單片機的基本構(gòu)成及工作原理

有了電子電路和數(shù)字電路的基礎(chǔ)知識，就可以開始學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的核心元件-單片機。從本期開始我們將為大家介紹單片機的基礎(chǔ)知識。

在單片機入門系列講座中，首先學(xué)習(xí)單片機的基本構(gòu)成和工作原理、以及外圍功能電路，然后，挑戰(zhàn)一個實際單片機的運行。

單片機是控制電子產(chǎn)品的大腦

現(xiàn)如今，我們生活中的許多電器都使用了單片機。例如：手機、電視機、冰箱、洗衣機、以及按下開關(guān)，LED就閃爍的兒童玩具。那么，單片機在這些電器中究竟做了些什么呢？

單片機是這些電器動作的關(guān)鍵，是指揮硬件運行的。例如：接收按鈕或按鍵的輸入信號，按照事先編好的程序，指揮馬達(dá)和LCD的外圍功能電路動作。

那么，單片機是如何構(gòu)成的呢？（圖1）

單片機是由CPU、內(nèi)存、外圍功能等部分組成的。如果將單片機比作人，那么CPU是負(fù)責(zé)思考的，內(nèi)存是負(fù)責(zé)記憶的，外圍功能相當(dāng)于視覺的感官系統(tǒng)及控制手腳動作的神經(jīng)系統(tǒng)。

　　圖1：單片機的構(gòu)成要素

盡管我們說CPU相當(dāng)于人的大腦，但是它卻不能像人的大腦一樣，能有意識的、自發(fā)的思考。CPU只能依次讀取并執(zhí)行事先存儲在內(nèi)存中的指令組合（程序）。當(dāng)然CPU執(zhí)行的指令并不是“走路”、“講話”等高難度命令，而是一些非常簡單的指令，象從內(nèi)存的某個地方“讀取數(shù)據(jù)”或把某個數(shù)據(jù)“寫入”內(nèi)存的某個地方，或做加法、乘法和邏輯運算等等。然而這些簡單指令的組合，卻能實現(xiàn)許多復(fù)雜的功能。

會思考的CPU

讓我們從CPU的構(gòu)成來了解它的作用吧。（圖2）

　　圖2：CPU的作用

◇程序計數(shù)器

CPU讀取指令時需要知道要執(zhí)行的指令保存在內(nèi)存的什么位置，這個位置信息稱為地址（相當(dāng)于家庭住址）。程序計數(shù)器（PC）就是存儲地址的寄存器。通常，PC是按1遞增設(shè)計的，也就是說，當(dāng)CPU執(zhí)行了0000地址中的指令后，PC會自動加1，變成0001地址。每執(zhí)行一條指令PC都會自動加1，指向下一條指令的地址。可以說，PC決定了程序執(zhí)行的順序。

◇指令解碼電路

指令解碼電路是解讀從內(nèi)存中讀取的指令的含義。運算電路是根據(jù)解碼結(jié)果操作的。確切地講，指令解碼電路就是我們在“數(shù)字電路入門（2）”中學(xué)過的解碼電路，只不過電路結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，所以，指令解碼電路的工作原理就是從被符號化（被加密）的指令中，還原指令。

◇運算電路

運算電路也稱為ALU（Arithmetic and Logic Unit），是完成運算的電路。能進(jìn)行加法、乘法等算術(shù)運算、也能進(jìn)行AND、OR 、BIT-SHIFT等邏輯運算。運算是在指令解碼電路的控制下進(jìn)行的。通常運算電路的構(gòu)成都比較復(fù)雜。

◇CPU內(nèi)部寄存器

CPU內(nèi)部寄存器是存儲臨時信息的場所。有存儲運算值和運算結(jié)果的通用寄存器，也有一些特殊寄存器，比如存儲運算標(biāo)志的標(biāo)志寄存器等。也就是說，運算電路進(jìn)行運算時，并不是在內(nèi)存中直接運算的，而是將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)復(fù)制到通用寄存器，在通用寄存器中進(jìn)行運算的。

