微机基础知识

• • • 微处理器，微机和单片机概念
    • • 微处理器的组成
      • • 一、运算器
        • • 主要寄存器
          • 主要寄存器（IR），指令译码器（ID）
          • 程序计数器（PC）
          • 地址寄存器（AR）
        • 二、控制器
      • 存储器和输入输出接口
      • • 一、 存储器
        • 二、IO接口及外设

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微处理器，微机和单片机概念

微处理器不是计算机，是小微型计算机的控制和处理部分。由控制器，运算器和若干寄存器组成
微机是具有完整运算和控制功能的计算机，包括微处理器，存储器，接口适配器（即输入，输出接口电路）和IO设备等
接口适配器用于连接内部总线和外部设备
IO设备与微处理器的连接需要通过接口适配器，即IO接口
存储器是指微机内部的存储器（ROM，RAM，EPROM等芯片）

微处理器，一定容量的ROM，RAM以及IO接口，定时器，AD/DA转换等电路集成在一片芯片上，构成单片机

微处理器的组成

微处理器包括运算器和控制器

计算机中，所有的数据单元都是一组二进制，是基本信息单元，它作为数据，也可以是计算机完成某操作的一条指令，还可以是ASCII字符

🔖 8位微处理器的8是什么意思？

在8位微处理器中，数据单元由一个字节组成，8位指单片机的“字长”，即一次传递和计算的二进制位数为8位，意味着8位数据或信息总线
16位机中由两个字节组成，也称为一个字

如果数据总线和CPU一次处理的数据宽度不同，总线宽度小于CPU宽度时，以CPU宽度命名
如CPU能处理16位，数据总线只能处理8位时，通常称为准16位单片机

🔖 单片机功效比微机弱很多，为什么要制造？

1.单片机是一个简单又完整的计算机系统，麻雀虽小，五脏俱全，虽然性能比电脑若，但是价钱也相对很便宜，用于作洗衣机，排烟罩VCD等控制电路足够了
2.单片机是靠程序的，且支持修改，一些特殊的功能别的器件很难实现，单片机通过你写的程序可以实现高智能，高效率以及高可靠性
单片机可以使用C语言和汇编语言进行编程，C语言简单高效，汇编语言则可访问至寄存器，RAM级别

一、运算器

运算器——由算术逻辑单元（ALU），累加器，寄存器等几个部分组成
ALU的作用是将传送到微处理器的数据进行算数或逻辑运算
ALU的数据有两个来源，一个是累加器，一个是数据寄存器，其数据统称为操作数，一般为8位二进制数
算数逻辑单元能够对这两个输入数据进行相加或相减运算，也能完成逻辑运算，最后将其结果存入累加器
ALU执行不同的运算操作取决于不同控制线上的信号

运算器有两个主要功能
1.执行数据运算
2.执行逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较
通常算数操作产生一个运算结果，逻辑运算产生一个判决

主要寄存器

1.累加器（A）
累加器是微处理器中最繁忙的寄存器，在算数运算和逻辑运算中，它具有双重功能
运算前用于保存一个操作数
运算后用于保存所得和，差或逻辑运算结果
2.数据寄存器（DR）
数据寄存器是通过数据总线向寄存器和输入输出设备读写数据的存储单元
可暂存微处理器与存储器或者输入输出接口电路之间的待传输数据
可以保存一条正在译码的指令，也可保存送往存储器的一个数据字节等

主要寄存器（IR），指令译码器（ID）

指令寄存器用于保存当前正在执行的一条指令
指令执行时，先把它从内存取到数据寄存器里，然后再传给指令寄存器
指令分为操作码和地址码字段，由二进制数字组成，为执行给定的指令，必须对操作码进行译码
指令译码器负责对传入的指令进行译码操作

指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入，操作码经过译码后，可向操作控制器发出具体操作的特定信号

