單片機的組成、工作原理、分類、特點以及發(fā)展趨勢

微型計算機的出現(xiàn)給人類生活帶來了根本性的變化，使現(xiàn)代科學研究產生了質的飛躍，單片機技術的出現(xiàn)則給現(xiàn)代工業(yè)測控領域帶來了一次新的技術革命。它在工業(yè)控制、數(shù)控采集、智能化儀表、辦公自動化等諸多領域得到了極為廣泛的應用，毫不夸張地說，單片機技術的開發(fā)和應用水平已逐步成為一個國家工業(yè)發(fā)展的標志之一。

什么是單片機？

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單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術把具有數(shù)據(jù)處理能力(如算術運算，邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理)的微處理器(CPU)，隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，只讀程序存儲器(ROM)，輸入輸出電路(I/O口)，可能還包括定時計數(shù)器，串行通信口(SCI)，顯示驅動電路(LCD或LED驅動電路)，脈寬調制電路(PWM)，模擬多路轉換器及A/D轉換器等電路集成到一塊單塊芯片上，構成一個最小然而完善的計算機系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準確、迅速、高效地完成程序設計者事先規(guī)定的任務。由此來看，單片機有著微處理器所不具備的功能，它可單獨地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能，這是單片機最大的特征。

芯片在沒有開發(fā)前，單片機只是具備功能極強的超大規(guī)模集成電路，如果賦予它特定的程序，它便是一個最小的、完整的微型計算機控制系統(tǒng)，它與個人電腦(PC機)有著本質的區(qū)別，單片機的應用屬于芯片級應用，需要用戶了解單片機芯片的結構和指令系統(tǒng)以及其它集成電路應用技術和系統(tǒng)設計所需要的理論和技術，用這樣特定的芯片設計應用程序，從而使該芯片具備特定的功能。

不同的單片機有著不同的硬件特征和軟件特征，即它們的技術特征均不盡相同，硬件特征取決于單片機芯片的內部結構，用戶要使用某種單片機，必須了解該型產品是否滿足需要的功能和應用系統(tǒng)所要求的特性指標。這里的技術特征包括功能特性、控制特性和電氣特性等等，這些信息需要從生產廠商的技術手冊中得到。軟件特征是指指令系統(tǒng)特性和開發(fā)支持環(huán)境，指令特性即我們熟悉的單片機的尋址方式，數(shù)據(jù)處理和邏輯處理方式，輸入輸出特性及對電源的要求等等。開發(fā)支持的環(huán)境包括指令的兼容及可移植性，支持軟件(包含可支持開發(fā)應用程序的軟件資源)及硬件資源。要利用某型號單片機開發(fā)自己的應用系統(tǒng)，掌握其結構特征和技術特征是必須的。

單片機控制系統(tǒng)能夠取代以前利用復雜電子線路或數(shù)字電路構成的控制系統(tǒng)，可以軟件控制來實現(xiàn)，并能夠實現(xiàn)智能化，現(xiàn)在單片機控制范疇無所不在，例如通信產品、家用電器、智能儀器儀表、過程控制和專用控制裝置等等，單片機的應用領域越來越廣泛。誠然，單片機的應用意義遠不限于它的應用范疇或由此帶來的經(jīng)濟效益，更重要的是它已從根本上改變了傳統(tǒng)的控制方法和設計思想。是控制技術的一次革命，是一座重要的里程碑。

單片機的基本工作原理

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單片機自動完成賦予它的任務的過程，也就是單片機執(zhí)行程序的過程，即一條條執(zhí)行的指令的過程，所謂指令就是把要求單片機執(zhí)行的各種操作用的命令的形式寫下來，這是在設計人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的，一條指令對應著一種基本操作；單片機所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機的指令系統(tǒng)，不同種類的單片機，其指令系統(tǒng)亦不同。

為使單片機能自動完成某一特定任務，必須把要解決的問題編成一系列指令（這些指令必須是選定單片機能識別和執(zhí)行的指令），這一系列指令的集合就成為程序，程序需要預先存放在具有存儲功能的部件——存儲器中。存儲器由許多存儲單元（最小的存儲單位）組成，就像大樓房有許多房間組成一樣，指令就存放在這些單元里，單元里的指令取出并執(zhí)行就像大樓房的每個房間的被分配到了唯一一個房間號一樣，每一個存儲單元也必須被分配到唯一的地址號，該地址號稱為存儲單元的地址，這樣只要知道了存儲單元的地址，就可以找到這個存儲單元，其中存儲的指令就可以被取出，然后再被執(zhí)行。

