單片機小白學(xué)步(17) 單片機/計算機系統(tǒng)概述：核心模塊

為了便于進行說明，后面會將單片機/計算機簡單的統(tǒng)稱為微機系統(tǒng)。

信息與數(shù)據(jù)

何為信息？可以理解成我們周圍各種所能感知到的東西、還有人們所思所想等等，信息的概念不好解釋，但是大家都能理解，也不是我要討論的重點。

在微機系統(tǒng)中，能處理很多信息，例如我正在寫的內(nèi)容，就是文字和圖像信息。處理信息的前提，就是對信息進行表示，例如文字就是一種形式。

何為數(shù)據(jù)？在微機系統(tǒng)中，其結(jié)構(gòu)決定了各種能處理的信息都需要表示成二進制數(shù)字，這就被稱為數(shù)據(jù)。例如英文字符可以通過ASCII碼表示成一個個字節(jié)的數(shù)據(jù)等。

CPU

人的大腦每時每刻所做的最重要的事，就是對大量的信息進行處理。對內(nèi)部已有信息和外界信息進行處理，產(chǎn)生新的信息保存在大腦中，或?qū)ν饨缱鞒龇磻?yīng)。

CPU即中央處理器（CPU=Central Processing Unit），是一個微機系統(tǒng)最核心的部件，可以認為相當(dāng)于人的大腦中的思維部分，負責(zé)數(shù)據(jù)的處理。

存儲器：RAM/ROM/外存儲器

存儲器用來保存數(shù)據(jù)，例如在硬盤上可以存放電影音樂，可以認為相當(dāng)于大腦中的記憶部分。

RAM

即隨機存儲器（RAM=Random Access Memory），最重要的特點是可讀可寫。寫是指修改或者刪除數(shù)據(jù)。另外，RAM的速度相對比較快；斷電后數(shù)據(jù)會丟失；另外由于造價較高通常容量不大，但是夠用了。通常在電腦中相當(dāng)于內(nèi)存。

在學(xué)習(xí)C語言的時候，定義一個變量，例如int a，程序在執(zhí)行的時候，這個變量就會保存在RAM中。

RAM根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理，又分為SRAM（=Static RAM，靜態(tài)RAM）和DRAM（=Dynamic RAM，動態(tài)RAM）兩種，有興趣可以自己查閱相關(guān)資料。

ROM

即只讀存儲器（ROM=Read Only Memory），主要特點是通常情況下存儲內(nèi)容不能被修改；斷電后數(shù)據(jù)不會丟失。

最早的ROM是一次性寫入的，寫入完成后通過高電壓燒斷ROM內(nèi)部的熔絲，之后就不能再修改，而這也是單片機“燒寫程序”一詞的由來。后來為了適應(yīng)硬件發(fā)展，可用紫外線擦寫的ROM被發(fā)明出來，但是操作起來比較麻煩。再到后來電擦寫的ROM誕生了，也就是后面會用到的EEPROM（EEPROM=Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，帶電可擦可編程只讀存儲器）。

給單片機燒寫程序時，就是將代碼燒寫到了單片機的ROM中；運行程序的時候，指令就會從ROM中取出并被執(zhí)行。

備注1：ROM常被誤認為是對應(yīng)于計算機上的硬盤，實際上硬盤屬于外部存儲，而ROM對應(yīng)于計算機主板上的BIOS存儲器等。

備注2：在計算機中，常用到的應(yīng)用程序平時是保存在硬盤中的，執(zhí)行的時候，會由操作系統(tǒng)裝載到內(nèi)存的代碼區(qū)域而不是ROM，這和單片機中的程序的執(zhí)行過程不一樣（與單片機程序執(zhí)行過程一致的是BIOS程序等，而不是操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序）。

備注3：一些單片機具備IAP功能（IAP=In Application Programming，在應(yīng)用編程），利用一段小程序更新單片機ROM中的程序，可以實現(xiàn)在不斷電的情況下自動更新單片機程序。

外存儲器

一般計算機系統(tǒng)中存儲器包括主存儲器和輔助存儲器，主存儲器又叫內(nèi)存儲器（內(nèi)存），輔助存儲器又叫外儲存器（外存）。常見的外存儲器有硬盤、軟盤、光盤、U盤等，斷電后仍然能保存數(shù)據(jù)。

中斷系統(tǒng)

中斷系統(tǒng)是計算機中非常重要的一個概念，但是這個詞看起來很難理解。何為中斷系統(tǒng)呢？我先講一個故事。

有一天班長收到通知要讓五位同學(xué)每人填一份表格，填完后盡快收集起來上交給老師。班長把表格分別發(fā)給了這五位同學(xué)，但是每個同學(xué)什么時候能填好表格是不確定的。這時他有幾種選擇。

