嵌入式编程之单片机的基本构成、工作原理

    本篇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。有了电子电路和数字电路的基础知识，就可以开始学习嵌入式系统的元件-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、以及外围功能电路，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的外围功能电路动作。

　　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。

　　◇指令解码电路

　　指令解码电路是解读从内存中读取的指令的含义。运算电路是根据解码结果操作的。确切地讲，指令解码电路就是我们在“数字电路入门（2）”中学过的解码电路，只不过电路结构稍微复杂些，所以，指令解码电路的工作原理就是从被符号化（被加密）的指令中，还原指令。

　　◇运算电路

　　运算电路也称为ALU（Arithmetic and Logic Unit），是完成运算的电路。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。运算是在指令解码电路的控制下进行的。通常运算电路的构成都比较复杂。

　　◇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，运算电路进行运算时，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。

◇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）。经过解码电路解读后，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，经解码电路解码后，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，送给指令解码电路。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，将高速逻辑电路和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电路。

　　（*1）单芯片单片机是指：将CPU，ROM，RAM，振荡电路，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电路，而形成的大规模集成电路称为系统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的电路为例，来说明。如图3所示，不使用单片机的电路是一个由LED，开关和电阻构成的简单电路。

　　图3：不安装单片机的LED电路

　　使用单片机的电路如图4所示。

　　很显然，使用单片机的电路要复杂得多，而且设计电路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。

　　如果我们让这个电路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电路来说，只需更改单片机中的程序就可以了，并不需更改原电路。另一方面，对于没有单片机的电路来说，就必须在元电路中加入定时器IC，或者用标准逻辑IC和FPGA构成逻辑电路，才能实现这个功能。

　　也就是说，在更改和添加新功能时，带有单片机的电路显然更加容易实现。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电路图