浅谈单片机的结构和应用

李卓远

【摘要】单片机即单片微型计算机，就功能而言，单片机相当于一个小型的计算机系统，由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。随着微电子技术的飞速发展，单片机的性能迅速提高。目前单片机在工业控制、智能家电、计算机网络等的应用屡见不鲜。本文将从单片机的结构，工作过程，应用等方面对单片机进行简要介绍。

【关键词】单片机 微电子技术 运算器 存储器

引言：

单片机是单片微型计算机的简称，是采用超大规模集成电路技术把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，是典型的微控制器。就功能而言，这个硅片可以完成计算机所具备的数据输入输出、数据处理、数据存储等功能。但是跟计算机相比，单片机具有体积小、质量轻、价格便宜的优点，为学习、应用和开发提供了便利条件。工业领域最早使用了单片机实现工业控制。

1、单片机的基本结构

单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。运算器的功能相当于我们生活中常见的计算器，但是操作不一样，我们平常使用的计算器都是十进制的，单片机所做的数据处理都是二进制的，所以通常情况下数据都被换算成八位二进制再传给单片机进行运算。运算器由算术逻辑单元（Arithmetic & Logical Unit，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操作的，起到计算的作用。寄存器和累加器是用来暂时存放计算过程中所用到的操作数、结果和信息的，一般我们将输入的两个二进制数据分别存放在寄存器和累加器，再由ALU进行计算操作。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，完成了一次计算。控制器是发布命令的“决策机构”，即协调和指挥整个微机系统的操作。控制器相当于单片机的大脑，它指挥并控制CPU、内存、和输入输出之间的数据传输方向。当给单片机发出指令后，控制器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，读取指令后，再产生相应的操作控制信号，执行任务。输入输出设备即单片机的引脚，单片机外部都带有引脚，这些引脚可以与其他电子器件连接，起到输入数据、输出数据的作用，输入输出数据并不一定是真实意义上的数据，可能是灯光闪烁信号也可能是蜂鸣器报警。

2、单片机的工作过程

单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把需要执行的各种操作用命令的形式写下来。当单片机输入指令时，单片机按照指令执行。指令有特定的语法规则，是设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令，这一系列指令的集合就成为程序。程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。存储器由许多存储单元组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC之中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，每执行完一条指令，就会直接指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。

3、单片机在生活中的应用

（1）单片机在智能仪器仪表中的应用。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。以生活中常见的烟雾报警器为例，将蜂鸣器、传感器等电子器件连接到单片机的引脚上，单片机起核心控制作用。给单片机内部装载程序后，传感器等器件将烟雾浓度转换成电信号传送给单片机，如果烟雾浓度达到设定最大值，单片机则将报警信号传给蜂鸣器，蜂鸣器报警。

（2）单片机在工业控制中的应用。单片机可以经过硬件系统设计形成具有多功能的控制系统、数据采集系统和数据分配系统。生活中的智能电梯、各种报警系统、烟雾报警器等都离不开单片机的控制作用。如智能电梯，使用过程中按下的楼层就是一个输入信号，给定单片机内部特定的指令后，按下楼层，楼层信息传递到单片机内部，单片机内部进行一系列信息处理，再将指令传给控制电梯升降的引脚，控制电梯的升降。

（3）单片机在计算机网络和通信领域中的应用。现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制。

（4）单片机在各种大型电器中的模块化应用。某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音樂信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，再经过模数转换器将数字信号转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。

结语：

随着科技的发展，单片机的性能改善是必然的结果，单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。单片机的应用在很大程度上会便利我们人类生活。单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。