單片機(jī)的基本原理一、單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)單片機(jī)通常由CPU、存儲(chǔ)器、I/O口三大部分組成，它們通過內(nèi)部總線連接起來，基本結(jié)構(gòu)如圖所示。1.CPU

CPU是“中中央處理單元”的英文縮寫，也就是我們們通常所說的微處理器，它包括運(yùn)算器和邏輯控制器兩部分。運(yùn)算器由3部分組成，以算術(shù)邏輯單元(ALU)為核心，另外還有通用寄存器、狀態(tài)寄存器兩個(gè)輔助部分。運(yùn)算器除了像算盤那樣能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算外，還能進(jìn)行“與”“或”“非”等邏輯運(yùn)算以及位運(yùn)算。狀態(tài)寄存器負(fù)責(zé)測(cè)試和記錄運(yùn)算的狀態(tài)，而通用寄存器則存放運(yùn)算的數(shù)據(jù)。單片機(jī)屬于程序控制式計(jì)算機(jī)。CPU中邏輯控制器的作用體現(xiàn)在理解程序意圖、協(xié)調(diào)各個(gè)部件完成程序規(guī)定的任務(wù)等。邏輯控制器由程序計(jì)數(shù)器(programcounter，PC)、指令寄存器、指令譯碼器構(gòu)成。程序計(jì)數(shù)器指示當(dāng)前執(zhí)行指令的地址，該指令執(zhí)行完畢后，程序計(jì)數(shù)器里的內(nèi)容自動(dòng)加1，這就是程序得以連續(xù)執(zhí)行的原因。指令寄存器用來暫時(shí)存放將要執(zhí)行的指令。指令譯碼器則把指令翻譯成操作信號(hào)，以便讓單片機(jī)的各個(gè)部分按指令協(xié)調(diào)操作。2.存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器用來保存單片機(jī)要處理的信息。單片機(jī)型號(hào)不同，存儲(chǔ)器的容量也有差異。根據(jù)存儲(chǔ)的內(nèi)容，存儲(chǔ)器可分為程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。而根據(jù)存儲(chǔ)機(jī)理，又可分為只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)、可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)、電可擦除可編程存儲(chǔ)器(EEPROM)和閃速存儲(chǔ)器(FlashMemory)等。RAM是一種易失性存儲(chǔ)器，供電電源關(guān)閉后內(nèi)部的數(shù)據(jù)將會(huì)丟失，不過其特點(diǎn)是讀寫速度快，存儲(chǔ)量大。無需任何外部設(shè)備，CPU便可隨時(shí)讀寫RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)，它一般作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用。ROM內(nèi)的數(shù)據(jù)由制造商在制作芯片時(shí)固化進(jìn)去，它不會(huì)丟失，也不允許用戶更改。ROM一般作為程序存儲(chǔ)器使用。EPROM和ROM相似，固化在里面的內(nèi)容不會(huì)丟失，不過允許用紫外線在短時(shí)間內(nèi)將內(nèi)容擦除，因此用戶可以對(duì)這種存儲(chǔ)器多次寫入。EPROM一般作為單片機(jī)外部程序存儲(chǔ)器使用。EEPRON的功能與EPROM相同，但微處理器可以直接使用電信號(hào)擦除存儲(chǔ)器內(nèi)的內(nèi)容而無需紫外線。因此，這種存儲(chǔ)器既可用作程序存儲(chǔ)器，又可用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

閃速存儲(chǔ)器的功能與EEPROM相同，但其特點(diǎn)是存儲(chǔ)的內(nèi)容可快速重復(fù)地擦除和寫入。這種存儲(chǔ)器一般集成在單片機(jī)內(nèi)部，作為程序存儲(chǔ)器使用。3.I/O口

