本連載講解作為嵌入式系統開發技術人員所必需具備的基礎知識。這些基礎知識是硬件和軟件技術人員都應該掌握的共通技術知識。 有了電子電路和數字電路的基礎知識，就可以開始學習嵌入式系統的核心元件-單片機。從本期開始我們將為大家介紹單片機的基礎知識。 在單片機入門系列講座中，首先學習單片機的基本構成和工作原理、以及外圍功能電路，然后，挑戰一個實際單片機的運行。 單片機是控制電子產品的大腦 現如今，我們生活中的許多電器都使用了單片機。例如：手機、電視機、冰箱、洗衣機、以及按下開關，LED就閃爍的兒童玩具。那么，單片機在這些電器中究竟做了些什么呢？ 單片機是這些電器動作的關鍵，是指揮硬件運行的。例如：接收按鈕或按鍵的輸入信號，按照事先編好的程序，指揮馬達和LCD的外圍功能電路動作。 那么，單片機是如何構成的呢？（圖1） 單片機是由CPU、內存、外圍功能等部分組成的。如果將單片機比作人，那么CPU是負責思考的，內存是負責記憶的，外圍功能相當于視覺的感官系統及控制手腳動作的神經系統。 圖1：單片機的構成要素 盡管我們說CPU相當于人的大腦，但是它卻不能像人的大腦一樣，能有意識的、自發的思考。CPU只能依次讀取并執行事先存儲在內存中的指令組合（程序）。當然CPU執行的指令并不是“走路”、“講話”等高難度命令，而是一些非常簡單的指令，象從內存的某個地方“讀取數據”或把某個數據“寫入”內存的某個地方，或做加法、乘法和邏輯運算等等。然而這些簡單指令的組合，卻能實現許多復雜的功能。 會思考的CPU 讓我們從CPU的構成來了解它的作用吧。（圖2） 程序計數器 CPU讀取指令時需要知道要執行的指令保存在內存的什么位置，這個位置信息稱為地址（相當于家庭住址）。程序計數器（PC）就是存儲地址的寄存器。通常，PC是按1遞增設計的，也就是說，當CPU執行了0000地址中的指令后，PC會自動加1，變成0001地址。每執行一條指令PC都會自動加1，指向下一條指令的地址。可以說，PC決定了程序執行的順序。 指令解碼電路 指令解碼電路是解讀從內存中讀取的指令的含義。運算電路是根據解碼結果操作的。確切地講，指令解碼電路就是我們在“數字電路入門（2）”中學過的解碼電路，只不過電路結構稍微復雜些，所以，指令解碼電路的工作原理就是從被符號化（被加密）的指令中，還原指令。 圖2：CPU的作用 運算電路 運算電路也稱為ALU（Arithmetic and Logic Unit），是完成運算的電路。能進行加法、乘法等算術運算、也能進行AND、OR 、BIT-SHIFT等邏輯運算。運算是在指令解碼電路的控制下進行的。通常運算電路的構成都比較復雜。 CPU內部寄存器 CPU內部寄存器是存儲臨時信息的場所。有存儲運算值和運算結果的通用寄存器，也有一些特殊寄存器，比如存儲運算標志的標志寄存器等。也就是說，運算電路進行運算時，并不是在內存中直接運算的，而是將內存中的數據復制到通用寄存器，在通用寄存器中進行運算的。 CPU的工作原理 讓我們通過一個具體運算3 4，來說明CPU的操作過程吧。 假設保存在內存中的程序和數據如下。 ◇步驟1：當程序被執行時，CPU就讀取當前PC指向的地址0000中的指令（該操作稱為指令讀取）。經過解碼電路解讀后，這條指令的意思是“讀取0100地址中的內容，然后，保存到寄存器1”。于是CPU就執行指令，從0100地址中讀取數據，存入寄存器1。 ● 寄存器1： 0→3（由0變為3） ● 由于執行了1條指令，因此，PC的值變為0001 ◇步驟2：由于PC的值為0001，因此CPU就讀取0001地址中的指令，經解碼電路解碼后，CPU執行該指令。然后PC再加1。 ● 寄存器2：0→4（由0變為4） ● 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。解碼結果是：將寄存器1和寄存器2相加，然后將結果存于寄存器1。 ● 寄存器1：3→7 ● PC：2→3 于是3 4的結果7被存于寄存器1，加法運算結束。CPU就是這樣，依次處理每一條簡單的指令。 能記憶的內存 內存是單片機的記憶裝置，主要記憶程序和數據，大體上分為ROM和RAM兩大類。 ROM ROM（Read Only Memory）是只讀內存的簡稱。保存在ROM中的數據不能刪除，也不會因斷電而丟失。ROM主要用于保存用戶程序和在程序執行中保持不變的常數。 大多數瑞薩 （Renesas）的單片機都用閃存作為ROM。這是因為閃存不僅可以象ROM一樣，即使關機也不會丟失數據，而且還允許修改數據。 RAM RAM（Random Access Memory）是可隨機讀/寫內存的簡稱。可以隨時讀寫數據，但關機后，保存在RAM中的數據也隨之消失。主要用于存儲程序中的變量。 在單芯片單片機中（*1），常常用SRAM作為內部RAM。SRAM允許高速訪問，但是，內部結構太復雜，很難實現高密度集成，不適合用作大容量內存。