微处理器内部组成及名词解释

微处理器内部主要由以下几个部分组成。

（一）算术逻辑单元

算术逻辑单元主要完成算术运算（+、-、×、÷、比较）和逻辑运算（与、或、非、异或、置位、移位等）的操作。ALU本身无寄存和操作数的功能，因而必须得有保存操作数的两个特殊寄存器：暂存器（TMP）和累加器（AC），累加器既向ALU提供操作数，又接收ALU的运算结果。

（二）寄存器

寄存器通常都是以可以保存的位元数量来估量，如8位寄存器、16位寄存器、32位寄存器等，实际上相当于微处理器内部的RAM，它包括通用寄存器组和专用寄存器组两部分，通用寄存器（A，B，C，D）用来存放参加运算的数据、中间结果或地址。处理器内部有了这些寄存器之后，就可避免频繁地访问存储器，可缩短指令长度和指令执行时间，提高机器的运行速度，也给编程带来方便。专用寄存器包括：

1.程序计数器（PC）

程序计数器用来存放下一条要执行的指令地址，因而它控制着程序的执行顺序。在顺序执行指令的条件下，每取出指令的一个字节，PC的内容自动加1。当程序发生转移时，就必须把新的指令地址（目标地址）装入PC，这通常由转移指令来实现。

2.堆栈指示器

堆栈指示器用来存放栈顶地址。堆栈是存储器中的一个特定区域，它按“后进先出”方式工作，当新的数据压入堆栈时，栈中原存信息不变，只改变栈顶位置，当数据从栈顶弹出时，弹出的是栈顶位置的数据，弹出后自动调整栈顶位置。也就是说，数据在进行压栈、出栈操作时，总是在栈顶进行。堆栈一旦初始化（即确定了栈底在内存中的位置）后，SP的内容（即栈顶位置）由MPU自动管理。

3.标志寄存器

标志寄存器也称程序状态字（PSW）寄存器，用来存放算术、逻辑运算指令执行后的结果特征，如结果为0时，产生进位或溢出标志等。

（三）时序与控制逻辑部件

它是微处理器的核心控制部件，负责运行控制，包括从存储器中取指令、分析指令（即指令译码）、确定指令操作和操作数地址、取操作数、执行指令规定的操作、送运算结果到存储器或I/O端口等；它还向微机的其他各部件发出相应的控制信号，使微处理器内、外各部件间同步或异步协调有序地工作。

（四）地址锁存器/缓冲器

微处理器中数据和地址总线采用分时复用操作方法，即用同一总线既传输数据又传输地址。所以当MPU与存储器交换信号时，首先由MPU发出存储器地址，同时发出允许锁存信号ALE给锁存器，当锁存器接收到该信号后将地址/数据总线上的地址锁存在总线上，随后才能传输数据。

（五）内部总线

内部总线用来连接微处理器的各功能部件并传送微处理器内部的数据和控制信号。必须指出，微处理器本身并不能单独构成一个独立的工作系统，也不能独立地执行程序，必须配上存储器、输入/输出接口及外围设备构成一个完整的微处理器系统后，才能独立工作。

在微处理器系统中，经常会涉及以下基础名词，现在书中统一进行介绍。

1.存储器

微处理器系统的内部存储器可被微处理器直接访问而不需要通过输入/输出设备的存储器件，如随机存储器、只读存储器等，用来存放当前正在使用的或经常使用的程序和数据，是系统必需的部件；外部存储器主要用于非常用数据的存储，通常要求存储量大，如EEP-ROM、闪存等，它不是必需的。有了存储器，微处理器才有记忆功能，才能保证正常工作。

（1）随机存储器。

RAM是与CPU直接交换数据的内部存储器，也叫主存。它可以随时读写，而且速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储媒介，特点是有随机存取、易失性（掉电后数据会消失）、较高的访问速度等。RAM通常又分为了静态随机存储器（StaticRAM，SRAM）和动态随机存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）。

（2）只读存储器。(www.xing528.com)

ROM是一种只能读出事先所存数据的固态半导体存储器。其特性是一旦储存资料就无法再将之改变或删除，而且资料不会因为电源关闭而消失，通常用来存放程序和固定数据表格，如初始导引程序、监控程序、操作系统中的基本输入、输出管理程序BIOS等。

（3）电可擦除可编程只读存储器。

EEPROM是一种可以通过电子方式多次复写的半导体存储设备。相比EPROM，EEPROM不需要用紫外线照射，也不需要从电路板上取下，直接用特定的电压，以电子信号来修改其内容即可，而且它是以字节（Byte）为最小修改单位，不必将资料全部洗掉才能写入，一次性彻底摆脱了以前EPROM和编程器的束缚。

