芯片解密知识:单片机的组成原理

发布者:DelightfulSmile最新更新时间:2011-10-09 关键字:芯片解密  组成原理 手机看文章 扫描二维码
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  单片机要自动完成计算,它应该具有哪些最重要的部分呢?  我们以打算盘为例计算一道算术题。例:36+163×156-166÷34。现在要进行运算, 首先需要一把算盘,其次是纸和笔。我们把要计算的问题记录下来,然后第一步先算163×156,把它与36相加的结果记在纸上,然后计算166÷34,再 把它从上一次结果中减去,就得到最后的结果。
  现在,我们用单片机来完成上述过程,显然,它首先要有代替算盘进行运算的部件,这就是“运算器”;其次,要有能起到纸和笔作用的器件,即能记忆原始题目、 原始数据和中间结果,还要记住使单片机能自动进行运算而编制的各种命令。这类器件就称为“存贮器”。此外,还需要有能代替人作用的控制器,它能根据事先给 定的命令发出各种控制信号,使整个计算过程能一步步地进行。但是光有这三部分还不够,原始的数据与命令要输入,计算的结果要输出,都需要按先后顺序进行, 有时还需等待。
  如上例中,当在计算163×156时,数字36就不能同时进入运算器。因此就需要在单片机上设置按控制器的命令进行动作的“门”,当运算器需要时,就让新 数据进入。或者,当运算器得到最后结果时,再将此结果输出,而中间结果不能随便“溜出”单片机。这种对输入、输出数据进行一定管理的“门”电路在单片机中 称为“口”(Port)。在单片机中,基本上有三类信息在流动,一类是数据,即各种原始数据(如上例中的36、163等)、中间结果(如166÷34所得 的商4、余数30等)、程序(命令的集合)等。这样要由外部设备通过“口”进入单片机,再存放在存贮器中,在运算处理过程中,数据从存贮器读入运算器进行 运算,运算的中间结果要存入存贮器中,或最后由运算器经“出入口”输出。
  用户要单片机执行的各种命令(程序)也以数据的形式由存贮器送入控制器,由控制器解读(译码)后变为各种控制信号,以便执行如加、减、乘、除等功能的各种 命令。所以,这一类信息就称为控制命令,即由控制器去控制运算器一步步地进行运算和处理,又控制存贮器的读(取出数据)和写(存入数据)等。第三类信息是 地址信息,其作用是告诉运算器和控制器在何处去取命令取数据,将结果存放到什么地方,通过哪个口输入和输出信息等。
  存贮器又分为只读存贮器和读写存贮器两种,前者存放调试好的固定程序和常数,后者存放一些随时有可能变动的数据。顾名思义,只读存贮器一旦将数据存入,就 只能读出,不能更改(EPROM、E2PROM等类型的ROM可通过一定的方法来更改、写入数据--编者注)。而读写存贮器可随时存入或读出数据。
  实际上,人们往往把运算器和控制器合并称为中央处理单元--CPU。单片机除了进行运算外,还要完成控制功能。所以离不开计数和定时。因此,在单片机中就 设置有定时器兼计数器,其基本结构与本连载之(二)中的举例类似。到这里为止,我们已经知道了单片机的基本组成,即单片机是由中央处理器(即CPU中的运 算器和控制器)、只读存贮器(通常表示为ROM)、读写存贮器(又称随机存贮器通常表示为RAM)、输入/输出口(又分为并行口和串行口,表示为I/O 口)等等组成。实际上单片机里面还有一个时钟电路,使单片机在进行运算和控制时,都能有节奏地进行。另外,还有所谓的“中断系统”,这个系统有“传达室” 的作用,当单片机控制对象的参数到达某个需要加以干预的状态时,就可经此“传达室”通报给CPU,使CPU根据外部事态的轻重缓急来采取适当的应付措施。
  现在,我们已经知道了单片机的组成,余下的问题是如何将它们的各部分连接成相互关联的整体呢?实际上,单片机内部有一条将它们连接起来的“纽带”,即所谓 的“内部总线”。此总线有如大城市的“干道”,而CPU、ROM、RAM、I/O口、中断系统等就分布在此“总线”的两旁,并和它连通。从而,一切指令、 数据都可经内部总线传送,有如大城市内各种物品的传送都经过干道进行。

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北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

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