单片机的工作原理是什么？

一、单片机程序执行过程

单片机的工作过程实质就是执行程序的过程，也就是我们常说的逐条执行指令的过程。单片机每执行一条指令均可分为三个阶段：取出指令、分析（译码）指令、执行指令。

大多数8位单片机的取指、译码、执行这三步都是按照串行顺序依次进行的。32位单片机的这三步也是必不可少的，但是它是采用预取指令的流水线方式操作，并采用精简指令集，每条指令都是单周期指令，所以它允许指令并行操作。例如再取出第一条指令后，开始对这条指令译码的同时，取出第二条指令；在第一条指令执行时，第二条指令开始译码，然后取出第三条指令，第二条指令同时执行。。。如此循环。从而使CPU在同一时间对不同指令实现不同操作，这样就实现了指令的并行处理，大大加快指令的执行速度。

二、单片机执行指令的三个阶段

下面分别说说单片机执行指令的三个阶段。

1、取指令阶段

根据程序计数器PC的值，从程序存储器读出当前要执行的指令，并将该指令送到指令寄存器。

2、指令译码阶段

取出指令寄存器中的指令操作码进行译码，解析出指令要实现那种操作。（例如是执行数据传送还是进行数据的加减运算）

3、执行指令阶段

执行指令规定的操作。（例如对于带操作数的指令，先取出操作码，再取出操作数，然后按照操作码的类型对操作数进行操作）

三、单片机工作过程

单片机采用“存储程序”的工作方式，即事先把程序加载到单片机的存储器中，当启动运行后，计算机便自动进行工作。

1、单片机的模型机指令表

下表是单片机的模型机指令表，我们以LDA 23这条指令为例，来说明单片机的指令执行过程。

2、执行一条指令的顺序

单片机执行程序是一条指令一条指令执行的，执行一条指令的过程可分为两个阶段。

在单片机中，“存储程序”第一条指令的第一个字节一定是操作码。这样，CPU首先进入取指阶段，从存储器中取出指令，并通过CPU译码后，转入执行指令阶段，在这期间，CPU执行指令指定的操作。

取指阶段是由一系列相同的操作组成的，因此，取指阶段的时间总是相同的。而执行指令的阶段是由不同的事件顺序组成的，它取决于被执行指令的类型。执行完一条指令后接着执行下一条指令，如此循环往复。

3、执行一条指令的过程

指令“LDA 23”的执行过程是怎样的呢？这是一条直接寻址指令，执行的过程如下图所示。

LDA指令的指令周期由3个CPU周期（即机器周期）组成。其中，第一个CPU周期为取指令周期；执行指令阶段由2个CPU周期组成，第二个CPU周期中将操作数的地址送往地址寄存器并完成地址译码，在第三个CPU周期中，从内存取出操作数并执行装入的操作。

4、执行一个程序的过程

采用直接寻址方式，执行“7+10”的程序如下表所示。

加入程序存放在起始地址为00010000B（16）的存储单元中。地址16和17存放第一条指令“LDA 23”，执行第一条指令的过程如下图所示。

单片机启动后，PC中的地址即为16，将16送地址寄存器，接着16被放入地址总线上，找到操作码地址00010000B（16），PC自动加1为17，做好取下一字节的准备；取出“LDA 23”的操作码10010110B放入数据总线；操作码经数据总线装入数据寄存器，因为是操作码，所以还需要装入指令译码器进行指令译码，得到“装入”的操作。

此时PC中的内容已经是17，地址17送入地址寄存器并放到地址总线上，找到操作码地址23，PC又自动加1，做好取第二条指令“ADD 24”的准备，如下图。

找到操作数地址23后，因为是直接寻址，取出23单元中的操作数7放到数据总线，再装入数据寄存器中，经数据寄存器将操作数7装入累加器，如下图所示。至此，第一条指令“LDA 23”执行完毕。

第2,3条指令也是直接寻址方式，执行的过程类似。