今天，首先学习单片机的基本构成和工作原理，以及外围功能电路，然后，挑战一个实际单片机的运行。

单片机是控制电子产品的大脑

现如今，我们生活中的许多电器都使用了单片机。例如：手机、电视机、冰箱、洗衣机、以及按下开关，LED就闪烁的儿童玩具。那么，单片机在这些电器中究竟做了些什么呢？

单片机是这些电器动作的关键，是指挥硬件运行的。例如：接收按钮或按键的输入信号，按照事先编好的程序，指挥马达和LCD的外围功能电路动作。

那么，单片机是如何构成的呢？如图1所示。

单片机是由CPU、内存、外围功能等部分组成的。如果将单片机比作人，那么CPU是负责思考的，内存是负责记忆的，外围功能相当于视觉的感官系统及控制手脚动作的神经系统。

尽管我们说CPU相当于人的大脑，但是它却不能像人的大脑一样，能有意识的、自发的思考。CPU只能依次读取并执行事先存储在内存中的指令组合（程序）。当然CPU执行的指令并不是“走路”、“讲话”等高难度命令，而是一些非常简单的指令，象从内存的某个地方“读取数据”或把某个数据“写入”内存的某个地方，或做加法、乘法和逻辑运算等等。然而这些简单指令的组合，却能实现许多复杂的功能。

会思考的CPU

让我们从CPU的构成来了解它的作用吧，如图2所示。

◇程序计数器

CPU读取指令时需要知道要执行的指令保存在内存的什么位置，这个位置信息称为地址（相当于家庭住址）。程序计数器（PC）就是存储地址的寄存器。通常，PC是按1递增设计的，也就是说，当CPU执行了0000地址中的指令后，PC会自动加1，变成0001地址。每执行一条指令PC都会自动加1，指向下一条指令的地址。可以说，PC决定了程序执行的顺序。

◇指令解码电路

指令解码电路是解读从内存中读取的指令的含义。运算电路是根据解码结果操作的。确切地讲，指令解码电路就是我们在“数字电路入门（2）”中学过的解码电路，只不过电路结构稍微复杂些，所以，指令解码电路的工作原理就是从被符号化（被加密）的指令中，还原指令。

◇运算电路

运算电路也称为ALU（Arithmetic and Logic Unit），是完成运算的电路。能进行加法、乘法等算术运算、也能进行AND、OR 、BIT-SHIFT等逻辑运算。运算是在指令解码电路的控制下进行的。通常运算电路的构成都比较复杂。

◇CPU内部寄存器

CPU内部寄存器是存储临时信息的场所。有存储运算值和运算结果的通用寄存器，也有一些特殊寄存器，比如存储运算标志的标志寄存器等。也就是说，运算电路进行运算时，并不是在内存中直接运算的，而是将内存中的数据复制到通用寄存器，在通用寄存器中进行运算的。

CPU的工作原理

让我们通过一个具体运算3+4，来说明CPU的操作过程吧。

假设保存在内存中的程序和数据如下。

◇步骤1：当程序被执行时，CPU就读取当前PC指向的地址0000中的指令（该操作称为指令读取）。经过解码电路解读后，这条指令的意思是“读取0100地址中的内容，然后，保存到寄存器1”。于是CPU就执行指令，从0100地址中读取数据，存入寄存器1。

寄存器1： 0→3（由0变为3）
由于执行了1条指令，因此，PC的值变为0001

◇步骤2：由于PC的值为0001，因此CPU就读取0001地址中的指令，经解码电路解码后，CPU执行该指令。然后PC再加1。

寄存器2：0→4（由0变为4）
PC：0001→0000

◇步骤3：由于PC的值为0002，因此CPU从0002地址中读取指令，送给指令解码电路。解码结果是：将寄存器1和寄存器2相加，然后将结果存于寄存器1。

寄存器1：3→7
PC：2→3

于是3+4的结果7被存于寄存器1，加法运算结束。CPU就是这样，依次处理每一条简单的指令。

能记忆的内存

内存是单片机的记忆装置，主要记忆程序和数据，大体上分为ROM和RAM两大类。

◇ROM

ROM（Read Only Memory）是只读内存的简称。保存在ROM中的数据不能删除，也不会因断电而丢失。ROM主要用于保存用户程序和在程序执行中保持不变的常数。