程序通常是順序執(zhí)行的，所以程序中的指令也是一條條順序存放的，單片機在執(zhí)行程序時要能把這些指令一條條取出并加以執(zhí)行，必須有一個部件能追蹤指令所在的地址，這一部件就是程序計數(shù)器PC（包含在CPU中），在開始執(zhí)行程序時，給PC賦以程序中第一條指令所在的地址，然后取得每一條要執(zhí)行的命令，PC在中的內容就會自動增加，增加量由本條指令長度決定，可能是1、2或3，以指向下一條指令的起始地址，保證指令順序執(zhí)行。

單片機的組成

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以MSC-51系列單片機為例，單片機由5個基本部分組成，包括中央處理器CPU、存儲器、輸入/輸出口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。

單片機CPU結構

51單片機內部有一個8位的CPU，包含運算器，控制器及若干寄存器等。

從上圖中我們可以看到，在虛線框內的就是CPU的內部結構了，8位的MCS-51單片機的CPU內部有數(shù)術邏輯單元ALU（ArithmeticLogic Unit）、累加器A（8位）、寄存器B（8位）、程序狀態(tài)字PSW（8位）、程序計數(shù)器PC（有時也稱為指令指針，即IP，16位）、地址寄存器AR（16位）、數(shù)據(jù)寄存器DR（8位）、指令寄存器IR（8位）、指令譯碼器ID、控制器等部件組成。

單片機的存儲器

存儲器是用來存放程序和數(shù)據(jù)的部件，MCS-51單片機芯片內部存儲器包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩大類。

1、程序存儲器（ROM）

一般用來存放固定程序和數(shù)據(jù)，特點是程序寫入后能長期保存，不會因斷電而丟失，MSC-51系列單片機內部有4KB的程序存儲空間，可以通過外部擴展到64KB。

2、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）

主要用于存放各種數(shù)據(jù)。

優(yōu)點：可以隨機讀入或讀出，讀寫速度快，讀寫方便。

缺點：電源斷電后，存儲的信息丟失。

單片機的并行I/O

1、P0口

P0口的口線邏輯電路如圖所示

2、P1口

P1口的口線邏輯電路如圖所示

3、P2口

P2口的口線邏輯電路如圖所示

4、P3口

P3口的口線邏輯電路如圖所示

單片機的時鐘和時序

1、時鐘電路

單片機時鐘電路通常有兩種形式：內部振蕩方式和外部振蕩方式

MCS-51單片機片內有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。把放大器與晶體振蕩器連接，就構成了內部自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。

外部振蕩方式就是把外部已有的時鐘信號直接連接到XTAL1端引入單片機內，XTAL2端懸空不用。

2、時序

振蕩周期：為單片機提供時鐘信號的振蕩源的周期。

時鐘周期：是振蕩源信號經(jīng)二分頻后形成的時鐘脈沖信號。因此時鐘周期是振蕩周期的兩倍，即一個S周期，被分成兩個節(jié)拍—P1、P2

指令周期：CPU執(zhí)行一條指令所需要的時間(用機器周期表示。

各時序之間的關系如圖所示。

單片機的特點

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單片機問世以來所走的路與微處理器是不同的。微處理器向著高速運算、數(shù)據(jù)分析與處理能力、大規(guī)模容量存儲等方向發(fā)展,以提高通用計算機的性能。其接口界面也是為了滿足外設和網(wǎng)絡接口而設計的。單片機則是從工業(yè)測控對象、環(huán)境、接口特點出發(fā),向著增強控制功能、提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性、靈活方便的構成應用計算機系統(tǒng)的界面接口的方向發(fā)展。因此，單片機有著自已的特點,主要是：

1、品種多樣,型號繁多

品種型號逐年擴充以適應各種需要。使系統(tǒng)開發(fā)者有很大的選擇自由。CPU從4、8、16、32到64位,有些還采用RISC技術；

2、提高性能,擴大容量

集成度已達200萬個晶體管以上?？偩€工作速度已達數(shù)十微秒。工作頻率達到30MHz甚至40MHz。指令執(zhí)行周期減到數(shù)十微秒。存儲器容量RAM發(fā)展到1K、2K,ROM發(fā)展到32K、64K；

