- 前言 -

單片機是將中央處理單元（CPU）、儲存器、輸入輸出集成在一片芯片上，可以說單片機就是一臺微型計算機，只是和我們平常使用的計算機相比它的功能有所不同，也沒有我們用的計算機那樣強大。

計算機可以運行一個個應用，單片機可以按照工程師的編寫可執行文件，實現各種各樣的功能。那么，單片機是怎么知道要執行什么指令，做什么動作呢，我們的指令又是怎么被單片機識別呢？了解這個過程，可以加深對單片機的理解。

- CPU -

首先要從CPU的組成說起，CPU是由晶體管組成的，這些晶體管是一種半導體器件，比如二極管就是最為常見的半導體器件。電流只能從正極流向負極，反向則截止。

晶體管通過各種組合方式構成門電路：與門，或門，非門，異或門等。門電路又稱為邏輯門，是數字電路的基礎，常見門電路，及其真值表：

我們了解下與門電路：

與門電路可以想象為兩個串聯開關控制一個燈泡，只有同時閉合兩個開關，燈泡才會被點亮。開關表示晶體管的導通與截止，燈泡的點亮與熄滅表示電路輸出的高低電平。

其他門電路也是由各種晶體管構成，不同的輸入，有不同的輸出，構成各種功能。各種門電路通過復雜的組合就成了CPU了。然后用CPU完成各種復雜計算的。

- 加法器 -

有了CPU，我們用它來算一道小學生算術題1+1=2，看看它是怎么計算的，從一個簡單加法器開始，加法器由半加器組成。

半加器

半加器由一個與門和異或門構成。不考慮低位進位來的進位值，只有兩個輸入，兩個輸出。

1+1=2，2在二進制中表示為0010。在半加器中：異或門輸入不同的電平（不是同時高或低），輸出為高，也就是1+0或0+1,輸出1，當兩個都輸入為1輸出為0，與門則輸出為1，也就是進位。可以把它抽象成一個黑盒子：

全加器

用兩個半加器可以組成一個全加器：

當多位數相加時，半加器可用于最低位求和，并給出進位數。第二位的相加有兩個待加數(B和進位CO)，還有一個來自前面低位送來的進位數 (A)。這三個數相加，得出本位和數（全加和數）和進位數。同樣可以把它抽象出來：

這個黑盒子就是一個函數，輸入兩個加數，相加運算，輸出和數。

如果要計算多位數的相加，則需要多個全加器以及其他門電路，組合出更復雜的加法器。減法的運算可以用加法來分解：

減法：10 - 5 = 10 +（-5），須通過反碼，補碼等操作。

其他運算器也有相關的門電路來組成，有關知識這里不展開。

從加法器我們不難得出，CPU的運算是各種門電路的高低電平的輸入和輸出，高電平為1，低電平為0，把我們平常的十進制數字轉成二進制數輸入，輸出二進制數。

- 寄存器 -

兩個數字相加用全加器的組合來完成，如果是多個數字的相加呢？比如1+2+3+4+5+……+100,該怎么完成呢？

按照我們的計算過程來看這個問題，我們先把前兩個數拿出來相加，得到的和再和第三個數相加，依次累加到100，轉換到單片機來完成，那就要把所有的相加數放到一個存儲器中，以便在每次的相加中取出，還要把每次相加的和數保存起來用到下一次的相加，這就用到了寄存器了。

