单片机m3 电子器件的“中控室”：单片机MCU详解|产品概述|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

电子器件的“中控室”：单片机MCU详解

上一篇（只有想不到，没有嵌不到，嵌入式系统科普）文章介绍了嵌入式系统的组成部分。其中提到了单片机MCU，其实它也是一个小系统，它是控制电子产品的大脑。现如今，我们生活中的许多电器都含有单片机。例如：手机、电视机、冰箱、洗衣机、以及开关、LED等。那么，什么是单片机？它在这些电器中究竟做了些什么呢？以及是如何构成的？

它是如何诞生的

单片机诞生于1971年，经历SCM、MCU、SoC三大阶段。单片机由以前的1位、4位、8位、16位。早期的单片机都是4位或8位。其中最成功的是英特尔的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。

随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。如今已发展到32位甚至64位。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高，相继诞生了一批经过市场考验获得良好口碑的单片机制造厂商。

“神通广大”，到哪儿都有它

实际工作中并不是任何场合都要求计算机有很高的性能。应用的关键看是否够用，是否有很好的性价比。单片机是电器动作的关键，是指挥硬件运行的。例如：接收按钮或按键的输入信号，按照事先编好的程序，指挥马达和LCD的外围功能电路动作。

为什么很多电器设备都要使用单片机呢？我们用一个点亮LED电路为例来说明。

（右）无单片机的电路是一个由LED，开关和电阻构成的简单电路。很显然，使用单片机的电路要复杂得多，而且设计电路还要花费精力与财力。这样看来使用单片机并没有什么优点，其实不然。

如果我们让这个电路做一些比较复杂的操作，会怎么样呢。例如：如果希望LED在按下开关后，经过一段时间再点亮或熄灭，那么，对于安装有单片机的电路来说，只需更改单片机中的程序就可以了，并不需更改原电路。另一方面，对于没有单片机的电路来说，就必须在元电路中加入定时器IC，或者用标准逻辑IC和FPGA构成逻辑电路，才能实现这个功能。也就是说，在更改和添加新功能时，带有单片机的电路显然更加容易实现。

单片机通常用于工业生产的控制、生活与程序和控制有关领域。由于单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。据了解，一辆汽车上要配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作。这样算下来，单片机的数量已经远超过地球人口的数量了。

那么“无所不能”的单片机都由哪些器件构成的？

以PC为例，一台计算机主要有这几个部位组成：中央处理单元CPU（进行运算、控制）、随机存储器RAM（数据存储）、存储器ROM（程序存储）、输入/输出设备I/O（串行口、并行输出口等）。在个人计算机上这些部份被分成若干块芯片，安装在一个被称之为主板的印刷线路板上。而在单片机中，这些部份全部被做到一块集成电路芯片中，所以就称为单片机，而且有一些单片机中除了上述部份外，还集成了其它部份如模拟量/数字量转换（A/D）和数字量/模拟量转换（D/A）等。此外，现在的单片机绝大多数都是基于冯·诺伊曼结构。

以51单片机为例，其功能组件及作用主要有：

1、CPU主芯片（内部通过总线连接扩展的设备）

2、时钟电路（为单片机提供震荡脉冲）

3、电源电路（为单片机提供电源）

4、内部数据存储器RAM（包括通用数据寄存器和专用寄存器SFR，主要是数据存储区。）

5、程序存储器ROM（主要是存储程序，51系列有4K内部程序ROM，可以外扩64K。）

6、并行端口4*8位（P0，P1，P2，P3主要是数据交换接口。）

7、串行口（TXD，RXD用于串口通信。）

8、中断系统（外中断0，定时计数T0，外中断1，定时计数T1，串口中断。）

9、定时/计数器（16位用于外部的计数和定时功能。）

在这些组成里，内存是单片机的记忆装置，主要记忆程序和数据，但ROM与RAM有所区别：

ROM是只读内存的简称。保存在ROM中的数据不能删除，也不会因断电而丢失。ROM主要用于保存用户程序和在程序执行中保持不变的常数。

RAM是可随机读/写内存的简称。可以随时读写数据，但关机后，保存在RAM中的数据也随之消失。主要用于存储程序中的变量。在单芯片单片机中，常常用SRAM作为内部RAM。SRAM允许高速访问，但是，内部结构太复杂，很难实现高密度集成，不适合用作大容量内存。除SRAM外，DRAM也是常见的RAM。DRAM的结构比较容易实现高密度集成，因此，比SRAM的容量大。但是，将高速逻辑电路和DRAM安装于同一个晶片上较为困难，因此，一般在单芯片单片机中很少使用，基本上都是用作外围电路。

工作原理

虽说CPU相当于人的大脑，但是它却不能像人的大脑一样，能有意识的、自发的思考。CPU只能依次读取并执行事先存储在内存中的指令组合。

单片机自动完成赋予它的任务过程，即一条条执行的指令过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。

所以必须把要把问题编成一系列指令，这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在存储器中。存储器由许多存储单元组成，你可以想像成宾馆的房间，指令就存放在这些房间里，房间里的指令取出并执行就像入住要分配房间一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。

