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单片机小白学步(17) 单片机/计算机系统概述:核心模块

单片机小白学步 555℃ 0 3年前 (2014-11-12)

前面已经介绍了模块化设计的特点和巨大优势。在我们的实验板中,单片机是其中最核心的一个模块;而对于单片机来说,又是由更多的子模块组合而成。本文主要对单片机/计算机系统中最核心的几个模块进行简要介绍。

为了便于进行说明,后面会将单片机/计算机简单的统称为微机系统。

信息与数据

何为信息?可以理解成我们周围各种所能感知到的东西、还有人们所思所想等等,信息的概念不好解释,但是大家都能理解,也不是我要讨论的重点。

在微机系统中,能处理很多信息,例如我正在写的内容,就是文字和图像信息。处理信息的前提,就是对信息进行表示,例如文字就是一种形式。

何为数据?在微机系统中,其结构决定了各种能处理的信息都需要表示成二进制数字,这就被称为数据。例如英文字符可以通过ASCII码表示成一个个字节的数据等。

CPU

人的大脑每时每刻所做的最重要的事,就是对大量的信息进行处理。对内部已有信息和外界信息进行处理,产生新的信息保存在大脑中,或对外界作出反应。

CPU即中央处理器(CPU=Central Processing Unit),是一个微机系统最核心的部件,可以认为相当于人的大脑中的思维部分,负责数据的处理。

存储器:RAM/ROM/外存储器

存储器用来保存数据,例如在硬盘上可以存放电影音乐,可以认为相当于大脑中的记忆部分。

RAM

即随机存储器(RAM=Random Access Memory),最重要的特点是可读可写。写是指修改或者删除数据。另外,RAM的速度相对比较快;断电后数据会丢失;另外由于造价较高通常容量不大,但是够用了。通常在电脑中相当于内存。

在学习C语言的时候,定义一个变量,例如int a,程序在执行的时候,这个变量就会保存在RAM中。

RAM根据结构和工作原理,又分为SRAM(=Static RAM,静态RAM)和DRAM(=Dynamic RAM,动态RAM)两种,有兴趣可以自己查阅相关资料。

ROM

即只读存储器(ROM=Read Only Memory),主要特点是通常情况下存储内容不能被修改;断电后数据不会丢失。

最早的ROM是一次性写入的,写入完成后通过高电压烧断ROM内部的熔丝,之后就不能再修改,而这也是单片机“烧写程序”一词的由来。后来为了适应硬件发展,可用紫外线擦写的ROM被发明出来,但是操作起来比较麻烦。再到后来电擦写的ROM诞生了,也就是后面会用到的EEPROM(EEPROM=Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,带电可擦可编程只读存储器)。

给单片机烧写程序时,就是将代码烧写到了单片机的ROM中;运行程序的时候,指令就会从ROM中取出并被执行。

备注1:ROM常被误认为是对应于计算机上的硬盘,实际上硬盘属于外部存储,而ROM对应于计算机主板上的BIOS存储器等。

备注2:在计算机中,常用到的应用程序平时是保存在硬盘中的,执行的时候,会由操作系统装载到内存的代码区域而不是ROM,这和单片机中的程序的执行过程不一样(与单片机程序执行过程一致的是BIOS程序等,而不是操作系统之上的应用程序)。

备注3:一些单片机具备IAP功能(IAP=In Application Programming,在应用编程),利用一段小程序更新单片机ROM中的程序,可以实现在不断电的情况下自动更新单片机程序。

外存储器

一般计算机系统中存储器包括主存储器和辅助存储器,主存储器又叫内存储器(内存),辅助存储器又叫外储存器(外存)。常见的外存储器有硬盘、软盘、光盘、U盘等,断电后仍然能保存数据。

中断系统

中断系统是计算机中非常重要的一个概念,但是这个词看起来很难理解。何为中断系统呢?我先讲一个故事。

有一天班长收到通知要让五位同学每人填一份表格,填完后尽快收集起来上交给老师。班长把表格分别发给了这五位同学,但是每个同学什么时候能填好表格是不确定的。这时他有几种选择。

方法一,每隔一段时间轮流去问这五位同学有没有填完,如果填完了,确认无误,就收集起来。

方法二,班长发表格时告诉这几位同学,填完表后马上交给他,然后自己就能继续好好看书了。每当有同学交表格的时候,班长就会把书签放到正在看的那一页书中,然后检查这个同学的表格填写是否正确。确认了以后,班长又会从刚刚看的那一页继续看书。

显然,方法一效率实在太低,浪费了很多时间;方法二效果不错,效率提高了很多。

故事讲完了,这里就要介绍中断系统了。在基本的微机系统中,CPU负责主要数据的处理工作(不考虑计算机显卡这类设备),通常任务繁重(相当于故事中的班长)。

有时外围器件需要执行工作,执行结果要让CPU及时处理,但又不能确定具体完成时间(故事中的同学填表格)。

原因有可能是因为外围模块速度远不及CPU,例如从硬盘读数据;也可能是执行不需CPU干预的费时操作(也可以理解成外围模块执行这个操作的速度慢);或者是接收来自外界的操作,例如按下键盘电脑需要很快进行响应,要不然就表现为很卡甚至死机了。

这时为了及时知道外围器件处理的结果并进行处理,就有几种工作流程了。

一是轮询法(故事中的方法一)。以一定的间隔不断查询外围器件工作状态。好处是设计起来比较简单;缺点是效率太低,特别是当外围设备太多、速度差异很大时,CPU几乎没空干别的事。

