深度解析，微控制器執行原理，你知道嗎？
微控制器是將中央處理單元（CPU）、儲存器、輸入輸出整合在一片晶片上，可以說微控制器就是一臺微型計算機，只是和我們平常使用的計算機相比它的功能有所不同，也沒有我們用的計算機那樣強大。
計算機可以執行一個個應用，微控制器可以按照工程師的編寫可執行檔案，實現各種各樣的功能。那麼，微控制器是怎麼知道要執行什麼指令，做什麼動作呢，我們的指令又是怎麼被微控制器識別呢？瞭解這個過程，可以加深對微控制器的理解。
首先要從CPU的組成說起，CPU是由電晶體組成的，這些電晶體是一種半導體器件，比如二極體就是最為常見的半導體器件。電流只能從正極流向負極，反向則截止。
電晶體透過各種組合方式構成閘電路：與門，或門，非門，異或門……。閘電路又稱為邏輯閘，是數位電路的基礎，常見閘電路，及其真值表：
我們瞭解下與閘電路：
與閘電路可以想象為兩個串聯開關控制一個燈泡，只有同時閉合兩個開關，燈泡才會被點亮。開關表示電晶體的導通與截止，燈泡的點亮與熄滅表示電路輸出的高低電平。
其他閘電路也是由各種電晶體構成，不同的輸入，有不同的輸出，構成各種功能。各種閘電路透過複雜的組合就成了CPU了。然後用CPU完成各種複雜計算的。
加法器
有了CPU，我們用它來算一道小學生算術題1+1=2，看看它是怎麼計算的，從一個簡單加法器開始，加法器由半加器組成。
半加器：
半加器由一個與門和異或門構成。不考慮低位進位來的進位值，只有兩個輸入，兩個輸出。
1+1=2，2在二進位制中表示為0010。在半加器中：異或門輸入不同的電平（不是同時高或低），輸出為高，也就是1+0或0+1，輸出1，當兩個都輸入為1輸出為0，與門則輸出為1，也就是進位。可以把它抽象成一個黑盒子：
全加器：
用兩個半加器可以組成一個全加器：
當多位數相加時，半加器可用於最低位求和，並給出進位數。第二位的相加有兩個待加數（B和進位CO），還有一個來自前面低位送來的進位數 （A）。這三個數相加，得出本位和數（全加和數）和進位數。同樣可以把它抽象出來：
如果要計算多位數的相加，則需要多個全加器以及其他閘電路，組合出更復雜的加法器。減法的運算可以用加法來分解：
減法：10 - 5 = 10 +（-5），須透過反碼，補碼等操作。
其他運算器也有相關的閘電路來組成，有關知識這裡不展開。
從加法器我們不難得出，CPU的運算是各種閘電路的高低電平的輸入和輸出，高電平為1，低電平為0，把我們平常的十進位制數字轉成二進位制數輸入，輸出二進位制數。
暫存器
兩個數字相加用全加器的組合來完成，如果是多個數字的相加呢？比如1+2+3+4+5+……+100，該怎麼完成呢？
按照我們的計算過程來看這個問題，我們先把前兩個數拿出來相加，得到的和再和第三個數相加，依次累加到100，轉換到微控制器來完成，那就要把所有的相加數放到一個儲存器中，以便在每次的相加中取出，還要把每次相加的和數儲存起來用到下一次的相加，這就用到了暫存器了。
暫存器-1儲存1-100的數字，暫存器-2儲存每次的相加結果。計算1-100的相加，暫存器-2的初始值為0，依次取出暫存器-1的數字和暫存器-2的結果相加：
1+0=1，
2+1=3，
3+3=6，
4+6=10……
鎖存器：
但是暫存器是怎麼幫我們儲存資料的呢？這就要鎖存器（Latch）來幫助了，兩個或非門組成了一個最簡單的鎖存器。
S
R
Q
1
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
1
1
1
簡單的說，這個單元記住了之前S端的輸入1，直到我們把R端設為1，輸出端Q才變回0。
