單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了 I／O 設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇。

單片機中主要包含 CPU、只讀存儲器 ROM 和隨機存儲器 RAM 等，多樣化數據采集與控制系統能夠讓單片機完成各項復雜的運算，無論是對運算符號進行控制，還是對系統下達運算指令都能通過單片機完成。由此可見，單片機憑借著強大的數據處理技術和計算功能可以在智能電子設備中充分應用。目前，單片機被廣泛應用在智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統、家用電器中。

單片機的基本結構

運算器

運算器由運算部件――算術邏輯單元（Arithmetic ＆ Logical Unit，簡稱 ALU）、累加器和寄存器等幾部分組成。ALU 的作用是把傳來的數據進行算術或邏輯運算，輸入來源為兩個 8 位數據，分別來自累加器和數據寄存器。ALU 能完成對這兩個數據進行加、減、與、或、比較大小等操作，最后將結果存入累加器。

運算器有兩個功能：

（1） 執行各種算術運算。
（2） 執行各種邏輯運算，并進行邏輯測試，如零值測試或兩個值的比較。

運算器所執行全部操作都是由控制器發出的控制信號來指揮的，并且，一個算術操作產生一個運算結果，一個邏輯操作產生一個判決。

控制器

控制器由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序發生器和操作控制器等組成，是發布命令的“決策機構”，即協調和指揮整個微機系統的操作。其主要功能有：

（1） 從內存中取出一條指令，并指出下一條指令在內存中的位置。
（2） 對指令進行譯碼和測試，并產生相應的操作控制信號，以便于執行規定的動作。
（3） 指揮并控制 CPU、內存和輸入輸出設備之間數據流動的方向。

微處理器內通過內部總線把 ALU、計數器、寄存器和控制部分互聯，并通過外部總線與外部的存儲器、輸入輸出接口電路聯接。外部總線又稱為系統總線，分為數據總線 DB、地址總線 AB 和控制總線 CB。通過輸入輸出接口電路，實現與各種外圍設備連接。

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。在算術和邏輯運算時它有雙功能：運算前，用于保存一個操作數；運算后，用于保存所得的和、差或邏輯運算結果。

（2）數據寄存器 DR
數據寄存器通過數據總線向存儲器和輸入／輸出設備送（寫）或?。ㄗx）數據的暫存單元。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器中存儲的一個數據字節等等。

（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。

指令寄存器是用來保存當前正在執行的一條指令。當執行一條指令時，先把它從內存中取到數據寄存器中，然后再傳送到指令寄存器。當系統執行給定的指令時，必須對操作碼進行譯碼，以確定所要求的操作，指令譯碼器就是負責這項工作的。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）程序計數器 PC
PC 用于確定下一條指令的地址，以保證程序能夠連續地執行下去，因此通常又被稱為指令地址計數器。在程序開始執行前必須將程序的第一條指令的內存單元地址（即程序的首地址）送入 PC，使它總是指向下一條要執行指令的地址。

（5）地址寄存器 AR
地址寄存器用于保存當前 CPU 所要訪問的內存單元或 I／O 設備的地址。由于內存與 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，直到內存讀／寫操作完成為止。

顯然，當 CPU 向存儲器存數據、CPU 從內存取數據和 CPU 從內存讀出指令時，都要用到地址寄存器和數據寄存器。同樣，如果把外圍設備的地址作為內存地址單元來看的話，那么當 CPU 和外圍設備交換信息時，也需要用到地址寄存器和數據寄存器。

單片機的發展史

1971 年，intel 公司研制出世界上第一個 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，標志著第一代微處理器問世，微處理器和微機時代從此開始。因發明微處理器，霍夫被英國《經濟學家》雜志列為“二戰以來最有影響力的 7 位科學家”之一 。

1971 年 11 月，Intel 推出 MCS－4 微型計算機系統（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 個晶體管，尺寸規格為 3mm×4mm，計算性能遠遠超過當年的 ENIAC，最初售價為 200 美元。

1972 年 4 月，霍夫等人開發出第一個 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 芯片運算速度比 8008 快 10 倍，可存取 64KB 存儲器，使用了基于 6 微米技術的 6000 個晶體管，處理速度為 0．64MIPS（Million Instructions Per Second ）。

1975 年 4 月，MITS 發布第一個通用型 Altair 8800，售價 375 美元，帶有 1KB 存儲器。這是世界上第一臺微型計算機。

1976 年 intel 公司研制出 MCS－48 系列 8 位的單片機，這也是單片機的問世。Zilog 公司于 1976 年開發的 Z80 微處理器，廣泛用于微型計算機和工業自動控制設備。當時，Zilog、Motorola 和 Intel 在微處理器領域三足鼎立。

20 世紀 80 年代初，Intel 公司在 MCS－48 系列單片機的基礎上，推出了 MCS－51 系列 8 位高檔單片機。MCS－51 系列單片機無論是片內 RAM 容量，I／O 口功能，系統擴展方面都有了很大的提高。

審核編輯：湯梓紅