單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和發(fā)展史

　　單片機(jī)又稱單片，它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片，而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I／O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。

　　單片機(jī)中主要包含CPU、只讀存儲(chǔ)器ROM和隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM等，多樣化數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)能夠讓單片機(jī)完成各項(xiàng)復(fù)雜的運(yùn)算，無論是對(duì)運(yùn)算符號(hào)進(jìn)行控制，還是對(duì)系統(tǒng)下達(dá)運(yùn)算指令都能通過單片機(jī)完成。由此可見，單片機(jī)憑借著強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理技術(shù)和計(jì)算功能可以在智能電子設(shè)備中充分應(yīng)用。目前，單片機(jī)被廣泛應(yīng)用在智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器中。

　　單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

　　運(yùn)算器

　　運(yùn)算器由運(yùn)算部件——算術(shù)邏輯單元（Arithmetic＆Logical Unit，簡(jiǎn)稱ALU）、累加器和寄存器等幾部分組成。ALU的作用是把傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算，輸入來源為兩個(gè)8位數(shù)據(jù)，分別來自累加器和數(shù)據(jù)寄存器。ALU能完成對(duì)這兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減、與、或、比較大小等操作，最后將結(jié)果存入累加器。

　　運(yùn)算器有兩個(gè)功能：

　　（1）執(zhí)行各種算術(shù)運(yùn)算。

　　（2）執(zhí)行各種邏輯運(yùn)算，并進(jìn)行邏輯測(cè)試，如零值測(cè)試或兩個(gè)值的比較。

　　運(yùn)算器所執(zhí)行全部操作都是由控制器發(fā)出的控制信號(hào)來指揮的，并且，一個(gè)算術(shù)操作產(chǎn)生一個(gè)運(yùn)算結(jié)果，一個(gè)邏輯操作產(chǎn)生一個(gè)判決。

　　控制器

　　控制器由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序發(fā)生器和操作控制器等組成，是發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”，即協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的操作。其主要功能有：

　　（1）從內(nèi)存中取出一條指令，并指出下一條指令在內(nèi)存中的位置。

　　（2）對(duì)指令進(jìn)行譯碼和測(cè)試，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)，以便于執(zhí)行規(guī)定的動(dòng)作。

　　（3）指揮并控制CPU、內(nèi)存和輸入輸出設(shè)備之間數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向。

　　內(nèi)通過內(nèi)部總線把ALU、計(jì)數(shù)器、寄存器和控制部分互聯(lián)，并通過外部總線與外部的存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路聯(lián)接。外部總線又稱為系統(tǒng)總線，分為數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB和控制總線CB。通過輸入輸出接口電路，實(shí)現(xiàn)與各種外圍設(shè)備連接。

　　主要寄存器

　　（1）累加器A

　　累加器A是微處理器中使用最頻繁的寄存器。在算術(shù)和邏輯運(yùn)算時(shí)它有雙功能：運(yùn)算前，用于保存一個(gè)操作數(shù)；運(yùn)算后，用于保存所得的和、差或邏輯運(yùn)算結(jié)果。

　　（2）數(shù)據(jù)寄存器DR

　　數(shù)據(jù)寄存器通過數(shù)據(jù)總線向存儲(chǔ)器和輸入／輸出設(shè)備送（寫）或取（讀）數(shù)據(jù)的暫存單元。它可以保存一條正在譯碼的指令，也可以保存正在送往存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)等等。

　　（3）指令寄存器IR和指令譯碼器ID

　　指令包括操作碼和操作數(shù)。

　　指令寄存器是用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，先把它從內(nèi)存中取到數(shù)據(jù)寄存器中，然后再傳送到指令寄存器。當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行給定的指令時(shí)，必須對(duì)操作碼進(jìn)行譯碼，以確定所要求的操作，指令譯碼器就是負(fù)責(zé)這項(xiàng)工作的。其中，指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入。

　　（4）程序計(jì)數(shù)器PC

　　PC用于確定下一條指令的地址，以保證程序能夠連續(xù)地執(zhí)行下去，因此通常又被稱為指令地址計(jì)數(shù)器。在程序開始執(zhí)行前必須將程序的第一條指令的內(nèi)存單元地址（即程序的首地址）送入PC，使它總是指向下一條要執(zhí)行指令的地址。

　　（5）地址寄存器AR

　　地址寄存器用于保存當(dāng)前CPU所要訪問的內(nèi)存單元或I／O設(shè)備的地址。由于內(nèi)存與CPU之間存在著速度上的差異，所以必須使用地址寄存器來保持地址信息，直到內(nèi)存讀／寫操作完成為止。

　　顯然，當(dāng)CPU向存儲(chǔ)器存數(shù)據(jù)、CPU從內(nèi)存取數(shù)據(jù)和CPU從內(nèi)存讀出指令時(shí)，都要用到地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。同樣，如果把外圍設(shè)備的地址作為內(nèi)存地址單元來看的話，那么當(dāng)CPU和外圍設(shè)備交換信息時(shí)，也需要用到地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。

　　單片機(jī)的發(fā)展史

　　1971年，intel公司研制出世界上第一個(gè)4位的微處理器；Intel公司的霍夫研制成功世界上第一塊4位微處理器芯片Intel 4004，標(biāo)志著第一代微處理器問世，微處理器和微機(jī)時(shí)代從此開始。因發(fā)明微處理器，霍夫被英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)家》雜志列為“二戰(zhàn)以來最有影響力的7位科學(xué)家”之一。

　　1971年11月，Intel推出MCS－4微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微處理器）其中4004（下圖）包含2300個(gè)晶體管，尺寸規(guī)格為3mm×4mm，計(jì)算性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)年的ENIAC，最初售價(jià)為200美元。

　　1972年4月，霍夫等人開發(fā)出第一個(gè)8位微處理器Intel 8008。由于8008采用的是P溝道MOS微處理器，因此仍屬第一代微處理器。

　　1973年，intel公司研制出8位的微處理器8080；1973年8月，霍夫等人研制出8位微處理器Intel 8080，以N溝道MOS電路取代了P溝道，第二代微處理器就此誕生。主頻2MHz的8080芯片運(yùn)算速度比8008快10倍，可存取64KB存儲(chǔ)器，使用了基于6微米技術(shù)的6000個(gè)晶體管，處理速度為0．64MIPS（Million Instructions Per Second）。

　　1975年4月，MITS發(fā)布第一個(gè)通用型Altair 8800，售價(jià)375美元，帶有1KB存儲(chǔ)器。這是世界上第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)。

　　1976年intel公司研制出MCS－48系列8位的單片機(jī)，這也是單片機(jī)的問世。Zilog公司于1976年開發(fā)的Z80微處理器，廣泛用于微型計(jì)算機(jī)和工業(yè)自動(dòng)控制設(shè)備。當(dāng)時(shí)，Zilog、Motorola和Intel在微處理器領(lǐng)域三足鼎立。

　　20世紀(jì)80年代初，Intel公司在MCS－48系列單片機(jī)的基礎(chǔ)上，推出了MCS－51系列8位高檔單片機(jī)。MCS－51系列單片機(jī)無論是片內(nèi)RAM容量，I／O口功能，系統(tǒng)擴(kuò)展方面都有了很大的提高。

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