浅谈单片机是如何构成的？

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？

 

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。

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。

 

* 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。如下图所示，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。

* 不安装单片机的 LED 电路 *

使用单片机的电路如下图所示。

* 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！
       责任编辑:pj