主流单片机

现在主流单片机有：

51系列单片机——对所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称，51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。

PIC系列单片机——用来开发的去控制外围设备的集成电路，有计算和记忆功能，处理能力一般，存储器容量也很有限。

AVR系列单片机——AVR最大的优点就是哈佛结构速度快；片上资源丰富；驱动能力强；功耗低；可选择型号种类多；性价比高；保密性好；带PWM脉冲宽度调制、串行外设接口SPI，片内RC 振荡器，SRAM比51大。

这些是应用最多的三大系列单片机。其主要特点就是：51系列单片机是冯.诺依曼结构，后两种是哈佛结构。

典型玩家介绍

经多年发展，MCU厂商可谓是多种多样。简单介绍下这个圈里典型玩家

1. 恩智浦（收购飞思卡尔）

单片机是基于80C51内核的单片机，嵌入了掉电检测、模拟以及片内RC振荡器等功能，这使51LPC在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的性能要求。NXP的MCU几乎都是采用cortex-m系列架构。

2. 瑞萨电子

NEC电子和瑞萨科技于2010年4月1日通过合并诞生了“瑞萨电子”，现为全球首屈一指的微控制器供应商，也是SoC系统晶片与各式类比及电源装置等先进半导体解决方案的领导品牌之一。他们推出的针对中国市场的MCU产品RL78系列分为通用产品和集成LCD驱动的产品，通用产品的升级款又围绕着传感器、小系统、马达驱动等具体应用领域做了相应拓展。

3. 微芯科技(Microchip)（收购爱特梅尔(Atmel)）

微芯科技是全球领先的单片机和模拟半导体供应商，微芯单片机是市场份额增长最块的单片机。他们强调节约成本的最优化设计，使用量大、档次低、价格敏感的产品。

4.三星(Samsung)

三星单片机有KS51和KS57系列4位单片机，KS86和KS88系列8位单片机，KS17系列16位单片机和KS32系列32位单片机。

5. 意法半导体(ST)

意法半导体微控制器拥有一个强大的产品阵容，从稳健的低功耗8位单片机STM8系列，到基于各种ARM Cortex-M0和M0+、 Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M7内核的32位闪存微控制器STM32家族。STM32系列32位微控制器基于Arm® Cortex®-M处理器，旨在为MCU用户提供新的开发自由度。它包括一系列产品，集高性能、实时功能、数字信号处理、低功耗/低电压操作、连接性等特性于一身，同时还保持了集成度高和易于开发的特点。

6. 英飞凌(Infineon)

其前身是西门子集团的半导体部门。英飞凌8位单片机能实现高性能的电机驱动控制，在严酷环境下(高温、EMI、振动)具有极高的可靠性。英飞凌针对中国市场推出的XMC1000工业单片机，在电机控制领域拥有很高的性价比。

7. 德州仪器(TI)

TI是全球领先的模拟及数字半导体 IC 设计制造公司。除了提供模拟技术、数字信号处理 (DSP) 以外，TI 在单片机领域也涉入较深，推出一系列的32位单片机，其中Piccolo系列微处理器最具代表性,具体型号如C2000和F28x系列。

8. 东芝(Toshiba)

东芝单片机的特点从4位机到64位，门类齐全。4位机在家电领域仍有较大的市场。8位机主要有870系列、90系列等，该类单片机允许使用慢模式，采用32K时钟时功耗低至10uA数量级。CPU内部多组寄存器的使用，使得中断响应与处理更加快捷。东芝的32位单片机采用MIPS3000ARISC的 CPU结构，面向VCD、数字相机、图像处理等市场。

9. Silicon Laboratories(芯科实验室)

Silicon Laboratories成立于1996年，位于美国德州奥斯汀市，是一家专业研发设计类比电路及混合信号IC的公司，为成长快速的通信产业设计等提供广大应用。在8051系列MCU领域居于领先军团行列。这家公司2013收购了一家叫Energy Micro的节能型MCU公司，所以产品有两个型号。

10. Maxim

Maxim的超低功耗32 位 Arm® Cortex®-M4 FPU微控制器（单片机），可以帮助您在任意地方收发其他超低功耗MCU的产品。超低功耗MCU系列产品既智能又省电。他们在去年发布了一款名为MAX78000的革命性芯片。这颗低功耗神经网络加速微控制器能将人工智能（AI）推向边缘端，更重要的是，因为其低功耗特性，那就意味着即使在将其应用在电池供电的物联网（IoT）设备里，芯片性能并未受到影响。

11. ADI

ADI提供日渐增多的DSP、混合信号控制处理器、嵌入式处理器和模拟微控制器产品，适合广泛的通用和专用需求。例如产品包括：带有微处理器的模数转换芯片ADuC844和ADuC846，用于IoT超低功耗MCU ADuCM4050。

12. 高通（Qualcomm）

高通的MCU主要应用于智能手机、平板电脑、无线调制解调器等等，功能非常强大。主要提供16位，32位MCU。

其余厂商见图片。

MCU作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。自MCU诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。而且随着半导体集成工艺的不断发展，MCU的集成度将更高、体积将更小、功能将更强。

