單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析及工作原理

一、單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

我們來思考一個問題，當(dāng)我們在編程器中把一條指令寫進(jìn)單片機內(nèi)部，然后取下單片機，單片機就可以執(zhí)行這條指令，那么這條指令一定保存在單片機的某個地方，并且這個地方在單片機掉電后依然可以保持這條指令不會丟失，這是個什么地方呢?這個地方就是單片機內(nèi)部的只讀存儲器即ROM(READONLYMEMORY)。為什么稱它為只讀存儲器呢?剛才我們不是明明把兩個數(shù)字寫進(jìn)去了嗎?原來在89C51中的ROM是一種電可擦除的ROM，稱為FLASHROM，剛才我們是用的編程器，在特殊的條件下由外部設(shè)備對ROM進(jìn)行寫的操作，在單片機正常工作條件下，只能從那面讀，不能把數(shù)據(jù)寫進(jìn)去，所以我們還是把它稱為ROM。

二、幾個基本概念

1、數(shù)的本質(zhì)和物理現(xiàn)象

我們知道，計算機可以進(jìn)行數(shù)學(xué)運算，這可令我們非常的難以理解，計算機嗎，我們雖不了解它的組成，但它總只是一些電子元器件，怎么可以進(jìn)行數(shù)學(xué)運算呢?我們做數(shù)學(xué)題如37+45是這樣做的，先在紙上寫37，然后在下面寫45，然后大腦運算，最后寫出結(jié)果，運算的原材料：37、45和結(jié)果：82都是寫在紙上的，計算機中又是放在什么地方呢?為了解決這個問題，先讓我們做一個實驗：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’來代替這兩種狀態(tài)，規(guī)定亮為’1’，不亮為’0’�，F(xiàn)在放上兩盞燈，一共有幾種狀態(tài)呢?我們列表來看一下：

請大家自已寫上3盞燈的情況000001010011100101110111我們來看，這個000，001，101不就是我們學(xué)過的的二進(jìn)制數(shù)嗎?本來，燈的亮和滅只是一種物理現(xiàn)象，可當(dāng)我們把它們按一定的順序排更好后，燈的亮和滅就代表了數(shù)字了。讓我們再抽象一步，燈為什么會亮呢?看電路1，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替代了。這樣，數(shù)字就和電平的高、低聯(lián)系上了。(請想一下，我們還看到過什么樣的類似的例子呢?(海軍之)燈語、旗語，電報，甚至紅、綠燈)

2、位的含義

通過上面的實驗我們已經(jīng)知道：一盞燈亮或者說一根線的電平的高低，可以代表兩種狀態(tài)：0和1。實際上這就是一個二進(jìn)制位，因此我們就把一根線稱之為一“位”，用BIT表示。

3、字節(jié)的含義

一根線可以表于0和1，兩根線可以表達(dá)00，01，10，11四種狀態(tài)，也就是可以表于0到3，而三根可以表達(dá)0-7，計算機中通常用8根線放在一起，同時計數(shù)，就可以表過到0-255一共256種狀態(tài)。這8根線或者8位就稱之為一個字節(jié)(BYTE)。

三、存儲器的工作原理

1、存儲器構(gòu)造

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存儲器就是用來存放數(shù)據(jù)的地方。它是利用電平的高低來存放數(shù)據(jù)的，也就是說，它存放的實際上是電平的高、低，而不是我們所習(xí)慣認(rèn)為的1234這樣的數(shù)字，這樣，我們的一個謎團(tuán)就解開了，計算機也沒什么神秘的嗎。

如上圖左所示：一個存儲器就象一個個的小抽屜，一個小抽屜里有八個小格子，每個小格子就是用來存放“電荷”的，電荷通過與它相連的電線傳進(jìn)來或釋放掉，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。存儲器中的每個小抽屜就是一個放數(shù)據(jù)的地方，我們稱之為一個“單元”。

