單片機(jī)基礎(chǔ)知識四問

1.什么是單片機(jī)?

簡單地說，單片機(jī)就是一個(gè)小計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。為了說明清楚這個(gè)問題，得要從計(jì)算機(jī)說起。提到計(jì)算機(jī)，大家可能馬上會想到“顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤”，不過，這不是一個(gè)計(jì)算機(jī)的核心和關(guān)鍵，計(jì)算機(jī)的核心部分在一邊的機(jī)箱里呢。打開機(jī)箱，可以看到，機(jī)箱里有主板、硬盤、光驅(qū)等。仔細(xì)觀察主板，這上面有CPU、內(nèi)存條、BIOS芯片，通常還有25針的打印機(jī)接口等，這些部件都是通過主板上的連線相互連接。

不論計(jì)算機(jī)復(fù)雜程度如何，它總是由運(yùn)算器，控制器，存儲器，輸入/輸出接口，總線這五個(gè)部分組成。通常運(yùn)算器和控制器被做成一塊芯片，也就是CPU(中央處理器)。在計(jì)算機(jī)主板上，內(nèi)存條和BIOS芯片就是存儲器，25針打印機(jī)接口就是輸出/輸出設(shè)備，而總線則被設(shè)計(jì)在主板上，即各部件相互連接的線路。

在一些應(yīng)用場合，人們不需要計(jì)算機(jī)完成十分復(fù)雜的運(yùn)算，但卻希望計(jì)算機(jī)小巧，可靠，價(jià)格低。于是人們就把組成計(jì)算機(jī)的這5個(gè)部分全部集成到一塊芯片上，也說是一塊芯片就能構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，這是一件了不起的事情，于是人們就用這個(gè)特征來為之命名，稱為“單片機(jī)”。

將構(gòu)成一個(gè)計(jì)算機(jī)所需要的5個(gè)部分全部都集成到一塊芯片中，這塊芯片是否要很大、價(jià)格是否很高呢?并非如此。如果要把圖1所示主板上的所有元件都集成到一塊芯片中，那當(dāng)然非常昂貴，可能技術(shù)上也無法實(shí)現(xiàn)，但很多單片機(jī)中所需要用到的功能完全沒必要那么強(qiáng)大，因此很多單片機(jī)體積很小，價(jià)格也很低。如市場上常見的單片機(jī)有8，14，16，18，20，28，40，84等引腳，有些甚至只有6個(gè)引腳，如圖2所示是微芯公司(Microchip)發(fā)布的一款6引腳單片機(jī)。而價(jià)格從幾元到幾十、上百元的都有，有些品種在大批量定購時(shí)甚至可以低至1元以下。

剛接觸到單片機(jī)的人往往會有個(gè)疑惑：既然人們已經(jīng)有能力制造功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，為何還要生產(chǎn)些功能不強(qiáng)的計(jì)算機(jī)?其實(shí)，功能強(qiáng)弱并不是決定是否生產(chǎn)的決定因素，市場需要才是關(guān)鍵。比如，用來控制一臺電箱的計(jì)算機(jī)顯然沒必要使用“奔騰”芯片的強(qiáng)大運(yùn)算能力，只要進(jìn)行非常簡單的計(jì)算，作個(gè)比較，看一看溫度是否在所控制區(qū)間之內(nèi)，然后再做出相應(yīng)的控制就行了。

單片機(jī)在人們的生活中、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中處處有應(yīng)用，例如各定時(shí)裝置、自動控制裝置等。愛好者學(xué)習(xí)單片機(jī)應(yīng)該注意觀察事物，找到自己周圍能夠使用單片機(jī)的場合，從而將學(xué)到的知識應(yīng)用到實(shí)際中去。例如，使用單片機(jī)技術(shù)改造傳統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備、在特定的場合使用單片機(jī)替代PLC等就有著廣闊的應(yīng)用前景;又如，使用單片機(jī)控制電扇、抽油煙機(jī)、空調(diào)等，從而制作出具有更強(qiáng)功能、能夠通用的控制器，也是可以嘗試的。

2.單片機(jī)是如何工作的?

單片機(jī)的工作過程就是一個(gè)不斷“取指令-分析指令-執(zhí)行指令”的過程。單片機(jī)的程序以一條一條指令的形式存放在程序存儲器中，單片機(jī)開始工作后，就從程序存儲器的特定位置開始取指令，然后由單片機(jī)內(nèi)部的控制器對指令進(jìn)行分析，根據(jù)指令要求，進(jìn)行“取數(shù)、送數(shù)、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、跳轉(zhuǎn)”等基本操作中的一種或幾種，這些操作都在一個(gè)規(guī)定的周期中完成，執(zhí)行完了以后，到下一個(gè)存儲器單元中取指令，重復(fù)剛才的操作(當(dāng)然，這些要執(zhí)行的操作具體內(nèi)容可能跟上一次不一樣了)，如此不斷重復(fù)，直到斷電為止。這里所說的“存儲器特定位置”、“規(guī)定的周期”等與單片機(jī)的型號有關(guān)，下面以51系列單片機(jī)為例來說明。

在51系列單片機(jī)中有一個(gè)名為PC的寄存器(就是用來存數(shù)的一個(gè)容器)，在單片機(jī)復(fù)位后，這個(gè)寄存器中的內(nèi)容被置為0000H，單片機(jī)內(nèi)部的控制器總是根據(jù)PC寄存器中的值去相應(yīng)的程序存儲器單元取指令，因此，開機(jī)后，將從0000H單元取第一條指令，分析執(zhí)行，同時(shí)，PC值將作相應(yīng)的調(diào)整，指向?qū)⒁獔?zhí)行的下一條指令的位置，下一條指令的位置在哪里呢?對于51單片機(jī)來說，一條指令可能占用一個(gè)字節(jié)、二個(gè)字節(jié)或三個(gè)字節(jié)，如果第一條指令是單字節(jié)指令，取完第一條指令以后，PC的值就會變?yōu)?001H，因此，第一條指令執(zhí)行完畢以后，將從0001H單元中取出第二條指令來執(zhí)行，以此類推。如果程序是順序執(zhí)行的，PC的值將始終不斷增加，如果程序中有跳轉(zhuǎn)指令，該指令將影響PC中的值，使PC中的值指向?qū)⒁獔?zhí)行的下一條指令所在地址單元。這種跳轉(zhuǎn)既可能是正向的，例如由0000H跳轉(zhuǎn)到0030H，也可能是反向的，即往回跳轉(zhuǎn)，如由200H跳轉(zhuǎn)到100H。正是由于指令可以影響到PC中的值，才使得程序可以實(shí)現(xiàn)“分支”、“循環(huán)”等各種功能。那么，執(zhí)行一條指令的時(shí)間又是多少呢?對于51單片機(jī)來說，指令執(zhí)行時(shí)間有三種可能，單周期、雙周期和四周期，不管一條指令需要做多少工作，都必然在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。