單片機的組成

單片機要自動完成計算，它應(yīng)該具有哪些最重要的部分呢?

我們以打算盤為例計算一道算術(shù)題。例：36+163×156-166÷34?，F(xiàn)在要進行運算，首先需要一把算盤，其次是紙和筆。我們把要計算的問題記錄下來，然后第一步先算163×156，把它與36相加的結(jié)果記在紙上，然后計算166÷34，再把它從上一次結(jié)果中減去，就得到最后的結(jié)果。

現(xiàn)在，我們用單片機來完成上述過程，顯然，它首先要有代替算盤進行運算的部件，這就是“運算器”;其次，要有能起到紙和筆作用的器件，即能記憶原始題目、原始數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，還要記住使單片機能自動進行運算而編制的各種命令。這類器件就稱為“存貯器”。此外，還需要有能代替人作用的控制器，它能根據(jù)事先給定的命令發(fā)出各種控制信號，使整個計算過程能一步步地進行。但是光有這三部分還不夠，原始的數(shù)據(jù)與命令要輸入，計算的結(jié)果要輸出，都需要按先后順序進行，有時還需等待。

如上例中，當在計算163×156時，數(shù)字36就不能同時進入運算器。因此就需要在單片機上設(shè)置按控制器的命令進行動作的“門”，當運算器需要時，就讓新數(shù)據(jù)進入?；蛘?，當運算器得到最后結(jié)果時，再將此結(jié)果輸出，而中間結(jié)果不能隨便“溜出”單片機。這種對輸入、輸出數(shù)據(jù)進行一定管理的“門”電路在單片機中稱為“口”(Port)。在單片機中，基本上有三類信息在流動，一類是數(shù)據(jù)，即各種原始數(shù)據(jù)(如上例中的36、163等)、中間結(jié)果(如166÷34所得的商4、余數(shù)30等)、程序(命令的集合)等。這樣要由外部設(shè)備通過“口”進入單片機，再存放在存貯器中，在運算處理過程中，數(shù)據(jù)從存貯器讀入運算器進行運算，運算的中間結(jié)果要存入存貯器中，或最后由運算器經(jīng)“出入口”輸出。

用戶要單片機執(zhí)行的各種命令(程序)也以數(shù)據(jù)的形式由存貯器送入控制器，由控制器解讀(譯碼)后變?yōu)楦鞣N控制信號，以便執(zhí)行如加、減、乘、除等功能的各種命令。所以，這一類信息就稱為控制命令，即由控制器去控制運算器一步步地進行運算和處理，又控制存貯器的讀(取出數(shù)據(jù))和寫(存入數(shù)據(jù))等。第三類信息是地址信息，其作用是告訴運算器和控制器在何處去取命令取數(shù)據(jù)，將結(jié)果存放到什么地方，通過哪個口輸入和輸出信息等。

存貯器又分為只讀存貯器和讀寫存貯器兩種，前者存放調(diào)試好的固定程序和常數(shù)，后者存放一些隨時有可能變動的數(shù)據(jù)。顧名思義，只讀存貯器一旦將數(shù)據(jù)存入，就只能讀出，不能更改(EPROM、E2PROM等類型的ROM可通過一定的方法來更改、寫入數(shù)據(jù)——編者注)。而讀寫存貯器可隨時存入或讀出數(shù)據(jù)。

實際上，人們往往把運算器和控制器合并稱為中央處理單元——CPU。單片機除了進行運算外，還要完成控制功能。所以離不開計數(shù)和定時。因此，在單片機中就設(shè)置有定時器兼計數(shù)器，其基本結(jié)構(gòu)與本連載之(二)中的舉例類似。到這里為止，我們已經(jīng)知道了單片機的基本組成，即單片機是由中央處理器(即CPU中的運算器和控制器)、只讀存貯器(通常表示為ROM)、讀寫存貯器(又稱隨機存貯器通常表示為RAM)、輸入/輸出口(又分為并行口和串行口，表示為I/O口)等等組成。實際上單片機里面還有一個時鐘電路，使單片機在進行運算和控制時，都能有節(jié)奏地進行。另外，還有所謂的“中斷系統(tǒng)”，這個系統(tǒng)有“傳達室”的作用，當單片機控制對象的參數(shù)到達某個需要加以干預(yù)的狀態(tài)時，就可經(jīng)此“傳達室”通報給CPU，使CPU根據(jù)外部事態(tài)的輕重緩急來采取適當?shù)膽?yīng)付措施。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道了單片機的組成，余下的問題是如何將它們的各部分連接成相互關(guān)聯(lián)的整體呢?實際上，單片機內(nèi)部有一條將它們連接起來的“紐帶”，即所謂的“內(nèi)部總線”。此總線有如大城市的“干道”，而CPU、ROM、RAM、I/O口、中斷系統(tǒng)等就分布在此“總線”的兩旁，并和它連通。從而，一切指令、數(shù)據(jù)都可經(jīng)內(nèi)部總線傳送，有如大城市內(nèi)各種物品的傳送都經(jīng)過干道進行。

