前面已經(jīng)介紹了模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和巨大優(yōu)勢(shì)。在我們的實(shí)驗(yàn)板中，單片機(jī)是其中最核心的一個(gè)模塊；而對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)，又是由更多的子模塊組合而成。本文主要對(duì)單片機(jī)/計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最核心的幾個(gè)模塊進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。 為了便于進(jìn)行說(shuō)明，后面會(huì)將單片機(jī)/計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)單的統(tǒng)稱為微機(jī)系統(tǒng)。 信息與數(shù)據(jù) 何為信息？可以理解成我們周圍各種所能感知到的東西、還有人們所思所想等等，信息的概念不好解釋，但是大家都能理解，也不是我要討論的重點(diǎn)。 在微機(jī)系統(tǒng)中，能處理很多信息，例如我正在寫(xiě)的內(nèi)容，就是文字和圖像信息。處理信息的前提，就是對(duì)信息進(jìn)行表示，例如文字就是一種形式。 何為數(shù)據(jù)？在微機(jī)系統(tǒng)中，其結(jié)構(gòu)決定了各種能處理的信息都需要表示成二進(jìn)制數(shù)字，這就被稱為數(shù)據(jù)。例如英文字符可以通過(guò)ASCII碼表示成一個(gè)個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)等。 CPU 人的大腦每時(shí)每刻所做的最重要的事，就是對(duì)大量的信息進(jìn)行處理。對(duì)內(nèi)部已有信息和外界信息進(jìn)行處理，產(chǎn)生新的信息保存在大腦中，或?qū)ν饨缱鞒龇磻?yīng)。 CPU即中央處理器（CPU=Central Processing Unit），是一個(gè)微機(jī)系統(tǒng)最核心的部件，可以認(rèn)為相當(dāng)于人的大腦中的思維部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理。 存儲(chǔ)器：RAM/ROM/外存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器用來(lái)保存數(shù)據(jù)，例如在硬盤(pán)上可以存放電影音樂(lè)，可以認(rèn)為相當(dāng)于大腦中的記憶部分。 RAM 即隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM=Random Access Memory），最重要的特點(diǎn)是可讀可寫(xiě)。寫(xiě)是指修改或者刪除數(shù)據(jù)。另外，RAM的速度相對(duì)比較快；斷電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失；另外由于造價(jià)較高通常容量不大，但是夠用了。通常在電腦中相當(dāng)于內(nèi)存。 在學(xué)習(xí)C語(yǔ)言的時(shí)候，定義一個(gè)變量，例如int a，程序在執(zhí)行的時(shí)候，這個(gè)變量就會(huì)保存在RAM中。 RAM根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理，又分為SRAM（=Static RAM，靜態(tài)RAM）和DRAM（=Dynamic RAM，動(dòng)態(tài)RAM）兩種，有興趣可以自己查閱相關(guān)資料。 ROM 即只讀存儲(chǔ)器（ROM=Read Only Memory），主要特點(diǎn)是通常情況下存儲(chǔ)內(nèi)容不能被修改；斷電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。 最早的ROM是一次性寫(xiě)入的，寫(xiě)入完成后通過(guò)高電壓燒斷ROM內(nèi)部的熔絲，之后就不能再修改，而這也是單片機(jī)“燒寫(xiě)程序”一詞的由來(lái)。后來(lái)為了適應(yīng)硬件發(fā)展，可用紫外線擦寫(xiě)的ROM被發(fā)明出來(lái)，但是操作起來(lái)比較麻煩。再到后來(lái)電擦寫(xiě)的ROM誕生了，也就是后面會(huì)用到的EEPROM（EEPROM=Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器）。 給單片機(jī)燒寫(xiě)程序時(shí)，就是將代碼燒寫(xiě)到了單片機(jī)的ROM中；運(yùn)行程序的時(shí)候，指令就會(huì)從ROM中取出并被執(zhí)行。 備注1：ROM常被誤認(rèn)為是對(duì)應(yīng)于計(jì)算機(jī)上的硬盤(pán)，實(shí)際上硬盤(pán)屬于外部存儲(chǔ)，而ROM對(duì)應(yīng)于計(jì)算機(jī)主板上的BIOS存儲(chǔ)器等。 備注2：在計(jì)算機(jī)中，常用到的應(yīng)用程序平時(shí)是保存在硬盤(pán)中的，執(zhí)行的時(shí)候，會(huì)由操作系統(tǒng)裝載到內(nèi)存的代碼區(qū)域而不是ROM，這和單片機(jī)中的程序的執(zhí)行過(guò)程不一樣（與單片機(jī)程序執(zhí)行過(guò)程一致的是BIOS程序等，而不是操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序）。 備注3：一些單片機(jī)具備IAP功能（IAP=In Application Programming，在應(yīng)用編程），利用一段小程序更新單片機(jī)ROM中的程序，可以實(shí)現(xiàn)在不斷電的情況下自動(dòng)更新單片機(jī)程序。 