单片机是怎么知道要执行什么指令，做什么动作？

单片机将中央处理器（CPU）、存储和输入输出集成在一个芯片上。可以说，单片机就是微机，只是它的功能和我们平时用的电脑不一样，不是我们用的。像电脑一样强大。

计算机可以一个一个地运行应用程序，单片机可以根据工程师的指令编写可执行文件来实现各种功能。那么，单片机是如何知道要执行什么指令，要做什么动作，我们的指令又是如何被单片机识别的呢？了解这个过程可以加深对单片机的理解。

中央处理器

首先，让我们从CPU的组成说起。CPU由晶体管组成。这些晶体管是半导体器件。例如，二极管是最常见的半导体器件。电流只能从正极流向负极，反向截止。

晶体管通过各种组合形成门电路：与门、或门、非门、异或门等。门电路，也称为逻辑门，是数字电路、普通门电路及其真值表的基础：

我们了解下一个与门电路：

与门电路可以想象成两个开关串联控制一个灯泡，只有两个开关同时闭合，灯泡才会亮。开关代表三极管的通断，灯泡的通断代表电路输出的高低电平。

其他门电路也由各种晶体管组成。不同的输入有不同的输出，形成各种功能。各种门电路通过复杂的组合成为CPU。然后使用CPU完成各种复杂的计算。

加法器

借助 CPU，让我们用它来计算一道小学算术题 1+1=2，看看它是如何工作的，先从一个简单的加法器开始，它由半加法器组成。

半加器

半加器由与门和异或门组成。不管低位进位的进位值如何，只有两个输入和两个输出。

1+1=2，2用二进制表示为0010。半加器中：异或门输入不同电平（不是同时为高或低），输出为高，即1+0或0+1单路d触发器芯片，输出为1。当两个输入均为1时，输出为0。与门输出1，这是一个进位。可以抽象成一个黑盒子：

全加器

两个半加器可以用来组成一个全加器：

多位相加时，可使用半加器将最低有效位相加，并给出进位数。第二位的加法有两个加数（B 和进位 CO），以及前一个低位的进位位 (A)。将这三个数字相加得到基数（全加器）和进位数。也可以抽象出来：

这个黑盒是一个函数，它将两个加数作为输入，将它们相加，然后输出一个和。

要计算多个数字的加法，需要多个全加器和其他门来组合更复杂的加法器。减法运算可以通过加法分解：

减法：10 – 5 = 10 + (-5），必须通过补码、补码等运算完成。

其他算子也是由相关的门电路组成，相关知识这里不展开。

从加法器中不难得出单路d触发器芯片，CPU的运行是各种门电路的高低电平的输入和输出。高电平为1，低电平为0。将我们常用的十进制数转换成二进制数进行输入输出。二进制数。

登记

两个数字的加法是通过全加器的组合完成的。如果是多个数字相加怎么办？比如1+2+3+4+5+…+100，怎么完成呢？

按照我们的计算过程来看这个问题，我们先把前两个数拿出来相加，然后把得到的和加到第三个数上，依次加到100，再转换到单片机就完成了，然后把所有的和的和放入一个内存中，每次加法取出，每次加法的和保存，下次加法用寄存器。

寄存器 1 保存数字 1-100，寄存器 2 保存每次加法的结果。计算1-100的加法，-2的初值为0，-1的个数和-2的结果依次相加：

1+0=1,

2+1=3,

3+3=6,

4+6=10…

闩锁

但是寄存器如何帮助我们保存数据呢？这就是锁存器的用武之地。两个或非门构成了最简单的锁存器。

简单地说，这个单元记住了之前S端的输入1，直到我们把R端设置为1，输出Q才变回0。

然后给这个简单的锁存器加上一个控制端G和一个输入端D，就变成了一个D锁存器：

它有两个输入端，一个用于信号控制G，一个用于输入数据信号D，一个用于输出Q。它的作用是在G有效时将D的值传给Q，这就是锁存的过程。

扳机

将两个 D 锁存器组合在一起成为 D 触发器（DATA 触发器）。触发器又称双稳态门，又称双稳态触发器，是一种可以工作在两种状态的数字逻辑电路。

触发器保持其状态，直到它们接收到输入脉冲，也称为触发。常见的触发器有：RS触发器、D触发器、JK触发器，其中D触发器是最常用的。

当latch-1控制G为有效信号时，将D的输入传给latch-2的输入，但此时latch-2的控制信号无效，所以latch-2的输出Q没变; 当latch-1的控制G变为无效时，latch-2的控制信号变为有效，latch-2的输出Q发生变化，即触发器的D输入传给Q，D保持不变无输入不变。

时序电路

我们来看看1-100的积累过程。如果 -1 和 -2 的存储速度不同，或者运算单元不协调，即 -2 还没有来得及存储，或者 -1 没有被取出。如果操作中涉及到一个数字，则当前操作会出错，会影响下一次操作。这种影响会被无限放大到后续的结果，而单片机还有很多外设需要同步运行。需要一个统一的命令来同步各个部分的动作，什么时候做什么，做什么。

这个命令就是时钟。时钟电路产生一个脉冲信号给电路。可以认为，当给定一个脉冲信号时，单片机各部分动作，电路刷新，达到动作统一。在前面的D锁存器中，D触发器的G输入是时钟脉冲信号输入，它控制G输入信号，然后控制Q的输出，或者记住Q值。这就是记忆最初的样子。

至此，我们知道寄存器是时序逻辑电路，但是这个时序逻辑电路只包含存储电路。寄存器的存储电路由锁存器或触发器组成，用于暂存运算所涉及的数据和运算结果。

一个锁存器或触发器可以存储1位二进制数，所以N个锁存器或触发器可以组成N位寄存器，一般有8位寄存器、16位寄存器等。广泛应用于各种数字系统和计算机中。

运行程序

有了前面的铺垫，下面我们来分析一下代码是如何被单片机识别并转化为功能输出的。

首先，工程师编写代码逻辑，然后编译成单片机的可执行程序。这个可执行程序实际上变成了一个按一定规则排列的0和1组成的二进制数，然后用编程器将其写入单片机。

单片机内部是由我们前面学过的门电路的各种组合组成的，门电路也是由半导体器件组成的。这些半导体PN结是一种特殊的保险丝。空白单片机内部是保险丝矩阵。烧录过程中，程序中的0位被烧毁，1位开启。编程后，单片机具有逻辑功能。

程序执行过程：从程序存储区读取程序指令——分析指令——执行指令。

读指令：就是根据程序计算器（PC）的地址取出相应的指令，送入指令寄存器。

分析指令：取指令寄存器中的指令操作码后解码，分析指令的性质。如果该指令是我们之前的加法操作中的加数，则查找加数的地址。

指令的执行：无非是将二进制代码转换成数字信号（高低电平），操作逻辑门电路，像我们的加法器一样输入输出。输出逻辑门运算的结果，微控制器的相关引脚电平输出高电平或低电平。

也就是说，单片机上电，单片机处于初始状态。可以认为初始状态的程序计算器(PC)具有首指令地址。在时序电路的作用下，送入指令寄存器，分析指令，执行指令，输出。功能等等。这样，单片机就自动进入执行程序的过程。

当然，单片机的运行过程是很复杂的，这里只是简单的个人理解和总结。

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