芯片解密知識：單片機的組成原理

　　單片機要自動完成計算，它應(yīng)該具有哪些最重要的部分呢？　　我們以打算盤為例計算一道算術(shù)題。例：36＋163×156－166÷34?，F(xiàn)在要進行運算， 首先需要一把算盤，其次是紙和筆。我們把要計算的問題記錄下來，然后第一步先算163×156，把它與36相加的結(jié)果記在紙上，然后計算166÷34，再 把它從上一次結(jié)果中減去，就得到最后的結(jié)果。
　　現(xiàn)在，我們用單片機來完成上述過程，顯然，它首先要有代替算盤進行運算的部件，這就是“運算器”；其次，要有能起到紙和筆作用的器件，即能記憶原始題目、 原始數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，還要記住使單片機能自動進行運算而編制的各種命令。這類器件就稱為“存貯器”。此外，還需要有能代替人作用的控制器，它能根據(jù)事先給 定的命令發(fā)出各種控制信號，使整個計算過程能一步步地進行。但是光有這三部分還不夠，原始的數(shù)據(jù)與命令要輸入，計算的結(jié)果要輸出，都需要按先后順序進行， 有時還需等待。
　　如上例中，當(dāng)在計算163×156時，數(shù)字36就不能同時進入運算器。因此就需要在單片機上設(shè)置按控制器的命令進行動作的“門”，當(dāng)運算器需要時，就讓新 數(shù)據(jù)進入。或者，當(dāng)運算器得到最后結(jié)果時，再將此結(jié)果輸出，而中間結(jié)果不能隨便“溜出”單片機。這種對輸入、輸出數(shù)據(jù)進行一定管理的“門”電路在單片機中 稱為“口”（Port）。在單片機中，基本上有三類信息在流動，一類是數(shù)據(jù)，即各種原始數(shù)據(jù)（如上例中的36、163等）、中間結(jié)果（如166÷34所得 的商4、余數(shù)30等）、程序（命令的集合）等。這樣要由外部設(shè)備通過“口”進入單片機，再存放在存貯器中，在運算處理過程中，數(shù)據(jù)從存貯器讀入運算器進行 運算，運算的中間結(jié)果要存入存貯器中，或最后由運算器經(jīng)“出入口”輸出。
　　用戶要單片機執(zhí)行的各種命令（程序）也以數(shù)據(jù)的形式由存貯器送入控制器，由控制器解讀（譯碼）后變?yōu)楦鞣N控制信號，以便執(zhí)行如加、減、乘、除等功能的各種 命令。所以，這一類信息就稱為控制命令，即由控制器去控制運算器一步步地進行運算和處理，又控制存貯器的讀（取出數(shù)據(jù)）和寫（存入數(shù)據(jù)）等。第三類信息是 地址信息，其作用是告訴運算器和控制器在何處去取命令取數(shù)據(jù)，將結(jié)果存放到什么地方，通過哪個口輸入和輸出信息等。
　　存貯器又分為只讀存貯器和讀寫存貯器兩種，前者存放調(diào)試好的固定程序和常數(shù)，后者存放一些隨時有可能變動的數(shù)據(jù)。顧名思義，只讀存貯器一旦將數(shù)據(jù)存入，就 只能讀出，不能更改（EPROM、E2PROM等類型的ROM可通過一定的方法來更改、寫入數(shù)據(jù)--編者注）。而讀寫存貯器可隨時存入或讀出數(shù)據(jù)。
　　實際上，人們往往把運算器和控制器合并稱為中央處理單元--CPU。單片機除了進行運算外，還要完成控制功能。所以離不開計數(shù)和定時。因此，在單片機中就 設(shè)置有定時器兼計數(shù)器，其基本結(jié)構(gòu)與本連載之（二）中的舉例類似。到這里為止，我們已經(jīng)知道了單片機的基本組成，即單片機是由中央處理器（即CPU中的運 算器和控制器）、只讀存貯器（通常表示為ROM）、讀寫存貯器（又稱隨機存貯器通常表示為RAM）、輸入/輸出口（又分為并行口和串行口，表示為I/O 口）等等組成。實際上單片機里面還有一個時鐘電路，使單片機在進行運算和控制時，都能有節(jié)奏地進行。另外，還有所謂的“中斷系統(tǒng)”，這個系統(tǒng)有“傳達室” 的作用，當(dāng)單片機控制對象的參數(shù)到達某個需要加以干預(yù)的狀態(tài)時，就可經(jīng)此“傳達室”通報給CPU，使CPU根據(jù)外部事態(tài)的輕重緩急來采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)付措施。
　　現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道了單片機的組成，余下的問題是如何將它們的各部分連接成相互關(guān)聯(lián)的整體呢？實際上，單片機內(nèi)部有一條將它們連接起來的“紐帶”，即所謂 的“內(nèi)部總線”。此總線有如大城市的“干道”，而CPU、ROM、RAM、I/O口、中斷系統(tǒng)等就分布在此“總線”的兩旁，并和它連通。從而，一切指令、 數(shù)據(jù)都可經(jīng)內(nèi)部總線傳送，有如大城市內(nèi)各種物品的傳送都經(jīng)過干道進行。