求使用人員了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如音樂(lè)集成單片機(jī)，看似簡(jiǎn)單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機(jī)的原理），就需要復(fù)雜的類(lèi)似于計(jì)算機(jī)的原理。如：音樂(lè)信號(hào)以數(shù)字的形式存于存儲(chǔ)器中（類(lèi)似于ROM），由微控制器讀出，再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬音樂(lè)電信號(hào)（類(lèi)似于聲卡）。在大型電路中，這種模塊化應(yīng)用極大地縮小了體積，簡(jiǎn)化了電路，降低了損壞、錯(cuò)誤率，也方便于更換。

結(jié)語(yǔ)：

隨著科技的發(fā)展，單片機(jī)的性能改善是必然的結(jié)果，單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有單片機(jī)的蹤跡。單片機(jī)的應(yīng)用在很大程度上會(huì)便利我們?nèi)祟?lèi)生活。單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。