然後在這個簡單鎖存器加上控制端G和一個輸入端D就變成了D鎖存器：
它有兩個輸入端，分別是一個訊號控制G，一個輸入資料訊號D，一個輸出Q。它的功能就是在G有效的時候把D的值傳給Q，也就是鎖存的過程。
觸發器：
把兩個D鎖存器結合到一起就成了D觸發器（DATA flip-flop）。觸發器也叫雙穩態門，又稱雙穩態觸發器，是一種可以在兩種狀態下執行的數字邏輯電路。觸發器一直保持它們的狀態，直到它們收到輸入脈衝，又稱為觸發。常見的觸發器包括：RS 觸發器、D 觸發器和 JK觸發器等，其中D觸發器最為常用。
當鎖存器-1控制G為有效訊號時，D的輸入傳到到鎖存器-2的輸入，但是此時鎖存器-2的控制訊號不是有效的，所以鎖存器-2的輸出Q沒有改變；當鎖存器-1的控制G變為無效，鎖存器-2的控制訊號變為有效，鎖存器-2的輸出Q就改變了，也就是觸發器的D輸入傳到了Q，並且D沒有輸入就一直不變。
時序電路：
我們再來看看1—100的累加過程，如果暫存器-1和暫存器-2的儲存速度不一樣，或者運算單元取數不協調，也就是暫存器-2沒來得及儲存，或者暫存器-1還沒取出下一個參與運算的數字，則此次的運算就會就會出錯，又會影響到下一次的運算，這個影響會無限放大到之後的結果，並且微控制器還有很多外設需要同步執行，這時就需要一個統一指揮來同步各個部分的行動，什麼時候該做什麼，做到哪一步了。
這個指揮就是時鐘。時鐘電路產生脈衝訊號給電路，可以認為給一次脈衝訊號，微控制器各個部位就動一下，電路就重新整理一下，這就做到了行動統一。前面的D鎖存器，D觸發器G輸入端就是時鐘脈衝訊號輸入，控制G輸入訊號，進而控制Q的輸出，或者記住Q值。這是記憶體最初的樣子。
到此，我們知道了暫存器就是一種時序邏輯電路，但這種時序邏輯電路只包含儲存電路。暫存器的儲存電路是由鎖存器或觸發器構成的，用來暫時存放參與運算的資料和運算結果。
一個鎖存器或觸發器能儲存1位二進位制數，所以由N個鎖存器或觸發器可以構成N位暫存器，一般有8位暫存器、16位暫存器等。它被廣泛的用於各類數字系統和計算機中。
執行程式
有了前面的鋪墊，我們來嘗試分析一下，程式碼從是怎麼被微控制器識別的，並轉換成功能輸出的。
首先工程師把程式碼邏輯寫好，再編譯成微控制器的可執行程式，這個可執行程式實際上就是變成由0，1組成的按一定規律排列好的二進位制數，再用燒錄器寫進微控制器。
微控制器內部就是由我們前面學的閘電路的各種組合，閘電路也由半導體器件構成，這些半導體PN接面是一種特殊的熔絲。空白的微控制器內部是矩陣排列的熔絲，在燒錄過程，程式中0的地方就熔斷，1的地方就導通。燒錄好之後，微控制器就有了邏輯功能。
執行程式過程：從程式儲存區讀取程式指令——分析指令——執行指令。
讀取指令：就是根據程式計算器（PC）的地址取出相應的指令，送到指令暫存器。
分析指令：將指令暫存器中的指令操作碼取出後進行譯碼，分析其指令性質。如指令是我們之前的加法運算中的取加數，則尋找加數的地址。
執行指令：無非是把一條二進位制程式碼，轉換成數字訊號（高低電平），操作邏輯閘電路，就像我們的加法器一樣輸入輸出。把經過邏輯閘運算的結果輸出，把微控制器的相關引腳電平輸出高或低。
也就是微控制器上電開機，微控制器處於初始狀態，可以認為初始狀態中程式計算器（PC）就有了第一個指令地址，在時序電路作用下，送到指令暫存器，分析指令，執行指令，輸出功能，如此迴圈。微控制器就這樣自動進入執行程式過程。
當然微控制器執行的過程是很複雜的，這裡只是個人簡單的理解，總結。