有了這么一個構(gòu)造，我們就可以開始存放數(shù)據(jù)了，想要放進(jìn)一個數(shù)據(jù)12，也就是00001100，我們只要把第二號和第三號小格子里存滿電荷，而其它小格子里的電荷給放掉就行了(看上圖右)�？墒菃栴}出來了，看上圖右，一個存儲器有好多單元，線是并聯(lián)的，在放入電荷的時候，會將電荷放入所有的單元中，而釋放電荷的時候，會把每個單元中的電荷都放掉，這樣的話，不管存儲器有多少個單元，都只能放同一個數(shù)，這當(dāng)然不是我們所希望的，因此，要在結(jié)構(gòu)上稍作變化，看上圖右，在每個單元上有個控制線，我想要把數(shù)據(jù)放進(jìn)哪個單元，就給一個信號這個單元的控制線，這個控制線就把開關(guān)打開，這樣電荷就可以自由流動了，而其它單元控制線上沒有信號，所以開關(guān)不打開，不會受到影響，這樣，只要控制不同單元的控制線，就可以向各單元寫入不同的數(shù)據(jù)了，同樣，如果要某個單元中取數(shù)據(jù)，也只要打開相應(yīng)的控制開關(guān)就行了。

2、存儲器譯碼

那么，我們怎樣來控制各個單元的控制線呢?這個還不簡單，把每個單元的控制線都引到集成電路的外面不就行了嗎?事情可沒那么簡單，一片27512存儲器中有65536個單元，把每根線都引出來，這個集成電路就得有6萬多個腳?不行，怎么辦?要想法減少線的數(shù)量。我們有一種方法稱這為譯碼，簡單介紹一下：一根線可以代表2種狀態(tài)，2根線可以代表4種狀態(tài)，3根線可以代表幾種，256種狀態(tài)又需要幾根線代表?8種，8根線，所以65536種狀態(tài)我們只需要16根線就可以代表了。

3、存儲器的選片及總線的概念

至此，譯碼的問題解決了，讓我們再來關(guān)注另外一個問題。送入每個單元的八根線是用從什么地方來的呢?它就是從計算機上接過來的，一般地，這八根線除了接一個存儲器之外，還要接其它的器件，如圖4所示。這樣問題就出來了，這八根線既然不是存儲器和計算機之間專用的，如果總是將某個單元接在這八根線上，就不好了，比如這個存儲器單元中的數(shù)值是0FFH另一個存儲器的單元是00H，那么這根線到底是處于高電平，還是低電平?豈非要打架看誰歷害了?所以我們要讓它們分離。辦法當(dāng)然很簡單，當(dāng)外面的線接到集成電路的引腳進(jìn)來后，不直接接到各單元去，中間再加一組開關(guān)就行了。平時我們讓開關(guān)打開著，如果確實是要向這個存儲器中寫入數(shù)據(jù)，或要從存儲器中讀出數(shù)據(jù)，再讓開關(guān)接通就行了。這組開關(guān)由三根引線選擇：讀控制端、寫控制端和片選端。要將數(shù)據(jù)寫入片中，先選中該片，然后發(fā)出寫信號，開關(guān)就合上了，并將傳過來的數(shù)據(jù)(電荷)寫入片中。如果要讀，先選中該片，然后發(fā)出讀信號，開關(guān)合上，數(shù)據(jù)就被送出去了。讀和寫信號同時還接入到另一個存儲器，但是由于片選端不同，所以雖有讀或?qū)懶盘�，但沒有片選信號，所以另一個存儲器不會“誤會”而開門，造成沖突。那么會不同時選中兩片芯片呢?只要是設(shè)計好的系統(tǒng)就不會，因為它是由計算控制的，而不是我們?nèi)藖砜刂频模�如果真的出現(xiàn)同時出現(xiàn)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，用來傳遞數(shù)據(jù)的八根線并不是專用的，而是很多器件大家共用的，所以我們稱之為數(shù)據(jù)總線，總線英文名為BUS，總即公交車道，誰也可以走。而十六根地址線也是連在一起的，稱之為地址總線。