本連載講解作為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)人員所必需具備的基礎(chǔ)知識。這些基礎(chǔ)知識是硬件和軟件技術(shù)人員都應(yīng)該掌握的共通技術(shù)知識。 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） 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?？梢哉f，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。 圖2：CPU的作用 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?。?。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→0002 ◇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?？梢噪S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。