程序计数器（PC）

程序计数器可确定下一条指令的地址，用于保证程序连续正确的运行下去，又称为指令地址计数器
程序开始执行前，必须先将第一条指令的地址送入PC，当执行指令时，CPU将自动修改PC的内容
所以它常指向将要执行的下一条指令的地址
由于大多数指令都是按顺序执行的，所以ROM取一条指令，PC加1，或者加2，加3等
因为单片机的指令有单字节，双字节，以及三字节的，根据其指令大小决定加几

PC正在往前走时，遇到一个转移指令，转移指令不是向前转移，而是向后转移，其中还会涉及补码运算

PC本身不支持读写操作，不能人为修改，其值是通过单片机内部的控制电路自动修改的

地址寄存器（AR）

用于保存当前CPU要访问的内容单元或IO设备的地址
由于内存和CPU存在速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到读写操作完成
当内存和CPU进行数据交换，CPU和外围设备交换信息时，也需要地址寄存器和数据寄存器

数据寄存器（DR）和地址寄存器（AR）在微处理器的内部总线和外部总线之间，起着隔离和缓冲的作用

🔖 存储器和寄存器的区别和联系？

寄存器形成阵列后就是存储器
寄存器位于CPU中，速度很快，但数目有限，计算机做运算时，必须将数据读入寄存器后才能运算；存储器需要使用CPU的一部分空间来存储数据

寄存器功能上可以用来指向内存的随机地址，一般由与非门构成，集成在CPU上，性优且价贵
它是由具有存储功能的触发器组合起来构成的，一个触发器可以存储一位二进制代码，故存放n位二进制代码需要n个触发器构成
寄存器可分为基本寄存器和移位寄存器：基本寄存器并行输入输出，移位寄存器中的数据在移位脉冲作用下一次逐位左移或右移，其数据可并行串行随意组合输入输出

存储器实际上是时序逻辑电路的一种，包括ROM（只读存储器）和RAM（随机存取存储器）。存储器是许多存储单元的集合，按单元号排列，每个单元由若干二进制位构成，以表示其存储的数值
这种结构和数组的数据结构非常相似，故在VHDL语言中，通常用数组描述存储器
存储器断电后其内容仍旧存在，寄存器断电后内容就没了

二、控制器

控制器由程序计数器，指令寄存器，指令译码器，时序发生器和操作控制器等组成
主要功能有：

1. 从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置
2. 对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便执行规定动作
3. 指挥并控制CPU，内存和输入输出设备之间的数据的流动

运算器受控制器的命令而进行动作，即运算器所执行的命令是由控制器发出的控制指令

ALU，计数器，寄存器和除在微处理器外部的控制部分可通过内部总线相互联系，还可以通过外部总线与外部存储器及输入输出接口电路联系
外部总线一般分为数据总线DB，地址总线AB，和控制总线CB，这三个总线统称为系统总线，通过输入输出设备，计算机可与各种外围设备连接

存储器和输入输出接口

一、 存储器

某计算机使用的是256字节的8位随机存储器（RAM）与CPU交换数据，则称为258*8位读写存储器

两根8位的总线和若干控制线将存储器和微处理器连接起来，地址总线将来自微处理器CPU的地址送入地址译码器，经过译码找到选定对应的单元
存储器接收来自CPU的读写控制信号，经过指令译码器，确定执行何种操作
执行读取操作时，存储器接收一个8位地址和一个控制指令，读取8位地址对应的内容，将其放至数据总线，由总线送到CPU；执行写入操作时，选定一个8位地址，找出对应的单元，写入指定内容
地址译码器每次只能产生一个有效输出信号

二、IO接口及外设

每个外部设备和微处理器的连接都必须经过接口设配器（IO接口），每个接口及其对应的外部设备都有一个固定地址，在CPU的控制下实现对外部设备的读写操作
IO接口实现电气性能的转换，输入输出IO流可以看成对字节或者包装后的字节的读取，即输入输出双工
单片机为弱电系统，电压为0-5V，甚至更小，而外设一般为12V

使用IO接口可以实现联动控制电路的弱点系统和被控制设备的强电系统的转接，隔离，防止强电窜入系统，保证系统的安全