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(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)。從本期開始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(jué)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(shuō)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(lái)了解它的作用吧。（圖2） 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(shuō)，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(shuō)，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)凇皵?shù)字電路入門（2）”中學(xué)過(guò)的解碼電路，只不過(guò)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。 圖2：CPU的作用 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(shuō)，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(guò)一個(gè)具體運(yùn)算3 4，來(lái)說(shuō)明CPU的操作過(guò)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(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?。＝?jīng)過(guò)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(wèn)，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。