单片机的组成以及分类和指标

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单片机的组成

单片机又称单片微控制器，它把一个计算机系统集成到一块芯片上，主要包括微处理器（CPU）、存储器（随机访问存储器RAM、只读存储器ROM）和各种输入/输出接口（包括定时器/计数器、并行I/O接口、串行口、A/D转换器以及脉冲宽度调制（PWM）等，如图1-1所示。

▲图1-1 单片机组成框图

程序存储器（ROM）

ROM用来存放用户程序，分为EPROM、Mask ROM、OTP ROM和Flash ROM等。

EPROM型存储器编程（把程序代码通过一种算法写入程序存储器的操作）后，其内容可用紫外线擦除，用户可反复使用，故特别适用于开发阶段，但EPROM型单片机价格很高。

Mask ROM型单片机价格最低，适用于批量生产。由于Mask ROM型单片机的代码只能由生产厂商在制造芯片时写入，故用户更改程序代码十分不便，在产品未成熟时选用此型单片机风险较高。

OTP ROM型（一次可编程）单片机价格介于EPROM和MaskROM型单片机之间，它允许用户对其编程，但只能写入一次。

Flash ROM型单片机可采用电擦除的方法修改其内容，允许用户使用编程工具或在系统中快速修改程序代码，且可反复使用，故一推出就受到广大用户的欢迎。Flash ROM型单片机既可用于开发阶段，也可用于批量生产，随着制造工艺的改进，价格不断下降，使用越来越普遍，已成为现代单片机的发展趋势。

中央处理器（CPU）

CPU是单片机的核心单元，通常由算术逻辑运算部件（ALU）和控制部件构成。CPU就像人的大脑一样，决定了单片机的运算能力和处理速度。

随机存储器（RAM）

RAM用来存放程序运行时的工作变量和数据，由于RAM的制作工艺复杂，价格比ROM高得多，所以单片机的内部RAM非常宝贵，通常仅有几十到几百字节。RAM的内容具有易失性（也称为易挥发性），掉电后数据会丢失。最近出现了EEPROM 或Flash ROM 型的数据存储器，方便用户存放不经常改变的数据及其他重要信息。单片机通常还有特殊寄存器和通用寄存器，也属于RAM空间，但它们存取数据速度很快，特殊寄存器还用于充分发挥单片机各种资源的功效，但这部分存储器占用存储空间更小。

并行输入/输出（I/O）接口

通常为独立的双向I/O接口，既可以用作输入方式，又可以用作输出方式，通过软件编程设定。现代单片机的I/O接口也有不同的功能，有的内部具有上拉或下拉电阻，有的是漏极开路输出，有的能提供足够的电流可以直接驱动外部设备。I/O接口是单片机的重要资源，也是衡量单片机功能的重要指标之一。

串口输入/输出口

用于单片机和串行设备或其他单片机的通信。串行通信有同步和异步之分，这可以用硬件或通用串行收发器件实现。不同的单片机可能提供不同标准的串行通信接口，如 UART、SPI、I2C、MicroWire等。

定时器/针数器（T/C）

用于单片机内部精确定时或对外部事件（输入信号如脉冲等）进行计数，通常单片机内部有2个或2个以上的定时/计数器。

系统时钟

通常需要外接石英晶体或其他振荡源提供时钟信号输入，有的也使用内部RC振荡器。系统时钟相当于PC微机中的主频。

以上只是单片机的基本构成，现代的单片机又加入了许多新的功能部件，如模拟/数字转换器（A/D）、数字/模拟转换器（D/A）、温度传感器、液晶（LCD）驱动电路、电压监控、看门狗（WDT）电路、低压检测（LVD）电路等。此时的单片机才是真正单片化。内部的RAM和ROM的容量也越来越大，ROM 寻址空间甚至可达 64KB，可以说，单片机发展到了一个全新的阶段，应用领域也更为广泛，许多家用电器均走向利用单片机控制的智能化发展道路。

