什么是单片机？单片机的原理你搞清楚了么？单片机都有哪些应用

单片机概述

单片机定义： 片半导体硅片集成：中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线。用于测控领域的单片微型计算机，简称单片机。

单片机体积小、成本低，嵌入到工业控制单元、机器人、智能仪器仪表、汽车电子系统、武器系统、家用电器、办公自动化设备、金融电子系统、玩具、个人信息终端及通讯产品中。

单片机分类：

（1）通用型单片机就是其内部可开发的资源（如存储器、I/O等各种外围功能部件等）可以全部提供给用户。

用户根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心，再配以外围接口电路及其它外围设备，并编写相应的软件来满足各种不同需要的测控系统。通常所说的和本书介绍的是指通用型单片机。

（2）专用型单片机是专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机。

30页内容详细介绍单片机（文末有获取）

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一，什么是单片机

微控制器是集成在单个芯片上的完整计算机系统。尽管它的大部分功能都集成在一个小芯片上，但它具有完整计算机所需的大部分组件：CPU，内存，内部和外部总线系统，并且现在大多数都将具有外部存储器。它还集成了外围设备，例如通信接口，计时器和实时时钟。现在，功能最强大的单芯片系统甚至可以在单个芯片上集成声音，图像，网络以及复杂的输入和输出系统。

微控制器也被称为微控制器，因为它们首先用于工业控制中。该微控制器是由专用处理器开发的，该处理器中只有一个CPU。最早的设计概念是将大量外围设备和CPU集成到一个芯片中，从而使计算机系统更小，更容易集成到复杂的，对体积至关重要的控制设备中。INTEL的Z80是根据这一想法设计的第一款处理器。从那时起，微控制器和专用处理器的开发就被划分了。

早期的MCU是8位或4位。最成功的产品之一是INTEL的8031，其简单性和可靠性得到了高度评​​价。从那时起，在8031上开发了MCS51系列MCU系统。基于该系统的微控制器系统至今仍被广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，已经开始出现16位单片机，但是由于不满意的性价比，它们并未得到广泛使用。随着1990年代消费电子产品的发展，MCU技术得到了极大的改善。

随着INTEL i960系列（尤其是后来的ARM系列）的广泛应用，32位微控制器迅速取代了16位微控制器的高端地位，并进入了主流市场。传统的8位MCU的性能也得到了快速提高，与1980年代相比，处理能力提高了数百倍。目前，高端32位MCU的频率超过300MHz，其性能直接跟踪1990年代中期的特殊处理器。普通型号价格降至1美元，最高端型号仅为10美元。现代的MCU系统不再仅在裸机环境中开发和使用。大量专用的嵌入式操作系统广泛用于各种MCU。

与专用处理器相比，微控制器更适合嵌入式系统，因此可以得到最多的应用。实际上，微控制器是世界上数量最多的计算机。MCU被集成到现代人类生活中几乎所有的电子和机械产品中。手机，电话，计算器，家用电器，电子玩具，PDA和鼠标等计算机配件均配备1-2个微控制器。个人计算机中还有许多微控制器。汽车中有40多个单片机。在复杂的工业控制系统上，甚至可能有数百个单片机同时工作！单片机的数量不仅远远超过PC和其他计算的集成，

其次，单片机诞生于1970年代后期，经历了SCM，MCU和SoC的三个主要阶段。

1. SCM是单片机阶段，主要是寻找最佳的嵌入式系统的最佳架构。“创新模式”的成功为单片机和通用计算机奠定了完全不同的发展道路。英特尔为嵌入式系统的独立系统开发做出了贡献。

2，MCU是微控制器单元阶段，主要技术发展方向是：在满足嵌入式应用时不断扩展目标系统所需的各种外围电路和接口电路，突出其对象的智能控制能力。涉及的字段与对象系统有关。因此，开发MCU的任务不可避免地要落在电气和电子技术制造商身上。从这个角度看，英特尔在MCU发展中的逐渐衰落也有其客观因素。在开发MCU方面，最著名的制造商是飞利浦。飞利浦凭借其在嵌入式应用中的巨大优势，迅速将MCS-51从单片微计算机发展为微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统的发展时，不要

3.单片机是嵌入式系统的独立开发路径。MCU阶段发展的重要因素是在芯片上寻求应用系统的最大解决方案。因此，专用单片机的发展自然形成了SoC的发展趋势。随着微电子技术，IC设计和EDA工具的发展，基于SoC的微控制器应用系统设计将有很大的发展。因此，对微控制器的理解可以从单芯片微控制器，单芯片微控制器扩展到单芯片应用系统。

