2022年12月15日 | 51单片机的工作原理

2022-12-15 来源：zhihu

51单片机与很多单片机的工作原理是一致的，而且都遵循冯诺依曼架构，即就是数据区和代码区是区分开来的。在单片机中的具体表现就是程序ROM区和数据RAM区。

本文将以应用最广泛的51单片机为例来解析单片机的工作原理。

一、微处理器

主要包括ALU（算数逻辑运算单元）和控制部件。

先来说ALU，它执行的是单片机的数学运算（如：+、-、*、/、%、<<、>>、++、--等等）。逻辑运算单元执行单片机的逻辑运算（如：与、或、非、==、！、！=、同或、异或、||、&&等等）。其实说到这里，我们很容易就能想到C语言也是在执行以上这些逻辑运算和数学运算。

再来看一下控制部件，它是控制单片机的程序计数器PC向程序存储器获取指令和操作数的重要部件，在取得操作数之后经过译码和控制电路把相应的指令转为不同的电控制信号，从而维持ALU、SFR、外设GPIO、ADC、定时器、中断等外设的正常运作。

二、数据存储区

数据存储区是运行系统栈SP和程序局部变量、数组等数据的区域。

上图所示的程序是51单片机毫秒延时函数，局部变量j、i在RAM中的r3和r5寄存器中，入参n在r7寄存器中，R0-R7寄存器组在RAM中，其实左边调试栏中的寄存器均在RAM中运行。总之，RAM是运行数据的地方，而代码（指令）则是存放在ROM区的。

三、程序存储区

程序存储区是存储常量和代码的区域。

如下图所示：在.m51文件中标红箭头处最左边的“C：”的地方表示的是代码在ROM中，“D：”表示数据在RAM中，“B：”则表示位。

从中我们也可以看出main以及Delay_ms这些函数的地址都是存在ROM中的，也就是我们的所说的代码区。总之，C语言编译成机器码后，其指令和常数全局变量等就存储于ROM中了（PS:掉电不丢失的地方）。

四、中断系统

中断就是当中断管脚有外部信号输入的时候（中断管脚可以设置上升沿、下降沿、高电平或者低电平作为触发中断的条件），微控制器接收到这个控制信号后正在执行的任务会暂时停止，去处理中断里面的任务，处理完成中断任务后又继续从原先中断停止的地方继续执行。

五、其他模块

至于作为外设的GPIO、串口以及定时/计数器就不再赘述了，之所以能正常工作就是因为控制器是沿着总线通过SFR寄存器来控制这些外设正常工作的。

好了，有了上面的基础后我们再来总结一下单片机的工作原理：

首先，系统进行初始化，配置程序中需要的各功能模块。其次，控制器通过PC（程序计数器）从ROM中取得控制指令和操作数送至指令寄存器和译码电路中。再次，经过译码电路将不同的指令译成不同的控制信号。最后，在经过控制器对要执行指令的目标设备进行控制（ALU、GPIO、串口、定时器等）即可。

51单片机工作原理冯诺依曼架构