单片机的分类和指标

单片机从用途上可分成专用型单片机和通用型单片机两大类。专用型单片机是为某种专门用途而设计的，如DVD控制器和数码摄像机控制器芯片等。在用量不大的情况下，设计和制造这样的专用芯片成本很高，而且设计和制造的周期也很长。我们常用的都是通用型单片机，通用型单片机把所有资源（如 ROM、I/O 等）全部提供给用户使用。当今通用型单片机的生产厂家已不下几十家，种类有几百种之多。

下面对单片机的几个重要指标进行介绍。

（1）位数：是单片机能够一次处理的数据的宽度，有 1 位机（如 PD7502）、4 位机（如MSM64155A）、8位机（如MCS-51）、16位机（如MCS-96）、32位机（如IMST414）等。

（2）存储器：包括程序存储器和数据存储器，程序存储器空间较大，字节数一般从几KB到几十KB，另外还有不同的类型，如ROM、EPROM、E2PROM、Flash ROM和OTP ROM型。数据存储器的字节数则通常为几十字节到几百字节之间。程序存储器的编程方式也是用户考虑的一个重要因素，有的是串行编程，有的是并行编程，新一代的单片机有的还具有在系统编程（ISP， In-System-Programmable）或在应用再编程（IAP，In-Application re-Programmable）功能；有的还有专用的ISP编程接口JTAG口。

（3）I/O接口：即输入/输出接口，一般有几个到几十个，用户可以根据需要进行选择。

（4）速度：指的是 CPU 的处理速度，以每秒执行多少条指令来衡量，常用单位是 MIPS（百万条指令每秒），目前最快的单片机可达到100MIPS。单片机的速度通常是和系统时钟（相当于PC的主频）相联系的，但并不是频率高的处理速度就一定快，但对于同一种型号的单片机来说，采用频率高的时钟一般比频率低的速度要快。

（5）工作电压：通常工作电压是5V，范围是±5%或±10%；也有3V/3.3V电压的产品；更低的可在1.25V工作。现代单片机又出现了宽电压范围型，在2.5V～6.5V内都可正常工作。

（6）功耗：低功耗是现代单片机所追求的一个目标，目前低功耗单片机的静态电流可以低至μA或nA级。有的单片机还具有等待、关断、睡眠等多种工作模式，以此来降低功耗。

（7）温度：单片机根据工作温度可分为民用级（商业级）、工业级和军用级3种。民用级的温度范围是 0℃～70℃，工业级是-40℃～85℃，军用级是-55℃～125℃（不同厂家的划分标准可能不同）。

（8）附加功能：有的单片机有更多的功能，用户可根据需要选择适合自己的产品。比如有的单片机内部有A/D、D/A、串口、LCD驱动等，使用这种单片机可减少外部器件，提高系统的可靠性。

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比较常用的单片机系列

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MCS-51系列及与之兼容的80C51系列单片机

在我国使用最多的是Intel公司的MCS-51系列单片机。MCS-51系列单片机虽然是8位单片机，但它品种齐全、兼容性强、性价比高，且软硬件应用设计资料丰富，已为广大工程技术人员所熟悉，因此在我国得到了广泛的应用。

MCS是Intel公司的注册商标。凡Intel公司生产的以8051为核心单元的其他派生单片机都可以称为MCS-51系列，有时简称为51系列。MCS-51系列单片机包括8031、8051、87513个基本型和对应的低功耗型80C31、80C51、87C51。

MCS-51系列及80C51单片机有多种品种。它们的引脚及指令系统相互兼容，主要在内部结构上有所区别。最常用的51系列单片机是8051和AT89C51(如图1-2所示)等。

AT89C51具有片内E2PROM，是真正的单片机，由于不需要外接EPROM，所以应用非常普遍。8031、8051片内没有EPROM，但它价格很低，软硬件系统开发成熟，所以应用也非常广泛。目前51系列的产品大多是8031、8051和AT89C51等。

除了Intel公司，还有Atmel、Winbond、Philips、TEMIC、ISSI和LG等公司都生产兼容80C51的产品。

宏晶公司生产的STC89C5lRC单片机为低电压、高性能的CMOS 8 位单片机，片内含2Kbyte的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128byte的随机存取数据存储器(RAM)，工作电压为2.7V～6V，还含有2个16位的定时器，6 个内部中断源，可编程的串口 UART，兼容标准 MCS-51 指令系统。片内置有通用 8 位中央处理器和Flash存储单元，封装只有40针，体积比较小，工作温度为-40℃～+85℃。