CPU的工作原理

讓我們通過一個具體運算3+4，來說明CPU的操作過程吧。

假設(shè)保存在內(nèi)存中的程序和數(shù)據(jù)如下。

　　◇步驟1：當(dāng)程序被執(zhí)行時，CPU就讀取當(dāng)前PC指向的地址0000中的指令（該操作稱為指令讀取）。經(jīng)過解碼電路解讀后，這條指令的意思是“讀取0100地址中的內(nèi)容，然后，保存到寄存器1”。于是CPU就執(zhí)行指令，從0100地址中讀取數(shù)據(jù)，存入寄存器1。
　　寄存器1： 0→3（由0變?yōu)?）
　　由于執(zhí)行了1條指令，因此，PC的值變?yōu)?001
　　◇步驟2：由于PC的值為0001，因此CPU就讀取0001地址中的指令，經(jīng)解碼電路解碼后，CPU執(zhí)行該指令。然后PC再加1。
　　寄存器2：0→4（由0變?yōu)?）
　　PC：0001→0000
　　◇步驟3：由于PC的值為0002，因此CPU從0002地址中讀取指令，送給指令解碼電路。解碼結(jié)果是：將寄存器1和寄存器2相加，然后將結(jié)果存于寄存器1。
　　寄存器1：3→7
　　PC：2→3
　　于是3+4的結(jié)果7被存于寄存器1，加法運算結(jié)束。CPU就是這樣，依次處理每一條簡單的指令。
　　能記憶的內(nèi)存
　　內(nèi)存是單片機的記憶裝置，主要記憶程序和數(shù)據(jù)，大體上分為ROM和RAM兩大類。
　　◇ROM
　　ROM（Read Only Memory）是只讀內(nèi)存的簡稱。保存在ROM中的數(shù)據(jù)不能刪除，也不會因斷電而丟失。ROM主要用于保存用戶程序和在程序執(zhí)行中保持不變的常數(shù)。
　　大多數(shù)瑞薩 （Renesas）的單片機都用閃存作為ROM。這是因為閃存不僅可以象ROM一樣，即使關(guān)機也不會丟失數(shù)據(jù)，而且還允許修改數(shù)據(jù)。
　　◇RAM
　　RAM（Random Access Memory）是可隨機讀/寫內(nèi)存的簡稱。可以隨時讀寫數(shù)據(jù)，但關(guān)機后，保存在RAM中的數(shù)據(jù)也隨之消失。主要用于存儲程序中的變量。
　　在單芯片單片機中（*1），常常用SRAM作為內(nèi)部RAM。SRAM允許高速訪問，但是，內(nèi)部結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，很難實現(xiàn)高密度集成，不適合用作大容量內(nèi)存。
　　除SRAM外，DRAM也是常見的RAM。DRAM的結(jié)構(gòu)比較容易實現(xiàn)高密度集成，因此，比SRAM的容量大。但是，將高速邏輯電路和DRAM安裝于同一個晶片上較為困難，因此，一般在單芯片單片機中很少使用，基本上都是用作外圍電路。
　　（*1）單芯片單片機是指：將CPU，ROM，RAM，振蕩電路，定時器和串行I/F等集成于一個LSI的微處理器。單芯片單片機的基礎(chǔ)上再配置一些系統(tǒng)的主要外圍電路，而形成的大規(guī)模集成電路稱為系統(tǒng)LSI。
　　“為何要使用單片機……”
　　為什么很多電器設(shè)備都要使用單片機呢？
　　讓我們用一個點亮LED的電路為例，來說明。如圖3所示，不使用單片機的電路是一個由LED，開關(guān)和電阻構(gòu)成的簡單電路。

　　圖3：不安裝單片機的LED電路

　　使用單片機的電路如圖4所示。

　　圖4：安裝單片機的LED電路圖

　　很顯然，使用單片機的電路要復(fù)雜得多，而且設(shè)計電路還要花費精力與財力。好象使用單片機并沒有什么優(yōu)點。但是，現(xiàn)在下結(jié)論還為時尚早。
　　如果我們讓這個電路做一些比較復(fù)雜的操作，會怎么樣呢。例如：如果希望LED在按下開關(guān)后，經(jīng)過一段時間再點亮或熄滅，那么，對于安裝有單片機的電路來說，只需更改單片機中的程序就可以了，并不需更改原電路。另一方面，對于沒有單片機的電路來說，就必須在元電路中加入定時器IC，或者用標(biāo)準(zhǔn)邏輯IC和FPGA構(gòu)成邏輯電路，才能實現(xiàn)這個功能。
　　也就是說，在更改和添加新功能時，帶有單片機的電路顯然更加容易實現(xiàn)。這正是電器設(shè)備使用單片機的原因。單片機可真是個方便的東西哦！

編輯：admin  最后修改時間：2018-05-08