微控制器的相關(guān)知識(shí)介紹(含義、編程語言)

? ? ?微控制器是指帶有外設(shè)的微處理器系統(tǒng)，比如臺(tái)式電腦的CPU，它是一個(gè)微處理器系統(tǒng)。微控制器將響應(yīng)來自I/O 引腳、定時(shí)器、通信等的輸入，同時(shí)通過對(duì)信息進(jìn)行操作控制來產(chǎn)生合適的輸出信號(hào)。

　　I/O 引腳使得微控制器能讀取來自其他設(shè)備的按鈕和狀態(tài)信息，同時(shí)I/O 引腳也能夠輸出信號(hào)用來打開燈、運(yùn)行電機(jī)和驅(qū)動(dòng)顯示設(shè)備。

　　定時(shí)器、通信模塊和數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊能使微控制器執(zhí)行特殊的任務(wù)，比如與PC 機(jī)進(jìn)行通信，讀取溫度信息等。

　　從微觀上說，微控制器是一個(gè)集成了成千上萬電子開關(guān)的設(shè)備。正如編程的人目的是為了將復(fù)雜的操作簡(jiǎn)化為邏輯和算術(shù)運(yùn)算來完成任務(wù)那樣，微控制器的設(shè)計(jì)人員必須決定使用什么電子設(shè)備來完成這些任務(wù)，比如，晶體管，F(xiàn)ET 和二極管等。大多數(shù)的微控制器工作在二進(jìn)制系統(tǒng)下，比如“1”或“0”，邏輯高或邏輯低，開或關(guān)。

　　Cypress 的微控制器系統(tǒng)稱為可編程片上系統(tǒng)（Programmable System-on-Chip， PSoC） ，那是因?yàn)樵趩?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/137/" target="_blank">芯片上包含了CPU 內(nèi)核、足夠的模擬子系統(tǒng)和數(shù)字子系統(tǒng)資源。因此，在實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，幾乎不需要外部的電路。

　　1.1.1 微控制器的涵義

　　如圖1.1 所示，微處理器系統(tǒng)的CPU 通常需要和其他部件相連接，這樣才能使其發(fā)揮作用。微處理器系統(tǒng)通常會(huì)使用到的功能部件包括以下內(nèi)容。

　　圖1.1 微處理器系統(tǒng)常用功能部件

　?。?）中央處理單元（CPU）

　　中央處理單元（Central Processing Unit， CPU ）是系統(tǒng)的“大腦”，它知道如何和各種不同空間的存儲(chǔ)器交換（讀或?qū)懀┬畔?。同時(shí)，也執(zhí)行一些邏輯指令，最基本和最通用的有：加、減、邏輯“或”、邏輯“與”、邏輯“異或”、移位、移動(dòng)和復(fù)制。一些處理器可能執(zhí)行更加復(fù)雜的操作，但這些操作都是由最基本的操作組合得到的。

　　CPU 由一些子系統(tǒng)構(gòu)成，在這些子系統(tǒng)中最重要的是程序計(jì)數(shù)器（Program Counter， PC），指令譯碼器和算術(shù)邏輯單元（Arithmetic Logic Unit，ALU ）部分。PC 指向Flash 存儲(chǔ)器指定的地址，然后返回指令和數(shù)據(jù)。PC 用來確定送到指令譯碼器內(nèi)的Flash 中的字段。指令譯碼器包含譯碼邏輯，這些邏輯將對(duì)從Flash 返回的數(shù)進(jìn)行“翻譯”，用來確定程序?qū)?zhí)行的指令，這些指令將“告訴”CPU 下一步所做的邏輯操作行為。

　　CPU 不但能實(shí)現(xiàn)運(yùn)算操作，也能修改程序運(yùn)行的地址。如果在執(zhí)行指令的過程中，并不是順序的執(zhí)行指令，比如遇到調(diào)轉(zhuǎn)指令，那么PC 將加載新的所要運(yùn)行指令的地址，并且從指向Flash 新的地址位置的地方執(zhí)行程序。如果指令需要CPU 執(zhí)行一些運(yùn)算，那么相關(guān)的數(shù)將送到ALU 單元中。

　　此外，CPU 也能根據(jù)所接收到的指令對(duì)外設(shè)進(jìn)行控制。

　?。?）高速緩存（Cache）

　　從位置和訪問速度方面來說，高速緩存Cache 最靠近CPU。有時(shí)，將Cache 直接集成在同一芯片內(nèi)。但并不是必須放在同一個(gè)硅片上，只是封裝在同一個(gè)芯片內(nèi)。

　?。?）隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器（RAM）

　　從CPU 訪問速度來說，訪問隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器（Random Access Memory， RAM ）比訪問高速緩存要慢。需要說明的是，這個(gè)詞語已經(jīng)失去了它的原本含義，這是由于現(xiàn)在大部分的存儲(chǔ)器都能夠以任何順序進(jìn)行訪問。

　?。?）硬件驅(qū)動(dòng)

　　從速度來說，是系統(tǒng)中最慢和最大的存儲(chǔ)部分。它用來保存程序，并且是由非易失性的存儲(chǔ)介質(zhì)構(gòu)成。

　　1.1.2 微控制器編程語言

　　世界上不管是什么廠商的CPU，不管采用什么樣結(jié)構(gòu)的CPU，它們都有下面的共同特點(diǎn)：

　　都是靠程序計(jì)數(shù)器（Program Counter， PC ）來控制程序的運(yùn)行，正因?yàn)檫@個(gè)原因，它們本質(zhì)上也是串行執(zhí)行的；?