I/O口是單片機(jī)與外部被控器件連接的橋梁，所以是單片機(jī)必須具備的組成部分。通常，I/O口包括下面幾種形式：(1)并行I/O口：它是由若干條輸入輸出線組成的并行數(shù)據(jù)位。單片機(jī)的并行I/O口一般為8位，也稱字節(jié)(byte)端口或并行端口。并行端口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，各位數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送。其優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度快；缺點(diǎn)是需要多條數(shù)據(jù)線。PC機(jī)上的打印機(jī)接口就是并行I/O口。(2)串行I/O口：一般有兩根數(shù)據(jù)通信線，一根做發(fā)送數(shù)據(jù)線，另一根做接收數(shù)據(jù)線。在串行數(shù)據(jù)通信中，數(shù)據(jù)是一位一位順序傳送的，其突出優(yōu)點(diǎn)是只需一對(duì)傳送線，這樣就降低了傳送成本；缺點(diǎn)是傳送速度慢，因?yàn)檫@種方式連續(xù)傳送8次才相當(dāng)于并行端口傳輸一次。我們平時(shí)所用的鼠標(biāo)就是使用這種方式與PC機(jī)通信的。(3)特殊I/O口：如模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換接口(ADC)、定時(shí)器/計(jì)算器模塊、中斷邏輯模塊等單片機(jī)。

除了上述3個(gè)主要部分外，還有一些用于控制和監(jiān)測(cè)的電路。例如，時(shí)鐘電路決定了單片機(jī)執(zhí)行指令的節(jié)奏快慢，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器則使單片機(jī)能及時(shí)或按一定順序執(zhí)行指令。另外，還有所謂“中斷邏輯”，它好比一個(gè)傳達(dá)室，當(dāng)控制對(duì)象的參數(shù)到達(dá)某個(gè)需要加以干預(yù)的狀態(tài)時(shí)，經(jīng)此傳達(dá)室通報(bào)給CPU，使CPU根據(jù)事態(tài)的輕重緩急采取適當(dāng)?shù)膶?duì)應(yīng)措施。單片機(jī)的工作原理現(xiàn)在我們對(duì)單片機(jī)的各組成部分已有了初步的認(rèn)識(shí)，那么它們是如何相互聯(lián)系成為一個(gè)有機(jī)整體的？又是如何工作的呢？實(shí)際上，單片機(jī)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”。此總線有如城市的“主干道”，它將CPU、ROM、RAM、I/O口、中斷邏輯等“分站點(diǎn)”串接起來，“分站點(diǎn)”之間的所有貨物(指令和數(shù)據(jù))傳輸都經(jīng)過這條“主干道”進(jìn)行。當(dāng)然，指令和數(shù)據(jù)在內(nèi)部總線中的傳送并不是混亂無序的，它是由CPU中的邏輯控制器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)指揮的，從而使整個(gè)單片機(jī)有條不紊地工作。單片機(jī)的內(nèi)部工作過程是相當(dāng)復(fù)雜的，涉及的知識(shí)也很豐富。為了便于理解，我們僅通過展示163×156這個(gè)簡單算式在單片機(jī)中的執(zhí)行流程，讓同學(xué)們初步了解它的工作原理。163×156這個(gè)乘法在單片機(jī)程序中對(duì)應(yīng)3條指令，指令被存放在程序存儲(chǔ)器的3個(gè)連續(xù)地址中。首先，程序計(jì)數(shù)器(PC)指向的是指令“LDSR0，163”，于是單片機(jī)將該指令送入指令寄存器中，然后指令譯碼器翻譯這條指令，并執(zhí)行把操作數(shù)163送到數(shù)據(jù)寄存器R0中的操作(RO位于單片機(jī)內(nèi)部RAM中)；這條指令執(zhí)行完后，PC自動(dòng)加1，指向下一條指令“LDSR1，156”，它的執(zhí)行過程與前一條指令相同，不過結(jié)果是把操作數(shù)156送到數(shù)據(jù)寄存器R1中(R1也位于內(nèi)部RAM中)；然后PC再自動(dòng)加1，指向乘法指令“MULR0，R1”，經(jīng)指令譯碼器翻譯，這條指令將把R0和R1中的內(nèi)容從內(nèi)部RAM中取出，然后送到運(yùn)算器中執(zhí)行乘法運(yùn)算，再把結(jié)果25428送回R0和R1中。至此，單片機(jī)就完成了整個(gè)乘法算式的操作。同學(xué)們是否覺得這個(gè)過程太煩瑣、太慢了呢？其實(shí)，單片機(jī)正是靠這種單調(diào)重復(fù)但協(xié)調(diào)有序的操作才能保證整個(gè)工作的正確無誤，況且單片機(jī)每秒能執(zhí)行上百萬條指令，這幾條指令對(duì)它而用“瞬間”一詞都嫌太長了。二、單片機(jī)的引腳