4，单片机的发展，单片机作为单片机的重要分支，应用非常广泛，并且发展非常迅速。自单片机诞生以来，它已经发展成为近百种系列的上千种型号。

5.如果以引入8位单片机为起点，那么单片机的发展历史可以大致分为以下几个阶段：

（1）第一阶段（1976-1978年）：微控制器的控制阶段。英特尔公司的MCS

– 48是代表。MCS-48的推出是工业控制领域的一种控制方式。参与此控制的公司以及摩托罗拉和Zilog均取得了令人满意的结果。这是单片机的诞生，“单机”一词由此而来。

（2）微控制器完善阶段的第二阶段（1978-1982）。英特尔公司在MCS

– 48基于完整且典型的MCU系列MCS –51的介绍。它从以下几个方面奠定了典型的通用总线型微控制器体系结构。

1条完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位微控制器的总线结构，包括8位数据总线，16位地址总线，控制总线以及具有许多机器通信功能的串行通信接口。

2 CPU外围功能单元集中管理模式。

图3反映了工业控制功能的位地址空间和位操作模式。4种指令系统趋于丰富和复杂，并且添加了许多突出显示控制功能的指令。

（3）第三阶段（1982-1990）：8位单片机的整合和发展以及16位单片机的引入阶段也是将微控制器发展为微控制器的阶段。英特尔MCS

– 96系列MCU，其中将用于测量和控制系统的一些模数转换器，程序操作监视器，脉冲宽度调制器等集成到芯片中，体现了MCU的微控制器特性。随着MCS-51系列的广泛应用，许多电气制造商争相使用80C51作为核心，并将电路技术，接口技术，多通道A / D转换组件和可靠性技术应用于许多测量和控制中。系统到MCU。外围电路功能增强了智能控制的特性。

（4）第四阶段（1990-）：微控制器的完整开发阶段。随着单片机在各个领域的全面开发和应用，具有高速，寻址范围大，计算能力强，体积小巧的8位/ 16位/ 32位通用单片机。已经出现了尺寸大且价格便宜的专用单芯片微型计算机。

三，单片机的发展趋势

目前，单片机向高性能，多品种的发展趋势将进一步向CMOS，低功耗，小尺寸，大容量，高性能，低价格和外围电路内部化的方向发展。

1，以下是微控制器的主要发展趋势：

（1）CMOS

近年来，由于CHMOS技术的小型化，单片机的CMOS得到了极大的发展。除了CMOS芯片的低功耗特性外，它还具有功耗可控性，从而使微控制器可以在精细的电源管理状态下运行。这也是8051将来将取代8051作为标准MCU芯片的原因。因为大多数微控制器芯片都是使用CMOS（金属栅氧化物）半导体技术生产的。CMOS电路的特征在于低功耗，高密度，低速度和低价格。使用双极半导体工艺的TTL电路速度很快，但是功耗和芯片面积都很大。随着科技的进步，HMOS（高密度，高速MOS和CHMOS工艺已经出现。CHMOS和HMOS流程的组合。当前的CHMOS电路已经达到LSTTL的速度，并且传输延迟时间小于2 ns。它的综合优势在于TTL电路。因此，在微控制器领域，CMOS正在逐渐取代TTL电路。

低功耗单片机的功耗已从Ma级降低到甚至1uA；电压在3〜6V之间，完全适合电池供电。低功耗的效果不仅是低功耗，而且是产品的高可靠性，高抗干扰能力和便携性。

（2）低电压

几乎所有的微控制器都具有WAIT，STOP和其他节能模式。允许使用的电压范围越来越宽，通常在3至6V的范围内工作。低压电源的电源下限已达到1〜2V。目前，已经发布了具有0.8V电源的单片机。

低噪音，高可靠性为了提高单片机的抗电磁干扰能力，该产品可以适应恶劣的工作环境并满足更高的电磁兼容性标准。每个单片机制造商都在单片机的内部电路中采用新技术。措施。

（3）大容量

过去，微控制器中的ROM为1KB〜4KB，RAM为64〜128B。然而，在需要复杂控制的情况下，存储容量不足，并且必须执行外部扩展。为了满足该领域的要求，必须采用新的工艺来增加片上存储器的容量。目前，微控制器的最大ROM可达64KB，最大RAM为2KB。

（4）高性能

主要是指进一步提高CPU的性能，加快指令的操作，提高系统控制的可靠性。借助简化的指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大大提高操作速度。最高指令速度已达到100MIPS（每秒百万条指令），并且位处理功能，中断和定时控制功能得到了增强。这种单片机的运行速度是标准单片机的十倍以上。由于此类微控制器的命令速度极高，因此可以使用软件来模拟其I / O功能，从而引入虚拟外设的新概念。

