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。

单片机学习指南

队长 路飞的电子设计宝藏 7月26日

鉴于原文只介绍了51单片机的学习路线（当时STM32刚兴起），与当前流行的STM32等高端单片机相比，显得有些落后，所以笔者更新了此文。

一、51和STM32的区别。

STM32比51主频高、RAM大、FLASH大，那么STM32能处理的事情就更多了。

STM32外设比51多，如：CAN、USB、FSMC等，能让你省点芯片。

STM32有固件库，不再需要看着手册，查寄存器来写代码，网上也有很多例程。

众多优势让STM32成为大众化、主流单片机，所以必须从51过渡到STM32的时代。

二、内核与外设。

外设就是外部的设备，如：GPIO、ADC、IIC、UART、SPI等。

内核就是内部的核心，如：ALU算术逻辑单元、流水线、指令集等。

51的内核仍然叫51。STM32的内核有Cortex M0、M0+、M3、M4、M7等。

因为ARM Cortex系列的芯片分为高端的A系列，中端的R系列、低端的M系列，所以STM32有好几种内核。

三、如何从51过渡到STM32？

尽管51有那么多的不好，但是低成本依然是它的优势。一片OTP（一次性编程）的51低至0.3毛，它适用于众多家电产品。

所以并不能以单纯的技术崇拜而把51贬得一无是处。只不过，我们需要掌握更多的技术，以适应不同的工作环境。

既然要从51过渡到STM32，那么停留在51的时间不宜太久，掌握基本的定时器、串口，就可以转到STM32上来了。

有的学校先教汇编，再教C，但我认为，先学C，再到汇编会比较好，因为汇编枯燥难学，导致单片机还没用起来，兴趣就消减一大半了。正如linus那句话，你得先学会使用它。

一、首先掌握C语言语法。

单片机用的C语言叫C51，C51除了标准C的语法之外，还特意为单片机增添了几个语法而已，没有很大区别，那么我们可以装个VS（别再用VC6.0那个老掉牙的IDE啦）然后，随便找本语法书抄代码，模仿写，不看书做出课后习题就可以了，其中流程控制（包括if,for,while,switch等）以及指针和结构体都是需要掌握的。推荐看视频《边用边学C语言》。

二、少量的实践。

接下来，你可以买一块单片机开发板来做一些小玩意了（只买一块开发板56元即可，不必浪费太多钱），譬如：摇摇棒，光立方，密码锁，超声波测距，红外摇控等等（很多新奇有趣的小玩意都可以在论坛找到）。当然，也不需要每个都做，我们可以选一些差异性较大的来做，这样升级会快一些。推荐视频《十天学会单片机》，也可以看开发板配套的视频，教材《单片机c语言程序设计实训100例——基于8051+proteus仿真》。适当的做几个就行，不要在这个阶段停留太久，重点掌握定时器和串口。

三、养成良好的编码习惯。

在《十天学会单片机》里会出现众多不怎么好的代码，但是我们不能一下子写出优秀的代码，必须有个过渡期，所以建议大家先看郭大侠的视频。那么如何写出高效而且可读性好的代码呢？这里只提到一点，不要用拼音来命名变量或者函数名，像int shi,fen,miao;这些都是不良的编码习惯，必须全部使用英文命名。推荐的做法就是多参考大神们写的代码，在百度文库或者各大电子论坛都可以看到很多优秀的代码。此外，推荐《从单片机初学者迈向单片机工程师》、《MISRA C标准工程师笔记》、《C语言编程规范》、《C51代码风格》。

四、了解汇编语言。

单片机工程师又叫固件工程师，因为他们写的代码都是跟寄存器打交道，而寄存器又可以直接控制硬件，处于最底层的软件而且不用经常改动，所以叫固件。这部分需要数电、模电的基础才好理解，所以在大学都是先教数电、模电再教单片机的。现在你要用汇编语言来玩单片机，你会发现汇编比较棘手，写出来的代码可读性差、可移植性差而且很难维护，但汇编即让你很清晰地感受到单片机是如何工作的，以及理解C语言指针的原理。不过，我们不需要钻研汇编语言，只需要有所了解，比如，精准的延时。

一、编译、编辑、版本控制器。

由于STM32的固件库中，函数名、变量名都是很长，我们不可能逐一输入，这就需要用到先进的工具。

1、编译器。仍然使用keil编译代码。

2、编辑器。编辑器就是写代码的工具，因为keil的代码补全、提示都很差，所以要用其它工具来写代码。这就得开两个软件，一个写代码，一个编译代码。虽然这样有点麻烦，但是相对于输入那一大串函数名来比，不算什么。推荐VS、Eclipse(C/C++版本)。不推荐使用source insight（功能不够强大）。

3、版本控制器。这个东西就是用来备份代码的，不要再用压缩包了。推荐git教程。

二、学会固件库。

有了上一步的准备工作之后，先买一块STM32开发板，带仿真器，248元。这里下载代码可不像51那些，用串口就能下载的了，得另外用一个仿真器。

这里的仿真器有ST link、Ulink等，不推荐使用J link。而仿真器的接口有JTAG和SWD，推荐使用SWD，接3根线就可以了。

推荐教材《STM32开发指南库函数教程》，也可以看开发板配套的视频。这里要掌握STM32的外设，如：ADC、RTC、CAN、IIC、SPI、UART、DMA、SDIO、IAP等。

