單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析 存儲(chǔ)器的工作原理

　　10多年前第一次買的是51單片機(jī)，彩色LCD都已經(jīng)蠻不錯(cuò)，現(xiàn)在想來還是太年輕。本文我們一起看看單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　一、單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

　　我們來思考一個(gè)問題，當(dāng)我們?cè)?a target="_blank">編程器中把一條指令寫進(jìn)單片機(jī)內(nèi)部，然后取下單片機(jī)，單片機(jī)就可以執(zhí)行這條指令，那么這條指令一定保存在單片機(jī)的某個(gè)地方，并且這個(gè)地方在單片機(jī)掉電后依然可以保持這條指令不會(huì)丟失，這是個(gè)什么地方呢？這個(gè)地方就是單片機(jī)內(nèi)部的只讀存儲(chǔ)器即ROM（READ ONLY MEMORY）。為什么稱它為只讀存儲(chǔ)器呢？剛才我們不是明明把兩個(gè)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FLASH ROM，剛才我們是用的編程器，在特殊的條件下由外部設(shè)備對(duì)ROM進(jìn)行寫的操作，在單片機(jī)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(gè)基本概念

　　1、數(shù)的本質(zhì)和物理現(xiàn)象

　　我們知道，計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，這令我們非常難以理解，計(jì)算機(jī)嗎，我們雖不了解它的組成，但它們只是一些電子元器件，怎么可以進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)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(yùn)算，最后寫出結(jié)果，運(yùn)算的原材料：37、45和結(jié)果：82都是寫在紙上的，計(jì)算機(jī)中又是放在什么地方呢？為了解決這個(gè)問題，先讓我們做一個(gè)實(shí)驗(yàn)：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(qǐng)大家自己寫上3盞燈的情況000 001 010 011 100 101 110 111我們來看，這個(gè)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好后，燈的亮和滅就代表了數(shù)字了。讓我們?cè)俪橄笠徊?，燈為什么?huì)亮呢？是因?yàn)檩敵鲭娐份敵龈唠娖?，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(qǐng)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(bào)，甚至紅、綠燈）。

　　2、位的含義

　　通過上面的實(shí)驗(yàn)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(shí)際上這就是一個(gè)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

　　一根線可以表示0和1，兩根線可以表達(dá)00，01，10，11四種狀態(tài)，也就是可以表達(dá)0到3，而三根可以表達(dá)0~7，計(jì)算機(jī)中通常用8根線放在一起，同時(shí)計(jì)數(shù)，就可以表示0-255一共256種狀態(tài)。這8根線或者8位就稱之為一個(gè)字節(jié)（BYTE）。

　　存儲(chǔ)器的工作原理

　　1、存儲(chǔ)器構(gòu)造

　　存儲(chǔ)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(shí)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(gè)謎團(tuán)就解開了，計(jì)算機(jī)也沒什么神秘的嗎。

　　如上圖左所示：一個(gè)存儲(chǔ)器就象一個(gè)個(gè)的小抽屜，一個(gè)小抽屜里有八個(gè)小格子，每個(gè)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(chǔ)器中的每個(gè)小抽屜就是一個(gè)放數(shù)據(jù)的地方，我們稱之為一個(gè)“單元”。

　　有了這么一個(gè)構(gòu)造，我們就可以開始存放數(shù)據(jù)了，想要放進(jìn)一個(gè)數(shù)據(jù)12，也就是00001100，我們只要把第二號(hào)和第三號(hào)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(gè)存儲(chǔ)器有好多單元，線是并聯(lián)的，在放入電荷的時(shí)候，會(huì)將電荷放入所有的單元中，而釋放電荷的時(shí)候，會(huì)把每個(gè)單元中的電荷都放掉，這樣的話，不管存儲(chǔ)器有多少個(gè)單元，都只能放同一個(gè)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(gè)單元上有個(gè)控制線，我想要把數(shù)據(jù)放進(jìn)哪個(gè)單元，就把一個(gè)信號(hào)給這個(gè)單元的控制線，這個(gè)控制線就把開關(guān)打開，這樣電荷就可以自由流動(dòng)了，而其它單元控制線上沒有信號(hào)，所以開關(guān)不打開，不會(huì)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，如果要從某個(gè)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(chǔ)器譯碼

　　那么，我們?cè)鯓觼砜刂聘鱾€(gè)單元的控制線呢？這個(gè)還不簡(jiǎn)單，把每個(gè)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(jiǎn)單，一片27512存儲(chǔ)器中有65536個(gè)單元，把每根線都引出來，這個(gè)集成電路就得有6萬多個(gè)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(jiǎn)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(chǔ)器的選片及總線的概念

　　至此，譯碼的問題解決了，讓我們?cè)賮黻P(guān)注另外一個(gè)問題。送入每個(gè)單元的八根線是用從什么地方來的呢？它就是從計(jì)算機(jī)上接過來的，一般地，這八根線除了接一個(gè)存儲(chǔ)器之外，還要接其它的器件。這樣問題就出來了，這八根線既然不是存儲(chǔ)器和計(jì)算機(jī)之間專用的，如果總是將某個(gè)單元接在這八根線上，就不好了，比如這個(gè)存儲(chǔ)器單元中的數(shù)值是0FFH另一個(gè)存儲(chǔ)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(jiǎn)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(shí)我們讓開關(guān)打開著，如果確實(shí)是要向這個(gè)存儲(chǔ)器中寫入數(shù)據(jù)，或要從存儲(chǔ)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(hào)，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(hào)，開關(guān)合上，數(shù)據(jù)就被送出去了。讀和寫信號(hào)同時(shí)還接入到另一個(gè)存儲(chǔ)器，但是由于片選端不同，所以雖有讀或?qū)懶盘?hào)，但沒有片選信號(hào)，所以另一個(gè)存儲(chǔ)器不會(huì)“誤會(huì)”而開門，造成沖突。那么會(huì)不同時(shí)選中兩片芯片呢？只要是設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)就不會(huì)，因?yàn)樗怯捎?jì)算控制的，而不是我們?nèi)藖砜刂频?，如果真的出現(xiàn)同時(shí)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。

　　編輯：黃飛