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(kāi)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？

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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)。

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(xiě)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。

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* 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(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。可以說(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?a href="http://www.makelele.cn/v/tag/8791/" target="_blank">數(shù)字電路入門(mén)（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。

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)?3）

由于執(zhí)行了 1 條指令，因此，PC 的值變?yōu)?0001

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)?4）

PC：0001→0000

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(lèi)。

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(xiě)內(nèi)存的簡(jiǎn)稱?？梢噪S時(shí)讀寫(xiě)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。

除 SRAM 外，DRAM 也是常見(jiàn)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(lái)說(shuō)明。如下圖所示，不使用單片機(jī)的電路是一個(gè)由 LED，開(kāi)關(guān)和電阻構(gòu)成的簡(jiǎn)單電路。

* 不安裝單片機(jī)的 LED 電路 *

使用單片機(jī)的電路如下圖所示。

* 安裝單片機(jī)的 LED 電路圖 *

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(méi)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(kāi)關(guān)后，經(jīng)過(guò)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(lái)說(shuō)，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(méi)有單片機(jī)的電路來(lái)說(shuō)，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(shuō)，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！
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