單片機(jī)基礎(chǔ)知識四問

1.什么是單片機(jī)?

簡單地說，單片機(jī)就是一個(gè)小計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。為了說明清楚這個(gè)問題，得要從計(jì)算機(jī)說起。提到計(jì)算機(jī)，大家可能馬上會想到“顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤”，不過，這不是一個(gè)計(jì)算機(jī)的核心和關(guān)鍵，計(jì)算機(jī)的核心部分在一邊的機(jī)箱里呢。打開機(jī)箱，可以看到，機(jī)箱里有主板、硬盤、光驅(qū)等。仔細(xì)觀察主板，這上面有CPU、內(nèi)存條、BIOS芯片，通常還有25針的打印機(jī)接口等，這些部件都是通過主板上的連線相互連接。

不論計(jì)算機(jī)復(fù)雜程度如何，它總是由運(yùn)算器，控制器，存儲器，輸入/輸出接口，總線這五個(gè)部分組成。通常運(yùn)算器和控制器被做成一塊芯片，也就是CPU(中央處理器)。在計(jì)算機(jī)主板上，內(nèi)存條和BIOS芯片就是存儲器，25針打印機(jī)接口就是輸出/輸出設(shè)備，而總線則被設(shè)計(jì)在主板上，即各部件相互連接的線路。

在一些應(yīng)用場合，人們不需要計(jì)算機(jī)完成十分復(fù)雜的運(yùn)算，但卻希望計(jì)算機(jī)小巧，可靠，價(jià)格低。于是人們就把組成計(jì)算機(jī)的這5個(gè)部分全部集成到一塊芯片上，也說是一塊芯片就能構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，這是一件了不起的事情，于是人們就用這個(gè)特征來為之命名，稱為“單片機(jī)”。

將構(gòu)成一個(gè)計(jì)算機(jī)所需要的5個(gè)部分全部都集成到一塊芯片中，這塊芯片是否要很大、價(jià)格是否很高呢?并非如此。如果要把圖1所示主板上的所有元件都集成到一塊芯片中，那當(dāng)然非常昂貴，可能技術(shù)上也無法實(shí)現(xiàn)，但很多單片機(jī)中所需要用到的功能完全沒必要那么強(qiáng)大，因此很多單片機(jī)體積很小，價(jià)格也很低。如市場上常見的單片機(jī)有8，14，16，18，20，28，40，84等引腳，有些甚至只有6個(gè)引腳，如圖2所示是微芯公司(Microchip)發(fā)布的一款6引腳單片機(jī)。而價(jià)格從幾元到幾十、上百元的都有，有些品種在大批量定購時(shí)甚至可以低至1元以下。

剛接觸到單片機(jī)的人往往會有個(gè)疑惑：既然人們已經(jīng)有能力制造功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，為何還要生產(chǎn)些功能不強(qiáng)的計(jì)算機(jī)?其實(shí)，功能強(qiáng)弱并不是決定是否生產(chǎn)的決定因素，市場需要才是關(guān)鍵。比如，用來控制一臺電箱的計(jì)算機(jī)顯然沒必要使用“奔騰”芯片的強(qiáng)大運(yùn)算能力，只要進(jìn)行非常簡單的計(jì)算，作個(gè)比較，看一看溫度是否在所控制區(qū)間之內(nèi)，然后再做出相應(yīng)的控制就行了。

單片機(jī)在人們的生活中、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中處處有應(yīng)用，例如各定時(shí)裝置、自動控制裝置等。愛好者學(xué)習(xí)單片機(jī)應(yīng)該注意觀察事物，找到自己周圍能夠使用單片機(jī)的場合，從而將學(xué)到的知識應(yīng)用到實(shí)際中去。例如，使用單片機(jī)技術(shù)改造傳統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備、在特定的場合使用單片機(jī)替代PLC等就有著廣闊的應(yīng)用前景;又如，使用單片機(jī)控制電扇、抽油煙機(jī)、空調(diào)等，從而制作出具有更強(qiáng)功能、能夠通用的控制器，也是可以嘗試的。

2.單片機(jī)是如何工作的?

