单片机小白学步(17) 单片机/计算机系统概述：核心模块

前面已经介绍了模块化设计的特点和巨大优势。在我们的实验板中，单片机是其中最核心的一个模块；而对于单片机来说，又是由更多的子模块组合而成。本文主要对单片机/计算机系统中最核心的几个模块进行简要介绍。

为了便于进行说明，后面会将单片机/计算机简单的统称为微机系统。

信息与数据

何为信息？可以理解成我们周围各种所能感知到的东西、还有人们所思所想等等，信息的概念不好解释，但是大家都能理解，也不是我要讨论的重点。

在微机系统中，能处理很多信息，例如我正在写的内容，就是文字和图像信息。处理信息的前提，就是对信息进行表示，例如文字就是一种形式。

何为数据？在微机系统中，其结构决定了各种能处理的信息都需要表示成二进制数字，这就被称为数据。例如英文字符可以通过ASCII码表示成一个个字节的数据等。

CPU

人的大脑每时每刻所做的最重要的事，就是对大量的信息进行处理。对内部已有信息和外界信息进行处理，产生新的信息保存在大脑中，或对外界作出反应。

CPU即中央处理器（CPU=Central Processing Unit），是一个微机系统最核心的部件，可以认为相当于人的大脑中的思维部分，负责数据的处理。

存储器：RAM/ROM/外存储器

存储器用来保存数据，例如在硬盘上可以存放电影音乐，可以认为相当于大脑中的记忆部分。

RAM

即随机存储器（RAM=Random Access Memory），最重要的特点是可读可写。写是指修改或者删除数据。另外，RAM的速度相对比较快；断电后数据会丢失；另外由于造价较高通常容量不大，但是够用了。通常在电脑中相当于内存。

在学习C语言的时候，定义一个变量，例如int a，程序在执行的时候，这个变量就会保存在RAM中。

RAM根据结构和工作原理，又分为SRAM（=Static RAM，静态RAM）和DRAM（=Dynamic RAM，动态RAM）两种，有兴趣可以自己查阅相关资料。

ROM

即只读存储器（ROM=Read Only Memory），主要特点是通常情况下存储内容不能被修改；断电后数据不会丢失。

最早的ROM是一次性写入的，写入完成后通过高电压烧断ROM内部的熔丝，之后就不能再修改，而这也是单片机“烧写程序”一词的由来。后来为了适应硬件发展，可用紫外线擦写的ROM被发明出来，但是操作起来比较麻烦。再到后来电擦写的ROM诞生了，也就是后面会用到的EEPROM（EEPROM=Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，带电可擦可编程只读存储器）。

给单片机烧写程序时，就是将代码烧写到了单片机的ROM中；运行程序的时候，指令就会从ROM中取出并被执行。

备注1：ROM常被误认为是对应于计算机上的硬盘，实际上硬盘属于外部存储，而ROM对应于计算机主板上的BIOS存储器等。

备注2：在计算机中，常用到的应用程序平时是保存在硬盘中的，执行的时候，会由操作系统装载到内存的代码区域而不是ROM，这和单片机中的程序的执行过程不一样（与单片机程序执行过程一致的是BIOS程序等，而不是操作系统之上的应用程序）。

备注3：一些单片机具备IAP功能（IAP=In Application Programming，在应用编程），利用一段小程序更新单片机ROM中的程序，可以实现在不断电的情况下自动更新单片机程序。

外存储器

一般计算机系统中存储器包括主存储器和辅助存储器，主存储器又叫内存储器（内存），辅助存储器又叫外储存器（外存）。常见的外存储器有硬盘、软盘、光盘、U盘等，断电后仍然能保存数据。

中断系统

中断系统是计算机中非常重要的一个概念，但是这个词看起来很难理解。何为中断系统呢？我先讲一个故事。

有一天班长收到通知要让五位同学每人填一份表格，填完后尽快收集起来上交给老师。班长把表格分别发给了这五位同学，但是每个同学什么时候能填好表格是不确定的。这时他有几种选择。

方法一，每隔一段时间轮流去问这五位同学有没有填完，如果填完了，确认无误，就收集起来。

方法二，班长发表格时告诉这几位同学，填完表后马上交给他，然后自己就能继续好好看书了。每当有同学交表格的时候，班长就会把书签放到正在看的那一页书中，然后检查这个同学的表格填写是否正确。确认了以后，班长又会从刚刚看的那一页继续看书。

显然，方法一效率实在太低，浪费了很多时间；方法二效果不错，效率提高了很多。

故事讲完了，这里就要介绍中断系统了。在基本的微机系统中，CPU负责主要数据的处理工作（不考虑计算机显卡这类设备），通常任务繁重（相当于故事中的班长）。

有时外围器件需要执行工作，执行结果要让CPU及时处理，但又不能确定具体完成时间（故事中的同学填表格）。

原因有可能是因为外围模块速度远不及CPU，例如从硬盘读数据；也可能是执行不需CPU干预的费时操作（也可以理解成外围模块执行这个操作的速度慢）；或者是接收来自外界的操作，例如按下键盘电脑需要很快进行响应，要不然就表现为很卡甚至死机了。

这时为了及时知道外围器件处理的结果并进行处理，就有几种工作流程了。

一是轮询法（故事中的方法一）。以一定的间隔不断查询外围器件工作状态。好处是设计起来比较简单；缺点是效率太低，特别是当外围设备太多、速度差异很大时，CPU几乎没空干别的事。

二是中断法（故事中的方法二）。外围模块处理好任务以后，主动给CPU发送中断请求（填好表格交给班长）。然后CPU中断当前任务，转而处理中断请求，对该模块的执行结果进行处理（检查表格填写正确，并收集表格）。处理中断请求之前，需要保护现场（放书签），处理完中断请求，再恢复现场，继续之前任务（继续看书）。

DMA

前面的故事其实还有方法三。班长由于最近事情太多，决定请副班长帮忙收集表格，让同学们自己把表格交给副班长。副班长把表格都收集完了，再由他交给老师。这种方法需要征得副班长的同意，不过效果很好。

同样对于微机系统来说，也有第三种方法，这种方法就叫做DMA（DMA=Direct Memory Access，直接内存访问）。在CPU之外设置一个DMA控制器（副班长），根据CPU发送的指令，外围设备处理完数据，通过DMA直接将数据保存到内存中的指定位置，然后才用中断通知CPU处理。

在比较复杂的系统中，DMA能大大提高执行效率。51等单片机本身没有DMA功能，可以在外部添加DMA控制器芯片实现（例如Intel 8237）。不过性能相对较低的单片机不能实现复杂系统，所以使用DMA的意义不大。

定时器/计数器

这里的定时器和我们生活中的定时器相似，主要区别是这个定时器往往定时时间很短；定时器定时时间到，不会响铃，而是通过中断的形式通知CPU。计数器则是计数高低电平脉冲数量的，而定时器通常正是由计数器实现的。这两个模块放在一起讲解，正是因为他们通常就是设计在一块的，后面再做详细介绍。

计算机/单板机/单片机

核心模块基本介绍完了。对于一个微机系统，CPU、存储器（主要指RAM和ROM）是必不可少的，实际上还会有很多其他设备。对于计算机而言，这些模块一般都是独立的，通过主板连接在一起。早期人们把CPU、RAM、ROM等器件集成到一块电路板上，被称为单板机。后来集成电路技术不断发展，CPU、RAM、ROM、中断等模块集成到一个芯片中，就成了单片机。

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