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單片機內部結構分析

我們來思考一個問題，當我們在編程器中把一條指令寫進單片機內部，然后取下單片機，單片機就可以執行這條指令，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部的只讀存儲器即 ROM（READ ONLY MEMORY）。為什么稱它為只讀存儲器呢？剛才我們不是明明把兩個數字寫進去了嗎？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備對 ROM 進行寫的操作，在單片機正常工作條件下，只能從那面讀，不能把數據寫進去，所以我們還是把它稱為 ROM。

02

幾個基本概念

1、數的本質和物理現象

我們知道，計算機可以進行數學運算，這令我們非常難以理解，計算機嗎，我們雖不了解它的組成，但它們只是一些電子元器件，怎么可以進行數學運算呢？我們做數學題如 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，最后寫出結果，運算的原材料：37、45 和結果：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，我們可以用’0’和’1’來代替這兩種狀態，規定亮為’1’，不亮為’0’。現在放上兩盞燈，一共有幾種狀態呢？我們列表來看一下：

請大家自己寫上 3 盞燈的情況 000 001 010 011 100 101 110 111 我們來看，這個 000，001，101 不就是我們學過的的二進制數嗎？本來，燈的亮和滅只是一種物理現象，可當我們把它們按一定的順序排好后，燈的亮和滅就代表了數字了。讓我們再抽象一步，燈為什么會亮呢？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，數字就和電平的高、低聯系上了。（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：0 和 1。實際上這就是一個二進制位，因此我們就把一根線稱之為一“位”，用 BIT 表示。

3、字節的含義

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

03

存儲器的工作原理

1、存儲器構造

存儲器就是用來存放數據的地方。它是利用電平的高低來存放數據的，也就是說，它存放的實際上是電平的高、低，而不是我們所習慣認為的 1234 這樣的數字，這樣，我們的一個謎團就解開了，計算機也沒什么神秘的嗎。

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據的地方，我們稱之為一個“單元”。

有了這么一個構造，我們就可以開始存放數據了，想要放進一個數據 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。可是問題出來了，一個存儲器有好多單元，線是并聯的，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，這當然不是我們所希望的，因此，要在結構上稍作變化，在每個單元上有個控制線，我想要把數據放進哪個單元，就把一個信號給這個單元的控制線，這個控制線就把開關打開，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據了，同樣，如果要從某個單元中取數據，也只要打開相應的控制開關就行了。

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，2 根線可以代表 4 種狀態，3 根線可以代表幾種，256 種狀態又需要幾根線代表？8 種，8 根線，所以 65536 種狀態我們只需要 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。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。辦法當然很簡單，當外面的線接到集成電路的引腳進來后，不直接接到各單元去，中間再加一組開關就行了。平時我們讓開關打開著，如果確實是要向這個存儲器中寫入數據，或要從存儲器中讀出數據，再讓開關接通就行了。這組開關由三根引線選擇：讀控制端、寫控制端和片選端。要將數據寫入片中，先選中該片，然后發出寫信號，開關就合上了，并將傳過來的數據（電荷）寫入片中。如果要讀，先選中該片，然后發出讀信號，開關合上，數據就被送出去了。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，所以雖有讀或寫信號，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？只要是設計好的系統就不會，因為它是由計算控制的，而不是我們人來控制的，如果真的出現同時出現選中兩片的情況，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看到，用來傳遞數據的八根線并不是專用的，而是很多器件大家共用的，所以我們稱之為數據總線，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。

審核編輯 黃昊宇