寄存器-1保存1-100的數字，寄存器-2保存每次的相加結果。計算1-100的相加，寄存器-2的初始值為0，依次取出寄存器-1的數字和寄存器-2的結果相加：

1+0=1，

2+1=3，

3+3=6，

4+6=10……

鎖存器

但是寄存器是怎么幫我們保存數據的呢？這就要鎖存器（Latch）來幫助了，兩個或非門組成了一個最簡單的鎖存器。

簡單的說，這個單元記住了之前S端的輸入1，直到我們把R端設為1，輸出端Q才變回0。

然后在這個簡單鎖存器加上控制端G和一個輸入端D就變成了D鎖存器：

它有兩個輸入端，分別是一個信號控制G,一個輸入數據信號D，一個輸出Q。它的功能就是在G有效的時候把D的值傳給Q，也就是鎖存的過程。

觸發器

把兩個D鎖存器結合到一起就成了D觸發器（DATA flip-flop）。觸發器也叫雙穩態門，又稱雙穩態觸發器，是一種可以在兩種狀態下運行的數字邏輯電路。

觸發器一直保持它們的狀態，直到它們收到輸入脈沖，又稱為觸發。常見的觸發器包括：RS 觸發器、D 觸發器和 JK觸發器等，其中D觸發器最為常用。

當鎖存器-1控制G為有效信號時，D的輸入傳到到鎖存器-2的輸入，但是此時鎖存器-2的控制信號不是有效的，所以鎖存器-2的輸出Q沒有改變；當鎖存器-1的控制G變為無效，鎖存器-2的控制信號變為有效，鎖存器-2的輸出Q就改變了，也就是觸發器的D輸入傳到了Q，并且D沒有輸入就一直不變。

時序電路

我們再來看看1—100的累加過程，如果寄存器-1和寄存器-2的存儲速度不一樣，或者運算單元取數不協調，也就是寄存器-2沒來得及存儲，或者寄存器-1還沒取出下一個參與運算的數字，則此次的運算就會就會出錯，又會影響到下一次的運算，這個影響會無限放大到之后的結果，并且單片機還有很多外設需要同步運行，這時就需要一個統一指揮來同步各個部分的行動，什么時候該做什么，做到哪一步了。

這個指揮就是時鐘。時鐘電路產生脈沖信號給電路，可以認為給一次脈沖信號，單片機各個部位就動一下，電路就刷新一下，這就做到了行動統一。前面的D鎖存器，D觸發器G輸入端就是時鐘脈沖信號輸入，控制G輸入信號，進而控制Q的輸出，或者記住Q值。這是內存最初的樣子。

到此，我們知道了寄存器就是一種時序邏輯電路，但這種時序邏輯電路只包含存儲電路。寄存器的存儲電路是由鎖存器或觸發器構成的，用來暫時存放參與運算的數據和運算結果。

一個鎖存器或觸發器能存儲1位二進制數，所以由N個鎖存器或觸發器可以構成N位寄存器，一般有8位寄存器、16位寄存器等。它被廣泛的用于各類數字系統和計算機中。

- 運行程序 -

有了前面的鋪墊，我們來分析一下，代碼從是怎么被單片機識別的，并轉換成功能輸出的。

首先工程師把代碼邏輯寫好，再編譯成單片機的可執行程序，這個可執行程序實際上就是變成由0，1組成的按一定規律排列好的二進制數，再用燒錄器寫進單片機。

單片機內部就是由我們前面學的門電路的各種組合，門電路也由半導體器件構成，這些半導體PN結是一種特殊的熔絲。空白的單片機內部是矩陣排列的熔絲，在燒錄過程，程序中0的地方就熔斷，1的地方就導通。燒錄好之后，單片機就有了邏輯功能。

執行程序過程：從程序存儲區讀取程序指令——分析指令——執行指令。

讀取指令：就是根據程序計算器（PC）的地址取出相應的指令，送到指令寄存器。

分析指令：將指令寄存器中的指令操作碼取出后進行譯碼，分析其指令性質。如指令是我們之前的加法運算中的取加數，則尋找加數的地址。

執行指令：無非是把一條二進制代碼，轉換成數字信號（高低電平），操作邏輯門電路，就像我們的加法器一樣輸入輸出。把經過邏輯門運算的結果輸出，把單片機的相關引腳電平輸出高或低。

也就是單片機上電開機，單片機處于初始狀態，可以認為初始狀態中程序計算器（PC）就有了第一個指令地址，在時序電路作用下，送到指令寄存器，分析指令，執行指令，輸出功能，如此循環。單片機就這樣自動進入執行程序過程。