嵌入式編程之單片機(jī)的基本構(gòu)成、工作原理

本篇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(shí)。這些基礎(chǔ)知識(shí)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(shí)。有了電子電路和數(shù)字電路的基礎(chǔ)知識(shí)，就可以開始學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的核心元件-單片機(jī)。本文我們將為大家介紹單片機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)。

在單片機(jī)入門系列講座中，首先學(xué)習(xí)單片機(jī)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(gè)實(shí)際單片機(jī)的運(yùn)行。

單片機(jī)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(jī)。例如：手機(jī)、電視機(jī)、冰箱、洗衣機(jī)、以及按下開關(guān)，LED就閃爍的兒童玩具。那么，單片機(jī)在這些電器中究竟做了些什么呢?

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

那么，單片機(jī)是如何構(gòu)成的呢?(圖1)

單片機(jī)是由CPU、內(nèi)存、外圍功能等部分組成的。如果將單片機(jī)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(dòng)作的神經(jīng)系統(tǒng)。

圖1：?jiǎn)纹瑱C(jī)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(shí)的、自發(fā)的思考。CPU只能依次讀取并執(zhí)行事先存儲(chǔ)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(jiǎn)單的指令，象從內(nèi)存的某個(gè)地方“讀取數(shù)據(jù)”或把某個(gè)數(shù)據(jù)“寫入”內(nèi)存的某個(gè)地方，或做加法、乘法和邏輯運(yùn)算等等。然而這些簡(jiǎn)單指令的組合，卻能實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的功能。

會(huì)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(jì)數(shù)器

CPU讀取指令時(shí)需要知道要執(zhí)行的指令保存在內(nèi)存的什么位置，這個(gè)位置信息稱為地址(相當(dāng)于家庭住址)。程序計(jì)數(shù)器(PC)就是存儲(chǔ)地址的寄存器。通常，PC是按1遞增設(shè)計(jì)的，也就是說，當(dāng)CPU執(zhí)行了0000地址中的指令后，PC會(huì)自動(dòng)加1，變成0001地址。每執(zhí)行一條指令PC都會(huì)自動(dòng)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(yùn)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?cè)?ldquo;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(hào)化(被加密)的指令中，還原指令。

◇運(yùn)算電路

運(yùn)算電路也稱為ALU(Arithmetic and Logic Unit)，是完成運(yùn)算的電路。能進(jìn)行加法、乘法等算術(shù)運(yùn)算、也能進(jìn)行AND、OR 、BIT-SHIFT等邏輯運(yùn)算。運(yùn)算是在指令解碼電路的控制下進(jìn)行的。通常運(yùn)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(chǔ)臨時(shí)信息的場(chǎng)所。有存儲(chǔ)運(yùn)算值和運(yùn)算結(jié)果的通用寄存器，也有一些特殊寄存器，比如存儲(chǔ)運(yùn)算標(biāo)志的標(biāo)志寄存器等。也就是說，運(yùn)算電路進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，并不是在內(nèi)存中直接運(yùn)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(yùn)算的。

CPU的工作原理

讓我們通過一個(gè)具體運(yùn)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。

地址 指令

(實(shí)際上指令是用二進(jìn)制碼表示的，為了方便理解，我們用文字說明)

0000 讀取0100地址的內(nèi)存，存入寄存器1

0001 讀取0101地址的內(nèi)存，存入寄存器2

0002 將寄存器1與寄存器2的值相加，結(jié)果存入寄存器1

～

地址 數(shù)據(jù)

0100 3

0101 4

◇步驟1：當(dāng)程序被執(zhí)行時(shí)，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→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(yùn)算結(jié)束。CPU就是這樣，依次處理每一條簡(jiǎn)單的指令。

能記憶的內(nèi)存

內(nèi)存是單片機(jī)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(jiǎn)稱。保存在ROM中的數(shù)據(jù)不能刪除，也不會(huì)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(jī)都用閃存作為ROM。這是因?yàn)殚W存不僅可以象ROM一樣，即使關(guān)機(jī)也不會(huì)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(jī)讀/寫內(nèi)存的簡(jiǎn)稱?？梢噪S時(shí)讀寫數(shù)據(jù)，但關(guān)機(jī)后，保存在RAM中的數(shù)據(jù)也隨之消失。主要用于存儲(chǔ)程序中的變量。

在單芯片單片機(jī)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(shí)現(xiàn)高密度集成，不適合用作大容量?jī)?nèi)存。

除SRAM外，DRAM也是常見的RAM。DRAM的結(jié)構(gòu)比較容易實(shí)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(gè)晶片上較為困難，因此，一般在單芯片單片機(jī)中很少使用，基本上都是用作外圍電路。

(*1)單芯片單片機(jī)是指：將CPU，ROM，RAM，振蕩電路，定時(shí)器和串行I/F等集成于一個(gè)LSI的微處理器。單芯片單片機(jī)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(jī)……”

為什么很多電器設(shè)備都要使用單片機(jī)呢?

讓我們用一個(gè)點(diǎn)亮LED的電路為例，來說明。如圖3所示，不使用單片機(jī)的電路是一個(gè)由LED，開關(guān)和電阻構(gòu)成的簡(jiǎn)單電路。

圖3：不安裝單片機(jī)的LED電路

使用單片機(jī)的電路如圖4所示。

很顯然，使用單片機(jī)的電路要復(fù)雜得多，而且設(shè)計(jì)電路還要花費(fèi)精力與財(cái)力。好象使用單片機(jī)并沒有什么優(yōu)點(diǎn)。但是，現(xiàn)在下結(jié)論還為時(shí)尚早。

如果我們讓這個(gè)電路做一些比較復(fù)雜的操作，會(huì)怎么樣呢。例如：如果希望LED在按下開關(guān)后，經(jīng)過一段時(shí)間再點(diǎn)亮或熄滅，那么，對(duì)于安裝有單片機(jī)的電路來說，只需更改單片機(jī)中的程序就可以了，并不需更改原電路。另一方面，對(duì)于沒有單片機(jī)的電路來說，就必須在元電路中加入定時(shí)器IC，或者用標(biāo)準(zhǔn)邏輯IC和FPGA構(gòu)成邏輯電路，才能實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。

也就是說，在更改和添加新功能時(shí)，帶有單片機(jī)的電路顯然更加容易實(shí)現(xiàn)。這正是電器設(shè)備使用單片機(jī)的原因。單片機(jī)可真是個(gè)方便的東西哦!

圖4：安裝單片機(jī)的LED電路圖