本連載講解作為嵌入式系統開發技術人員所必需具備的基礎知識。這些基礎知識是硬件和軟件技術人員都應該掌握的共通技術知識。

　　有了電子電路和數字電路的基礎知識，就可以開始學習嵌入式系統的核心元件-單片機。從本期開始我們将為大家介紹單片機的基礎知識。

　　在單片機入門系列講座中，首先學習單片機的基本構成和工作原理、以及外圍功能電路，然後，挑戰一個實際單片機的運行。

　　單片機是控制電子産品的大腦

　　現如今，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，LED就閃爍的兒童玩具。那麼，單片機在這些電器中究竟做了些什麼呢？

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

　　那麼，單片機是如何構成的呢？（圖1）

　　單片機是由CPU、内存、外圍功能等部分組成的。如果将單片機比作人，那麼CPU是負責思考的，内存是負責記憶的，外圍功能相當于視覺的感官系統及控制手腳動作的神經系統。

　　圖1：單片機的構成要素

　　盡管我們說CPU相當于人的大腦，但是它卻不能像人的大腦一樣，能有意識的、自發的思考。CPU隻能依次讀取并執行事先存儲在内存中的指令組合（程序）。當然CPU執行的指令并不是“走路”、“講話”等高難度命令，而是一些非常簡單的指令，象從内存的某個地方“讀取數據”或把某個數據“寫入”内存的某個地方，或做加法、乘法和邏輯運算等等。然而這些簡單指令的組合，卻能實現許多複雜的功能。

　　會思考的CPU

　　讓我們從CPU的構成來了解它的作用吧。（圖2）

　　圖2：CPU的作用

　　◇程序計數器

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

　　◇指令解碼電路

　　指令解碼電路是解讀從内存中讀取的指令的含義。運算電路是根據解碼結果操作的。确切地講，指令解碼電路就是我們在“數字電路入門（2）”中學過的解碼電路，隻不過電路結構稍微複雜些，所以，指令解碼電路的工作原理就是從被符号化（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。能進行加法、乘法等算術運算、也能進行AND、OR 、BIT-SHIFT等邏輯運算。運算是在指令解碼電路的控制下進行的。通常運算電路的構成都比較複雜。

　　◇CPU内部寄存器

　　CPU内部寄存器是存儲臨時信息的場所。有存儲運算值和運算結果的通用寄存器，也有一些特殊寄存器，比如存儲運算标志的标志寄存器等。也就是說，運算電路進行運算時，并不是在内存中直接運算的，而是将内存中的數據複制到通用寄存器，在通用寄存器中進行運算的。

　　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。

　　假設保存在内存中的程序和數據如下。

　　◇步驟1：當程序被執行時，CPU就讀取當前PC指向的地址0000中的指令（該操作稱為指令讀取）。經過解碼電路解讀後，這條指令的意思是“讀取0100地址中的内容，然後，保存到寄存器1”。于是CPU就執行指令，從0100地址中讀取數據，存入寄存器1。

　　寄存器1：0→3（由0變為3）

　　由于執行了1條指令，因此，PC的值變為0001

　　◇步驟2：由于PC的值為0001，因此CPU就讀取0001地址中的指令，經解碼電路解碼後，CPU執行該指令。然後PC再加1。

　　寄存器2：0→4（由0變為4）

　　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。解碼結果是：将寄存器1和寄存器2相加，然後将結果存于寄存器1。

　　寄存器1：3→7

　　PC：2→3

　　于是3 4的結果7被存于寄存器1，加法運算結束。CPU就是這樣，依次處理每一條簡單的指令。

　　能記憶的内存

　　内存是單片機的記憶裝置，主要記憶程序和數據，大體上分為ROM和RAM兩大類。

　　◇ROM

　　ROM（Read Only Memory）是隻讀内存的簡稱。保存在ROM中的數據不能删除，也不會因斷電而丢失。ROM主要用于保存用戶程序和在程序執行中保持不變的常數。

　　大多數瑞薩 （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，即使關機也不會丢失數據，而且還允許修改數據。

　　◇RAM

　　RAM（Random Access Memory）是可随機讀/寫内存的簡稱。可以随時讀寫數據，但關機後，保存在RAM中的數據也随之消失。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作為内部RAM。SRAM允許高速訪問，但是，内部結構太複雜，很難實現高密度集成，不适合用作大容量内存。

　　除SRAM外，DRAM也是常見的RAM。DRAM的結構比較容易實現高密度集成，因此，比SRAM的容量大。但是，将高速邏輯電路和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：将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上再配置一些系統的主要外圍電路，而形成的大規模集成電路稱為系統LSI。

　　“為何要使用單片機……”

　　為什麼很多電器設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，開關和電阻構成的簡單電路。

　　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複雜得多，而且設計電路還要花費精力與财力。好象使用單片機并沒有什麼優點。但是，現在下結論還為時尚早。

　　如果我們讓這個電路做一些比較複雜的操作，會怎麼樣呢。例如：如果希望LED在按下開關後，經過一段時間再點亮或熄滅，那麼，對于安裝有單片機的電路來說，隻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，或者用标準邏輯IC和FPGA構成邏輯電路，才能實現這個功能。

　　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。這正是電器設備使用單片機的原因。單片機可真是個方便的東西哦！

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