大多数瑞萨（Renesas）的单片机都用闪存作为ROM。这是因为闪存不仅可以象ROM一样，即使关机也不会丢失数据，而且还允许修改数据。

◇RAM

RAM（Random Access Memory）是可随机读/写内存的简称。可以随时读写数据，但关机后，保存在RAM中的数据也随之消失。主要用于存储程序中的变量。

在单芯片单片机中（*1），常常用SRAM作为内部RAM。SRAM允许高速访问，但是，内部结构太复杂，很难实现高密度集成，不适合用作大容量内存。

除SRAM外，DRAM也是常见的RAM。DRAM的结构比较容易实现高密度集成，因此，比SRAM的容量大。但是，将高速逻辑电路和DRAM安装于同一个晶片上较为困难，因此，一般在单芯片单片机中很少使用，基本上都是用作外围电路。

（*1）单芯片单片机是指：将CPU，ROM，RAM，振荡电路，定时器和串行I/F等集成于一个LSI的微处理器。单芯片单片机的基础上再配置一些系统的主要外围电路，而形成的大规模集成电路称为系统LSI。

“为何要使用单片机……”

为什么很多电器设备都要使用单片机呢？

让我们用一个点亮LED的电路为例，来说明。如图3所示，不使用单片机的电路是一个由LED，开关和电阻构成的简单电路。

使用单片机的电路如图4所示。

很显然，使用单片机的电路要复杂得多，而且设计电路还要花费精力与财力。好象使用单片机并没有什么优点。但是，现在下结论还为时尚早。

如果我们让这个电路做一些比较复杂的操作，会怎么样呢。例如：如果希望LED在按下开关后，经过一段时间再点亮或熄灭，那么，对于安装有单片机的电路来说，只需更改单片机中的程序就可以了，并不需更改原电路。另一方面，对于没有单片机的电路来说，就必须在元电路中加入定时器IC，或者用标准逻辑IC和FPGA构成逻辑电路，才能实现这个功能。

也就是说，在更改和添加新功能时，带有单片机的电路显然更加容易实现。这正是电器设备使用单片机的原因。单片机可真是个方便的东西哦！

来源：网络

单片机就是个小计算机，跳蚤虽小不但五脏惧全，有时还跳得很高呢！自然，大计算机少不得的数据存储系统，小不点的单片机一样有，而且往往和CPU集成在一起，更加显得小巧灵活。直到90年代初，国内容易得到的单片机就是8031：不带存储器的芯片，要想工作，还必需外加RAM和ROM，单片机成了3片机，...现在不同了，大的小的又是51，又是AVR又是STC，还有什么430，PIC等等，都各说各的好，可是谁业也不敢说"我不要存储器"！好，废话少说...

单片机内，有这么几种数据存储手段：

1. 程序存储器：里面存放的是单片机的灵魂：工作程序.小的可能只有1KB（最多只能装1024条8位数据，因为实际指令还有许多2字节，3字节指令，所以它还装不下1024条指令）大的也有128KB的.这些8位数据要么在工厂里做摸子光刻进去，要么一次性的烧写进去，要么...业余或开发最多的用编程器这么个特殊工具把调试成功的机器码装载进去，或者像AVR单片机那样自己花几块钱做一条下载线，把电脑里这些东西灌进去（或许是AVR最吸引人之处），它一旦进驻电脑的程序存储器中，除了借助上述装置便不能自由改写，在单片机运行时，只是从其中读出指令或固定的数据，所以给程序存储器一个"只读存储器"的别名，简写为ROM，包括用编程器写紫外线擦除内容的EPROM.用电擦除的EEPROM和现在新兴的FLASH　ROM;一次性写入的ROM仅用于电路和程序固定的批量产品中，实际工作起来，都是一样的.

为了定位ROM中的数据，每个8位（bit：二进制位）存储单元都有一个固定的"地址"，通常用16进数表示：例如对于一个所谓4K的ROM，地址从0000H到0FFFH，（即是从0000，0001...4095），单片机运行时从哪个地址取数据，完全由程序本身决定，并不要我们干预.记住，给单片机一通电，它经过一个短暂的复位过程，立即转向ROM的最低地址0000H，在这里面放置的往往是一条"跳转"指令，它从这里一步跳到另一个地址：程序的真正起始地址，例如51机的0080H.原因？以后再说...