　　工作在二進(jìn)制狀態(tài)下，也就是通常所說的在PC 的控制下，通過運(yùn)行二進(jìn)制組成的機(jī)器代碼，來控制CPU 內(nèi)各個(gè)功能部件的運(yùn)行。

　　對(duì)CPU 來說，所謂的“機(jī)器語言指令”，就是通過CPU 內(nèi)的控制邏輯來協(xié)調(diào)CPU 內(nèi)各個(gè)功能部件，完成所要求的操作。機(jī)器語言的運(yùn)行效率是最高的。

　　機(jī)器語言指令應(yīng)該由操作碼和操作數(shù)兩部分構(gòu)成。操作碼告訴CPU 所需要執(zhí)行的操作，操作數(shù)是執(zhí)行操作所針對(duì)的對(duì)象。這些對(duì)象包括：立即數(shù)，寄存器和存儲(chǔ)器等，通過訪問這些對(duì)象來獲得所需要操作的對(duì)象。比如：對(duì)8051 來說，機(jī)器語言指令-7D25，表示該指令要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸操作，“7D”是操作碼，“25”是操作對(duì)象，其表示將十六進(jìn)制數(shù)#25 ，送到R5 寄存器中。

　　但是，正如前面所說的，純粹意義上的“機(jī)器語言”對(duì)程序員太難理解了，為什么？這是因?yàn)槌绦騿T是CPU 的操作者，而不是CPU 的設(shè)計(jì)者，程序員根本不可能從二進(jìn)制代碼的排列中看出“機(jī)器語言”所描述的邏輯操作行為。

　　為了幫助程序員理解CPU 所執(zhí)行的操作，通過匯編語言助記符指令來幫助程序員設(shè)計(jì)指令以控制CPU 的運(yùn)行。匯編語言助記符指令通過匯編器被翻譯成機(jī)器語言指令。用匯編助記符描述機(jī)器指令的形式為：

　?。蹣?biāo)號(hào)：］ 助記符 ［操作數(shù)］ ［；注釋］

　　標(biāo)號(hào)用來表示一行指令，助記符表示所要執(zhí)行的邏輯操作行為，操作數(shù)為邏輯操作行為所操作具體對(duì)象，現(xiàn)在用匯編語言來描述上面的機(jī)器指令“7D25”：

　　MOV R5， #25

　　MOV 表示數(shù)據(jù)移動(dòng)操作，R5 表示目的操作數(shù)，#25 表示源操作數(shù)，這個(gè)助記符匯編指令所表示的是，將立即數(shù)25 復(fù)制到R5 寄存器中。使用助記符來描述CPU 所要進(jìn)行的操作，比使用機(jī)器語言直接描述更加容易理解和記憶。但是，由于匯編語言下面是機(jī)器語言，所以對(duì)于使用匯編語言編程的程序員來說，他必須很清楚CPU 的指令集，寄存器單元和存儲(chǔ)器映射等繁瑣的硬件規(guī)則。雖然其執(zhí)行效率基本上和機(jī)器語言一樣，但是使用匯編語言編程效率很低。因?yàn)楹芏喑绦騿T根本不了解CPU 的具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以對(duì)他們來說，使用匯編語言編程并不比使用機(jī)器指令編程好到哪里去，這也是一件令他們非常痛苦的事情。

　　值得高興的是，在今天，廠商開發(fā)的軟件平臺(tái)支持使用C、BASIC 等高級(jí)語言對(duì)硬件進(jìn)行編程；C 語言是不能直接在CPU 上運(yùn)行，它必須首先通過編譯器（Compiler ）轉(zhuǎn)換成機(jī)器語言，才能在CPU 上運(yùn)行。使用高級(jí)語言所編寫的代碼其運(yùn)行的效率不可能比用匯編語言編程的運(yùn)行效率高，所以說，如果你想讓C 語言所編寫的代碼和匯編語言編寫的代碼有一樣高的代碼執(zhí)行效率，你只能是絞盡腦汁的對(duì)C 代碼進(jìn)行優(yōu)化，或者使用C 語言和匯編語言混合編程，來滿足代碼長(zhǎng)度和運(yùn)行時(shí)間的設(shè)計(jì)要求。雖然這一過程也會(huì)讓程序員耗費(fèi)很多的精力，但是，值得他們高興的是，他們?cè)僖膊挥煤偷讓佑布苯哟蚪坏懒恕?/p>

　　為了更清楚地說明C 語言和匯編助記符之間的關(guān)系，列出表1.1 如下。

　　表1.1 C 語言和匯編助記符之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

　　如今，越來越多的廠商提供了硬件的應(yīng)用程序接口（Application Program Interface，API）函數(shù)，這樣程序員可以根本不用知道更多的硬件實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，只需關(guān)心如何編寫代碼來使硬件工作，這樣就大大提高了程序的設(shè)計(jì)效率。