嵌入式编程之单片机的基本构成、工作原理

　　本连载讲解作为嵌入式系统开发技术人员所必需具备的基础知识。这些基础知识是硬件和软件技术人员都应该掌握的共通技术知识。有了电子威廉希尔官方网站 和数字威廉希尔官方网站 的基础知识，就可以开始学习嵌入式系统的核心元件-单片机。本文我们将为大家介绍单片机的基础知识。

　　在单片机入门系列讲座中，首先学习单片机的基本构成和工作原理、以及外围功能威廉希尔官方网站 ，然后，挑战一个实际单片机的运行。

　　单片机是控制电子产品的大脑

　　现如今，我们生活中的许多电器都使用了单片机。例如：手机、电视机、冰箱、洗衣机、以及按下开关，LED就闪烁的儿童玩具。那么，单片机在这些电器中究竟做了些什么呢？

　　单片机是这些电器动作的关键，是指挥硬件运行的。例如：接收按钮或按键的输入信号，按照事先编好的程序，指挥马达和LCD的外围功能威廉希尔官方网站 动作。

　　那么，单片机是如何构成的呢？（图1）

　　单片机是由CPU、内存、外围功能等部分组成的。如果将单片机比作人，那么CPU是负责思考的，内存是负责记忆的，外围功能相当于视觉的感官系统及控制手脚动作的神经系统。

　　

　　图1：单片机的构成要素

　　尽管我们说CPU相当于人的大脑，但是它却不能像人的大脑一样，能有意识的、自发的思考。CPU只能依次读取并执行事先存储在内存中的指令组合（程序）。当然CPU执行的指令并不是“走路”、“讲话”等高难度命令，而是一些非常简单的指令，象从内存的某个地方“读取数据”或把某个数据“写入”内存的某个地方，或做加法、乘法和逻辑运算等等。然而这些简单指令的组合，却能实现许多复杂的功能。

　　会思考的CPU

　　让我们从CPU的构成来了解它的作用吧。（图2）

　　

　　图2：CPU的作用

　　◇程序计数器

　　CPU读取指令时需要知道要执行的指令保存在内存的什么位置，这个位置信息称为地址（相当于家庭住址）。程序计数器（PC）就是存储地址的寄存器。通常，PC是按1递增设计的，也就是说，当CPU执行了0000地址中的指令后，PC会自动加1，变成0001地址。每执行一条指令PC都会自动加1，指向下一条指令的地址。可以说，PC决定了程序执行的顺序。

　　◇指令解码威廉希尔官方网站

　　指令解码威廉希尔官方网站 是解读从内存中读取的指令的含义。运算威廉希尔官方网站 是根据解码结果操作的。确切地讲，指令解码威廉希尔官方网站 就是我们在“数字威廉希尔官方网站 入门（2）”中学过的解码威廉希尔官方网站 ，只不过威廉希尔官方网站 结构稍微复杂些，所以，指令解码威廉希尔官方网站 的工作原理就是从被符号化（被加密）的指令中，还原指令。

　　◇运算威廉希尔官方网站

　　运算威廉希尔官方网站 也称为ALU（Arithmetic and Logic Unit），是完成运算的威廉希尔官方网站 。能进行加法、乘法等算术运算、也能进行AND、OR 、BIT-SHIFT等逻辑运算。运算是在指令解码威廉希尔官方网站 的控制下进行的。通常运算威廉希尔官方网站 的构成都比较复杂。

　　◇CPU内部寄存器

　　CPU内部寄存器是存储临时信息的场所。有存储运算值和运算结果的通用寄存器，也有一些特殊寄存器，比如存储运算标志的标志寄存器等。也就是说，运算威廉希尔官方网站 进行运算时，并不是在内存中直接运算的，而是将内存中的数据复制到通用寄存器，在通用寄存器中进行运算的。

　　CPU的工作原理

　　让我们通过一个具体运算3+4，来说明CPU的操作过程吧。

　　假设保存在内存中的程序和数据如下。

地址	指令 （实际上指令是用二进制码表示的，为了方便理解，我们用文字说明）
0000	读取0100地址的内存，存入寄存器1
0001	读取0101地址的内存，存入寄存器2
0002	将寄存器1与寄存器2的值相加，结果存入寄存器1
～
地址	数据
0100	3
0101	4

