單片機初學(xué)者的常見問題

二十世紀(jì)跨越了三個“電”的時代，即電氣時代、電子時代和現(xiàn)已進入的電腦時代。不過，這種電腦，通常是指個人計算機，簡稱pc機。它由主機、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計算機，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。這種計算機就是把智能賦予各種機械的單片機(亦稱微控制器)。顧名思義，這種計算機的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進行簡單運算和控制。因為它體積小，通常都藏在被控機械的“肚子”里。它在整個裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個裝置就癱瘓了?，F(xiàn)在，這種單片機的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞——“智能型”，如智能型洗衣機等?，F(xiàn)在有些工廠的技術(shù)人員或其它業(yè)余電子開發(fā)者搞出來的某些產(chǎn)品，不是電路太復(fù)雜，就是功能太簡單且極易被仿制。究其原因，可能就卡在產(chǎn)品未使用單片機或其它可編程邏輯器件上。

學(xué)習(xí)單片機是否很困難呢?應(yīng)當(dāng)說，對于已經(jīng)具有電子電路，尤其是數(shù)字電路基本知識的讀者來說，不會有太大困難，如果你對pc機有一定基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)單片機就更容易。為使絕大多數(shù)讀者能用上單片機。我們這里將盡量按深入淺出、刪繁就簡、理論聯(lián)系實際的原則把單片機的基本工作原理、使用方法交給讀者，以達(dá)到把大家領(lǐng)進單片機之“門”的目的。不過，單片機和pc機一樣，是實踐性很強的一門技術(shù)，有人說“計算機是玩出來的”，單片機亦一樣，只有多“玩”，也就是多練習(xí)、多實際操作，才能真正掌握它。因此，本講座會提供各種練習(xí)和實驗，并介紹一些適用于初學(xué)者且性價比較高的單片機和開發(fā)系統(tǒng)的貨源。你只有認(rèn)真完成成這些實踐環(huán)節(jié)，才能為進一步深造，打好基礎(chǔ)。

“入門既不難，深造也是辦得到的”，只要你有恒心、有決心，跟隨我們的“連載”一步步走下去，將來就一定能在單片機世界里遨游。

單片機的組成

單片機要自動完成計算，它應(yīng)該具有哪些最重要的部分呢?

我們以打算盤為例計算一道算術(shù)題。例：36+163×156-166÷34?，F(xiàn)在要進行運算，首先需要一把算盤，其次是紙和筆。我們把要計算的問題記錄下來，然后第一步先算163×156，把它與36相加的結(jié)果記在紙上，然后計算166÷34，再把它從上一次結(jié)果中減去，就得到最后的結(jié)果。

現(xiàn)在，我們用單片機來完成上述過程，顯然，它首先要有代替算盤進行運算的部件，這就是“運算器”;其次，要有能起到紙和筆作用的器件，即能記憶原始題目、原始數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，還要記住使單片機能自動進行運算而編制的各種命令。這類器件就稱為“存貯器”。此外，還需要有能代替人作用的控制器，它能根據(jù)事先給定的命令發(fā)出各種控制信號，使整個計算過程能一步步地進行。但是光有這三部分還不夠，原始的數(shù)據(jù)與命令要輸入，計算的結(jié)果要輸出，都需要按先后順序進行，有時還需等待。如上例中，當(dāng)在計算163×156時，數(shù)字36就不能同時進入運算器。因此就需要在單片機上設(shè)置按控制器的命令進行動作的“門”，當(dāng)運算器需要時，就讓新數(shù)據(jù)進入?；蛘撸?dāng)運算器得到最后結(jié)果時，再將此結(jié)果輸出，而中間結(jié)果不能隨便“溜出”單片機。這種對輸入、輸出數(shù)據(jù)進行一定管理的“門”電路在單片機中稱為“口”(port)。在單片機中，基本上有三類信息在流動，一類是數(shù)據(jù)，即各種原始數(shù)據(jù)(如上例中的36、163等)、中間結(jié)果(如166÷34所得的商4、余數(shù)30等)、程序(命令的集合)等。這樣要由外部設(shè)備通過“口”進入單片機，再存放在存貯器中，在運算處理過程中，數(shù)據(jù)從存貯器讀入運算器進行運算，運算的中間結(jié)果要存入存貯器中，或最后由運算器經(jīng)“出入口”輸出。用戶要單片機執(zhí)行的各種命令(程序)也以數(shù)據(jù)的形式由存貯器送入控制器，由控制器解讀(譯碼)后變?yōu)楦鞣N控制信號，以便執(zhí)行如加、減、乘、除等功能的各種命令。所以，這一類信息就稱為控制命令，即由控制器去控制運算器一步步地進行運算和處理，又控制存貯器的讀(取出數(shù)據(jù))和寫(存入數(shù)據(jù))等。第三類信息是地址信息，其作用是告訴運算器和控制器在何處去取命令取數(shù)據(jù)，將結(jié)果存放到什么地方，通過哪個口輸入和輸出信息等。