难道ROM中就只有指令不能来点别的？看好罗，ROM是程序存储器，除了指令外，还包括运行程序必须的某些固定数据，例如：数据表.假如，我们要求在单片机的某口上输出00H到FFH（255）按正弦半波变化的数值，每秒10000次，那如果硬要它按照公式一个个计算，对于它来说未免力不从心，可是我们可以把预先计算好的数值存入ROM中，到时候直接取出不是好多了？...又如一个重要的应用：大家一定见过不少单片机的东西上面都有数码显示，那些个数字其实就是用单片机的口线控制数码管的字段电极电位，这些字形也是存放在ROM中的字模表，各个字模和0-9的数字（机器内当然是0000-0101二进数）对应起来，例如常见的共阳极7段数码管，必须在阳极加正电，7个阴极都是地电位，才能显示数字"8"，数字8对应的显示字码值是二进数“10000000“（那个1对应的是小数点，高电位不让它显示）。这简直是非用不可了。。。ROM先说到这里

2. 数据存储器：这是个可以随时存取数据的一块存储器，也就是可以读（取）也可以写（存）的存储器，简称RAM。现在的单片机里面使用的RAM属于静态RAM或SRAM，这个和电脑用的内存条有所不同，只要你把数据写入SRAM后，只要不断电，或者不清除掉，这个数据就一直保存在那里，电脑是用的动态RAM，要不断给它加刷新脉冲才能保存数据。因为单片机处理的信息量比电脑小很多，所以它带的RAM也比较少：从完全不带、带128、256、...1K,2K,到4K，比ROM少多了。因为实际上RAM只是作为数据临时存放的地方，除非进行图像处理需要存放大量的数据外，一般对于执行较简单任务的单片机，有这么多也够用，如果实在不够用也只能采取外加SRAM如6116，6264等等来扩展。

为了对RAM单元存取8位二进数，当然也的和ROM一样用“地址”来标示它的具体位置假如某单片机有1K（1024）RAM,它的地址也是从0000到1024，或16进数的0000H到03FFH,可见和ROM的地址是一样的，不会混淆不清？不会，因为读ROM是由单片机的程序指针或转移指令或查表指令进行，而这些指令是不会进入RAM区的，读写RAM是另外的数据传送指令，也不会进入ROM区，这点也是和电脑不同之处，后者程序和数据都在内存条里面，地址不同，如果窜位了就会造成不可预见后果。单片机的这种存储器结构也称为哈佛结构。

RAM在单片机里的用途，主要是存放临时数据，例如用单片机测温，每秒测1次，显示1分钟的平均值（1分钟更新一次）;我们先通过传感器，放大电路，A/D转换,把温度这个模拟量转变为成比例的二进数，然后每秒钟1次把数字量通过输入口顺序存入到单片机的RAM中，然后对他们进行两两求和再平均的计算（题外话：要单片机进行“除法“运算比较麻烦，例外的是除以2，4，8。。。却非常简单！----运用“右移”指令1，2，3次便可）最后的数值显示出来，然后把这60个存储单元统统写0清除旧数据，下次又如此这般地循环进行。。。

另外在单片机里面还有若干寄存器，数量不多但是作用很大，除了暂存数据，还可以交换、加工、传递等等，以及随时纪录单片机当前处于什么状态，输入输出口，也是作为特殊功能的寄存器存在，具体各有不同，就不是随便说说可以搞清楚的，要看有关书籍了。

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标准的 51 单片机内部有 T0 和 T1 这两个定时器，T 就是 Timer 的缩写，现在很多 51 系列单片机还会增加额外的定时器，在这里我们先讲定时器 0 和 1。前边提到过，对于单片机的每一个功能模块，都是由它的 SFR，也就是特殊功能寄存器来控制。与定时器有关的特殊功能寄存器，有以下几个，大家不需要去记忆这些寄存器的名字和作用，你只要大概知道就行，用的时候，随时可以查手册，找到每个寄存器的名字和每个寄存器所起到的作用。

表 5-1 的寄存器是存储定时器的计数值的。TH0/TL0 用于 T0，TH1/TL1 用于 T1。

表 5-2 是定时器控制寄存器 TCON 的位分配，表 5-3 是则是对每一位的具体含义的描述。

大家注意在表 5-3 中的描述中，只要写到硬件置 1 或者清 0 的，就是指一旦符合条件，单片机将自动完成的动作，只要写软件置 1 或者清 0 的，是指我们必须用程序去完成这个动作，后续遇到此类描述就不再另做说明了。

