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单片机的基本构成及工作原理

2018-3-29 10:50| 发布者: admin| 查看: 2699| 评论: 0

摘要:   有了电子电路和数字电路的基础知识,就可以开始学习嵌入式系统的核心元件-单片机。从本期开始我们将为大家介绍单片机的基础知识。  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 ...

  有了电子电路和数字电路的基础知识,就可以开始学习嵌入式系统的核心元件-单片机。从本期开始我们将为大家介绍单片机的基础知识。
  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。
  单片机是控制电子产品的大脑
  现如今,我们生活中的许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就闪烁的儿童玩具。那么,单片机在这些电器中究竟做了些什么呢?
  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,按照事先编好的程序,指挥马达和LCD的外围功能电路动作。
  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。如果将单片机比作人,那么CPU是负责思考的,内存是负责记忆的,外围功能相当于视觉的感官系统及控制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、自发的思考。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,而是一些非常简单的指令,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、乘法和逻辑运算等等。然而这些简单指令的组合,却能实现许多复杂的功能。
  会思考的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决定了程序执行的顺序。
  ◇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。运算电路是根据解码结果操作的。确切地讲,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,只不过电路结构稍微复杂些,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等逻辑运算。运算是在指令解码电路的控制下进行的。通常运算电路的构成都比较复杂。
  ◇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,也有一些特殊寄存器,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的。
  CPU的工作原理
  让我们通过一个具体运算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: 0→3(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2:0→4(由0变为4)
  PC:0001→0000
  ◇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1:3→7
  PC:2→3
  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,依次处理每一条简单的指令。
  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。
  ◇ROM
  ROM(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。这是因为闪存不仅可以象ROM一样,即使关机也不会丢失数据,而且还允许修改数据。
  ◇RAM
  RAM(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中的数据也随之消失。主要用于存储程序中的变量。
  在单芯片单片机中(*1),常常用SRAM作为内部RAM。SRAM允许高速访问,但是,内部结构太复杂,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的结构比较容易实现高密度集成,因此,比SRAM的容量大。但是,将高速逻辑电路和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)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……”
  为什么很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单电路。


  图3:不安装单片机的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


  很显然,使用单片机的电路要复杂得多,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。
  如果我们让这个电路做一些比较复杂的操作,会怎么样呢。例如:如果希望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,对于没有单片机的电路来说,就必须在元电路中加入定时器IC,或者用标准逻辑IC和FPGA构成逻辑电路,才能实现这个功能。
  也就是说,在更改和添加新功能时,带有单片机的电路显然更加容易实现。这正是电器设备使用单片机的原因。单片机可真是个方便的东西哦!

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