存貯器又分為只讀存貯器和讀寫存貯器兩種，前者存放調(diào)試好的固定程序和常數(shù)，后者存放一些隨時有可能變動的數(shù)據(jù)。顧名思義，只讀存貯器一旦將數(shù)據(jù)存入，就只能讀出，不能更改(eprom、e2prom等類型的rom可通過一定的方法來更改、寫入數(shù)據(jù)——編者注)。而讀寫存貯器可隨時存入或讀出數(shù)據(jù)。

實際上，人們往往把運算器和控制器合并稱為中央處理單元——cpu。單片機除了進行運算外，還要完成控制功能。所以離不開計數(shù)和定時。因此，在單片機中就設(shè)置有定時器兼計數(shù)器，其基本結(jié)構(gòu)與本連載之(二)中的舉例類似。到這里為止，我們已經(jīng)知道了單片機的基本組成，即單片機是由中央處理器(即cpu中的運算器和控制器)、只讀存貯器(通常表示為rom)、讀寫存貯器(又稱隨機存貯器通常表示為ram)、輸入/輸出口(又分為并行口和串行口，表示為i/o口)等等組成。實際上單片機里面還有一個時鐘電路，使單片機在進行運算和控制時，都能有節(jié)奏地進行。另外，還有所謂的“中斷系統(tǒng)”，這個系統(tǒng)有“傳達(dá)室”的作用，當(dāng)單片機控制對象的參數(shù)到達(dá)某個需要加以干預(yù)的狀態(tài)時，就可經(jīng)此“傳達(dá)室”通報給cpu，使cpu根據(jù)外部事態(tài)的輕重緩急來采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)付措施。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道了單片機的組成，余下的問題是如何將它們的各部分連接成相互關(guān)聯(lián)的整體呢?實際上，單片機內(nèi)部有一條將它們連接起來的“紐帶”，即所謂的“內(nèi)部總線”。此總線有如大城市的“干道”，而cpu、rom、ram、i/o口、中斷系統(tǒng)等就分布在此“總線”的兩旁，并和它連通。從而，一切指令、數(shù)據(jù)都可經(jīng)內(nèi)部總線傳送，有如大城市內(nèi)各種物品的傳送都經(jīng)過干道進行。

單片機的指令系統(tǒng)和匯編語言程序

前面已經(jīng)講述了單片機的幾個主要組成部分，這些部分構(gòu)成了單片機的硬件。所謂硬件(hardware)，就是看得到，摸得到的實體。但是，光有這樣的硬件，還只是有了實現(xiàn)計算和控制功能的可能性。單片機要真正地能進行計算和控制，還必須有軟件(software)的配合。軟件主要指的是各種程序。只有將各種正確的程序“灌入”(存入)單片機，它才能有效地工作。單片機所以能自動地進行運算和控制，正是由于人把實現(xiàn)計算和控制的步驟一步步地用命令的形式，即一條條指令(instruction)預(yù)先存入到存貯器中，單片機在cpu的控制下，將指令一條條地取出來，并加以翻譯和執(zhí)行。就以兩個數(shù)相加這一簡單的運算來說，當(dāng)需要運算的數(shù)已存入存貯器后，還需要進行以下幾步： 　　第一步：把第一個數(shù)從它的存貯單元(location)中取出來，送至運算器。