单片机工作原理图，单片机工作原理详解

很多朋友对单片机工作原理图，单片机工作原理详解不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

单片机将中央处理单元（CPU）、存储器、输入和输出集成在一个芯片上。可以说，单片机就是微型计算机，但是它的功能与我们平时使用的计算机不同，而且没有我们平时使用的计算机那么好用。计算机同样强大。

计算机可以一一运行应用程序，单片机可以根据工程师的指令编写可执行文件，实现各种功能。那么，单片机如何知道要执行什么指令、采取什么动作，以及我们的指令是如何被单片机识别的呢？了解这个过程可以加深你对单片机的理解。

中央处理器

首先我们先从CPU的组成说起。 CPU由晶体管组成，晶体管是半导体器件。例如，二极管是最常见的半导体器件。电流只能从正极流向负极，反向被阻止。

晶体管通过各种组合形成门电路：与门、或门、非门、异或门等。门电路又称逻辑门，是数字电路的基础。共门电路及其真值表：

让我们了解一下与门电路：

与门电路可以想象为控制灯泡的两个串联开关。只有当两个开关同时闭合时，灯泡才会点亮。开关代表晶体管的通断，灯泡的点亮和熄灭代表电路输出的高低电平。

其他门电路也是由各种晶体管组成，具有不同的输入和不同的输出，形成各种功能。各种门电路通过复杂的组合就成为CPU。然后利用CPU完成各种复杂的计算。

加法器

有了CPU，我们用它来算一道小学生的算术题，1+1=2，看看它是怎么计算的。我们从一个简单的加法器开始，它由一个半加器组成。

半加器

半加器由与门和异或门组成。无论低位进位的进位值是多少，都只有两个输入和两个输出。

1+1=2，2用二进制表示为0010。半加器中：异或门输入不同电平（不同时高或低），输出为高，即1+0或0+1，输出为1。当两个输入都为1时，输出为0。与门的输出为1，即进位。可以抽象成一个黑盒子：

全加器

一个全加器可以由两个半加器组成：

当多个数字相加时，可以使用半加器将最低数字相加并给出进位数。第二位的加法有两个要相加的数（B和进位CO），以及前一个低位发送的进位数（A）。将这三个数字相加得到根数和（全和）和进位数字。也可以抽象为：

这个黑盒子是一个函数，输入两个加数，进行加法运算，然后输出和。

如果要计算多个数字的加法，则需要多个全加器和其他门电路组合成更复杂的加法器。减法运算可以分解为加法运算：

减法：10 - 5=10 + (-5)，必须通过求逆、求补等运算来完成。

其他算子也是由相关门电路组成，这里不再展开相关知识。

从加法器不难推断出，CPU的操作就是各种门电路的高低电平输入和输出。高电平为1，低电平为0。我们普通的十进制数转换成二进制数进行输入输出。二进制数。

登记

两个数的加法是通过全加器的组合来完成的。如果是多个数字相加怎么办？比如1+2+3+4+5+.+100，怎么完成呢？

按照我们的计算流程看这道题，我们先取出前两个数相加，然后将得到的和与第三个数相加，然后加到100，然后转换到单片机就完成了它。然后我们需要将所有相加的和放在一个内存中，以便每次加法时都可以检索，并且保存每次相加的和以供下次加法时使用。这是使用寄存器的地方。

寄存器1 存储从1 到100 的数字，寄存器2 存储每次加法的结果。计算1-100的加法。寄存器2的初始值为0。将寄存器1中的数字依次与寄存器2中的结果相加：

1+0=1，

2+1=3,

3+3=6,

4+6=10……

闩锁

但是寄存器是如何帮助我们保存数据的呢？这需要闩锁的帮助。两个或非门构成最简单的锁存器。

简单来说，本机记住了之前在S端子处输入的1。直到我们将R 端设置为1，输出端Q 才变回0。

然后给这个简单的锁存器加上一个控制端G和一个输入端D就变成了一个D锁存器：

它有两个输入端，一个用于信号控制G，一个用于输入数据信号D，一个用于输出Q。其作用是在G有效时将D的值传送到Q，即锁存过程。

扳机

将两个D锁存器组合在一起就成为D触发器（DATA触发器）。触发器，也称为双稳态门，是一种可以在两种状态下工作的数字逻辑电路。

触发器保持其状态直到收到输入脉冲（也称为触发）。常见的触发器有：RS触发器、D触发器、JK触发器等，其中D触发器最为常用。

当latch-1控制G为有效信号时，D的输入被传递到latch-2的输入，但此时latch-2的控制信号无效，因此latch-2 Q的输出还没有改变了；当latch-1的控制G无效，latch-2的控制信号有效时，latch-2的输出Q发生变化，即触发器的D输入传给Q，D保持不变无需输入。

时序电路

我们看一下从1到100的累加过程，如果register-1和register-2的存储速度不同，或者运算单元的访问不协调，即register-2还没有来得及存储，或register-1尚未取出。如果计算中涉及到一个数字，那么当前的计算就会出错，并且会影响下一步的计算。这种影响会无限放大到后续的结果，而且单片机还有很多需要同步运行的外设。这时候就需要一个统一的命令来同步各部分的动作，什么时候做什么，已经做到哪一步了。

这个导体就是时钟。时钟电路产生脉冲信号给电路。可以认为，当给定一个脉冲信号时，单片机各部分就会动作，电路就会被刷新。这样就实现了统一行动。前面的D锁存器和D触发器G输入端是时钟脉冲信号输入，控制G输入信号，进而控制Q输出，或者记住Q值。这就是记忆最初的样子。

至此，我们知道寄存器是一个时序逻辑电路，但是这个时序逻辑电路只包含存储电路。寄存器的存储电路由锁存器或触发器组成，用于暂时存储运算中涉及的数据和运算结果。

一个锁存器或触发器可以存储1位二进制数，因此N个锁存器或触发器可以组成一个N位寄存器，一般为8位寄存器、16位寄存器等，广泛应用于各种数字系统中和电脑。

运行程序

有了前面的铺垫，我们来分析一下代码是如何被单片机识别并转换成功能输出的。

首先，工程师编写代码逻辑，然后将其编译成微控制器的可执行程序。这个可执行程序实际上就是把0和1按照一定的规则排列组成的二进制数，然后用编程器写入到单片机中。

微控制器的内部是由我们之前学过的门电路的各种组合组成的。门电路也由半导体器件构成。这些半导体PN结是特殊的保险丝。空白微控制器内部有呈矩阵排列的保险丝。烧录过程中，程序中的0被烧断，1被打开。编程后，单片机具有逻辑功能。

程序执行过程：从程序存储区——读取程序指令，分析指令——执行指令。

读指令：根据程序计算器（PC）的地址取出相应的指令并发送给指令寄存器。

分析指令：取出指令寄存器中的指令操作码并解码，分析其指令属性。如果我们之前的加法运算指令是获取加数，则找到加数的地址。

执行指令：无非是将二进制代码转换成数字信号（高低电平），操作逻辑门电路，像我们的加法器一样进行输入输出。输出逻辑门运算的结果，并输出单片机的相关引脚电平高或低。

也就是说，当单片机上电启动时，单片机处于初始状态。可以认为程序计算器(PC)在初始状态下具有第一指令地址。在时序电路的作用下，送入指令寄存器，解析指令，执行指令，输出函数，如此循环。单片机自动进入执行过程。

当然，运行微控制器的过程是非常复杂的。这里只是我的简单理解和总结。

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