二是中断法(故事中的方法二)。外围模块处理好任务以后,主动给CPU发送中断请求(填好表格交给班长)。然后CPU中断当前任务,转而处理中断请求,对该模块的执行结果进行处理(检查表格填写正确,并收集表格)。处理中断请求之前,需要保护现场(放书签),处理完中断请求,再恢复现场,继续之前任务(继续看书)。

DMA

前面的故事其实还有方法三。班长由于最近事情太多,决定请副班长帮忙收集表格,让同学们自己把表格交给副班长。副班长把表格都收集完了,再由他交给老师。这种方法需要征得副班长的同意,不过效果很好。

同样对于微机系统来说,也有第三种方法,这种方法就叫做DMA(DMA=Direct Memory Access,直接内存访问)。在CPU之外设置一个DMA控制器(副班长),根据CPU发送的指令,外围设备处理完数据,通过DMA直接将数据保存到内存中的指定位置,然后才用中断通知CPU处理。

在比较复杂的系统中,DMA能大大提高执行效率。51等单片机本身没有DMA功能,可以在外部添加DMA控制器芯片实现(例如Intel 8237)。不过性能相对较低的单片机不能实现复杂系统,所以使用DMA的意义不大。

定时器/计数器

这里的定时器和我们生活中的定时器相似,主要区别是这个定时器往往定时时间很短;定时器定时时间到,不会响铃,而是通过中断的形式通知CPU。计数器则是计数高低电平脉冲数量的,而定时器通常正是由计数器实现的。这两个模块放在一起讲解,正是因为他们通常就是设计在一块的,后面再做详细介绍。

计算机/单板机/单片机

核心模块基本介绍完了。对于一个微机系统,CPU、存储器(主要指RAM和ROM)是必不可少的,实际上还会有很多其他设备。对于计算机而言,这些模块一般都是独立的,通过主板连接在一起。早期人们把CPU、RAM、ROM等器件集成到一块电路板上,被称为单板机。后来集成电路技术不断发展,CPU、RAM、ROM、中断等模块集成到一个芯片中,就成了单片机。

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《单片机小白学步》系列教程(原名《单片机入门指南》)介绍

本系列教程从最基本的入门知识开始,逐步深入介绍单片机系统设计,内容包括:
1、入门篇:单片机等基本概念、各种电子设计基本知识
2、思想篇:单片机/计算机系统设计的工程思想
3、学习篇:单片机学习过程、方法和技巧,以51单片机为例介绍,并推广到其他单片机
4、应用篇:遵循规范的工程方法,设计单片机系统实例(计划设计的系统有:计算器、电子表、密码锁、简易手机,具体看有没有时间再确定)
5、原理篇:从模拟电路、数字电路开始,逐步深入介绍单片机/计算机系统原理,并自行设计简易的CPU(由于个人水平有限,这部分没有把握写好,具体内容视情况而定)

教程特点

1、技术知识点全面,从入门到精通

包含了各种基本知识,尤其是对单片机基本概念的介绍、为什么要用单片机等,在很多同类书籍教程中都被忽略了。同时也包含了一些深入的知识,包括原理篇考虑对单片机的基本原理进行介绍,有助于深入理解单片机。

本系列教程以51单片机为例进行介绍。通过51介绍完单片机的基本知识,我会再把430进行简要介绍,尤其是对比两者之间的优缺点,让大家很快感受到430的巨大优势,而学习51正好为快速了解430打下了坚实的基础。

2、除了单片机知识,还有思想、方法、技巧的介绍

本系列教程中,介绍单片机各种模块编程知识的主要是学习篇,而学习篇只是整个教程的一部分。在学习篇中我会贯穿各种方法技巧,如何理解一些模块功能,怎么看时序图,严格遵守工程思想进行编程,程序发生了错误怎么调试等等。而在思想篇中会总体介绍很多重要的思想,为后面的学习做好准备工作。

3、知识先后顺序的设计

单片机学习过程中,涉及大量的知识,而且很多知识之间相互依赖,关联很强。

本系列教程对知识的先后顺序进行比较明确的规划,尽最大可能符合人的认知过程。但是实际规划时发现,无论怎么调整知识的顺序,总有一些知识之间相互依赖,关系复杂。例如开始讲IO口的时候肯定会提到寄存器,而寄存器这个词的理解,需要深厚的背景知识。但是这些背景知识在没有进行实践的时候也很难理解。

初学者常常就会在这样的地方感觉疑惑不解,不知所措。而每次遇到类似这样的知识,我会向初学者指出,应该如何对待。这个知识是应该自己去学习补充,还是等到学完原理篇再做理解,而现在又应该怎么去看待这个名词。

另外,在整个教程的学习前,需要掌握一定的C语言等基础知识,具体可参考教程第〇篇《序》中的相关说明
http://www.paincker.com/mcu-primer-0

4、语言通俗易懂

本系列教程力求语言通俗易懂,而不会用一堆新手不懂的词语去解释另一个不懂的词语。但是受限于个人语言表达能力,可能有些地方表述的比较繁琐,或者不清楚,希望大家能够帮忙指出。

其他问题

如果觉得我写的对你有帮助,欢迎多多反馈,包括写的不正确、不合理、不太明白都可以指出来,这样方便我对其进行完善。

更多可参见:《如何以学习单片机为契机,逐步成为优秀的工程师》
http://www.paincker.com/mcu-engineer

本系列教程首发于我的个人主页,欢迎访问(由于是国外服务器,速度稍微有点慢):
http://www.paincker.com/category/hacker/mcu-primer

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