單片機小白學(xué)步(17) 單片機/計算機系統概述：核心模塊

為了便于進(jìn)行說(shuō)明，后面會(huì )將單片機/計算機簡(jiǎn)單的統稱(chēng)為微機系統。

信息與數據

何為信息？可以理解成我們周?chē)鞣N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?zhuān)谴蠹叶寄芾斫?，也不是我要討論的重點(diǎn)。

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

何為數據？在微機系統中，其結構決定了各種能處理的信息都需要表示成二進(jìn)制數字，這就被稱(chēng)為數據。例如英文字符可以通過(guò)ASCII碼表示成一個(gè)個(gè)字節的數據等。

CPU

人的大腦每時(shí)每刻所做的最重要的事，就是對大量的信息進(jìn)行處理。對內部已有信息和外界信息進(jìn)行處理，產(chǎn)生新的信息保存在大腦中，或對外界作出反應。

CPU即中央處理器（CPU=Central Processing Unit），是一個(gè)微機系統最核心的部件，可以認為相當于人的大腦中的思維部分，負責數據的處理。

存儲器：RAM/ROM/外存儲器

存儲器用來(lái)保存數據，例如在硬盤(pán)上可以存放電影音樂(lè )，可以認為相當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(diǎn)是可讀可寫(xiě)。寫(xiě)是指修改或者刪除數據。另外，RAM的速度相對比較快；斷電后數據會(huì )丟失；另外由于造價(jià)較高通常容量不大，但是夠用了。通常在電腦中相當于內存。

在學(xué)習C語(yǔ)言的時(shí)候，定義一個(gè)變量，例如int a，程序在執行的時(shí)候，這個(gè)變量就會(huì )保存在RAM中。

RAM根據結構和工作原理，又分為SRAM（=Static RAM，靜態(tài)RAM）和DRAM（=Dynamic RAM，動(dòng)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(diǎn)是通常情況下存儲內容不能被修改；斷電后數據不會(huì )丟失。

最早的ROM是一次性寫(xiě)入的，寫(xiě)入完成后通過(guò)高電壓燒斷ROM內部的熔絲，之后就不能再修改，而這也是單片機“燒寫(xiě)程序”一詞的由來(lái)。后來(lái)為了適應硬件發(fā)展，可用紫外線(xiàn)擦寫(xiě)的ROM被發(fā)明出來(lái)，但是操作起來(lái)比較麻煩。再到后來(lái)電擦寫(xiě)的ROM誕生了，也就是后面會(huì )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(xiě)程序時(shí)，就是將代碼燒寫(xiě)到了單片機的ROM中；運行程序的時(shí)候，指令就會(huì )從ROM中取出并被執行。

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

備注2：在計算機中，常用到的應用程序平時(shí)是保存在硬盤(pán)中的，執行的時(shí)候，會(huì )由操作系統裝載到內存的代碼區域而不是ROM，這和單片機中的程序的執行過(guò)程不一樣（與單片機程序執行過(guò)程一致的是BIOS程序等，而不是操作系統之上的應用程序）。

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

外存儲器

一般計算機系統中存儲器包括主存儲器和輔助存儲器，主存儲器又叫內存儲器（內存），輔助存儲器又叫外儲存器（外存）。常見(jiàn)的外存儲器有硬盤(pán)、軟盤(pán)、光盤(pán)、U盤(pán)等，斷電后仍然能保存數據。

中斷系統

中斷系統是計算機中非常重要的一個(gè)概念，但是這個(gè)詞看起來(lái)很難理解。何為中斷系統呢？我先講一個(gè)故事。

有一天班長(cháng)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(lái)上交給老師。班長(cháng)把表格分別發(fā)給了這五位同學(xué)，但是每個(gè)同學(xué)什么時(shí)候能填好表格是不確定的。這時(shí)他有幾種選擇。