STC89C5lRC单片机可以利用STC-ISP软件方便地实现在线烧写程序。本书使用的实验开发板采用的就是STC89C5lRC单片机。

TI公司的超低功耗Flash型MSP430系列单片机

有业界最佳“绿色微控制器(Green MCUs)”称号的 TI 公司的 MSP430 Flash 系列单片机，是目前业界所有内部集成闪速存储器(Flash ROM)产品中功耗最低的，消耗功率仅为其他闪速微控制器(Flash MCUs)的 1/5。在 3V 工作电压下其耗电电流低于 350μA/MHz，待机模式仅为 1.5μA/MHz，具有 5 种节能模式。该系列产品的工作温度范围为-40℃～85℃，可满足工业应用要求。MSP430 微控制器可广泛地应用于煤气表、水表、电子电度表、医疗仪器、火警智能探头、通信产品、家庭自动化产品、便携式监视器及其他低耗能产品。由于MSP430微控制器的功耗极低，可设计出只需一块电池就可以使用长达10年的仪表应用产品，因此，MSP430 Flash系列是不可多得的高性价比单片机。

OKI低电压低功耗单片机

OKI公司的高性价比4位机MSM64K系列也是低功耗低电压的微控制器，其工作电压可低至1.25V，使用32kHz的工作频率，工作电流可低至3μA～5μA，HALT(关断)模式下小于1μA，而其功能却并不逊色。MSM64K系列单片机片内集成了LCD(液晶显示器)驱动器，可方便地与液晶显示器连接，且具有片内掩模(Mask)的程序存储器，有些型号还带有串口、RC振荡器、看门狗、模数转换器(ADC)、脉宽调制(PWM)等，几乎不需要外扩芯片即可满足应用，其工作温度范围可达-40℃～85℃，提供PGA封装和裸片。该系列微控制器应用广泛，适用于使用LCD显示、电池供电的设备，如掌上游戏机、便携式仪表(体温计、湿度计)、智能探头、定时器(时钟)等低成本、低功耗的产品。

ST公司的ST62系列单片机

美国ST微电子公司是一家独立的全球性公司，专门从事半导体集成电路的设计、生产、制造和销售，以及生产各种微电子应用中的分立器件。应用领域涉及电子通信系统、计算机系统、消费类产品、汽车应用、工业自动化和控制系统等。ST公司可提供满足各种需要的单片机或微控制器，其中ST62系列8位单片机以其简单、灵活、价低格等特点，特别适用于汽车、工业、消费领域的嵌入式微控制系统。ST62系列提供多种不同规格的单片机以满足各种需要，存储器从1KB到8KB，有ROM、OTP、EPROM、E2PROM、Flash E2PROM，I/O接口从9个到22 个，引脚从16 个到42个，还有 ADC、LCD 驱动、看门狗、定时器、串行口、电压监控等部件。ST62 单片机采用独特的制造工艺和技术，大大提高了抗干扰能力，能适应于各种恶劣环境。

AD公司的带A/D与D/A转换器的单片机

ADμC812是AD公司推出的全集成12位数据采集系统，片内集成了8路12位高性能的自校准ADC、2路12位DAC和与80C51指令兼容的8位MCU。AD公司最近又推出了16位和24位ADC的ADμC816和ADμC824，其他性能特性与ADμC812基本相同。

ADμC812 MCU 包括8KB的Flash程序存储器、640B 的Flash数据存储器、256B 的RAM和与80C51 兼容的内核。并且具有看门狗定时器、电源监视器及ADC DMA 功能，32 个可编程I/O接口、I2C/SPI兼容和标准UART串行通信接口。芯片具有正常、空闲和掉电三种工作模式，非常适合低功耗应用的电源管理方案，如智能传感器、电池供电系统(可移动PC、手持仪器、终端)、瞬时捕捉系统、DAS和通信系统等。

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