單片機(jī)（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì)80年代，由當(dāng)時(shí)的4位、8位單片機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在的300M的高速單片機(jī)。

　　單片機(jī)簡(jiǎn)介：

　　單片機(jī)又稱單片微控制器，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)的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機(jī)，就能起到使產(chǎn)品升級(jí)換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞——“智能型”，如智能型洗衣機(jī)等

　　單片機(jī)指令執(zhí)行過程詳解

　　單片機(jī)執(zhí)行程序的過程，實(shí)際上就是執(zhí)行我們所編制程序的過程。即逐條指令的過程。計(jì)算機(jī)每執(zhí)行一條指令都可分為三個(gè)階段進(jìn)行。即取指令-----分析指令-----執(zhí)行指令。

　　取指令的任務(wù)是：根據(jù)程序計(jì)數(shù)器PC中的值從程序存儲(chǔ)器讀出現(xiàn)行指令，送到指令寄存器。

　　分析指令階段的任務(wù)是：將指令寄存器中的指令操作碼取出后進(jìn)行譯碼，分析其指令性質(zhì)。如指令要求操作數(shù)，則尋找操作數(shù)地址。

　　計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序的過程實(shí)際上就是逐條指令地重復(fù)上述操作過程，直至遇到停機(jī)指令可循環(huán)等待指令。

　　一般計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作時(shí)，首先要通過外部設(shè)備把程序和數(shù)據(jù)通過輸入接口電路和數(shù)據(jù)總線送入到存儲(chǔ)器，然后逐條取出執(zhí)行。但單片機(jī)中的程序一般事先我們都已通過寫入器固化在片內(nèi)或片外程序存儲(chǔ)器中。因而一開機(jī)即可執(zhí)行指令。

　　下面我們將舉個(gè)實(shí)例來說明指令的執(zhí)行過程：

　　開機(jī)時(shí)，程序計(jì)算器PC變?yōu)?000H。然后單片機(jī)在時(shí)序電路作用下自動(dòng)進(jìn)入執(zhí)行程序過程。執(zhí)行過程實(shí)際上就是取出指令（取出存儲(chǔ)器中事先存放的指令階段）和執(zhí)行指令（分析和執(zhí)行指令）的循環(huán)過程。

　　例如執(zhí)行指令：MOV A，#0E0H，其機(jī)器碼為“74H E0H”，該指令的功能是把操作數(shù)E0H送入累加器，0000H單元中已存放74H，0001H單元中已存放E0H。當(dāng)單片機(jī)開始運(yùn)行時(shí)，首先是進(jìn)入取指階段，其次序是：

　　1 程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容（這時(shí)是0000H）送到地址寄存器;

　　2 程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容自動(dòng)加1（變?yōu)?001H）;

　　3 地址寄存器的內(nèi)容（0000H）通過內(nèi)部地址總線送到存儲(chǔ)器，以存儲(chǔ)器中地址譯碼電跟，使地址為0000H的單元被選中;

　　4 CPU使讀控制線有效;

　　5 在讀命令控制下被選中存儲(chǔ)器單元的內(nèi)容（此時(shí)應(yīng)為74H）送到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上，因?yàn)槭侨≈鸽A段，所以該內(nèi)容通過數(shù)據(jù)總線被送到指令寄存器。