方法一，每隔一段時(shí)間輪流去問(wèn)這五位同學(xué)有沒(méi)有填完，如果填完了，確認無(wú)誤，就收集起來(lái)。

方法二，班長(cháng)發(fā)表格時(shí)告訴這幾位同學(xué)，填完表后馬上交給他，然后自己就能繼續好好看書(shū)了。每當有同學(xué)交表格的時(shí)候，班長(cháng)就會(huì )把書(shū)簽放到正在看的那一頁(yè)書(shū)中，然后檢查這個(gè)同學(xué)的表格填寫(xiě)是否正確。確認了以后，班長(cháng)又會(huì )從剛剛看的那一頁(yè)繼續看書(shū)。

顯然，方法一效率實(shí)在太低，浪費了很多時(shí)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了。在基本的微機系統中，CPU負責主要數據的處理工作（不考慮計算機顯卡這類(lèi)設備），通常任務(wù)繁重（相當于故事中的班長(cháng)）。

有時(shí)外圍器件需要執行工作，執行結果要讓CPU及時(shí)處理，但又不能確定具體完成時(shí)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(pán)讀數據；也可能是執行不需CPU干預的費時(shí)操作（也可以理解成外圍模塊執行這個(gè)操作的速度慢）；或者是接收來(lái)自外界的操作，例如按下鍵盤(pán)電腦需要很快進(jìn)行響應，要不然就表現為很卡甚至死機了。

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

一是輪詢(xún)法（故事中的方法一）。以一定的間隔不斷查詢(xún)外圍器件工作狀態(tài)。好處是設計起來(lái)比較簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是效率太低，特別是當外圍設備太多、速度差異很大時(shí)，CPU幾乎沒(méi)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(dòng)給CPU發(fā)送中斷請求（填好表格交給班長(cháng)）。然后CPU中斷當前任務(wù)，轉而處理中斷請求，對該模塊的執行結果進(jìn)行處理（檢查表格填寫(xiě)正確，并收集表格）。處理中斷請求之前，需要保護現場(chǎng)（放書(shū)簽），處理完中斷請求，再恢復現場(chǎng)，繼續之前任務(wù)（繼續看書(shū)）。

DMA

前面的故事其實(shí)還有方法三。班長(cháng)由于最近事情太多，決定請副班長(cháng)幫忙收集表格，讓同學(xué)們自己把表格交給副班長(cháng)。副班長(cháng)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(cháng)的同意，不過(guò)效果很好。

同樣對于微機系統來(lái)說(shuō)，也有第三種方法，這種方法就叫做DMA（DMA=Direct Memory Access，直接內存訪(fǎng)問(wèn)）。在CPU之外設置一個(gè)DMA控制器（副班長(cháng)），根據CPU發(fā)送的指令，外圍設備處理完數據，通過(guò)DMA直接將數據保存到內存中的指定位置，然后才用中斷通知CPU處理。

在比較復雜的系統中，DMA能大大提高執行效率。51等單片機本身沒(méi)有DMA功能，可以在外部添加DMA控制器芯片實(shí)現（例如Intel 8237）。不過(guò)性能相對較低的單片機不能實(shí)現復雜系統，所以使用DMA的意義不大。

定時(shí)器/計數器

這里的定時(shí)器和我們生活中的定時(shí)器相似，主要區別是這個(gè)定時(shí)器往往定時(shí)時(shí)間很短；定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到，不會(huì )響鈴，而是通過(guò)中斷的形式通知CPU。計數器則是計數高低電平脈沖數量的，而定時(shí)器通常正是由計數器實(shí)現的。這兩個(gè)模塊放在一起講解，正是因為他們通常就是設計在一塊的，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(gè)微機系統，CPU、存儲器（主要指RAM和ROM）是必不可少的，實(shí)際上還會(huì )有很多其他設備。對于計算機而言，這些模塊一般都是獨立的，通過(guò)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(chēng)為單板機。后來(lái)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(gè)芯片中，就成了單片機。

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