单片机是怎么工作的？

昵称11935121 2018-07-11

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这个问题非常有代表性，我相信很多初学者都会有这个疑问：为什么只是简单地将对应寄存器的相应位设置一下，就可以让单片机做不同的动作（例如，端口输出高低电平、定时器定时溢出等等）。今天我们就来简单了解一下这方面的知识。

一、单片机的基础电路

单片机内部主要由数字电路组成。所以如果我们想要了解单片机的内部结构及工作原理，还是需要学一些数字电路方面的知识的。这里简单介绍一下单片机中常用的基础电路。

1、与门电路原理介绍

与门电路如下图所示。

它是一个由二极管和电阻构成的电路，其中A、 B为输入端， Y为输出端， +5V电压经R1、 R2分压，在E点得到3V的电压。

工作原理：

当A、 B两端同时输入低电平（0V）时，由于E点电压为3V，所以二极管VD1、 VD2都导通， E点电压马上下降到0.7V （低电平），即当A、 B端均输入低电平“0”时， Y端输出低电平“0”。

当 A 端输入低电平（0V）、 B 端输入高电平（5V）时，由于E点电压为3V，所以二极管VD1马上导通， E点电压下降到0.7V。此时VD2正端电压为0.7V，负端电压为5V，VD2处于截止状态，即当A端输入低电平“0”、 B 端输入高电平“1”时， Y端输出低电平“0”。

当A端输入高电平（5V）、 B端输入低电平（0V）时， VD1截止， VD2导通， E点电

压为0.7V （低电平），即当A端输入高电平“1”、 B端输入低电平“0”时， Y端输出低电平“0”。

当A、 B端同时输入高电平（5V）时， VD1、 VD2均不能导通， E点电压为3V（高电平），即当A、 B两端都输入高电平“1”时， Y端输出“1”。

由此可见，与门的特点是：只有输入端都输入高电平时，输出端才会输出高电平；只要有一个输入端输入低电平，输出端就会输出低电平。

二、单片机内部的触发器、寄存器、锁存器

单片机内部有大量寄存器，寄存器是一种能够存储数据的电路，由触发器构成。

1、触发器

触发器是一种具有记忆存储功能的电路，由门电路组成。常见的触发器包括： RS 触发器、 D 触发器和 JK触发器等，其中D触发器最为常用。如下图所示。

从图中可以看出， D触发器的端子包括：输入端D、输出端Q、反相输出端、时钟脉冲输入端CLK、置“0”端R和置“1”端S。

数据存储过程：当D触发器的D端输入数据“1”时，数据并不能马上被存入触发器，只有CLK端时钟脉冲信号上升沿（即低电平转为高电平时）到来时， “1”才能被存入触发器，存入后Q端输出“1”，端输出“0”。也就是说，只有时钟脉冲上升沿到来时， D触发器才能将输入端的数据存储起来，并从Q端输出。

D触发器的置“0”和置“1”：当置“0”端R为低电平时，触发器被置“0”，即Q端为“0”；当置“1”端S为低电平时，触发器被置“1”，即Q端为“1”。

2、寄存器

寄存器是单片机内部的基本存储单元，由触发器构成，一个触发器就是1位寄存器。下图所示是一种由D触发器构成的4位寄存器。

在工作时，寄存器先让清0线为低电平，该低电平送到各触发器的CLR端（实际为D触发器的R端），将各触发器清0， Y3Y2Y1Y0=0000；然后将数据送到各触发器输入端，当CLK端的时钟脉冲上升沿到来时，输入端的数据就被存入到各触发器中，并从输出端输出。

3、锁存器

锁存器也是一种能存储数据的电路。其特点是当锁存信号没有到来时，输出端的状态随输入端状态的变化而变化；当锁存信号来到时，输入端的数据被锁存到输出端，即当输入端的信号再变化时输出端也不会发生变化。

以下图为例来说明锁存器的工作原理。

当锁存器的控制端EN=1时，锁存器输出端Y与输入端A的状态保持一致，即A端数据变化时， Y端数据也变化；当锁存器的控制端EN由“1”变为“0”时，输入端此刻的数据马上被锁存到输出端，在EN=0期间，输出端的数据始终保持不变，不会随输入端而变化；当EN又变为“1”时，即取消锁存，输出端又会随输入端的变化而变化。