　　至此，取指階段完成，進(jìn)入譯碼分析和執(zhí)行指令階段。

　　由于本次進(jìn)入指令寄存器中的內(nèi)容是74H（操作碼），以譯碼器譯碼后單片機(jī)就會(huì)知道該指令是要將一個(gè)數(shù)送到A累加器，而該數(shù)是在這個(gè)代碼的下一個(gè)存儲(chǔ)單元。所以，執(zhí)行該指令還必須把數(shù)據(jù)（E0H）從存儲(chǔ)器中取出送到CPU，即還要在存儲(chǔ)器中取第二個(gè)字節(jié)。其過程與取指階段很相似，只是此時(shí)PC已為0001H。指令譯碼器結(jié)合時(shí)序部件，產(chǎn)生74H操作碼的微操作系列，使數(shù)字E0H從0001H單元取出。 因?yàn)橹噶钍且蟀讶〉玫臄?shù)送到A累加器，所以取出的數(shù)字經(jīng)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線進(jìn)入A累加器，而不是進(jìn)入指令寄存器。至此，一條指令的執(zhí)行完畢。單片機(jī)中PC=0002H，PC在CPU每次向存儲(chǔ)器取指或取數(shù)時(shí)自動(dòng)加1，單片機(jī)又進(jìn)入下一取指階段。這一過程一直重復(fù)下去，直至收到暫停指令或循環(huán)等待指令暫停。CPU就是這樣一條一條地執(zhí)行指令，完成所有規(guī)定的功能。

　　對(duì)于一款MCU來說，在性能描述的時(shí)候都會(huì)告訴sram，flash的容量大小，對(duì)于初學(xué)者來說，也不會(huì)去考慮和理會(huì)這些東西，拿到東西就只用。其實(shí)不然，這些量都是十分重要的，仔細(xì)想想，代碼為什么可以運(yùn)行，代碼量是多少，定義的int、short等等類型的變量究竟是怎么分配和存儲(chǔ)的，這些問題都和內(nèi)寸有關(guān)系。　　首先單片機(jī)的內(nèi)存可以大小分為ram和rom，這里就不再解釋ram和rom的區(qū)別了，我們可以將其等效為flash和sram，其中根據(jù)flash和sram的定義可得，flash里面的數(shù)據(jù)掉電可保存，sram中的并不可以，但是sram的執(zhí)行速度要快于flash，可以將單片機(jī)的程序分為code（代碼存儲(chǔ)區(qū)）、RO-data（只讀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)）、RW-data（讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)）和ZI-data（零初始化數(shù)據(jù)區(qū)）。在MDK編譯器下可以觀察到在代碼中這4個(gè)量的值，如下圖1所示：

　　圖1：

　　其中code和RO-data存儲(chǔ)在flash中，所以兩者之和為單片機(jī)中flash需要分配給它們的空間大?。ú⑶业扔诖a所生成的.bin文件大小），另外RW-data和ZI-data存儲(chǔ)在sram中，同樣兩者之和為單片機(jī)中sram需要分配給它們的空間大小。

　　另外，我們必然會(huì)想到棧區(qū)（stack）、堆區(qū)（heap）、全局區(qū)（靜態(tài)區(qū)）（staTIc）、文字常量區(qū)和程序代碼區(qū)和上面所介紹的code、RO-data等的關(guān)系。

　　1、棧區(qū)（stack）：由編譯器自動(dòng)分配釋放 ，存放函數(shù)的參數(shù)值，局部變量的值等。其操作方式類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧。 這些值是可讀寫的，那么stack應(yīng)該被包含在RW-data（讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)），也就是單片機(jī)的sram中。

　　2、堆區(qū)（heap）：一般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結(jié)束時(shí)可能由OS回收 。可以理解，這些也是被包含在單片機(jī)的sram中的。

　　3、全局區(qū)（靜態(tài)區(qū)）（staTIc）：全局變量和靜態(tài)變量的存儲(chǔ)是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態(tài)變量在一塊區(qū)域， 未初始化的全局變量和未初始化的靜態(tài)變量在相鄰的另一塊區(qū)域，程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。這些數(shù)據(jù)也是可讀可寫的，和stack、heap一樣，被包含在sram中。

　　4、文字常量區(qū)：常量字符串就是放在這里的。這些數(shù)據(jù)是只讀的，分配在RO-data（只讀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)），則被包含在flash中。

　　5、程序代碼區(qū)：存放函數(shù)體的二進(jìn)制代碼，可以想象也是被包含在flash，因?yàn)閷?duì)于MCU來說，當(dāng)其重新上電，代碼還會(huì)繼續(xù)運(yùn)行，并不會(huì)消失，所以存儲(chǔ)在flash中。