单片机是什么？单片机结构组成及作用

20世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。但大家了解单片机吗？其作用又是什么？下面一起跟着小GOO来看看单片机定义和单片机结构组成及作用。

    1.基本概念

    单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/O）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。这种微型计算机因其制作在一块芯片上而被称为单片机。单片机是大规模集成电路技术发展的产物。单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等突出优点。

    单片机的设计目标主要是增强“控制”能力，满足实时控制（就是快速反应）方面的需要。因此，它在硬件结构、指令系统、I/O端口、功率消耗及可靠性等方面均有其独特之处，其最显著的特点之一就是具有非常有效地控制功能。因此，单片机又常常被人称为微控制器（MCU或μC）。

    2.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。单片机可以尽可能地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，单片机的寻址以突破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是产品，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，有的以突破1.2V或0.9V下工作；功耗至未按级，一个纽扣电池就可以使其长期使用。

    3.基本结构

    1、运算器

    运算器由运算部件——算术逻辑单元（Arithmetic&LogicalUnit，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，以便于执行规定的动作。

    （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、输入输出接口电路连接。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地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及程序的首地址）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。

    以上文章详细地介绍了单片机的基本概念、结构组成及作用。单片机发展先后经历了4位、8位、16位和32位等阶段。8位单片机由于功能强，被广泛用于工业控制、智能接口、仪器仪表等各个领域，此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。