　　◇步骤1：当程序被执行时，CPU就读取当前PC指向的地址0000中的指令（该操作称为指令读取）。经过解码威廉希尔官方网站 解读后，这条指令的意思是“读取0100地址中的内容，然后，保存到寄存器1”。于是CPU就执行指令，从0100地址中读取数据，存入寄存器1。

　　寄存器1： 0→3（由0变为3）

　　由于执行了1条指令，因此，PC的值变为0001

　　◇步骤2：由于PC的值为0001，因此CPU就读取0001地址中的指令，经解码威廉希尔官方网站 解码后，CPU执行该指令。然后PC再加1。

　　寄存器2：0→4（由0变为4）

　　PC：0001→0002

　　◇步骤3：由于PC的值为0002，因此CPU从0002地址中读取指令，送给指令解码威廉希尔官方网站 。解码结果是：将寄存器1和寄存器2相加，然后将结果存于寄存器1。

　　寄存器1：3→7

　　PC：2→3

　　于是3+4的结果7被存于寄存器1，加法运算结束。CPU就是这样，依次处理每一条简单的指令。

　　能记忆的内存

　　内存是单片机的记忆装置，主要记忆程序和数据，大体上分为ROM和RAM两大类。

　　◇ROM

　　ROM（Read Only Memory）是只读内存的简称。保存在ROM中的数据不能删除，也不会因断电而丢失。ROM主要用于保存用户程序和在程序执行中保持不变的常数。

　　大多数瑞萨（Renesas）的单片机都用闪存作为ROM。这是因为闪存不仅可以象ROM一样，即使关机也不会丢失数据，而且还允许修改数据。

　　◇RAM

　　RAM（Random Access Memory）是可随机读/写内存的简称。可以随时读写数据，但关机后，保存在RAM中的数据也随之消失。主要用于存储程序中的变量。

　　在单芯片单片机中（*1），常常用SRAM作为内部RAM。SRAM允许高速访问，但是，内部结构太复杂，很难实现高密度集成，不适合用作大容量内存。

　　除SRAM外，DRAM也是常见的RAM。DRAM的结构比较容易实现高密度集成，因此，比SRAM的容量大。但是，将高速逻辑威廉希尔官方网站 和DRAM安装于同一个晶片上较为困难，因此，一般在单芯片单片机中很少使用，基本上都是用作外围威廉希尔官方网站 。

　　（*1）单芯片单片机是指：将CPU，ROM，RAM，振荡威廉希尔官方网站 ，定时器和串行I/F等集成于一个LSI的微处理器。单芯片单片机的基础上再配置一些系统的主要外围威廉希尔官方网站 ，而形成的大规模集成威廉希尔官方网站 称为系统LSI。

　　“为何要使用单片机……”

　　为什么很多电器设备都要使用单片机呢？

　　让我们用一个点亮LED的威廉希尔官方网站 为例，来说明。如图3所示，不使用单片机的威廉希尔官方网站 是一个由LED，开关和电阻构成的简单威廉希尔官方网站 。

　　

　　图3：不安装单片机的LED威廉希尔官方网站

　　使用单片机的威廉希尔官方网站 如图4所示。

　　很显然，使用单片机的威廉希尔官方网站 要复杂得多，而且设计威廉希尔官方网站 还要花费精力与财力。好象使用单片机并没有什么优点。但是，现在下结论还为时尚早。

　　如果我们让这个威廉希尔官方网站 做一些比较复杂的操作，会怎么样呢。例如：如果希望LED在按下开关后，经过一段时间再点亮或熄灭，那么，对于安装有单片机的威廉希尔官方网站 来说，只需更改单片机中的程序就可以了，并不需更改原威廉希尔官方网站 。另一方面，对于没有单片机的威廉希尔官方网站 来说，就必须在元威廉希尔官方网站 中加入定时器IC，或者用标准逻辑IC和FPGA构成逻辑威廉希尔官方网站 ，才能实现这个功能。

　　也就是说，在更改和添加新功能时，带有单片机的威廉希尔官方网站 显然更加容易实现。这正是电器设备使用单片机的原因。单片机可真是个方便的东西哦！

　　

　　图4：安装单片机的LED威廉希尔官方网站 图