單片機指令系統(tǒng)與匯編語言程序

前面已經(jīng)講述了單片機的幾個主要組成部分，這些部分構(gòu)成了單片機的硬件。所謂硬件(Hardware)，就是看得到，摸得到的實體。但是，光有這樣的硬件，還只是有了實現(xiàn)計算和控制功能的可能性。單片機要真正地能進行計算和控制，還必須有軟件(Software)的配合。軟件主要指的是各種程序。只有將各種正確的程序“灌入”(存入)單片機，它才能有效地工作。單片機所以能自動地進行運算和控制，正是由于人把實現(xiàn)計算和控制的步驟一步步地用命令的形式，即一條條指令(Instruction)預(yù)先存入到存貯器中，單片機在CPU的控制下，將指令一條條地取出來，并加以翻譯和執(zhí)行。就以兩個數(shù)相加這一簡單的運算來說，當需要運算的數(shù)已存入存貯器后，還需要進行以下幾步：

第一步：把第一個數(shù)從它的存貯單元(Location)中取出來，送至運算器?！　?第二步：把第二個數(shù)從它所在的存貯單元中取出來，送至運算器; 第三步：相加; 第四步：把相加完的結(jié)果，送至存貯器中指定的單元。

所有這些取數(shù)、送數(shù)、相加、存數(shù)等等都是一種操作(Operation)，我們把要求計算機執(zhí)行的各種操作用命令的形式寫下來，這就是指令。但是怎樣才能辨別和執(zhí)行這些操作呢?這是在設(shè)計單片機時由設(shè)計人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的。一條指令，對應(yīng)著一種基本操作;單片機所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機的指令系統(tǒng)(Iustruction Set)，不同種類的單片機，其指令系統(tǒng)亦不同。

使用單片機時，事先應(yīng)當把要解決的問題編成一系列指令。這些指令必須是選定的單片機能識別和執(zhí)行的指令。單片機用戶為解決自己的問題所編的指令程序，稱為源程序(Source Program)。指令通常分為操作碼(Opcode)和操作數(shù)(Operand)兩大部分。操作碼表示計算機執(zhí)行什么操作，即指令的功能;操作數(shù)表示參加操作的數(shù)或操作數(shù)所在的地址(即操作數(shù)所存放的地方編號)。因為單片機是一種可編程器件，只“認得”二進碼(0、1)。要單片機運作，單片機系統(tǒng)中的所有指令，都必須以二進制編碼的形式來表示。例如，在Intel公司的MCS-51系列單片機中，從存貯器中取出一數(shù)到CPU中的累加器(在運算器中，參與運算、存放運算結(jié)果的專用寄存器)的指令代碼為74H，累加器內(nèi)容加立即數(shù)的代碼為24H，再加上立即數(shù)代碼，累加器送數(shù)到內(nèi)部RAM存貯器的代碼為F6H～F7H等。這些指令是用十六進制表示二進制的機器碼。

MCS-51單片機的字長為8位，有時，要完成某些操作用一個字節(jié)尚不能充分表達。所以，在指令系統(tǒng)中有單字節(jié)指令，也有多字節(jié)指令。機器碼是由一連串的0和1組成，沒有明顯的特征，不好記憶，不易理解，易出錯。所以，直接用它來編寫程序十分困難。因而，人們就用一些助記符(Mue monic)——通常是指令功能的英文縮寫來代替操作碼，如MCS-51中數(shù)的傳送常用MOV(Move的縮寫)、加法用Add(Addition的縮寫)來作為助記符。這樣，每條指令有明顯的動作特征，易于記憶和理解，也不容易出錯。用助記符來編寫的程序稱為匯編語言程序。但是，助記符編寫的程序便于人理解，可單片機卻只認識二進制機器代碼，因此，為了讓單片機能“讀懂”匯編語言程序必須再轉(zhuǎn)換成由二進制機器碼構(gòu)成的程序，這種轉(zhuǎn)換過程，就稱為“匯編”。匯編可借助于人工查表法來實現(xiàn)，也可借助PC機通過所謂“交叉匯編程序”來完成。由機器碼構(gòu)成的用戶程序一旦“進入”了單片機，再“啟動”單片機，就可讓它執(zhí)行輸入程序所規(guī)定的任務(wù)。