單片機（Micro Control Unit）：全稱微型控制單元，簡稱單片機(MCU)，從字面意思我們可以了解到，它就是一個微型的計算機系統(tǒng)。然后我們下面通過對比來了解下它為什么時一個微型計算機系統(tǒng)。

電腦主板

? ? ?我們首先來看下我們熟悉的電腦主板，可能有人會問，我是來學(xué)單片機的，你給我介紹主板干嘛？我們這里是用主板來做一個類比，我們看了上面一大堆東西，估計很多人用了很長時間的也不知道單片機和代碼是怎么回事。

? ? ?我這里找了一張電腦主板的電路框圖，這個是比較老的一個主板，DDR2內(nèi)存的，從下面框圖中我們大概可以看到大的板塊包括CPU,北橋，南橋；其中南橋下面主要掌管著這些低速設(shè)備USB,PCI,SATA,BIOS等外設(shè)。

手機"CPU"

? ? ?這里CPU之所以加了引號是因為CPU指的是中央處理單元，而我們手機的處理器不僅僅只有中央處理功能。這是2021年5月最新版的聯(lián)發(fā)科天璣900處理器，我們再看下左邊的介紹，有CPU,GPU,5G和WIFI模組，還有人工智能APU；對比下主板是不是發(fā)現(xiàn)有什么共同點。沒錯，手機處理器將這些外設(shè)全部集成到一個芯片里面去了，其實像現(xiàn)在最新CPU也是朝著這個方向做的，目前已經(jīng)有很多CPU把顯卡集成進去了。

? ?那么我們可以思考一下，我其實并不需要電腦CPU和手機處理器這么強悍的性能和諸多功能，我只要控制個I/O、串口通信等。那些不要的東西給它裁剪掉，加上簡單的計算單元，然后把它的可靠性提高，你說可以不？答案肯定是可以的，這也代表著我們思考的問題跟這些計算機科學(xué)家思考的問題是一致的????。我們接著往下看。

單片機內(nèi)部組成

? ? ?我們看下圖中在校期間和教科書上用的最多的51單片單片機，同樣包含CPU（8051內(nèi)核），SRAM(內(nèi)存)可憐的1K，閃存(硬盤)也只有區(qū)區(qū)的幾十K，然后外圍的模塊基本就是下載代碼用的ISP，EEPROM，看門狗，復(fù)位模塊，串口模塊，中斷模塊，基本輸入輸出I/O模塊。

因為單片機主要應(yīng)用在一些對價格比較敏感的領(lǐng)域，所以這類單片機種類也比較多，像51是我們常用的單片機，主要應(yīng)用的場合有數(shù)碼家電(洗衣機，電飯鍋，電磁爐，微波爐)，工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)?，但是隨著它的價格優(yōu)勢下降和易上手程度，慢慢的市場被32位單片機被取代，我們看下圖大家熟知的STM32是不是感覺比51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜很多,51單片機有的外設(shè)它都有，并且這些模塊更強大的；51單片機沒有的模塊它也有，調(diào)試功能模塊，RTC模塊，USB模塊，CAN總線模塊，ADC，SPI，I2C等等 。

? ? ?我們再來看下MCU與人的一個對比，CPU相當(dāng)于是人的大腦，用來處理來自各個模塊的信息，然后I/O輸出就相當(dāng)于人的手，CPU+RAM+FLASH相當(dāng)于人的大腦，I/O輸入和A/D則相當(dāng)于人的皮膚和眼睛用來接收外界的溫度，圖像信息輸入；而串口、SPI、I2C等總線則相當(dāng)于耳朵和嘴巴的配合，一方面接收其它控制器發(fā)送過來的信息，另外一方面將要傳遞的信息發(fā)送出去。

單片機是如何工作的？

先舉一個例子：我們要住酒店，我們是通過什么來找到你要住哪個位置的，是的，那就是房間號，這個房間號是酒店預(yù)先編好的。然后我們通過唯一的房間號，可以找到這個房間；如果這是我們的公司，我們每個大的房間里面都是一些職能小組在里面辦公，然后我們的項目管理員接受到領(lǐng)導(dǎo)的指令后，就不斷的去每個房間找相應(yīng)的職能部門來完成任務(wù)。

? ? ?那么我們單片機也一樣，我們所有的外設(shè)都是掛在單片機的可以訪問的地址上，我們要對單片機進行預(yù)先定義地址，不然我們就找不到哪個設(shè)備對應(yīng)那個地址，也就沒辦法操作。其實單片機地址是我們虛構(gòu)出來的，為了便于實際使用中的方便而已。

CPU是如何執(zhí)行程序的？

1、我們先來看下兩位全加器

A = 01B = 1H

B = 11B = 3H

A + B = 1 + 3 = 4 = 100B

Proteus仿真文件：

鏈接：https://pan.baidu.com/s/18HpW-4B-JH5bCi1ejWVjkA?