外存儲(chǔ)器 一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存儲(chǔ)器包括主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器，主存儲(chǔ)器又叫內(nèi)存儲(chǔ)器（內(nèi)存），輔助存儲(chǔ)器又叫外儲(chǔ)存器（外存）。常見(jiàn)的外存儲(chǔ)器有硬盤(pán)、軟盤(pán)、光盤(pán)、U盤(pán)等，斷電后仍然能保存數(shù)據(jù)。 中斷系統(tǒng) 中斷系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)中非常重要的一個(gè)概念，但是這個(gè)詞看起來(lái)很難理解。何為中斷系統(tǒng)呢？我先講一個(gè)故事。 有一天班長(zhǎng)收到通知要讓五位同學(xué)每人填一份表格，填完后盡快收集起來(lái)上交給老師。班長(zhǎng)把表格分別發(fā)給了這五位同學(xué)，但是每個(gè)同學(xué)什么時(shí)候能填好表格是不確定的。這時(shí)他有幾種選擇。 方法一，每隔一段時(shí)間輪流去問(wèn)這五位同學(xué)有沒(méi)有填完，如果填完了，確認(rèn)無(wú)誤，就收集起來(lái)。 方法二，班長(zhǎng)發(fā)表格時(shí)告訴這幾位同學(xué)，填完表后馬上交給他，然后自己就能繼續(xù)好好看書(shū)了。每當(dāng)有同學(xué)交表格的時(shí)候，班長(zhǎng)就會(huì)把書(shū)簽放到正在看的那一頁(yè)書(shū)中，然后檢查這個(gè)同學(xué)的表格填寫(xiě)是否正確。確認(rèn)了以后，班長(zhǎng)又會(huì)從剛剛看的那一頁(yè)繼續(xù)看書(shū)。 顯然，方法一效率實(shí)在太低，浪費(fèi)了很多時(shí)間；方法二效果不錯(cuò)，效率提高了很多。 故事講完了，這里就要介紹中斷系統(tǒng)了。在基本的微機(jī)系統(tǒng)中，CPU負(fù)責(zé)主要數(shù)據(jù)的處理工作（不考慮計(jì)算機(jī)顯卡這類設(shè)備），通常任務(wù)繁重（相當(dāng)于故事中的班長(zhǎng)）。 有時(shí)外圍器件需要執(zhí)行工作，執(zhí)行結(jié)果要讓CPU及時(shí)處理，但又不能確定具體完成時(shí)間（故事中的同學(xué)填表格）。 原因有可能是因?yàn)橥鈬K速度遠(yuǎn)不及CPU，例如從硬盤(pán)讀數(shù)據(jù)；也可能是執(zhí)行不需CPU干預(yù)的費(fèi)時(shí)操作（也可以理解成外圍模塊執(zhí)行這個(gè)操作的速度慢）；或者是接收來(lái)自外界的操作，例如按下鍵盤(pán)電腦需要很快進(jìn)行響應(yīng)，要不然就表現(xiàn)為很卡甚至死機(jī)了。 這時(shí)為了及時(shí)知道外圍器件處理的結(jié)果并進(jìn)行處理，就有幾種工作流程了。 一是輪詢法（故事中的方法一）。以一定的間隔不斷查詢外圍器件工作狀態(tài)。好處是設(shè)計(jì)起來(lái)比較簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是效率太低，特別是當(dāng)外圍設(shè)備太多、速度差異很大時(shí)，CPU幾乎沒(méi)空干別的事。 二是中斷法（故事中的方法二）。外圍模塊處理好任務(wù)以后，主動(dòng)給CPU發(fā)送中斷請(qǐng)求（填好表格交給班長(zhǎng)）。然后CPU中斷當(dāng)前任務(wù)，轉(zhuǎn)而處理中斷請(qǐng)求，對(duì)該模塊的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行處理（檢查表格填寫(xiě)正確，并收集表格）。處理中斷請(qǐng)求之前，需要保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)（放書(shū)簽），處理完中斷請(qǐng)求，再恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，繼續(xù)之前任務(wù)（繼續(xù)看書(shū)）。 DMA 前面的故事其實(shí)還有方法三。班長(zhǎng)由于最近事情太多，決定請(qǐng)副班長(zhǎng)幫忙收集表格，讓同學(xué)們自己把表格交給副班長(zhǎng)。副班長(zhǎng)把表格都收集完了，再由他交給老師。這種方法需要征得副班長(zhǎng)的同意，不過(guò)效果很好。 同樣對(duì)于微機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，也有第三種方法，這種方法就叫做DMA（DMA=Direct Memory Access，直接內(nèi)存訪問(wèn)）。在CPU之外設(shè)置一個(gè)DMA控制器（副班長(zhǎng)），根據(jù)CPU發(fā)送的指令，外圍設(shè)備處理完數(shù)據(jù)，通過(guò)DMA直接將數(shù)據(jù)保存到內(nèi)存中的指定位置，然后才用中斷通知CPU處理。 在比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，DMA能大大提高執(zhí)行效率。51等單片機(jī)本身沒(méi)有DMA功能，可以在外部添加DMA控制器芯片實(shí)現(xiàn)（例如Intel 8237）。不過(guò)性能相對(duì)較低的單片機(jī)不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)，所以使用DMA的意義不大。 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器