有了電子電路和數位電路的基礎知識，就可以開始學習嵌入式系統的核心元件-微控制器。從本期開始我們將為大家介紹微控制器的基礎知識。

在微控制器入門系列講座中，首先學習微控制器的基本構成和工作原理、以及外圍功能電路，然後，挑戰一個實際微控制器的執行。

微控制器是控制電子產品的大腦

現如今，我們生活中的許多電器都使用了微控制器。例如：手機、電視機、冰箱、洗衣機、以及按下開關，LED就閃爍的兒童玩具。那麼，微控制器在這些電器中究竟做了些什麼呢？

微控制器是這些電器動作的關鍵，是指揮硬體執行的。例如：接收按鈕或按鍵的輸入訊號，按照事先編好的程式，指揮馬達和LCD的外圍功能電路動作。

那麼，微控制器是如何構成的呢？（圖1）

微控制器是由CPU、記憶體、外圍功能等部分組成的。如果將微控制器比作人，那麼CPU是負責思考的，記憶體是負責記憶的，外圍功能相當於視覺的感官系統及控制手腳動作的神經系統。

圖1：微控制器的構成要素

儘管我們說CPU相當於人的大腦，但是它卻不能像人的大腦一樣，能有意識的、自發的思考。CPU只能依次讀取並執行事先儲存在記憶體中的指令組合（程式）。當然CPU執行的指令並不是“走路”、“講話”等高難度命令，而是一些非常簡單的指令，象從記憶體的某個地方“讀取資料”或把某個資料“寫入”記憶體的某個地方，或做加法、乘法和邏輯運算等等。然而這些簡單指令的組合，卻能實現許多複雜的功能。

會思考的CPU

讓我們從CPU的構成來了解它的作用吧。（圖2）

圖2：CPU的作用

◇程式計數器
CPU讀取指令時需要知道要執行的指令儲存在記憶體的什麼位置，這個位置資訊稱為地址（相當於家庭住址）。程式計數器（PC）就是儲存地址的暫存器。通常，PC是按1遞增設計的，也就是說，當CPU執行了0000地址中的指令後，PC會自動加1，變成0001地址。每執行一條指令PC都會自動加1，指向下一條指令的地址。可以說，PC決定了程式執行的順序。

◇指令解碼電路
指令解碼電路是解讀從記憶體中讀取的指令的含義。運算電路是根據解碼結果操作的。確切地講，指令解碼電路就是我們在“數位電路入門（2）”中學過的解碼電路，只不過電路結構稍微複雜些，所以，指令解碼電路的工作原理就是從被符號化（被加密）的指令中，還原指令。

◇運算電路

讓我們通過一個具體運算3+4，來說明CPU的操作過程吧。

假設儲存在記憶體中的程式和資料如下。

◇步驟1：當程式被執行時，CPU就讀取當前PC指向的地址0000中的指令（該操作稱為指令讀取）。經過解碼電路解讀後，這條指令的意思是“讀取0100地址中的內容，然後，儲存到暫存器1”。於是CPU就執行指令，從0100地址中讀取資料，存入暫存器1。

暫存器1： 0→3（由0變為3）
由於執行了1條指令，因此，PC的值變為0001

◇步驟2：由於PC的值為0001，因此CPU就讀取0001地址中的指令，經解碼電路解碼後，CPU執行該指令。然後PC再加1。

暫存器2：0→4（由0變為4）
PC：0001→0000

◇步驟3：由於PC的值為0002，因此CPU從0002地址中讀取指令，送給指令解碼電路。解碼結果是：將暫存器1和暫存器2相加，然後將結果存於暫存器1。

暫存器1：3→7

PC：2→3

於是3+4的結果7被存於暫存器1，加法運算結束。CPU就是這樣，依次處理每一條簡單的指令。

能記憶的記憶體

記憶體是微控制器的記憶裝置，主要記憶程式和資料，大體上分為ROM和RAM兩大類。

◇ROM

ROM（Read Only Memory）是隻讀記憶體的簡稱。儲存在ROM中的資料不能刪除，也不會因斷電而丟失。ROM主要用於儲存使用者程式和在程式執行中保持不變的常數。

大多數瑞薩 （Renesas）的微控制器都用快閃記憶體作為ROM。這是因為快閃記憶體不僅可以象ROM一樣，即使關機也不會丟失資料，而且還允許修改資料。

◇RAM

RAM（Random Access Memory）是可隨機讀/寫記憶體的簡稱。可以隨時讀寫資料，但關機後，儲存在RAM中的資料也隨之消失。主要用於儲存程式中的變數。

在單晶片微控制器中（*1），常常用SRAM作為內部RAM。SRAM允許高速訪問，但是，內部結構太複雜，很難實現高密度整合，不適合用作大容量記憶體。

除SRAM外，DRAM也是常見的RAM。DRAM的結構比較容易實現高密度整合，因此，比SRAM的容量大。但是，將高速邏輯電路和DRAM安裝於同一個晶片上較為困難，因此，一般在單晶片微控制器中很少使用，基本上都是用作外圍電路。

（*1）單晶片微控制器是指：將CPU，ROM，RAM，振盪電路，定時器和序列I/F等集成於一個LSI的微處理器。單晶片微控制器的基礎上再配置一些系統的主要外圍電路，而形成的大規模積體電路稱為系統LSI。

“為何要使用微控制器……”

為什麼很多電器裝置都要使用微控制器呢？

讓我們用一個點亮LED的電路為例，來說明。如圖3所示，不使用微控制器的電路是一個由LED，開關和電阻構成的簡單電路。

圖3：不安裝微控制器的LED電路

使用微控制器的電路如圖4所示。

圖4：安裝微控制器的LED電路圖

很顯然，使用微控制器的電路要複雜得多，而且設計電路還要花費精力與財力。好象使用微控制器並沒有什麼優點。但是，現在下結論還為時尚早。

如果我們讓這個電路做一些比較複雜的操作，會怎麼樣呢。例如：如果希望LED在按下開關後，經過一段時間再點亮或熄滅，那麼，對於安裝有微控制器的電路來說，只需更改微控制器中的程式就可以了，並不需更改原電路。另一方面，對於沒有微控制器的電路來說，就必須在元電路中加入定時器IC，或者用標準邏輯IC和FPGA構成邏輯電路，才能實現這個功能。

也就是說，在更改和新增新功能時，帶有微控制器的電路顯然更加容易實現。這正是電器裝置使用單片機的原因。微控制器可真是個方便的東西哦！