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