MCU构成及其运行原理

1. MCU概念

MCU，微控制单元(Microcontroller Unit) ，又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer )或者单片机，是把中央处理器CPU(Central Processing Unit)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。

2. MCU构成

MCU一般有以下几个部分组成：

  • CPU
  • Memory（Flash/RAM）
  • Bus
  • Peripheral

3. 头脑风暴 - 模拟MCU运行

3.1 准备工作

和图灵机类似，我们在模拟MCU运行时，需要做一些前期准备工作。

（1）准备一段程序，程序存储在memory中

（2）准备一组数据，数据同样存储在memory中

（3）设置PC指针，指向Address 0处

MCU中CPU的Control Unit控制单元，负责取指（Fetch）、译码（Decode）、执行（Excute）这样的循环运行。

CPU从memory取得指令，进行译码识别指令的需要，并执行对应的操作，为了CPU能够识别我们写的操作，进行如下规定：

指令 Instruction 指令描述 Description 操作码 Opcode 操作数 Operand
xxxx-00-01 从Address中加上数据到寄存器0中 LOAD: 01 Register_0: 00
Address: xxxx
xxxx-01-01 从Address中加上数据到寄存器1中 LOAD: 01 Register_1: 01
Address: xxxx
NN-01-00-11 将Register_0和Register_1中的数据相加，
得到的结果保存在Register_0中		 ADD: 11 Register_0: 00
Register_1: 01
xxxx-00-10 将Register_0中的值存储到Address中 STORE: 10 Register_0: 00
Address: xxxx

3.2 MCU模拟运行

根据上一节的准备工作，MCU当前状况如下图所示：

（1）取指

此时，PC指针指向Address 0处，取得指令01000001

（2）译码

根据上一节的规定，01000001指令代表的含义为：从将Address 4中的数据取出存放到Register 0中

（3）执行

根据指令译码的结果，将Address 4中的数据00000010存放到Register 0 中

接着执行下一条指令，重复上面的操作，每步执行如下：

PC 指向Address 1，取得指令01010101，译码执行，将address 5中的数据存放到Register 1中。

PC 指向Address 2，取得指令00010011，译码执行，将Register 0 和 Register 1 中的数据相加，结果存放到Register 0中。

PC 指向Address 3，取得指令01100010，译码执行，将Register 0中的数据存放到Address 6中。

至此，MCU完成了一段程序的执行，计算了3+2，得到的结果5保存在Memory中。

:::tip

顺利完成了MCU的模拟运行，其中的一些问题还需要思考：

  • 程序中的指令是我们自己定义的，而目前实际MCU产品中运行的都是什么样的指令？
  • 程序中都是0和1这样的数据，实际编程开发中，是写0、1这样的数据吗？
  • 当前程序是从Address 0、Address 1、Address 2、Address3这样依次执行的，实际应用中，会不会一直是这样顺序执行呢？

:::

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