提取碼：zn8f?

為了方便更多比特位的運算，我們使用內(nèi)部集成8個全加器芯片74283來運算

DATA1 = 0000 0101B = 5H

DATA2 = 0000 1010B = 10H

SUM ? ?= 0000 1111B = 15H

Proteus仿真文件：

鏈接：https://pan.baidu.com/s/11GWChNuA5jYWqUWm2LJDWQ?

提取碼：kjp0?

2、那么數(shù)字電路是如何進行加減乘除運算的？

注意：我們這里不考慮一些特殊的情況，我們8位數(shù)最大能表示的數(shù)為255，所以只考慮數(shù)值小于255的情況，更深入的探討大家可以去尋找更專業(yè)的資源學(xué)習(xí)。

加法運算：

假設(shè)我們要進行8+13運算：

十進制運算：8+13= 21；

二進制運算：0000 1000 + 0000 1101 ?= 00010101；

我們通過8位全加器來驗證下

減法運算：

? ? ?加法是進位，減法需要考慮的則是借位，小學(xué)時對加減法的經(jīng)驗是這樣的，但是計算機不是這么處理的。計算機只有加法，沒有減法。那么 int a = b - c 是怎么得出來結(jié)果的呢？首先要了解一個概念——補碼。

? ? ?計算機中對于有符號數(shù)，用最高位作為符號位，“0” 代表 “+” ，“1” 代表 “負號-” ；其余數(shù)位用作數(shù)值位，代表數(shù)值。比如 Byte 類型的取值范圍為 -128 ~ 127。其中，表示數(shù)值的只有 7 位，首位表示正負。

? ?補碼規(guī)定，正數(shù)和 0 的補碼就是其原碼（原碼、反碼的定義這里就不多贅述），負數(shù)的補碼是其正數(shù)的原碼取反再加 1 。

舉個例子，求負 -10 的補碼：十進制 10 的原碼（按 8 位舉例）為 0000 1010，其反碼為 1111 0101，取反后再加 1 即為其補碼1111 0110。因此，負10 的補碼為 1111 0110。

不知道寫到這里，大家有沒有發(fā)現(xiàn)什么端倪？我們再回到減法計算來，a = b - c 實際上等同于a = b + ( -c )。

情形1，減數(shù)>被減數(shù)

• 12 - 5= 0000 1100 + 1111 1011= (1)0000 0111= 7 括號里為進位，因為只有 8 位，所以高于 8 位的進位要去掉。

• （-5 ）二進制： 000 0101；

• 反碼：1111 1010；

• 補碼 = 反碼+1：1111 1011

• 最終通過加入反相電路和加1電路得到的最終結(jié)果，進位去掉后為0000 0111換算成10近制就是7

情形2，減數(shù)>被減數(shù)

• 再來計算下7 - 9= 0000 0111 + 1111 0111= 1111 1110= -2

• （-9）二進制：0000 1001，

• 反碼：1111 0110，

• 補碼：1111 0111

• 然后得到的是負數(shù)，我們又要把它反回來

• 補碼-1：1111 1110-1 = 1111 1101

• 反碼反過來：0000 0010

• 0000 0111 + 1111 1101

通過這兩個例子是不是就清楚了計算機是如何計算減法的了？

乘法運算：

通過說減法，我們是不是對乘法也有一定的啟發(fā)了呢？乘法其實就是循環(huán)的加法。比如 5 * 3 實際上就是 5 + 5 + 5。貌似就說完了。實際上不僅僅如此的?，F(xiàn)在有一個電子器件叫做乘法器，其可以實現(xiàn)二進制的乘法、除法等運算。我們同樣以 5 * 3 做為例子，講解一下乘法器計算乘法的流程。

• 5 * 3 = 0000 0101 ?* ?0000 0011

• 第一步：5 + 5 = 10

• 00000 0101 + 0000 0101 = 0000 1010

• 第二步：10 + 5 = 15

• 0000 0101 + 0000 1010 = 0000 1111

小提示：當(dāng)然也可以通過移位電路來運輸也是可以的，這里就不舉例子了

? ? ?雖然CPU中有乘法器，但是我們發(fā)現(xiàn)實際的最終操作流程還是加法和位移操作計算的乘法運算。我們寫的代碼中的乘法到底是用乘法器運算還是轉(zhuǎn)化成加法運算，我們也并不太確定，有些編譯器編譯的時候會對代碼進行優(yōu)化，選取最優(yōu)的一種算法來計算結(jié)果。

除法運算：

除法可以通過減法來實現(xiàn)，比如 10 / 3 等價于 10 一直減 3 直到被減數(shù)小于 3 ，減了 3 次，那么 10 / 3 的結(jié)果就為 3 了，余數(shù)為減完剩下的值 1 。

