單片機內部結構原理

一、單片機內部結構分析

我們來(lái)思考一個(gè)問(wèn)題，當我們在編程器中把一條指令寫(xiě)進(jìn)單片機內部，然后取下單片機，單片機就可以執行這條指令，那么這條指令一定保存在單片機的某個(gè)地方，并且這個(gè)地方在單片機掉電后依然可以保持這條指令不會(huì )丟失，這是個(gè)什么地方呢?這個(gè)地方就是單片機內部的只讀存儲器即ROM(READ ONLY MEMORY)。為什么稱(chēng)它為只讀存儲器呢?剛才我們不是明明把兩個(gè)數字寫(xiě)進(jìn)去了嗎?原來(lái)在89C51中的ROM是一種電可擦除的ROM，稱(chēng)為FLASH ROM，剛才我們是用的編程器，在特殊的條件下由外部設備對ROM進(jìn)行寫(xiě)的操作，在單片機正常工作條件下，只能從那面讀，不能把數據寫(xiě)進(jìn)去，所以我們還是把它稱(chēng)為ROM。

二、幾個(gè)基本概念

1、數的本質(zhì)和物理現象

我們知道，計算機可以進(jìn)行數學(xué)運算，這令我們非常難以理解，計算機嗎，我們雖不了解它的組成，但它們只是一些電子元器件，怎么可以進(jìn)行數學(xué)運算呢?我們做數學(xué)題如37+45是這樣做的，先在紙上寫(xiě)37，然后在下面寫(xiě)45，然后大腦運算，最后寫(xiě)出結果，運算的原材料：37、45和結果：82都是寫(xiě)在紙上的，計算機中又是放在什么地方呢?為了解決這個(gè)問(wèn)題，先讓我們做一個(gè)實(shí)驗：這里有一盞燈，我們知道燈要么亮，要么不亮，就有兩種狀態(tài)，我們可以用’0’和’1’來(lái)代替這兩種狀態(tài)，規定亮為’1’，不亮為’0’?，F在放上兩盞燈，一共有幾種狀態(tài)呢?我們列表來(lái)看一下：

請大家自己寫(xiě)上3盞燈的情況000 001 010 011 100 101 110 111我們來(lái)看，這個(gè)000，001，101 不就是我們學(xué)過(guò)的的二進(jìn)制數嗎?本來(lái)，燈的亮和滅只是一種物理現象，可當我們把它們按一定的順序排好后，燈的亮和滅就代表了數字了。讓我們再抽象一步，燈為什么會(huì )亮呢?是因為輸出電路輸出高電平，給燈通了電。因此，燈亮和滅就可以用電路的輸出是高電平還是低電平來(lái)替代了。這樣，數字就和電平的高、低聯(lián)系上了。(請想一下，我們還看到過(guò)什么樣的類(lèi)似的例子呢?(海軍之)燈語(yǔ)、旗語(yǔ)，電報，甚至紅、綠燈)。

2、位的含義

通過(guò)上面的實(shí)驗我們已經(jīng)知道：一盞燈亮或者說(shuō)一根線(xiàn)的電平的高低，可以代表兩種狀態(tài)：0和1。實(shí)際上這就是一個(gè)二進(jìn)制位，因此我們就把一根線(xiàn)稱(chēng)之為一“位”，用BIT表示。

3、字節的含義

一根線(xiàn)可以表示0和1，兩根線(xiàn)可以表達00，01，10，11四種狀態(tài)，也就是可以表達0到3，而三根可以表達0~7，計算機中通常用8根線(xiàn)放在一起，同時(shí)計數，就可以表示0-255一共256種狀態(tài)。這8根線(xiàn)或者8位就稱(chēng)之為一個(gè)字節(BYTE)。

存儲器的工作原理

1、存儲器構造

存儲器就是用來(lái)存放數據的地方。它是利用電平的高低來(lái)存放數據的，也就是說(shuō)，它存放的實(shí)際上是電平的高、低，而不是我們所習慣認為的1234這樣的數字，這樣，我們的一個(gè)謎團就解開(kāi)了，計算機也沒(méi)什么神秘的嗎。

如上圖左所示：一個(gè)存儲器就象一個(gè)個(gè)的小抽屜，一個(gè)小抽屜里有八個(gè)小格子，每個(gè)小格子就是用來(lái)存放“電荷”的，電荷通過(guò)與它相連的電線(xiàn)傳進(jìn)來(lái)或釋放掉，至于電荷在小格子里是怎樣存的，就不用我們操心了，你可以把電線(xiàn)想象成水管，小格子里的電荷就象是水，那就好理解了。存儲器中的每個(gè)小抽屜就是一個(gè)放數據的地方，我們稱(chēng)之為一個(gè)“單元”。

