淺談單片機(jī)是如何構(gòu)成的？

現(xiàn)如今，我們生活中的許多電器都使用了單片機(jī)。例如：手機(jī)、電視機(jī)、冰箱、洗衣機(jī)、以及按下開(kāi)關(guān)，LED 就閃爍的兒童玩具。那么，單片機(jī)在這些電器中究竟做了些什么呢？

單片機(jī)是這些電器動(dòng)作的關(guān)鍵，是指揮硬件運(yùn)行的。例如：接收按鈕或按鍵的輸入信號(hào)，按照事先編好的程序，指揮馬達(dá)和 LCD 的外圍功能電路動(dòng)作。

那么，單片機(jī)是如何構(gòu)成的呢？

單片機(jī)是由 CPU、內(nèi)存、外圍功能等部分組成的。如果將單片機(jī)比作人，那么 CPU 是負(fù)責(zé)思考的，內(nèi)存是負(fù)責(zé)記憶的，外圍功能相當(dāng)于視覺(jué)的感官系統(tǒng)及控制手腳動(dòng)作的神經(jīng)系統(tǒng)。

盡管我們說(shuō) CPU 相當(dāng)于人的大腦，但是它卻不能像人的大腦一樣，能有意識(shí)的、自發(fā)的思考。CPU 只能依次讀取并執(zhí)行事先存儲(chǔ)在內(nèi)存中的指令組合（程序）。當(dāng)然 CPU 執(zhí)行的指令并不是“走路”、“講話”等高難度命令，而是一些非常簡(jiǎn)單的指令，象從內(nèi)存的某個(gè)地方“讀取數(shù)據(jù)”或把某個(gè)數(shù)據(jù)“寫(xiě)入”內(nèi)存的某個(gè)地方，或做加法、乘法和邏輯運(yùn)算等等。然而這些簡(jiǎn)單指令的組合，卻能實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的功能。

會(huì)思考的 CPU

讓我們從 CPU 的構(gòu)成來(lái)了解它的作用吧。

* CPU 的作用 *

程序計(jì)數(shù)器

CPU 讀取指令時(shí)需要知道要執(zhí)行的指令保存在內(nèi)存的什么位置，這個(gè)位置信息稱為地址（相當(dāng)于家庭住址）。程序計(jì)數(shù)器（PC）就是存儲(chǔ)地址的寄存器。通常，PC 是按 1 遞增設(shè)計(jì)的，也就是說(shuō)，當(dāng) CPU 執(zhí)行了 0000 地址中的指令后，PC 會(huì)自動(dòng)加 1，變成 0001 地址。每執(zhí)行一條指令 PC 都會(huì)自動(dòng)加 1，指向下一條指令的地址。可以說(shuō)，PC 決定了程序執(zhí)行的順序。

指令解碼電路

指令解碼電路是解讀從內(nèi)存中讀取的指令的含義。運(yùn)算電路是根據(jù)解碼結(jié)果操作的。確切地講，指令解碼電路就是我們?cè)凇?a target="_blank">數(shù)字電路入門(mén)（2）”中學(xué)過(guò)的解碼電路，只不過(guò)電路結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，所以，指令解碼電路的工作原理就是從被符號(hào)化（被加密）的指令中，還原指令。

運(yùn)算電路

運(yùn)算電路也稱為 ALU（Arithmetic and Logic Unit），是完成運(yùn)算的電路。能進(jìn)行加法、乘法等算術(shù)運(yùn)算、也能進(jìn)行 AND、OR 、BIT-SHIFT 等邏輯運(yùn)算。運(yùn)算是在指令解碼電路的控制下進(jìn)行的。通常運(yùn)算電路的構(gòu)成都比較復(fù)雜。

CPU 內(nèi)部寄存器

CPU 內(nèi)部寄存器是存儲(chǔ)臨時(shí)信息的場(chǎng)所。有存儲(chǔ)運(yùn)算值和運(yùn)算結(jié)果的通用寄存器，也有一些特殊寄存器，比如存儲(chǔ)運(yùn)算標(biāo)志的標(biāo)志寄存器等。也就是說(shuō)，運(yùn)算電路進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，并不是在內(nèi)存中直接運(yùn)算的，而是將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)復(fù)制到通用寄存器，在通用寄存器中進(jìn)行運(yùn)算的。