一种高性能小尺寸低成本超低功耗的M3单片机解决方案

1 方案说明

通过使用兆易创新(Gigadevice)型号为 GD32F130G8U6 的高性能32位单片机(MCU)和Ambiq Micro 的超低功耗RTC AM1815来代替单颗低功耗MCU的方案。待机状态下，MCU 完全shutdown，只有RTC工作，保持计时以及保存重要备份数据；工作状态下，MCU被RTC唤醒，执行程序，工作执行完毕给RTC发sleep指令，控制RTC关闭MCU电源。RTC唤醒MCU的方式可以是IO口电平变化边沿触发，也可以是定时触发。该方案相对于单芯片方案的主要优势有以下几点。 GD32F130G6U6主要特性：ARM Cortex-M3 内核；最大主频72Hz，内核访问闪存高速零等待；单周期乘法器和硬件除法器；NVIC中断嵌套支持16个中断，每个中断有16个优先级；64K flash、8K SRAM；高性能模拟外设，1个12bit的 ADC，支持10路通道，最快转换时间1μs；多种外设接口，

2个USART，2个SPI(18Mbit/s)，2个I2C(400Kbit/s)；片上1个高级定时器，1个系统定时器，最大支持6个通用定时器，1 个DMA；支持上电复位(POR)，掉电复位(PDR)和低压检测 (LVD)；28pin封装，23个可用IO；内部高速时钟(8MHz)和内部低速时钟(40kHz)。

超低功耗表现在工作状态： M C U 运行功耗 2 4 5 μ A / MHz，RTC 14nA；待机状态：MCU功耗 0，RTC 14nA。待机状态下该系统的待机功耗仅为14nA，即使是市面上在低功耗上做得最好的MCU厂家(比如Energy Micro)，其生产的 MCU的待机功耗也要比以上系统至少高一个数量级以上。

当系统长时间处于待机状态的时候，该系统在低功耗上极具优势。小尺寸封装可以做到 4 m m * 4 m m ， A M 1 8 1 5 封装尺寸

3mm*3mm。采用GD130+AM1815可以有效减小PCB设计尺寸。GD1 30属于cor tex-M3核的超值型MCU，价格甚至低

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201703/345018.htm

图1 AM1815典型应用电路图

于一些M0核的MCU和8位机。而AM1815虽然可以做到极致低功耗，但本身还是一颗 RTC ，价格也不贵。对比过 GD130+AM1815两颗加起来的价格，甚至低于很多主打超低功耗的M3核和M0核的MCU。

Ambiq Micro 是一家专注于研发生产低功耗芯片产品的美国公司，其产品采用先进的SPOT技术（亚阈值功率优化技术），SPOT技术上世纪由物理学家发现，2004年由美国大学研究，2010年正式应用到产品里面。SPOT技术重新定义了超低功率半导体的含义，为芯片建立了新的标准，从而使得功耗做得更低。本设计中由AM1815芯片实现超低功耗原理。

2 硬件参考设计

图2 SPI读写过程

如图1所示，AM1815进入sleep模式的方式为MCU通过 SPI接口设置AM1815的sleep相关寄存器的值以使其进入sleep 模式，当AM1815进入sleep模式后，会将PSW/nIRQ2引脚电平由低变为高，而AM1815的PSW/nIRQ2引脚接到MCU的 VSS，当其电平由低变高时，MCU从上电变为断电状态。 AM1815从sleep模式唤醒的方式为其EXTI引脚接收到一个上升沿或者下降沿脉冲，这样PSW/nIRQ2引脚电平就会从高变为低，从而MCU从断电变为上电状态。通过以上这种方式，以AM1815的进入低功耗和唤醒来控制MCU的断电和上电。

3 软件参考设计 MCU通过SPI接口读写AM1815寄存器时序如图2所示：由AM1815的datasheet中SPI读写时序图大概可知，MCU

读AM1815寄存器的过程，首先要发送一个需要读取的寄存器地址addr，其中addr的第7位为0表示读，然后把MCU通过 SPI接收到的AM1815返回的第一个字节丢掉，从第二个字节开始顺序接收到的数据就是读取的数据。MCU写AM1815的过程类似，首先发送需要写入的寄存器地址addr，其中addr 的第7位为1表示写，然后依次将需要写入的字节写入，不用管AM1815返回的数据。

选择GD130的一个普通的GPIO口(例如PB7)作为控制引脚，当检测到 P B 7 上有一个下降沿时，通过 S P I 接口向 AM1815的sleep寄存器写值则会控制AM1815进入sleep模式。

4 结语

本文设计了一种可以应用于可穿戴设备、便携设备、追踪器、 R F I D 、支付 U k e y 、仪器仪表等行业的低功耗设计方案。该方案使用了Gigadev ice公司的高性价比 MCU GD32F130G8U6和Ambiq Micro公司的超低功耗RTC AM1815。和业界通用的单芯片方案比较，该方案具有高性能、超低功耗、小尺寸以及低成本的特点。在低占空比的应用场合，该方案的优势更加明显。

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