有了這么一個(gè)構造，我們就可以開(kāi)始存放數據了，想要放進(jìn)一個(gè)數據12，也就是00001100，我們只要把第二號和第三號小格子里存滿(mǎn)電荷，而其它小格子里的電荷給放掉就行了(看上圖右)?？墒菃?wèn)題出來(lái)了，看上圖右，一個(gè)存儲器有好多單元，線(xiàn)是并聯(lián)的，在放入電荷的時(shí)候，會(huì )將電荷放入所有的單元中，而釋放電荷的時(shí)候，會(huì )把每個(gè)單元中的電荷都放掉，這樣的話(huà)，不管存儲器有多少個(gè)單元，都只能放同一個(gè)數，這當然不是我們所希望的，因此，要在結構上稍作變化，看上圖右，在每個(gè)單元上有個(gè)控制線(xiàn)，我想要把數據放進(jìn)哪個(gè)單元，就把一個(gè)信號給這個(gè)單元的控制線(xiàn)，這個(gè)控制線(xiàn)就把開(kāi)關(guān)打開(kāi)，這樣電荷就可以自由流動(dòng)了，而其它單元控制線(xiàn)上沒(méi)有信號，所以開(kāi)關(guān)不打開(kāi)，不會(huì )受到影響，這樣，只要控制不同單元的控制線(xiàn)，就可以向各單元寫(xiě)入不同的數據了，同樣，如果要從某個(gè)單元中取數據，也只要打開(kāi)相應的控制開(kāi)關(guān)就行了。

2、存儲器譯碼

那么，我們怎樣來(lái)控制各個(gè)單元的控制線(xiàn)呢?這個(gè)還不簡(jiǎn)單，把每個(gè)單元的控制線(xiàn)都引到集成電路的外面不就行了嗎?事情可沒(méi)那么簡(jiǎn)單，一片27512存儲器中有65536個(gè)單元，把每根線(xiàn)都引出來(lái)，這個(gè)集成電路就得有6萬(wàn)多個(gè)腳?不行，怎么辦?要想法減少線(xiàn)的數量。我們有一種方法稱(chēng)這為譯碼，簡(jiǎn)單介紹一下：一根線(xiàn)可以代表2種狀態(tài)，2根線(xiàn)可以代表4種狀態(tài)，3根線(xiàn)可以代表幾種，256種狀態(tài)又需要幾根線(xiàn)代表?8種，8根線(xiàn)，所以65536種狀態(tài)我們只需要16根線(xiàn)就可以代表了。

3、存儲器的選片及總線(xiàn)的概念

至此，譯碼的問(wèn)題解決了，讓我們再來(lái)關(guān)注另外一個(gè)問(wèn)題。送入每個(gè)單元的八根線(xiàn)是用從什么地方來(lái)的呢?它就是從計算機上接過(guò)來(lái)的，一般地，這八根線(xiàn)除了接一個(gè)存儲器之外，還要接其它的器件。這樣問(wèn)題就出來(lái)了，這八根線(xiàn)既然不是存儲器和計算機之間專(zhuān)用的，如果總是將某個(gè)單元接在這八根線(xiàn)上，就不好了，比如這個(gè)存儲器單元中的數值是0FFH另一個(gè)存儲器的單元是00H，那么這根線(xiàn)到底是處于高電平，還是低電平?豈非要打架看誰(shuí)歷害了?所以我們要讓它們分離。辦法當然很簡(jiǎn)單，當外面的線(xiàn)接到集成電路的引腳進(jìn)來(lái)后，不直接接到各單元去，中間再加一組開(kāi)關(guān)就行了。平時(shí)我們讓開(kāi)關(guān)打開(kāi)著(zhù)，如果確實(shí)是要向這個(gè)存儲器中寫(xiě)入數據，或要從存儲器中讀出數據，再讓開(kāi)關(guān)接通就行了。這組開(kāi)關(guān)由三根引線(xiàn)選擇：讀控制端、寫(xiě)控制端和片選端。要將數據寫(xiě)入片中，先選中該片，然后發(fā)出寫(xiě)信號，開(kāi)關(guān)就合上了，并將傳過(guò)來(lái)的數據(電荷)寫(xiě)入片中。如果要讀，先選中該片，然后發(fā)出讀信號，開(kāi)關(guān)合上，數據就被送出去了。讀和寫(xiě)信號同時(shí)還接入到另一個(gè)存儲器，但是由于片選端不同，所以雖有讀或寫(xiě)信號，但沒(méi)有片選信號，所以另一個(gè)存儲器不會(huì )“誤會(huì )”而開(kāi)門(mén)，造成沖突。那么會(huì )不同時(shí)選中兩片芯片呢?只要是設計好的系統就不會(huì )，因為它是由計算控制的，而不是我們人來(lái)控制的，如果真的出現同時(shí)出現選中兩片的情況，那就是電路出了故障了，這不在我們的討論之列。

從上面的介紹中我們已經(jīng)看到，用來(lái)傳遞數據的八根線(xiàn)并不是專(zhuān)用的，而是很多器件大家共用的，所以我們稱(chēng)之為數據總線(xiàn)，總線(xiàn)英文名為BUS，總即公交車(chē)道，誰(shuí)也可以走。而十六根地址線(xiàn)也是連在一起的，稱(chēng)之為地址總線(xiàn)。