單片機(jī)的工作過程就是一個(gè)不斷“取指令-分析指令-執(zhí)行指令”的過程。單片機(jī)的程序以一條一條指令的形式存放在程序存儲器中，單片機(jī)開始工作后，就從程序存儲器的特定位置開始取指令，然后由單片機(jī)內(nèi)部的控制器對指令進(jìn)行分析，根據(jù)指令要求，進(jìn)行“取數(shù)、送數(shù)、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、跳轉(zhuǎn)”等基本操作中的一種或幾種，這些操作都在一個(gè)規(guī)定的周期中完成，執(zhí)行完了以后，到下一個(gè)存儲器單元中取指令，重復(fù)剛才的操作(當(dāng)然，這些要執(zhí)行的操作具體內(nèi)容可能跟上一次不一樣了)，如此不斷重復(fù)，直到斷電為止。這里所說的“存儲器特定位置”、“規(guī)定的周期”等與單片機(jī)的型號有關(guān)，下面以51系列單片機(jī)為例來說明。

在51系列單片機(jī)中有一個(gè)名為PC的寄存器(就是用來存數(shù)的一個(gè)容器)，在單片機(jī)復(fù)位后，這個(gè)寄存器中的內(nèi)容被置為0000H，單片機(jī)內(nèi)部的控制器總是根據(jù)PC寄存器中的值去相應(yīng)的程序存儲器單元取指令，因此，開機(jī)后，將從0000H單元取第一條指令，分析執(zhí)行，同時(shí)，PC值將作相應(yīng)的調(diào)整，指向?qū)⒁獔?zhí)行的下一條指令的位置，下一條指令的位置在哪里呢?對于51單片機(jī)來說，一條指令可能占用一個(gè)字節(jié)、二個(gè)字節(jié)或三個(gè)字節(jié)，如果第一條指令是單字節(jié)指令，取完第一條指令以后，PC的值就會變?yōu)?001H，因此，第一條指令執(zhí)行完畢以后，將從0001H單元中取出第二條指令來執(zhí)行，以此類推。如果程序是順序執(zhí)行的，PC的值將始終不斷增加，如果程序中有跳轉(zhuǎn)指令，該指令將影響PC中的值，使PC中的值指向?qū)⒁獔?zhí)行的下一條指令所在地址單元。這種跳轉(zhuǎn)既可能是正向的，例如由0000H跳轉(zhuǎn)到0030H，也可能是反向的，即往回跳轉(zhuǎn)，如由200H跳轉(zhuǎn)到100H。正是由于指令可以影響到PC中的值，才使得程序可以實(shí)現(xiàn)“分支”、“循環(huán)”等各種功能。那么，執(zhí)行一條指令的時(shí)間又是多少呢?對于51單片機(jī)來說，指令執(zhí)行時(shí)間有三種可能，單周期、雙周期和四周期，不管一條指令需要做多少工作，都必然在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。

3.單片機(jī)程序的作用是什么?如何編寫?如何寫入單片機(jī)?

單片機(jī)程序的用途是讓單片機(jī)“聽話”，按人們所預(yù)定的設(shè)計(jì)完成一系列動作，最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的功能。

例如使用單片機(jī)控制流水燈，接通電源后，第一次燈亮，然后延時(shí)一段時(shí)間，第二次燈亮，然后延時(shí)一段時(shí)間，第三次燈亮……，延時(shí)一段時(shí)間后又回到第一次燈亮，如此循環(huán)不已。這里就有這樣的一些問題：第一次亮幾盞燈、延時(shí)多少時(shí)間、一個(gè)循環(huán)中設(shè)置多少次不同的燈亮的情況……，這些決定了流水燈的花樣，流動的速度，而這些，單片機(jī)顯然沒有自我判斷能力，必須依靠人們給它“布置”任務(wù)，而它則是按人們的設(shè)計(jì)依次執(zhí)行。

要讓單片機(jī)“聽話”，就要用單片機(jī)能夠聽懂的語言發(fā)布命令，單片機(jī)能夠聽懂的語言稱之為“指令”。任何一種型號單片機(jī)能夠接受的指令都是有限的，51單片機(jī)的指令條數(shù)為111條，而PIC單片機(jī)的指令僅有35條。每一條指令完成一個(gè)最基本的動作，人們?yōu)榱艘瓿梢粋€(gè)特定的功能，就要將這些指令排列組合，成為一個(gè)指令序列，這就是程序。

指令的表示形式有兩種：機(jī)器語言和匯編語言。以51為例，如果要讓P1.0引腳變?yōu)榈碗娖?，用機(jī)器語言來表示就是 C2H 90H，將這兩個(gè)數(shù)放進(jìn)單片機(jī)的程序存儲器中，單片機(jī)執(zhí)行后，就可以讓P1.0引腳變?yōu)榈碗娖搅?而要讓P1.0引腳變?yōu)楦唠娖剑脵C(jī)器語言來表示就是D2H，90H。至于為什么是這兩個(gè)數(shù)字，大家沒必要追究，這是設(shè)計(jì)這塊芯片的設(shè)計(jì)工程師規(guī)定的，我們不能更改，只能學(xué)習(xí)。

