一文讀懂什么單片機(jī)：組成結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

歡迎來到單片機(jī)的世界，這是一種微小(但功能強(qiáng)大)的設(shè)備，改變了嵌入式系統(tǒng)的面貌。在本文中，您將了解單片機(jī)的一些基本知識、單片機(jī)的結(jié)構(gòu)以及微處理器與單片機(jī)之間的一些區(qū)別。

在深入單片機(jī)基礎(chǔ)知識之前，您需要了解什么是單片機(jī)。單片機(jī)與微處理器類似，但它在同一芯片上集成了一些額外的組件。

什么是單片機(jī)？

單片機(jī)是一種超大規(guī)模集成電路(VLSI)，它包含電子計(jì)算單元和邏輯單元(統(tǒng)稱為CPU)、存儲器(程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器)、I/O端口(輸入/輸出端口)以及其他一些組件，全部集成在一塊芯片上。

有時(shí)，單片機(jī)也被稱為“單芯片計(jì)算機(jī)”或“計(jì)算機(jī)芯片”。由于單片機(jī)及其支持電路通常被嵌入在其控制的設(shè)備中，因此單片機(jī)也被稱為嵌入式控制器。

單片機(jī)無處不在。如果某個(gè)設(shè)備或應(yīng)用涉及測量、存儲、計(jì)算、控制或顯示信息，那么該設(shè)備中就包含單片機(jī)。讓我們看看一些單片機(jī)應(yīng)用的領(lǐng)域。

單片機(jī)最大的用戶可能是汽車行業(yè)。幾乎每輛出廠的汽車至少包含一個(gè)用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制的單片機(jī)。您可以在許多其他系統(tǒng)中找到更多的單片機(jī)。

消費(fèi)電子產(chǎn)品是另一個(gè)充斥著單片機(jī)的領(lǐng)域。單片機(jī)是數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、CD和DVD播放器、洗衣機(jī)、烤箱等產(chǎn)品的一部分。

單片機(jī)也被用于測試和測量設(shè)備，如萬用表、示波器、函數(shù)發(fā)生器等。您還可以在您的臺式計(jì)算機(jī)附近找到單片機(jī)，如打印機(jī)、路由器、調(diào)制解調(diào)器、鍵盤等。

上述對單片機(jī)的定義可能對電子學(xué)或嵌入式系統(tǒng)的新手來說顯得復(fù)雜或困惑，但隨著我們繼續(xù)深入，概念將會(huì)變得清晰。

單片機(jī)的基本知識

基本上，單片機(jī)由以下組件組成：

· 中央處理單元(CPU)

· 程序存儲器(ROM - 只讀存儲器)

· 數(shù)據(jù)存儲器(RAM - 隨機(jī)存取存儲器)

· 定時(shí)器和計(jì)數(shù)器

· I/O端口(輸入/輸出)

· 串行通信接口

· 時(shí)鐘電路(振蕩器電路)

· 中斷機(jī)制

大多數(shù)現(xiàn)代單片機(jī)可能還包含更多外設(shè)，如SPI(串行外設(shè)接口)、I2C(內(nèi)部集成電路)、ADC(模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器)、DAC(數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器)、CAN(控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò))、USB(通用串行總線)等。

單片機(jī)中的CPU執(zhí)行算術(shù)、邏輯、數(shù)學(xué)和數(shù)據(jù)導(dǎo)向的功能，類似于微處理器中的CPU。微處理器和單片機(jī)之間的區(qū)別在于，微處理器需要與外部內(nèi)存和其他I/O接口相連接才能作為計(jì)算機(jī)工作，而單片機(jī)則在與CPU同一芯片上集成了所有必需的外設(shè)。

將ADC、DAC等功能集成在與CPU同一芯片上，使得單片機(jī)比使用單獨(dú)的ADC芯片更高效、更便宜。

開發(fā)一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)硬件和編寫高效的軟件程序。由于單片機(jī)在同一芯片上集成了構(gòu)建計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所需的所有硬件，使用單片機(jī)將大大減少在硬件設(shè)計(jì)和布線上所花費(fèi)的時(shí)間和精力。

單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

您可能已經(jīng)多次看到單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。如果您之前已經(jīng)看到過單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及其基本組件，那么請把這當(dāng)作一次復(fù)習(xí)。如果您還沒有見過，那么了解單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)非常重要。

以下圖像展示了單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。

從上面的圖像中，您可以理解單片機(jī)的三個(gè)重要(或主要)組件是：

· CPU(中央處理單元)