三、自制PCB。

数电、模电基础差的，需要先补充点理论再来。然后下载一个Altium Designer6.9，看《Altium Designer视频教程》。根据自己感兴趣的小玩意来做一块PCB。画好之后先发到群里，让大家指导一下，然后再发到嘉立创打样，很便宜的，而其它材料则到淘宝上买。主要掌握焊接、维修、原理图、PCB等基本功，自己多动手就能掌握的。

四、单片机外面的世界。

就算你现在能玩转单片机，但也只是打开了一扇小小的窗户而已，下面你可以选一个方向，但是工作中可以会用到几个方向的知识，反正尽量多学点。

1、嵌入式操作系统。不推荐用51单片机跑系统。而STM32可以跑ucos II、ucos III、free RTOS、coos、RT-Thread、RTX等。推荐学ucos II，教材是任哲的《嵌入式实时操作系统ucosII原理及应用》，只要掌握一种嵌入式操作系统，其它都可以触类旁通。移植系统时，会用到汇编。推荐学习free RTOS或者RT-Thread。

2、ucgui/STemwin、Touch GFX。STM32可以通过FSMC接口来驱动TFT LCD屏，这里要用到图形界面库，可以学STemwin，STemwin其实就是ucgui，推荐《STemwin开发手册》，也可以学习Touch GFX。

3、上位机。使用单片机采集信号送到PC机上，而PC机需要一个上位机来控制单片机，这个上位机可以用Labview、C++、C、JAVA、甚至是HTML5来写。其中最常用的是单片机跟PC机的串口通信，上位机建议用C或者QT来写，尽管还有很多企业用MFC(C++库)，但是上手比较难，不推荐学MFC。推荐的教材是《C#入门经典》、《QT简介》。

4、数据结构和算法。推荐的教材是周航慈的《嵌入式系统软件中的常用算法》、《数据结构课件》。

5、接口应用。单片机的内部资源比较少，很多时候需要外接一些芯片、传感器。这里需要到用模电、电子测量、计算机网络等知识。推荐的教材是陈尚松等著的《电子测量与仪器》和谢希仁的《计算机网络》。此外，还会用到一些通信模块，比如Zigbee、WIFI、蓝牙、NB-IOT、433模块、NRF24L01、RFID智能卡等，有兴趣可以弄一下，这些都是比较实用的技术。

五、其它问题。

1、单片机的代码是如何运行的？

推荐看《计算机组成原理》。

2、FPGA。

可以参考本博客的《如何学习FPGA》。

3、嵌入式。

很多电子专业的学生就感觉嵌入式很难，那是因为嵌入式涉及很多计算机领域的知识，而这些知识很多是电子专业不开课的，基本功没过关，学起来肯定吃力。具体的学习路线可以参考本博客的《如何学习嵌入式软件》。

4、硬件设计。

可以参考本博客的《如何学习硬件设计——理论篇》、《如何学习硬件设计——实践篇》。

5、开发板的选择。

这里推荐的开发板都是一整板（上面的链接并非广告，只是确实有人不会选开发板才给出来的），里面有很多芯片的。不推荐一个核心板留了很多接口，每个接口都要另外买一块小板，这种板叫子母板，一个母板不贵，但是子板很多，买多几块就花很多钱，而且子板很小，容易丢。

6、为什么学生很难定方案？

因为学生积累的东西并不多，考虑的不那么周全，很多知识似懂非懂，难以制订方案。这时要多接触新事物，只要积累的多，就自然而然的能出方案了，不用太急躁。

7、MDK。

Keil有51版本和ARM版本，其中ARM版本的Keil又称为MDK。

8、stm32 cubemx。

cubemx可以自动生成配置代码，虽然很方便，但不建议初学者使用，会让你懒得不想写代码。

9、为什么编译没问题，下载到单片机却不对？

编译没问题，说明语法没问题，但不能表明逻辑、功能是正确的。

10、为什么网上都有那么多代码可以复制粘贴，还要自己写代码？

因为网上能找到的代码很多，而网上找不到的代码却更多。

11、proteus及multisim仿真。

proteus很适合仿真单片机，但是仿真的效果不能替代实物，一切以实物为准。

multisim适合在学模电时，做一下仿真，以帮助理解电路。

12、为什么有的STM32开发板可以用串口下载代码，还需要仿真器吗？

STM32有个IAP的功能（又称为远程升级），可以用任意的接口来下载代码，但是这种方法是建立在芯片本身有IAP的代码，才可以使用。

在一个没有任何代码的芯片上，不能使用串口下载代码，这时，必须使用仿真器。

13、单片机不就是C语言嘛，还需要学单片机原理？

在工程上会遇到单片机内部资源的调度、IO口的电气特性、带宽等问题，你不懂单片机原理是解决不了这些问题的。

14、单片机的汇编和微机原理的汇编。

微机原理讲的是PC机中x86架构的汇编，和51单片机的汇编是有区别的。不要看错书。

而51单片机的汇编和STM32的汇编也是有区别的，51的是CISC架构，而STM32的是RISC架构。

15、除STM32以外的高端单片机品牌。

有NXP的LPC、新唐、GD32(高仿STM32)、英飞凌、TI的MSP430、Microchip的PIC、瑞萨、ADI、Maxim（美信）、三星。

16、其它单片机品牌。

合泰、辉芒、松瀚、海尔（东软）、STC、义隆、新茂、中颖、ABOV（现代）、Megawin（笙泉）、晟矽微、HOLTEK（盛扬）、九齐、佑华、灵动微。

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