C2H，90H就是一條指令，顯然這樣的指令形式是很難記憶的，編程也非常困難，于是人們使用了“助記符”來代替這些數(shù)字。例如C2H，90H的助記符是CLR P1.0，而D2H，90H的助記符是SETB P1.0，由于助記符采用了英語字母的縮寫，有一定含義，因此比數(shù)字形式的指令易記、易用。使用助記符形式的指令來編寫程序就稱之為“匯編語言源程序”。但是匯編語言源程序是沒有辦法直接送到單片機(jī)內(nèi)部去的，使用助記符形式的指令編寫的程序最終還是要變成為諸如：C2H，90H，D2H，90H，這種形式的指令才能被送入單片機(jī)的程序存儲器。將助記符形式的指令變?yōu)閿?shù)字形式的指令的過程稱之“匯編”。匯編有兩種方法，一種是“手工匯編”，即人們通過查表的形式找到所寫匯編指令的數(shù)字形式然后寫下來;另一種是“機(jī)器匯編”，即編寫好匯編語言源程序以后，使用一個(gè)計(jì)算機(jī)軟件對這些源程序進(jìn)行處理，從而得到數(shù)字形式的指令序列，這個(gè)指令序列通常被稱為“機(jī)器碼”，即可以直接被機(jī)器所執(zhí)行的代碼。

機(jī)器匯編后得到的數(shù)字形式的指令序列以一個(gè)文件的形式保存在磁盤上，這個(gè)文件的擴(kuò)展名一般是HEX，即人們常說的HEX文件。得到了HEX文件后，就可以將其寫入程序存儲器中了。要將程序?qū)懭胄酒?，通常需要一個(gè)稱之為“編程器”的專用設(shè)備，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行與之配套的編程軟件，然后在這個(gè)軟件中打開HEX文件，即可將其寫入芯片中。隨著技術(shù)的發(fā)展，編程方式越來越多，但總的概念是這樣的，具體的細(xì)節(jié)，將在另一個(gè)問題“單片機(jī)編程器是什么”中回答。

4. 8位、16位、32位單片機(jī)中的“XX位”指什么?

8位、16位、32位是指單片機(jī)的“字長”，也就是一次運(yùn)算中參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)長度，這個(gè)位是指二進(jìn)制位。以8位為例，8位二進(jìn)制的表達(dá)范圍是0000，0000~1111，1111即十進(jìn)制的0~255，即每次參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)最大不能超過255。而16位機(jī)的字長是16位，其數(shù)據(jù)表達(dá)范圍是0~65535，即每次參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)最大不能超過65535;32位單片機(jī)的字長是32位，其數(shù)據(jù)表達(dá)范圍是0~4294967295，即每次參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)最大不能超過4294967295。

8位、16位、32位與單片機(jī)的性能密切相關(guān)，通常32位機(jī)的性能要高于16位機(jī)，而16位機(jī)的性能又要高于8位機(jī)。為什么會這樣呢?這要從2個(gè)方面來分析。第一，位數(shù)不同，運(yùn)算效率不同。對于8位機(jī)而言，由于在一次運(yùn)算中的每一個(gè)數(shù)都不能超過8位，因此即便如100+200=300這樣的運(yùn)算，它也不能一次完成，因?yàn)?00已超過了8位所能表達(dá)的最大范圍(255)，因此，要對這樣的一個(gè)式子進(jìn)行運(yùn)算，就要編寫一段程序，將運(yùn)算分步完成，最后合成起來得到一個(gè)正確的結(jié)果。而如果采用16位單片機(jī)來運(yùn)算的話，那么一次運(yùn)算就夠了，顯然分步完成所需要的時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單步完成所需要的時(shí)間。同樣道理，當(dāng)某個(gè)運(yùn)算的結(jié)果或者中間值大于65535時(shí)，16位機(jī)也不能一次運(yùn)算，要分步實(shí)現(xiàn)它，而32位機(jī)則可以一次運(yùn)算完成。第二，商業(yè)因素。通常運(yùn)算能力越高，表示這個(gè)單片機(jī)性能越強(qiáng)，當(dāng)然，價(jià)格高一些人們也可以接受，有了價(jià)格空間，生產(chǎn)商通常都會在這些芯片中提供更多的其他的功能，使得芯片的整體性能得到更大的提升。

典型的單片機(jī)中，80C51系列，PIC系列，AVR系列都是8位單片機(jī);80C196、MSP430系列是16位機(jī);而目前非常熱門的ARM系列則是32位機(jī)。

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