走進躍遷 | 單片機的工作原理與典型應用分析

單片機由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出裝置構成。那麼單片機是如何工作的呢？原理是什麼？大家一起來看看

單片機工作原理

單片機的工作原理與計算機CPU的工作原理是一樣的，主要是利用片内的半導體存儲器存放使用者的程式和資料，單片機的核心中央微處理器CPU中有指令寄存器、指令譯碼器，程式計數器等部件，由程式計數器尋找下一條要執行的指令，找到後，将指令送給指令寄存器，再由指令譯碼器翻譯執行該指令，完成對指令功能的操作。一句話：單片機的工作就是不斷地取指令、分析指令、執行指令的循環過程。按預先編寫的程式執行，以達到使用者期待的結果。

單片機自動完成賦予它的任務的過程，也就是單片機執行程式的過程，即一條條執行的指令的過程，所謂指令就是把要求單片機執行的各種操作用的指令的形式寫下來，這是在設計人員賦予它的指令系統所決定的，一條指令對應着一種基本操作；單片機所能執行的全部指令，就是該單片機的指令系統，不同種類的單片機，其指令系統亦不同。

為使單片機能自動完成某一特定任務，必須把要解決的問題編成一系列指令(這些指令必須是標明單片機能識别和執行的指令)，這一系列指令的集合就成為程式，程式需要預先存放在具有存儲功能的部件——存儲器中。存儲器由許多存儲單元(最小的存儲機關)組成，就像大樓房有許多房間組成一樣，指令就存放在這些單元裡，單元裡的指令取出并執行就像大樓房的每個房間的被配置設定到了唯一一個房間号一樣，每一個存儲單元也必須被配置設定到唯一的位址号，該位址号稱為存儲單元的位址，這樣隻要知道了存儲單元的位址，就可以找到這個存儲單元，其中存儲的指令就可以被取出，然後再被執行。

程式通常是順序執行的，是以程式中的指令也是一條條順序存放的，單片機在執行程式時要能把這些指令一條條取出并加以執行，必須有一個部件能追蹤指令所在的位址，這一部件就是程式計數器PC(包含在CPU中)，在開始執行程式時，給PC賦以程式中第一條指令所在的位址，然後取得每一條要執行的指令，PC在中的内容就會自動增加，增加量由本條指令長度決定，可能是1、2或3，以指向下一條指令的起始位址，保證指令順序執行。

應用領域

1、醫用裝置領域

單片機在醫療設施及醫用裝置中的用途亦相當廣泛，例如在醫用呼吸機、各種分析儀、醫療監護儀、超聲診斷裝置及病床呼叫系統中都得到了實際應用。

2、商業營銷裝置

在商業營銷系統中單片機已廣泛應用于電子秤、收款機、條形碼閱讀器、IC卡刷卡機、計程車計價器以及倉儲安全監測系統、商場保安系統、空氣調節系統、冷凍保險系統等。

3、辦公自動化裝置

現在辦公自動化裝置中大多數嵌入了單片機控制核心。如列印機、影印機、傳真機、繪圖機、考勤機及電話等。通過單片機控制不但可以完成裝置的基本功能，還可以實作與計算機之間的資料通信。

4、智能儀器

内部含有點片劑的儀器系統稱為智能儀器，也稱為微機化儀器。這類儀器大多采用單片機進行資訊處理、控制及通信，與非智能化儀器相比，功能得到了強化，增加了諸如資料存儲、故障診斷、聯網集控等功能。以單片機作為核心組成智能儀器表已經是自動化儀表發展的一種趨勢。

5、家用電器

單片機功能完善、體積小、價格廉、易于嵌入，非常适合于對家用電器的控制。嵌入單片機的家用電器實作了智能化，是傳統型家用電器的更新換代，現已廣泛應用于洗衣機、空調、電視機、視盤機、微波爐、電冰箱、電鍋以及各種視聽裝置等。

6、汽車電子産品

現代汽車的集中顯示系統、動力監測控制系統、自動駕駛系統、通信系統和運作螢幕等裝置中都離不開單片機。特别是采用現場總線的汽車控制系統中，以單片機擔當核心的節點通過協調、高效的資料傳送不僅完成了複雜的控制功能，而且簡化了系統結構。

7、資訊和通信産品

資訊和通信産品的自動化和智能化程度很高，其中許多功能的完成都離不開單片機的參與。這裡最具代表性和應用最廣的産品就是移動通信裝置，例如手機内的控制晶片就是屬于專用型單片機。另外在計算機外部裝置中，如鍵盤、列印機中也離不開單片機。新型單片機普遍具備通信接口，可以友善地和計算機進行資料通信，為計算機和網絡裝置之間提供連接配接服務創造了條件。

8、工業控制

工業自動化控制是最早采用單片機控制的領域之一，在測控系統、過程控制、機電一體化裝置中主要利用單片機實作邏輯控制、資料采集、運算處理、資料通信等用途。單獨使用單片機可以實作一些小規模的控制功能，作為底層檢測、控制單元與上位計算機結合可以組成大規模工業自動化控制系統。特别在機電一體化技術中，單排年級的結構特點使其更容易發揮其集機械、微電子和計算機技術于一體的優勢。

綜上所述，單片機的工作過程實質上就是執行指令的過程，而執行指令可以分為三部分：取指令，譯碼分析指令和執行指令。随着時期的發展與高新科技的發展趨勢，現階段該技術性的實踐活動運用日趨成熟期，單片機設計被運用于各行各業。