3、增加控制功能,向外部接口延伸

把原屬外圍芯片的功能集成到本芯片內?，F(xiàn)今的單片機已發(fā)展到在一塊含有CPU的芯片上,除嵌入RAM、ROM存儲器和I/O接口外,還有A/D、PWM、UART、Timer/Counter、DMA、Watchdog、SerialPort、Sensor、driver、還有顯示驅動、鍵盤控制、函數(shù)發(fā)生器、比較器等，構成一個完整的功能強的計算機應用系統(tǒng)；

4、低功耗

供電電壓從5V降到3V、2V甚至1V左右。工作電流從mA級降到LA級。在生產工藝上以CMOS代替NMOS,并向HCMOS過渡；

5、應用軟件配套

提供了軟件庫,包括標準應用軟件,示范設計方法。使用戶開發(fā)單片機應用系統(tǒng)時更快速、方便。使有可能做到用一周時間開發(fā)一個新的應用產品；

6、系統(tǒng)擴展與配置

有供擴展外部電路用的三總線結構DB、AB、CB,以方便構成各種應用系統(tǒng)。根據(jù)單片機網(wǎng)絡系統(tǒng)、多機系統(tǒng)的特點專門開發(fā)出單片機串行總線。此外,還特別配置有傳感器,人機對話、網(wǎng)絡多通道等接口,以便構成網(wǎng)絡和多機系統(tǒng)。

單片機的發(fā)展趨勢

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1、低功耗CMOS化

MCS-51系列的8031推出時的功耗達630mW，而現(xiàn)在的單片機普遍都在100mW左右，隨著對單片機功耗要求越來越低，現(xiàn)在的各個單片機制造商基本都采用了CMOS(互補金屬氧化物半導體工藝)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金屬氧化物半導體工藝)和CHMOS(互補高密度金屬氧化物半導體工藝)。CMOS雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而CHMOS則具備了高速和低功耗的特點，這些特征，更適合于在要求低功耗象電池供電的應用場合。所以這種工藝將是今后一段時期單片機發(fā)展的主要途徑。

2、微型單片化

現(xiàn)在常規(guī)的單片機普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機存取數(shù)據(jù)存儲(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強型的單片機集成了如A/D轉換器、PMW(脈寬調制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機將LCD(液晶)驅動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機包含的單元電路就更多，功能就越強大。甚至單片機廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機芯片。

此外，現(xiàn)在的產品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機除了功能強和功耗低外，還要求其體積要小?，F(xiàn)在的許多單片機都具有多種封裝形式，其中SMD(表面封裝)越來越受歡迎，使得由單片機構成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。

3、主流與多品種共存

現(xiàn)在雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以80C51為核心的單片機占主流。所以C8051為核心的單片機占據(jù)了半壁江山。而Microchip公司的PIC精簡指令集(RISC)也有著強勁的發(fā)展勢頭，中國***的HOLTEK公司近年的單片機產量與日俱增，與其低價質優(yōu)的優(yōu)勢，占據(jù)一定的市場分額。此外還有MOTOROLA公司的產品，日本幾大公司的專用單片機。在一定的時期內，這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個單片機一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補，相輔相成、共同發(fā)展的道路。

主流單片機種類及特點

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51單片機

應用最廣泛的8位單片機當然也是初學者們最容易上手學習的單片機，最早由Intel推出，由于其典型的結構和完善的總線專用寄存器的集中管理，眾多的邏輯位操作功能及面向控制的豐富的指令系統(tǒng)，堪稱為一代“經(jīng)典”，為以后的其它單片機的發(fā)展奠定了基礎。

特點：

1、從內部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，稱作位處理器，處理對象不是字或字節(jié)而是位。不但能對片內某些特殊功能寄存器的某位進行處理，如傳送、置位、清零、測試等，還能進行位的邏輯運算，其功能十分完備，使用起來得心應手。