（5）容量小，价格低

与上述相反，以4位和8位机器为中心的小容量和低价格也是发展趋势之一。这种单片机的目的是使由数字逻辑集成电路组成的控制电路整体化，从而可以广泛应用于家用电器中。

外部电路内部化这也是微控制器发展的主要方向。随着集成度的不断提高，可以在芯片上集成各种外围功能设备。除了必须存在的CPU，ROM，RAM，计时器/计数器等外，片上集成组件还包括模数转换器，DMA控制器，声音发生器，看门狗计时器，液晶显示驱动器和彩色电视机。以及录像机等的锁相电路

串行扩展技术长期以来，通用单片机通过三总线结构扩展外围设备，成为单片机应用的主流结构。随着低成本OTP（一次性编程）和各种类型的片上程序存储器的发展，附加接口不断进入芯片，这促进了微控制器“单芯片”应用结构的发展。 。特别地，引入诸如IC和SPI的串行总线可以使MCU的引脚设计更少，并且MCU系统的结构更加简化和标准化。

随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度会更高，体积会更小，功能会越来越强。在微控制器家族中，80C51系列是最好的系列之一，英特尔已将使用MCS-51系列中80C51内核的权利以飞利浦，NEC等形式转让给了世界上许多著名的IC制造商，例如Philips，NEC。专利交换或出售。在Atmel，AMD，Winbond等公司，这些公司在保持与80C51微控制器的兼容性的同时，改进了80C51的许多功能。这样，80C51已经成为一个大家族，得到了许多制造商的支持，并开发了数百个品种。现在将其统称为80C51系列。80C51微控制器已经成为微控制器发展的主流。专家认为，尽管世界上的MCU具有多种功能，但开发设备彼此不兼容，但客观的发展表明80C51最终可能会形成事实上的标准MCU芯片。

四，微控制器的组成和特点

单片机是微型计算机的主要分支。该结构的最大特点是将CPU，存储器，计时器和各种输入/输出接口电路集成在非常大规模的集成电路芯片上。就其组成和功能而言，单芯片就是一台计算机。

1，微控制器的组成：

它通过内部总线集成了计算机的主要组件，其内部总线包括地址总线，数据总线和控制总线。其中，地址总线的作用是在数据交换时提供一个地址，通过该地址将CPU输出到内存或I / O接口；数据总线的作用是在CPU与内存或I / O接口之间，或在内存与外部之间。数据在设备之间交换；控制总线包括CPU发送的控制信号线和发送给CPU的外部响应信号线。微控制器中的CPU，存储器和其他组件将在后面的章节中介绍。

2. MCU的功能

由于MCU的结构形式和采用的半导体工艺，它具有许多卓越的功能，并且已在各个领域迅速发展。

2. MCU的主要功能如下：

（1）优良的性能和价格比。

（2）集成度高，体积小，可靠性高。单片机将各种功能部件集成在一个芯片上，内部采用总线结构，减少了芯片之间的连接，大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力。此外，它的体积小，易于对强磁场采取屏蔽措施，适合在恶劣的环境下工作。

（3）控制功能强。为了满足工业控制的要求，通用单片机的指令系统具有非常丰富的传输指令，I / O口的逻辑运算和微处理功能。单片机的逻辑控制功能和运行速度均高于同类产品。

（4）低功耗和低电压使其易于生产便携式产品。

（5）外部总线上增加了串行总线方法，如IC（内部集成电路）和SPI（串行外围设备接口），这进一步减小了尺寸并简化了结构。

（6）单片机的系统扩展和系统配置是典型和标准化的，很容易形成各种规模的应用系统。

五，单片机的分类

作为计算机开发的重要领域，MCU使用了更科学的分类方法。根据当前的发展状况，MCU可以从不同的角度大致分为通用型/专用型，总线型/非总线型和工业控制型/家用电器型。

（1）通用/特殊类型

这以单片机的适用范围为特色。例如，80C51是通用微控制器，它不是为特定目的而设计的。专用微控制器是为一类产品甚至某些产品设计和制造的，例如，以满足电子温度计的要求，将ADC接口和其他功能集成在芯片上。温度测量控制电路。

（2）总线类型/非总线类型

这由微控制器是否提供并行总线来区分。总线型MCU通常具有并行地址总线，数据总线和控制总线。这些引脚用于扩展并行外围设备，并可通过串行端口连接到MCU。此外，许多MCU都需要外围设备和外围接口。集成是一件式的，因此在许多情况下，不必并行扩展总线，从而大大降低了封装成本和芯片尺寸。这样的单片机称为非总线型单片机。

（3）控制方式/家电方式

这是基于单片机的应用领域。一般而言，工业控制类型具有广泛的寻址范围和强大的计算能力。用于家用电器的单片机大多是专用的，通常是小包装，低价格，外围设备和外围接口的集成度很高。

