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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单片机系统的设计方法

现阶段，单片机系统在军事、民用、工业产品中的应用越来越广泛.其硬件实现的功能是由软件来完成，体积小巧、功能丰富、智能化程度高，而单片机最为显著的特点是进行数据采集由于各个产业的急速发展，数据采集技术也得到迅猛发展，因此单片机数据采集技术也已成为一种广泛实用的电子技术。随着数字化技术的不断发展，数据采集技术也呈现出速度更快、通道更多、数据量更大的发展趋势。数据采集是工业生产中十分重要的环节，只有对生产现场有关的信号进行检测才能判断生产过程是否正常，是否符合控制要求，才能充分发挥计算机的特点。本文对单片机系统的实际要求做了以下介绍。

系统设计

1.单片机的硬件系统是由单片机、A/D转换器和显示驱动电路等组成。一般在硬件电路设计完成时，应选择标准化、模块化的典型电路和符合单片机应用系统的常规电路在系统中.相关器件以及相关电路一定要做到性能匹配.当外接电路较多时.还应考虑驱动能力。在硬件设计中.必不可少的是可靠性和干扰性.这与自身的硬件系统有关.因此应认真对待。

2.针对于硬件的电路总体设计和各部分电路的组成.系统软件可分为数据采集、数据显示、数据传输和数据存储这4个基本功能。软件系统包括主程序、系统监控、定时/中断等子程序。

主程序为整个通用数据采集系统的主体部分.它由若干个模块组成：自检与初始化模块、MD转换程序模块、显示驱动模块、监控程序模块、按键程序模块、数据上传通讯模块、数据定时存储模块。其中有些模块还包含有子模块，使用时下一级模块被高一级模块调用，各部分既相互独立.又相互联系主程序首先是系统初始化.当运行正常后.进入数据采集软件的主程序运行.使用默认配置参数来设定系统的采集通道数，完成数据采集、数据显示、数据传输及数据定时存储等基本功能

单片机系统的性能指标和加密技术

1.抗十扰特性。 通常，在各种工业设计环境中遇至不同形式的干扰.单片机数据采集系统是软硬件的结合.因此设计者应从软硬两方面消除.结合各种抵抗干扰的方法互相补充和完善.才能确保系统可靠、安全、正确地运行。单片机系统被干扰后会集中表现在几个方面：控制状态失效、采集数据误差大、数据发生乱码以及程序的运行失控这些干扰有内、外因素的干扰.所以软硬件都应当采取有效的措施进行解决。

硬件系统的干扰就是防和抗的概念.即消除和抑制干扰源：降低系统对干扰信号的敏感性;切断干扰对系统的耦合。而相应的措施有隔离、屏蔽、接地、提高信噪比、滤波以及电压保护等软件抗于扰主要是通过软件的合理编制降低单片机系统对干扰的灵敏度。解决的技术有指令冗余技术、软件陷阱技术、“看门狗”技术、数字滤波技术等方法。

2.可靠性。 系统可靠性的关键在于系统本身对运行过程中出现的各种干扰信号及直接来自于系统外部的干扰信号能否进行有效地抑制.有缺陷的系统往往运行过程中采取的措施不足，对可能出现的潜在问题考虑欠佳.当干扰信号真正来临的时候，系统就可能陷人困境因此.可靠性的设计应从避错、容错、合理性、环境适应性等这几方面进行设计。

单片机硬件系统硬件可靠性设计的途径主要有三种：选用高可靠的元器件.这是从硬件本身设计开始着手.从硬件生产步骤上提高可靠性：提高系统设计的合理性.这则是对各类器件的速度、电平、温度性能和可靠等级进行匹配.并且选用合理的选用系统时钟和合理布局.以此提高系统合理性。针对人一环境特性采取相应的可靠性措施.这一点是从人为因素以及环境因素两方面分别采取不同措施提高系统相应的抗干扰措施软件可靠性设计则也是通过提高系统的合理性和针对人一环境特性采取可靠性措施.它的解决方法与提高系统抗干扰性有一定程度上的类似。

3.加密技术。 随着单片机应用领域的不断扩展.产品市场不断扩大.为了确保技术的保密问题.加密技术的开发变成了一项必不可少的工作加密的目的就是为了保护新产品的核心技术.基本原则是采取可行性的办法增加难度.防止原理被测试和软件被修改及仿制.以此来保护产品不被仿制或者减少被仿制的可能。

加密分硬件加密和软件加密两项硬件的加密中心思想是使硬件电路核心部分不能破译因此可以采用总线烧毁法、总线置乱法、RAM替代法、用GAL器件对EPROM中的软件进行加密.以及采用多单片机结构来解决加密的问题软件加密的思想则是通过对程序和数据进行处理.具体的有插入多条跳转指令降低程序可读性、在程序模块之间插入一些加密字节.并且采用模块化的设计方法。

综上所述，单片机系统应满足不同的实用功能.不仅对系统的应用环境要进行细致地了解。而且在系统前端信号的采集和控制输出时不能有丝毫差错只有建立一个可靠的单片机系统，才能为数据采集及处理提供好的应用环境。因此，单片机系统的安全可靠地运行是一项至关重要的工作。

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