前面已經介紹了模塊化設計的特點和巨大優勢。在我們的實驗板中，單片機是其中最核心的一個模塊；而對于單片機來說，又是由更多的子模塊組合而成。本文主要對單片機/計算機系統中最核心的幾個模塊進行簡要介紹。

為了便于進行說明，后面會將單片機/計算機簡單的統稱為微機系統。

信息與數據

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。

在微機系統中，能處理很多信息，例如我正在寫的內容，就是文字和圖像信息。處理信息的前提，就是對信息進行表示，例如文字就是一種形式。

何為數據？在微機系統中，其結構決定了各種能處理的信息都需要表示成二進制數字，這就被稱為數據。例如英文字符可以通過ASCII碼表示成一個個字節的數據等。

CPU

人的大腦每時每刻所做的最重要的事，就是對大量的信息進行處理。對內部已有信息和外界信息進行處理，產生新的信息保存在大腦中，或對外界作出反應。

CPU即中央處理器（CPU=Central Processing Unit），是一個微機系統最核心的部件，可以認為相當于人的大腦中的思維部分，負責數據的處理。

存儲器：RAM/ROM/外存儲器

存儲器用來保存數據，例如在硬盤上可以存放電影音樂，可以認為相當于大腦中的記憶部分。

RAM

即隨機存儲器（RAM=Random Access Memory），最重要的特點是可讀可寫。寫是指修改或者刪除數據。另外，RAM的速度相對比較快；斷電后數據會丟失；另外由于造價較高通常容量不大，但是夠用了。通常在電腦中相當于內存。

在學習C語言的時候，定義一個變量，例如int a，程序在執行的時候，這個變量就會保存在RAM中。

RAM根據結構和工作原理，又分為SRAM（=Static RAM，靜態RAM）和DRAM（=Dynamic RAM，動態RAM）兩種，有興趣可以自己查閱相關資料。

ROM

即只讀存儲器（ROM=Read Only Memory），主要特點是通常情況下存儲內容不能被修改；斷電后數據不會丟失。

最早的ROM是一次性寫入的，寫入完成后通過高電壓燒斷ROM內部的熔絲，之后就不能再修改，而這也是單片機“燒寫程序”一詞的由來。后來為了適應硬件發展，可用紫外線擦寫的ROM被發明出來，但是操作起來比較麻煩。再到后來電擦寫的ROM誕生了，也就是后面會用到的EEPROM（EEPROM=Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，帶電可擦可編程只讀存儲器）。

給單片機燒寫程序時，就是將代碼燒寫到了單片機的ROM中；運行程序的時候，指令就會從ROM中取出并被執行。

備注1：ROM常被誤認為是對應于計算機上的硬盤，實際上硬盤屬于外部存儲，而ROM對應于計算機主板上的BIOS存儲器等。

備注2：在計算機中，常用到的應用程序平時是保存在硬盤中的，執行的時候，會由操作系統裝載到內存的代碼區域而不是ROM，這和單片機中的程序的執行過程不一樣（與單片機程序執行過程一致的是BIOS程序等，而不是操作系統之上的應用程序）。

備注3：一些單片機具備IAP功能（IAP=In Application Programming，在應用編程），利用一段小程序更新單片機ROM中的程序，可以實現在不斷電的情況下自動更新單片機程序。

外存儲器

一般計算機系統中存儲器包括主存儲器和輔助存儲器，主存儲器又叫內存儲器（內存），輔助存儲器又叫外儲存器（外存）。常見的外存儲器有硬盤、軟盤、光盤、U盤等，斷電后仍然能保存數據。

中斷系統

中斷系統是計算機中非常重要的一個概念，但是這個詞看起來很難理解。何為中斷系統呢？我先講一個故事。

有一天班長收到通知要讓五位同學每人填一份表格，填完后盡快收集起來上交給老師。班長把表格分別發給了這五位同學，但是每個同學什么時候能填好表格是不確定的。這時他有幾種選擇。

方法一，每隔一段時間輪流去問這五位同學有沒有填完，如果填完了，確認無誤，就收集起來。

方法二，班長發表格時告訴這幾位同學，填完表后馬上交給他，然后自己就能繼續好好看書了。每當有同學交表格的時候，班長就會把書簽放到正在看的那一頁書中，然后檢查這個同學的表格填寫是否正確。確認了以后，班長又會從剛剛看的那一頁繼續看書。

顯然，方法一效率實在太低，浪費了很多時間；方法二效果不錯，效率提高了很多。

故事講完了，這里就要介紹中斷系統了。在基本的微機系統中，CPU負責主要數據的處理工作（不考慮計算機顯卡這類設備），通常任務繁重（相當于故事中的班長）。

有時外圍器件需要執行工作，執行結果要讓CPU及時處理，但又不能確定具體完成時間（故事中的同學填表格）。

原因有可能是因為外圍模塊速度遠不及CPU，例如從硬盤讀數據；也可能是執行不需CPU干預的費時操作（也可以理解成外圍模塊執行這個操作的速度慢）；或者是接收來自外界的操作，例如按下鍵盤電腦需要很快進行響應，要不然就表現為很卡甚至死機了。

這時為了及時知道外圍器件處理的結果并進行處理，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。好處是設計起來比較簡單；缺點是效率太低，特別是當外圍設備太多、速度差異很大時，CPU幾乎沒空干別的事。

二是中斷法（故事中的方法二）。外圍模塊處理好任務以后，主動給CPU發送中斷請求（填好表格交給班長）。然后CPU中斷當前任務，轉而處理中斷請求，對該模塊的執行結果進行處理（檢查表格填寫正確，并收集表格）。處理中斷請求之前，需要保護現場（放書簽），處理完中斷請求，再恢復現場，繼續之前任務（繼續看書）。