其實上面已經(jīng)提到了乘法器，除法的原理同樣也類似（這里不說浮點數(shù)的除法，只說整數(shù)的除法），但是稍微復(fù)雜一點。

同樣我們舉個例子來說明一下。

• 10 / 3 = 000 1010 / 0000 0011

• 第一步：10 - 3 = 7

• 000 1010 - 0000 0011 = 0000 0111

• 第二步：7 - 3 = 4

• 0000 0111 - 0000 0011 = 0000 0100

• 第三步：4 - 3 = 1，通過比較大小，不能再繼續(xù)減下去。

• 0000 0100 - 0000 0011 = 0000 0001

小提示：這里只是展示其中一種除法運算，大家可以去思考其他方式的除法運算，比如說使用移位方式。

然后我們再來看一個完整的CPU計算電路

感興趣的小伙伴可以參考下面這個鏈接：

http://www.buthowdoitknow.com/but_how_do_it_know_cpu_model.html

這里面包含有完整的8位與運算電路，或運算電路，右移運算電路，左移運算電路，還有加法運算電路等，我們實際運算的時候就通過取到的指令通過內(nèi)部解碼來決定當(dāng)前操作是進行加法操作，還是移位操作，又或是對外部I/O進行鎖存操作。

然后這里面我們發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的運算會產(chǎn)生中間數(shù)據(jù)，比如說乘法，除法，要計算好幾次才能得到結(jié)果，所以我們就需要寄存器來臨時存儲這些數(shù)據(jù)，這樣我們就可以計算了。

單片機執(zhí)行整個程序流程分解

我們以這個代碼為例來詳細講解下。

我們再來看下匯編指令,我們的程序從main函數(shù)開始執(zhí)行

小提示：我們的單片機默認都是跳轉(zhuǎn)到main函數(shù)處執(zhí)行

第一步：取指令

C:0x0019 C280

PC計數(shù)器指向讀取指令的地址，然后存儲到指令寄存，通過指令解碼器解碼后輸送給運算單元，執(zhí)行相應(yīng)操作. 示例：我們的單片機程序一般都是直接跳轉(zhuǎn)到main函數(shù),這時PC = 0x0019地址里面的指令是C280

第二步：解碼

CLR LED(0x80.0)

? ?指令寄存器中的指令通過譯碼電路進行譯碼，然后CPU根據(jù)譯碼的結(jié)果來執(zhí)行加減乘除，移位等操作，示例：通過譯碼器電路我們得知C280代表的意思是C2表示清除位指令

第三步：執(zhí)行

? ?在執(zhí)行階段會根據(jù)指令的類型，將算數(shù)/邏輯單元(ALU)用于不同的目的。對其他指令，它會作為一個加法器來計算增加或減少棧指針，或者計算有效地址，或者只是簡單地加0，將一個輸入傳遞到輸出

示例：這里相當(dāng)于是清除0x80的第0位，也就是將P0.0置低，然后PC更新PC的值，沒有對PC值進行操作的話，它就自動累加這里自動累加后是0x001B,然后繼續(xù)第一步循環(huán)操作就完成了我們整個程序的一個執(zhí)行。

這里只是給出大致的程序執(zhí)行方式，省略了很多細節(jié)操作，大家可以進一步參考更詳細的程序執(zhí)行過程。

晶振在單片機中是起什么作用？

上面的運算，我們都是通過手動的方式來進行的， 我們知道數(shù)字電路本身是不工作的，它也不能工作，否則電路就會出亂子，它必須依賴其它電路產(chǎn)生的高低電平才能驅(qū)動它工作，我們把這種有規(guī)律的高低電平定為脈沖，單片機也是數(shù)字電路，它又是怎么工作的？我們必須要有一個能源源不斷產(chǎn)生脈沖的電路，它才能持續(xù)不斷的工作下去，這也就是晶振在單片機電路中為什么被稱作為“心臟”的原因，我們把這個“心臟”去掉，相應(yīng)的整個單片機系統(tǒng)也會罷工。

? ? ?為什么有些單片機沒有晶振？我們知道單片機工作只要有持續(xù)不斷的脈沖輸入就行，我們有些場合對單片機沒有精確的時間要求，所以一般使用內(nèi)部自帶的振蕩器為單片機提的時鐘脈沖也能確保單片機正常工作，所以在有些地方我們就看不到晶振。那是因為內(nèi)部自帶了RC振蕩電路。

復(fù)位：CPU執(zhí)行程序需要有一個初始狀態(tài)，通過復(fù)位可以進入到一個初始狀態(tài)。這樣單片機知道自己的起始位置，它才能按照既定的方式運行程序。