显然，以上分类不是唯一且严格的。例如，80C51型MCU既可以是通用型也可以是总线型，也可以用于工业控制。

六，单片机的应用

由于其显著的优势，MCU已成为科学技术领域的强大工具，是人类生活的强大助手。它的应用横跨各个领域，主要体现在以下几个方面：

（1）单片机在智能仪表中的应用

单片机广泛用于各种仪器仪表中，使仪器仪表智能化，可以提高自动化程度和测量精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高性能和价格比。

（2）单片机在机电一体化中的应用

机电一体化是机械工业的发展方向。机电一体化产品是指具有集成的机械技术，微电子技术和计算机技术并具有智能功能的机电产品，例如微机控制的车床和钻床。单片机作为产品中的控制器，可以充分发挥其体积小，可靠性高，功能强大等优点，可以大大提高机器的自动化和智能性。

（3）单片机在实时控制中的应用

单片机广泛应用于各种实时控制系统中。例如，在诸如工业测量和控制，航空航天，尖端武器和机器人之类的各种实时控制系统中，可以将单片机用作控制器。微控制器的实时数据处理能力和控制功能可以使系统保持最佳工作状态，并提高系统的工作效率和产品质量。

（4）单片机在分布式多机系统中的应用

在更复杂的系统中，经常使用分布式多计算机系统。多机系统通常由许多具有不同功能的单片机组成，每个单片机执行特定的任务，并且它们通过串行通信相互通信和协调。在这种系统中，单片机通常用作终端机，并安装在系统的某些节点上，以对现场信息进行实时测量和控制。MCU的高可靠性和强大的抗干扰能力使其可以在恶劣环境的前端工作。

（5）单片机在人类生活中的应用

自单片机诞生以来，它已经进入了人类的生活。例如，洗衣机，冰箱，电子玩具，磁带录音机和其他家用电器都配备了单片机，从而提高了智能度并增加了功能。它受到人们的喜爱。单片机将使人们的生活更加方便，舒适和丰富多彩。总而言之，微控制器已经成为计算机开发和应用的重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义是从根本上改变了传统控制系统的设计思想和设计方法。现在必须通过使用微控制器的软件方法来实现必须由模拟或数字电路实现的大多数功能。

目前，单片机已经渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹导航装置，飞机上各种仪器的控制，计算机的网络通信和数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全系统，视频机，摄像机，自动洗衣机控制以及程控玩具，电子宠物灯与微控制器密不可分。更不用说自动控制领域的机器人，智能电表和医疗设备了。因此，学习

SCM广泛应用于仪器仪表，家用电器，医疗设备，航空航天，特殊设备的智能管理和过程控制领域，可分为以下几类：

1.在智能仪器上的应用

本发明具有体积小，功耗低，控制功能强，扩展灵活，小型化，使用方便的优点。它被广泛用于仪器仪表中，并与不同类型的传感器（例如电压，功率，频率，湿度，温度，流量，速度，厚度，角度，长度，硬度，元素，压力等）进行组合。单片机控制的使用使仪器数字化，智能化和小型化，并且该功能比使用电子或数字电路更强大。例如，复杂的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。

2.在工业控制中的应用

单片机可以构成各种控制系统和数据采集系统。例如，工厂装配线的智能管理，电梯的智能控制，各种警报系统以及与计算机的联网构成了辅助控制系统。

3.在家用电器中的应用

可以说，目前的家用电器基本上是由单片机控制的，从电饭锅，洗衣机，冰箱，空调，彩电，其他音频和视频设备到电子称重设备，各种各样的东西，无处不在。

4.在计算机网络和通信领域的应用

现代的单片微型计算机通常具有通信接口，该接口可以轻松地与计算机进行通信以进行数据通信。它为计算机网络和通信设备之间的应用提供了极好的物质条件。当今的通信设备基本上实现了单片机的智能控制。移动电话，电话，小型程控交换机，楼宇自动通信呼叫系统，火车无线通信，在日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，对讲机等。

5.单片机在医疗设备领域的应用

单芯片微型计算机还广泛用于医疗设备，例如医疗呼吸机，各种分析仪，监视器，超声诊断设备和病床呼叫系统。

6.在各种大型电器中的模块化应用

一些专门的微控制器旨在在各种电路中实现模块化应用的特定功能，而无需用户了解其内部结构。例如，音乐集成的微控制器（看似简单的功能）在纯电子芯片中是微型的（与磁带驱动器的原理相对），需要类似计算机的复杂原理。例如，音乐信号以数字形式存储在内存（类似于ROM）中，由微控制器读取，然后转换为模拟音乐电信号（类似于声卡）。

在大型电路中，这种模块化的应用极大地减小了尺寸，简化了电路，减少了损坏，错误率，并且便于更换。

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