（4）闪存。

闪存是一种可用电子化程序清除的只读存储器，允许多次擦写，且数据不会因为断电而丢失。它结合了ROM和RAM的长处，不仅具备EEPROM的特点，还可以快速读取数据（NVRAM的优势）。NOR Flash因为其读取速度快，多用来存储操作系统，已经逐步取代了传统的ROM；以块方式读取的NAND-Flash主要用于作为存储盘。

2.输入/输出接口（I/O接口）

I/O接口是MPU用于连接外部输入、输出设备及各种控制对象并与外界进行信息交换的逻辑控制电路。由于各种外设的结构、工作速度、信号形式和数据格式等各不相同，因此它们不能直接挂接到系统总线上，必须用输入/输出接口电路来做中间转换，才能实现与MPU间的信息交换。

3.直接存储器访问

DMA是计算机科学中的一种内存访问技术和快速数据传送方式。它允许不同速度的硬件设备之间直接进行数据传送，而不需要借MPU本身进行负载，否则MPU需要把数据源硬件中每一片段的数据复制到暂存器，然后再写到新的地方，此时MPU会被大量占用无法进行其他使用。实际上当MPU初始化数据传输动作后即解放出来，传输动作本身是由DMA控制器来实行和完成，典型的例子就是移动一个内部存储器的数据区块到外部存储器。DMA传输是高性能微处理器和嵌入式系统的重要特征。

4.中断

中断是MPU对系统发生的某个事件做出的一种反应，引起中断的事件称为中断源，如机器故障中断、定时器时间到等。中断源向MPU提出处理的请求称为中断请求，如果MPU没有更急、更重要、更高级中断的工作，则响应这一中断请求，即在执行完当前指令后记录下该中断点，并去执行对应的中断处理程序。只有当中断处理程序完成后，MPU再返回到原断点处继续原来程序的执行，即中断返回。

5.处理器核心与频率

处理器核心又称为内核，是处理器最重要的组成部分，处理器所有的计算、接受/存储命令、处理数据都由核心执行。处理器频率就是处理器的时钟频率，即处理器的工作频率（Is内发生的同步脉冲数），通常决定了处理器运算速度的快慢。

6.指令集

指令集架构包含一系列的opcode，即操作码（机器语言），以及由特定处理器执行的基本命令，它是计算机体系结构中与程序设计有关的部分，决定了处理器的工作方式，如基本数据类型、寻址模式、存储体系、中断、异常处理以及外部I/O操作等。不同的微处理器系统指令集不同，如WINTER联盟的x86指令集，MIPS、ffiM的PowerPC，ARM使用的RISC指令集等；1997年Intel公司的多媒体扩展指令集MMX（MultiMediae Xtensions），它包括57条多媒体指令，用于增强CPU对多媒体信息的处理能力，提高CPU处理3D图形、视频和音频信息的能力。

7.操作系统和嵌入式操作系统

操作系统是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序，同时也是计算机系统的内核与基石。操作系统需要处理如管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务，同时操作系统也提供一个让用户与系统交互的操作界面。嵌入式操作系统是指用于嵌入式系统的操作系统，它负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配，任务调度，控制、协调并发活动；它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。

8.实时控制与实时操作系统

实时控制是指系统在规定的时间间隔内，调节或强制被控制对象完成预定动作或响应的过程控制，如保证高速生产线上的加工机器动作和输送带送料时间完全吻合。实时操作系统是能够完成实施控制的，保证在一定时间限制内完成特定功能的操作系统。实时操作系统在外界事件或数据产生时，能够接收并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统做出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行。因而，提供及时响应和高可靠性是实时控制与实时操作系统的主要特点。

美国国家仪器公司NILab-VIEW机器人实验起步包作为一款移动机器人编程学习平台，主要由传感器、电动机、编码器以及NISbRIO-9632嵌入式控制板构成，用户可通过编写程序使其实现一些运行动作（如自平衡）。该起步包机器人结构简单，可作为初学者学习机电一体化概念及微处理器系统应用的理想化平台。

起步包的核心部件为NISingle-BoardRIO嵌入式控制板，是基于NI CompactRIO平台设计的，安装在PitscoTETRIX装配机器人基座的顶部。控制板在单一板卡中集成了一个400MHz的工业级嵌入式实时处理器，支持实时控制；带有2M门的可重复设置现场可编程门阵列（FPGA）；带有3.3V的数字I/O总线，250kS/s速率16位模拟输入通道以及100kS/S速率16位模拟输出通道；其嵌入式操作系统可使用128MB动态随机存储器（DRAM），外加一个256MB非易失性存储器进行程序存储和数据记录。

嵌入式控制器可使用RS232串口来控制外围设备；可通过NIC系列模块，扩展内置模拟和数字I/O接口。