总结单片机的基本概念

　　在电子技术领域，单片机作为一种关键的集成电路芯片，广泛应用于各种电子设备中。下面我们来深入总结一下单片机的基本概念。
　　单片机执行指令
　　当我们使用编程器将一条指令写入单片机内部，即便取下单片机，它仍能执行该指令。这意味着这条指令必然存储在单片机的某个特定区域，且该区域在单片机掉电后能确保指令不丢失，这个区域就是单片机内部的只读存储器（ROM，READ ONLY MEMORY）。以 89C51 为例，其中的 ROM 是一种电可擦除的 ROM，即 FLASH ROM。虽然我们可以借助编程器在特殊条件下对 ROM 进行写操作，但在单片机正常工作时，只能从 ROM 中读取数据，而不能写入，所以仍将其称为 ROM。
　　单片机数的本质和物理现象
　　计算机能够进行数学运算，这对于很多人来说难以理解，毕竟它们只是由电子元器件组成。以我们人类计算 37 + 45 为例，会先在纸上写下数字，然后通过大脑运算得出结果，运算的原材料和结果都记录在纸上。那么在计算机中，这些数据存放在哪里呢？为了解答这个疑问，我们可以做一个实验。一盏灯只有亮和不亮两种状态，我们可以用 “0” 和 “1” 分别代表这两种状态，规定亮为 “1”，不亮为 “0”。当放上三盏灯时，它们的状态组合有 000、001、010、011、100、101、110、111，这些组合就构成了我们所学的二进制数。实际上，灯的亮灭原本只是一种物理现象，但按照一定顺序排列后，就可以代表数字。进一步抽象来看，灯亮是因为输出电路输出高电平通电，所以灯的亮灭可以用电路输出的高、低电平来表示，这样数字就与电平的高低建立了联系。
　　单片机数位的含义
　　通过上述实验可知，一盏灯的亮灭或者一根线电平的高低能代表两种状态，即 0 和 1，这实际上就是一个二进制位。因此，我们将一根线称为一 “位”，用 BIT 表示。
　　单片机字节的含义
　　一根线可以表示 0 和 1，两根线能表达 00、01、10、11 四种状态，也就是可以表达 0 - 3；三根线可以表达 0 - 7。在计算机中，通常将 8 根线放在一起同时计数，就可以表示 0 - 255 共 256 种状态。这 8 根线或者 8 位就被称为一个字节（BYTE）。
　　单片机存储器的构造
　　存储器是用于存放数据的地方，它利用电平的高低来存储数据，实际上存储的是电平的高低，而非我们习惯认为的 1234 等数字。存储器就像一个个小抽屉，每个小抽屉里有八个小格子，每个小格子用于存放 “电荷”，电荷通过与之相连的电线传入或释放。我们可以将电线想象成水管，小格子里的电荷就像水，这样会更好理解。存储器中的每个小抽屉就是一个存储数据的 “单元”。当我们要存放数据 12（即 00001100）时，只需将第二号和第三号小格子存满电荷，其他小格子释放电荷即可。然而，一个存储器有多个单元，由于线是并联的，如果直接操作，放入电荷时会将电荷放入所有单元，释放电荷时会将每个单元的电荷都放掉，导致所有单元只能存放同一个数，这显然不符合我们的需求。因此，需要在结构上进行改进，在每个单元设置一个控制线。当要将数据放入某个单元时，给该单元的控制线发送一个信号，控制线会打开开关，使电荷能够自由流动；而其他单元控制线上没有信号，开关不会打开，不会受到影响。这样，通过控制不同单元的控制线，就可以向各单元写入不同的数据。同理，要从某个单元取数据时，只需打开相应的控制开关即可。
　　单片机存储器的译码
　　那么，如何控制各个单元的控制线呢？如果将每个单元的控制线都引出到集成电路外面，对于一片 27512 存储器，其中有 65536 个单元，这样集成电路就需要有 6 万多个引脚，显然不可行。因此，需要想办法减少线的数量，有一种方法叫做译码。一根线可以代表 2 种状态，2 根线可以代表 4 种状态，3 根线可以代表 8 种状态，那么表示 256 种状态需要 8 根线，所以表示 65536 种状态只需要 16 根线即可。
　　单片机存储器的选片概念
　　解决了译码问题后，我们再来看另一个问题。送入每个单元的八根线是从计算机接过来的，通常这八根线除了连接一个存储器外，还会连接其他器件。这样就会出现一个问题：如果总是将某个单元连接在这八根线上，当不同存储器单元的数值不同时，这八根线的电平状态就难以分辨。为了解决这个问题，当外面的线接到集成电路引脚后，不直接连接到各单元，而是在中间增加一组开关。平时开关处于打开状态，当需要向这个存储器写入数据或从存储器中读出数据时，再将开关接通。这组开关由三根引线控制，分别是读控制端、写控制端和片选端。要将数据写入片中时，先选中该片，然后发出写信号，开关合上，数据（电荷）就会被写入片中；要读取数据时，先选中该片，然后发出读信号，开关合上，数据就会被送出。读和写信号同时也会接入到另一个存储器，但由于片选端不同，即使有读或写信号，没有片选信号，另一个存储器也不会 “误会” 而打开，从而避免冲突。在设计好的系统中，不会同时选中两片芯片，因为这是由计算机控制的，如果出现同时选中两片的情况，那就是电路出现故障了，这里暂不讨论。
　　单片机的总线概念
　　从上述介绍可以看出，用来传递数据的八根线并非专用，而是多个器件共用的，我们将其称为数据总线，英文名为 BUS，就像公交车道，谁都可以使用。而十六根地址线也是连接在一起的，称为地址总线。