· 內(nèi)存

· I/O端口

這并不意味著其他組件不重要，但可以將這些視為輔助設(shè)備?，F(xiàn)在我們將分別介紹上述結(jié)構(gòu)中提到的單片機(jī)的基本組件。

CPU：中央處理單元(CPU)是單片機(jī)的核心。它由算術(shù)邏輯單元(ALU)和控制單元(CU)組成。CPU讀取、解碼并執(zhí)行指令，以執(zhí)行算術(shù)、邏輯和數(shù)據(jù)傳輸操作。

內(nèi)存：任何計(jì)算系統(tǒng)需要兩種類型的內(nèi)存：程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。程序存儲器顧名思義，包含程序，即CPU要執(zhí)行的指令。數(shù)據(jù)存儲器則用于在執(zhí)行指令時(shí)存儲臨時(shí)數(shù)據(jù)。

通常，程序存儲器是只讀存儲器(ROM)，而數(shù)據(jù)存儲器是隨機(jī)存取存儲器(RAM)。數(shù)據(jù)存儲器有時(shí)也被稱為讀寫存儲器(R/W M)。

I/O端口：單片機(jī)與外部世界的接口由I/O端口提供。輸入設(shè)備如開關(guān)、鍵盤等將用戶信息以二進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式傳遞給CPU。

CPU在接收到輸入設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)后，執(zhí)行相應(yīng)的指令，并通過LED、顯示器、打印機(jī)等輸出設(shè)備作出響應(yīng)。

總線：另一個(gè)重要但很少討論的單片機(jī)組件是系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線是一組連接線，連接CPU與其他外設(shè)，如內(nèi)存、I/O端口和其他支持組件。

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：單片機(jī)的重要組件之一是定時(shí)器和計(jì)數(shù)器。它們提供時(shí)間延遲和計(jì)數(shù)外部事件的操作。此外，定時(shí)器和計(jì)數(shù)器還可以提供功能生成、脈寬調(diào)制、時(shí)鐘控制等功能。

串行端口：單片機(jī)的一個(gè)重要需求是與其他設(shè)備和外設(shè)(外部)進(jìn)行通信。串行端口通過串行通信提供這樣的接口。單片機(jī)中最常用的串行通信是UART。

中斷：單片機(jī)的一個(gè)非常重要的特性是中斷及其中斷處理機(jī)制。中斷可以是外部的、內(nèi)部的、與硬件相關(guān)或與軟件相關(guān)。

ADC(模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器):模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)是一種將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的電路。ADC電路構(gòu)成了外部模擬輸入設(shè)備和單片機(jī)CPU之間的接口。幾乎所有傳感器都是模擬設(shè)備，這些傳感器的模擬數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以便CPU理解。

DAC(數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器):數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)是一種與ADC相對的電路，即將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。DAC在單片機(jī)的CPU與外部模擬設(shè)備之間形成橋梁。

單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

單片機(jī)是真正適合“單芯片計(jì)算機(jī)”概念的設(shè)備。

不需要對基本組件如內(nèi)存、I/O端口等進(jìn)行任何外部接口。

單片機(jī)不需要復(fù)雜的操作系統(tǒng)，因?yàn)樗兄噶畋仨毐粚懭氩⒋鎯υ趦?nèi)存中。(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是個(gè)例外)。

所有輸入/輸出端口都是可編程的。

所有必要組件的集成降低了產(chǎn)品(或應(yīng)用)的成本、設(shè)計(jì)時(shí)間和面積。

單片機(jī)的缺點(diǎn)

單片機(jī)并不以計(jì)算能力著稱。

內(nèi)存的數(shù)量限制了單片機(jī)可以執(zhí)行的指令數(shù)量。

沒有操作系統(tǒng)，因此所有指令必須被編寫。

單片機(jī)的應(yīng)用

單片機(jī)有著巨大的應(yīng)用范圍。實(shí)際上，整個(gè)嵌入式系統(tǒng)行業(yè)都依賴于單片機(jī)。以下是一些單片機(jī)的應(yīng)用示例：

· 像烤箱、洗衣機(jī)等設(shè)備的前面板控制

·功能發(fā)生器

·煙霧和火災(zāi)警報(bào)器

· 家庭自動(dòng)化系統(tǒng)

· 汽車自動(dòng)頭燈開啟

· 速度感應(yīng)門鎖系統(tǒng)

在本文章中，我們已討論了單片機(jī)的基礎(chǔ)知識、單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、不同組件、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用。