方法一，每隔一段時間輪流去問這五位同學(xué)有沒有填完，如果填完了，確認無誤，就收集起來。

方法二，班長發(fā)表格時告訴這幾位同學(xué)，填完表后馬上交給他，然后自己就能繼續(xù)好好看書了。每當(dāng)有同學(xué)交表格的時候，班長就會把書簽放到正在看的那一頁書中，然后檢查這個同學(xué)的表格填寫是否正確。確認了以后，班長又會從剛剛看的那一頁繼續(xù)看書。

顯然，方法一效率實在太低，浪費了很多時間；方法二效果不錯，效率提高了很多。

故事講完了，這里就要介紹中斷系統(tǒng)了。在基本的微機系統(tǒng)中，CPU負責(zé)主要數(shù)據(jù)的處理工作（不考慮計算機顯卡這類設(shè)備），通常任務(wù)繁重（相當(dāng)于故事中的班長）。

有時外圍器件需要執(zhí)行工作，執(zhí)行結(jié)果要讓CPU及時處理，但又不能確定具體完成時間（故事中的同學(xué)填表格）。

原因有可能是因為外圍模塊速度遠不及CPU，例如從硬盤讀數(shù)據(jù)；也可能是執(zhí)行不需CPU干預(yù)的費時操作（也可以理解成外圍模塊執(zhí)行這個操作的速度慢）；或者是接收來自外界的操作，例如按下鍵盤電腦需要很快進行響應(yīng)，要不然就表現(xiàn)為很卡甚至死機了。

這時為了及時知道外圍器件處理的結(jié)果并進行處理，就有幾種工作流程了。

一是輪詢法（故事中的方法一）。以一定的間隔不斷查詢外圍器件工作狀態(tài)。好處是設(shè)計起來比較簡單；缺點是效率太低，特別是當(dāng)外圍設(shè)備太多、速度差異很大時，CPU幾乎沒空干別的事。

二是中斷法（故事中的方法二）。外圍模塊處理好任務(wù)以后，主動給CPU發(fā)送中斷請求（填好表格交給班長）。然后CPU中斷當(dāng)前任務(wù)，轉(zhuǎn)而處理中斷請求，對該模塊的執(zhí)行結(jié)果進行處理（檢查表格填寫正確，并收集表格）。處理中斷請求之前，需要保護現(xiàn)場（放書簽），處理完中斷請求，再恢復(fù)現(xiàn)場，繼續(xù)之前任務(wù)（繼續(xù)看書）。

DMA

前面的故事其實還有方法三。班長由于最近事情太多，決定請副班長幫忙收集表格，讓同學(xué)們自己把表格交給副班長。副班長把表格都收集完了，再由他交給老師。這種方法需要征得副班長的同意，不過效果很好。

同樣對于微機系統(tǒng)來說，也有第三種方法，這種方法就叫做DMA（DMA=Direct Memory Access，直接內(nèi)存訪問）。在CPU之外設(shè)置一個DMA控制器（副班長），根據(jù)CPU發(fā)送的指令，外圍設(shè)備處理完數(shù)據(jù)，通過DMA直接將數(shù)據(jù)保存到內(nèi)存中的指定位置，然后才用中斷通知CPU處理。

在比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，DMA能大大提高執(zhí)行效率。51等單片機本身沒有DMA功能，可以在外部添加DMA控制器芯片實現(xiàn)（例如Intel 8237）。不過性能相對較低的單片機不能實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)，所以使用DMA的意義不大。

定時器/計數(shù)器

這里的定時器和我們生活中的定時器相似，主要區(qū)別是這個定時器往往定時時間很短；定時器定時時間到，不會響鈴，而是通過中斷的形式通知CPU。計數(shù)器則是計數(shù)高低電平脈沖數(shù)量的，而定時器通常正是由計數(shù)器實現(xiàn)的。這兩個模塊放在一起講解，正是因為他們通常就是設(shè)計在一塊的，后面再做詳細介紹。

計算機/單板機/單片機

核心模塊基本介紹完了。對于一個微機系統(tǒng)，CPU、存儲器（主要指RAM和ROM）是必不可少的，實際上還會有很多其他設(shè)備。對于計算機而言，這些模塊一般都是獨立的，通過主板連接在一起。早期人們把CPU、RAM、ROM等器件集成到一塊電路板上，被稱為單板機。后來集成電路技術(shù)不斷發(fā)展，CPU、RAM、ROM、中斷等模塊集成到一個芯片中，就成了單片機。

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