对于 TCON 这个 SFR，其中有 TF1、TR1、TF0、TR0 这 4 位需要我们理解清楚，它们分别对应于 T1 和 T0，我们以定时器 1 为例讲解，那么定时器 0 同理。先看 TR1，当我们程序中写 TR1 = 1 以后，定时器值就会每经过一个机器周期自动加 1，当我们程序中写 TR1 = 0以后，定时器就会停止加 1，其值会保持不变化。TF1，这个是一个标志位，他的作用是告诉我们定时器溢出了。比如我们的定时器设置成 16 位的模式，那么每经过一个机器周期，TL1加 1 一次，当 TL1 加到 255 后，再加 1，TL1 变成 0，TH1 会加 1 一次，如此一直加到 TH1和 TL1 都是 255（即 TH1 和 TL1 组成的 16 位整型数为 65535）以后，再加 1 一次，就会溢出了，TH1 和 TL1 同时都变为 0，只要一溢出，TF1 马上自动变成 1，告诉我们定时器溢出了，仅仅是提供给我们一个信号，让我们知道定时器溢出了，它不会对定时器是否继续运行产生任何影响。

本节开头我们就提到了定时器有多种工作模式，工作模式的选择就由 TMOD 来控制，TMOD 的位分配和描述见表 5-4 到 5-6 所示，TMOD 的位功能如表 5-5 所示。

可能你已经注意到了，表 5-2 的 TCON 最后标注了“可位寻址”，而表 5-4 的 TMOD 标注的是“不可位寻址”。意思就是说：比如 TCON 有一个位叫 TR1，我们可以在程序中直接进行 TR1 = 1 这样的操作。但对 TMOD 里的位比如(T1)M1 = 1 这样的操作就是错误的。我们要操作就必须一次操作这整个字节，也就是必须一次性对 TMOD 所有位操作，不能对其中某一位单独进行操作，那么我们能不能只修改其中的一位而不影响其它位的值呢？当然可以，在后续课程中你就会学到方法的，现在就先不关心它了。

表 5-6 列出的就是定时器的 4 中工作模式，其中模式 0 是为了兼容老的 8048 系列单片机而设计的，现在的 51 几乎不会用到这种模式，而模式 3 根据我的应用经验，它的功能用模式 2 完全可以取代，所以基本上也是不用的，那么我们就重点来学习模式 1 和模式 2。

模式 1，是 THn 和 TLn 组成了一个 16 位的定时器，计数范围是 0～65535，溢出后，只要不对 THn 和 TLn 重新赋值，则从 0 开始计数。模式 2，是 8 位自动重装载模式，只有 TLn做加 1 计数，计数范围 0～255，THn 的值并不发生变化，而是保持原值，TLn 溢出后，TFn就直接置 1 了，并且 THn 原先的值直接赋给 TLn，然后 TLn 从新赋值的这个数字开始计数。这个功能可以用来产生串口的通信波特率，我们讲串口的时候要用到，本章节我们重点来学习模式 1。为了加深大家理解定时器的原理，我们来看一下他的模式 1 的电路示意图 5-2。

我带领大家一起来分析一遍这个示意图，日后如果再遇到类似的图，大家就可以自己研究了。OSC 框表示时钟频率，因为 1 个机器周期等于 12 个时钟周期，所以那个 d 就等于 12。下边 GATE 右边的那个门是一个非门电路，再右侧是一个或门，再往右是一个与门电路，大家可以对照一下 5-1 节的内容。

图上可以看出来，下边部分电路是控制了上边部分，那我们先来看下边是如何控制的，我们以定时器 0 为例。

1) TR0 和下边或门电路的结果要进行与运算，TR0 如果是 0 的话，与运算完了肯定是 0，所以如果要让定时器工作，那么 TR0 就必须置 1。

2) 这里的与门结果要想得到 1，那么前面的或门出来的结果必须也得是 1 才行。在 GATE位为 1 的情况下，经过一个非门变成 0，或门电路结果要想是 1 的话，那 INT0 即 P3.2 引脚必须是 1 的情况下，这个时候定时器才会工作，而 INT0 引脚是 0 的情况下，定时器不工作，这就是 GATE 位的作用。

3) 当 GATE 位为 0 的时候，经过一个非门会变成 1，那么不管 INT0 引脚是什么电平，经过或门电路后都肯定是 1，定时器就会工作。

4) 要想让定时器工作，就是自动加 1，从图上看有两种方式，第一种方式是那个开关打到上边的箭头，就是 C/T = 0 的时候，一个机器周期 TL 就会加 1 一次，当开关打到下边的箭头，即 C/T =1 的时候，T0 引脚即 P3.4 引脚来一个脉冲，TL 就加 1 一次，这也就是计数器功能。