引腳是單片機(jī)內(nèi)部電路的延伸，單片機(jī)內(nèi)的各個(gè)功能模塊必須向外部開放，否則它們就無法實(shí)現(xiàn)對(duì)外部電路或設(shè)備的控制，所以，使用單片機(jī)前必須了解單片機(jī)的引腳功能。

單片機(jī)的類型和封裝形式很多，引腳情況各不相同，無法一一描述，我們以AVR單片機(jī)ATmega16為例，具體說明單片機(jī)的各個(gè)功能模塊及引腳使用方法。

單片機(jī)ATmegal6由以下部分組成：16K字節(jié)的Flash程序存儲(chǔ)器、512字節(jié)的EEPROM、1K字節(jié)的RAM、32個(gè)通用I/O口、3個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、20個(gè)中斷、1個(gè)串行口、8個(gè)10位的ADC，4路脈寬調(diào)制(PWM)輸出等。

ATmega16有兩種封裝形式：40條引腳的塑料雙列直插封裝(PDIP)和44條引腳的扁平方形封裝(TQFP)。這些引腳包括A、B、C、D這4組通用I/O端口，若干電源引腳和控制引腳。ATmegal6的引腳具體定義如下：(1)端口A(PQ0~PA7)：該端口的8條引腳一般充當(dāng)外部模擬信號(hào)的輸入腳，也可作為雙向數(shù)字I/O口。當(dāng)作為數(shù)字I/O口使用時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部能為毎個(gè)引腳提供內(nèi)部可控制的上拉電阻，向每個(gè)引腳提供20mA的驅(qū)動(dòng)電流(5V電源)，一般能直接驅(qū)動(dòng)LED。(2)端口B(PB0~PB7)：該端口的8條引腳一般作為雙向數(shù)字I/O口使用(帶內(nèi)部可控制的上拉電阻)，能提供20mA的驅(qū)動(dòng)電流。另外，這個(gè)端口還有別的用途，如PB0和PBI引腳可定義為計(jì)數(shù)器0和計(jì)數(shù)器1的外部信號(hào)輸入腳；PB2和PB3可定義為一個(gè)比較器的兩個(gè)比較輸入引腳，PB2還可以定義為外部中斷2的輸入引腳，PB3可以作為一路PWM的輸出引腳；PB4~PB7可定義為串行外設(shè)接口(SPI)的4個(gè)引腳。(3)端口C(PC0~PC7)：它也是一個(gè)8位雙向數(shù)字I/O口(帶內(nèi)部可控制的上拉電阻)。能提供20mA的驅(qū)動(dòng)電流。該端口也有另外的功能，即作為在線編程(ISP)端口，用來下載單片機(jī)程序。(4)端口D(PD0~PD7)：該端口可作為8位雙向數(shù)字L/O口，其功能與端口A、B、C相同。它也有第2種功能，如PD0和PD1可作為異步串行通信口引腳，PD2和PD3作為外部中斷輸入引腳，PD4~PD7作為單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的信號(hào)輸入引腳(PD4、PD6、PD7還可以編程為PWM的輸出引腳)。(5)Vcc：電源正電壓輸入引腳。(6)GND：電源接地引腳(7)RESET：單月片機(jī)復(fù)位引腳卻。如果在這個(gè)引|腳上出現(xiàn)一個(gè)持續(xù)時(shí)間超過125ns的低電平，則單片機(jī)復(fù)位，程序重新開始執(zhí)行。(8)XTAL1：內(nèi)部振蕩放大器的輸入端。(9)XTAL2：內(nèi)部振蕩放大器的輸出端(10)AVcc：模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電源。(11)AGND：模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電源地輸入。(12)AREF：模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電源輸入。探究嘗試請(qǐng)同學(xué)們利用簡單的電路知識(shí)分析下圖所示的電路，并填寫下面表格中空白的部分(X代表任意狀態(tài)，1代表高電平，0代表低電平)。你能否總結(jié)一下上拉電阻的作用？實(shí)踐活動(dòng)在電源關(guān)閉的情況下，打開RoCon控制器的上蓋，完成如下工作：(1)查找控制電路板上面的單片機(jī)，并辨認(rèn)單片機(jī)的第1個(gè)引腳位置。(2