DMA

前面的故事其實還有方法三。班長由于最近事情太多，決定請副班長幫忙收集表格，讓同學們自己把表格交給副班長。副班長把表格都收集完了，再由他交給老師。這種方法需要征得副班長的同意，不過效果很好。

同樣對于微機系統來說，也有第三種方法，這種方法就叫做DMA（DMA=Direct Memory Access，直接內存訪問）。在CPU之外設置一個DMA控制器（副班長），根據CPU發送的指令，外圍設備處理完數據，通過DMA直接將數據保存到內存中的指定位置，然后才用中斷通知CPU處理。

在比較復雜的系統中，DMA能大大提高執行效率。51等單片機本身沒有DMA功能，可以在外部添加DMA控制器芯片實現（例如Intel 8237）。不過性能相對較低的單片機不能實現復雜系統，所以使用DMA的意義不大。

定時器/計數器

這里的定時器和我們生活中的定時器相似，主要區別是這個定時器往往定時時間很短；定時器定時時間到，不會響鈴，而是通過中斷的形式通知CPU。計數器則是計數高低電平脈沖數量的，而定時器通常正是由計數器實現的。這兩個模塊放在一起講解，正是因為他們通常就是設計在一塊的，后面再做詳細介紹。

計算機/單板機/單片機

核心模塊基本介紹完了。對于一個微機系統，CPU、存儲器（主要指RAM和ROM）是必不可少的，實際上還會有很多其他設備。對于計算機而言，這些模塊一般都是獨立的，通過主板連接在一起。早期人們把CPU、RAM、ROM等器件集成到一塊電路板上，被稱為單板機。后來集成電路技術不斷發展，CPU、RAM、ROM、中斷等模塊集成到一個芯片中，就成了單片機。

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《單片機小白學步》系列教程（原名《單片機入門指南》）介紹

本系列教程從最基本的入門知識開始，逐步深入介紹單片機系統設計，內容包括：
1、入門篇：單片機等基本概念、各種電子設計基本知識
2、思想篇：單片機/計算機系統設計的工程思想
3、學習篇：單片機學習過程、方法和技巧，以51單片機為例介紹，并推廣到其他單片機
4、應用篇：遵循規范的工程方法，設計單片機系統實例（計劃設計的系統有：計算器、電子表、密碼鎖、簡易手機，具體看有沒有時間再確定）
5、原理篇：從模擬電路、數字電路開始，逐步深入介紹單片機/計算機系統原理，并自行設計簡易的CPU（由于個人水平有限，這部分沒有把握寫好，具體內容視情況而定）

教程特點

1、技術知識點全面，從入門到精通

包含了各種基本知識，尤其是對單片機基本概念的介紹、為什么要用單片機等，在很多同類書籍教程中都被忽略了。同時也包含了一些深入的知識，包括原理篇考慮對單片機的基本原理進行介紹，有助于深入理解單片機。

本系列教程以51單片機為例進行介紹。通過51介紹完單片機的基本知識，我會再把430進行簡要介紹，尤其是對比兩者之間的優缺點，讓大家很快感受到430的巨大優勢，而學習51正好為快速了解430打下了堅實的基礎。

2、除了單片機知識，還有思想、方法、技巧的介紹

本系列教程中，介紹單片機各種模塊編程知識的主要是學習篇，而學習篇只是整個教程的一部分。在學習篇中我會貫穿各種方法技巧，如何理解一些模塊功能，怎么看時序圖，嚴格遵守工程思想進行編程，程序發生了錯誤怎么調試等等。而在思想篇中會總體介紹很多重要的思想，為后面的學習做好準備工作。

3、知識先后順序的設計

單片機學習過程中，涉及大量的知識，而且很多知識之間相互依賴，關聯很強。

本系列教程對知識的先后順序進行比較明確的規劃，盡最大可能符合人的認知過程。但是實際規劃時發現，無論怎么調整知識的順序，總有一些知識之間相互依賴，關系復雜。例如開始講IO口的時候肯定會提到寄存器，而寄存器這個詞的理解，需要深厚的背景知識。但是這些背景知識在沒有進行實踐的時候也很難理解。

初學者常常就會在這樣的地方感覺疑惑不解，不知所措。而每次遇到類似這樣的知識，我會向初學者指出，應該如何對待。這個知識是應該自己去學習補充，還是等到學完原理篇再做理解，而現在又應該怎么去看待這個名詞。

另外，在整個教程的學習前，需要掌握一定的C語言等基礎知識，具體可參考教程第〇篇《序》中的相關說明
http://www.hainter.com/mcu-primer-0

4、語言通俗易懂

本系列教程力求語言通俗易懂，而不會用一堆新手不懂的詞語去解釋另一個不懂的詞語。但是受限于個人語言表達能力，可能有些地方表述的比較繁瑣，或者不清楚，希望大家能夠幫忙指出。

其他問題

如果覺得我寫的對你有幫助，歡迎多多反饋，包括寫的不正確、不合理、不太明白都可以指出來，這樣方便我對其進行完善。

更多可參見：《如何以學習單片機為契機，逐步成為優秀的工程師》
http://www.hainter.com/mcu-engineer

本系列教程首發于我的個人主頁，歡迎訪問（由于是國外服務器，速度稍微有點慢）：
http://www.hainter.com/category/hacker/mcu-primer

同時會將其轉發到CSDN、電子發燒友等站點，歡迎關注。
CSDN專欄網址?http://blog.csdn.net/column/details/mcu-introduction.html
電子發燒友論壇?http://bbs.elecfans.com/zhuti_mcu_1.html

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的单片机小白学步系列（十七） 单片机/计算机系统概述：核心模块的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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