单片机的基本构成及工作原理

1、本文格式为Word版，下载可任意编辑单片机的基本构成及工作原理 有了电子电路和数字电路的基础学问，就可以开头学习嵌入式系统的核心元件-单片机。从本期开头我们将为大家介绍单片机的基础学问。 在单片机入门系列讲座中，首先学习单片机的基本构成和工作原理、以及外围功能电路，然后，挑战一个实际单片机的运行。单片机是掌握电子产品的大脑现如今，我们生活中的很多电器都使用了单片机。例如：手机、电视机、冰箱、洗衣机、以及按下开关，LED就闪耀的儿童玩具。那么，单片机在这些电器中毕竟做了些什么呢？单片机是这些电器动作的关键，是指挥硬件运行的。例如：接收按钮或按键的输入信号，根据事先编好的程序，指挥马达和LCD的外

2、围功能电路动作。那么，单片机是如何构成的呢？（图1）单片机是由CPU、内存、外围功能等部分组成的。假如将单片机比作人，那么CPU是负责思索的，内存是负责记忆的，外围功能相当于视觉的感官系统及掌握手脚动作的神经系统。 图1：单片机的构成要素 尽管我们说CPU相当于人的大脑，但是它却不能像人的大脑一样，能有意识的、自发的思索。CPU只能依次读取并执行事先存储在内存中的指令组合（程序）。当然CPU执行的指令并不是“走路”、“讲话”等高难度命令，而是一些特别简洁的指令，象从内存的某个地方“读取数据”或把某个数据“写入”内存的某个地方，或做加法、乘法和规律运算等等。然而这些简洁指令的组合，却能实现很多简

3、单的功能。会思索的CPU让我们从CPU的构成来了解它的作用吧。（图2） 图2：CPU的作用 程序计数器CPU读取指令时需要知道要执行的指令保存在内存的什么位置，这个位置信息称为地址（相当于家庭住址）。程序计数器（PC）就是存储地址的寄存器。通常，PC是按1递增设计的，也就是说，当CPU执行了0000地址中的指令后，PC会自动加1，变成0001地址。每执行一条指令PC都会自动加1，指向下一条指令的地址。可以说，PC打算了程序执行的挨次。指令解码电路指令解码电路是解读从内存中读取的指令的含义。运算电路是依据解码结果操作的。准确地讲，指令解码电路就是我们在“数字电路入门（2）”中学过的解码电路，只不

4、过电路结构略微简单些，所以，指令解码电路的工作原理就是从被符号化（被加密）的指令中，还原指令。运算电路运算电路也称为ALU（Arithmetic and Logic Unit），是完成运算的电路。能进行加法、乘法等算术运算、也能进行AND、OR 、BIT-SHIFT等规律运算。运算是在指令解码电路的掌握下进行的。通常运算电路的构成都比较简单。CPU内部寄存器CPU内部寄存器是存储临时信息的场所。有存储运算值和运算结果的通用寄存器，也有一些特别寄存器，比如存储运算标志的标志寄存器等。也就是说，运算电路进行运算时，并不是在内存中直接运算的，而是将内存中的数据复制到通用寄存器，在通用寄存器中进行运算

5、的。CPU的工作原理让我们通过一个详细运算3+4，来说明CPU的操作过程吧。假设保存在内存中的程序和数据如下。 步骤1：当程序被执行时，CPU就读取当前PC指向的地址0000中的指令（该操作称为指令读取）。经过解码电路解读后，这条指令的意思是“读取0100地址中的内容，然后，保存到寄存器1”。于是CPU就执行指令，从0100地址中读取数据，存入寄存器1。寄存器1： 03（由0变为3）由于执行了1条指令，因此，PC的值变为0001步骤2：由于PC的值为0001，因此CPU就读取0001地址中的指令，经解码电路解码后，CPU执行该指令。然后PC再加1。寄存器2：04（由0变为4）PC：000100

6、00步骤3：由于PC的值为0002，因此CPU从0002地址中读取指令，送给指令解码电路。解码结果是：将寄存器1和寄存器2相加，然后将结果存于寄存器1。寄存器1：37PC：23于是3+4的结果7被存于寄存器1，加法运算结束。CPU就是这样，依次处理每一条简洁的指令。能记忆的内存内存是单片机的记忆装置，主要记忆程序和数据，大体上分为ROM和RAM两大类。ROMROM（Read Only Memory）是只读内存的简称。保存在ROM中的数据不能删除，也不会因断电而丢失。ROM主要用于保存用户程序和在程序执行中保持不变的常数。大多数瑞萨 （Renesas）的单片机都用闪存作为ROM。这是由于闪存不仅

7、可以象ROM一样，即使关机也不会丢失数据，而且还允许修改数据。RAMRAM（Random Access Memory）是可随机读/写内存的简称。可以随时读写数据，但关机后，保存在RAM中的数据也随之消逝。主要用于存储程序中的变量。在单芯片单片机中（*1），经常用SRAM作为内部RAM。SRAM允许高速访问，但是，内部结构太简单，很难实现高密度集成，不适合用作大容量内存。除SRAM外，DRAM也是常见的RAM。DRAM的结构比较简单实现高密度集成，因此，比SRAM的容量大。但是，将高速规律电路和DRAM安装于同一个晶片上较为困难，因此，一般在单芯片单片机中很少使用，基本上都是用作外围电路。（*1

8、）单芯片单片机是指：将CPU，ROM，RAM，振荡电路，定时器和串行I/F等集成于一个LSI的微处理器。单芯片单片机的基础上再配置一些系统的主要外围电路，而形成的大规模集成电路称为系统LSI。“为何要使用单片机”为什么许多电器设备都要使用单片机呢？让我们用一个点亮LED的电路为例，来说明。如图3所示，不使用单片机的电路是一个由LED，开关和电阻构成的简洁电路。 图3：担心装单片机的LED电路 使用单片机的电路如图4所示。 图4：安装单片机的LED电路图 很明显，使用单片机的电路要简单得多，而且设计电路还要花费精力与财力。好象使用单片机并没有什么优点。但是，现在下结论还为时尚早。假如我们让这个电路做一些比较简单的操作，会怎么样呢。例如：假如盼望LED在按下开关后，经过一段时间再点亮或熄灭，那么，对于安装有单片机的电路来说，只需更改单片机中的程序就可以了，并不需更改原电路。另一方面，对于没