2、同時在片內RAM區(qū)間還特別開辟了一個雙重功能的地址區(qū)間，使用極為靈活，這一功能無疑給使用者提供了極大的方便，

3、乘法和除法指令，這給編程也帶來了便利。很多的八位單片機都不具備乘法功能，作乘法時還得編上一段子程序調用，十分不便。

缺點：

1、AD、EEPROM等功能需要靠擴展，增加了硬件和軟件負擔

2、雖然I/O腳使用簡單，但高電平時無輸出能力，這也是51系列單片機的最大軟肋

3、運行速度過慢，特別是雙數(shù)據(jù)指針，如能改進能給編程帶來很大的便利

4、保護能力很差，很容易燒壞芯片

MSP430單片機

MSP430系列單片機是德州儀器1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器，給人們留下的最大的亮點是低功耗而且速度快，匯編語言用起來很靈活，尋址方式很多，指令很少，容易上手。主要是由于其針對實際應用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”解決方案。

特點：

1、強大的處理能力，采用了精簡指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式（7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的27條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在8MHz晶體驅動下指令周期為125 ns。這些特點保證了可編制出高效率的源程序

2、在運算速度方面，能在8MHz晶體的驅動下，實現(xiàn)125ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現(xiàn)乘加）相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法（如FFT等）

3、超低功耗方面，MSP430單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。電源電壓采用的是1.8~3.6V電壓。因而可使其在1MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流會在200~400uA左右，時鐘關斷模式的最低功耗只有0.1uA

缺點：

1、個人感覺不容易上手，不適合初學者入門，資料也比較少，只能跑官網(wǎng)去找

2、占的指令空間較大，因為是16位單片機，程序以字為單位，有的指令竟然占6個字節(jié)。雖然程序表面上簡潔，但與pic單片機比較空間占用很大

STM32單片機

由ST廠商推出的STM32系列單片機，行業(yè)的朋友都知道，這是一款性價比超高的系列單片機，應該沒有之一，功能及其強大。其基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M內核，同時具有一流的外設：1μs的雙12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI等等，在功耗和集成度方面也有不俗的表現(xiàn)，當然和MSP430的功耗比起來是稍微遜色的一些，但這并不影響工程師們對它的熱捧程度，由于其簡單的結構和易用的工具再配合其強大的功能在行業(yè)中赫赫有名

特點：

1、內核：ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz，單周期乘法和硬件除法

2、存儲器：片上集成32-512KB的Flash存儲器。6-64KB的SRAM存儲器

3、時鐘、復位和電源管理：2.0-3.6V的電源供電和I/O接口的驅動電壓。POR、PDR和可編程的電壓探測器（PVD）。4-16MHz的晶振。內嵌出廠前調校的8MHzRC振蕩電路。內部40 kHz的RC振蕩電路。用于CPU時鐘的PLL。帶校準用于RTC的32kHz的晶振

4、調試模式：串行調試（SWD）和JTAG接口。最多高達112個的快速I/O端口、最多多達11個定時器、最多多達13個通信接口

PIC單片機

PIC單片機系列是美國微芯公司（Microship）的產品，共分三個級別，即基本級、中級、高級，是當前市場份額增長最快的單片機之一，CPU采用RISC結構，分別有33、35、58條指令，屬精簡指令集，同時采用Harvard雙總線結構，運行速度快，它能使程序存儲器的訪問和數(shù)據(jù)存儲器的訪問并行處理，這種指令流水線結構，在一個周期內完成兩部分工作，一是執(zhí)行指令，二是從程序存儲器取出下一條指令，這樣總的看來每條指令只需一個周期，這也是高效率運行的原因之一

特點：

1、具有低工作電壓、低功耗、驅動能力強等特點。PIC系列單片機的I/O口是雙向的，其輸出電路為CMOS互補推挽輸出電路。I/O腳增加了用于設置輸入或輸出狀態(tài)的方向寄存器，從而解決了51系列I/O腳為高電平時同為輸入和輸出的狀態(tài)。

2、當置位1時為輸入狀態(tài)，且不管該腳呈高電平或低電平，對外均呈高阻狀態(tài);置位0時為輸出狀態(tài)，不管該腳為何種電平，均呈低阻狀態(tài)，有相當?shù)尿寗幽芰?，低電平吸入電流達25mA，高電平輸出電流可達20mA。相對于51系列而言，這是一個很大的優(yōu)點

3、它可以直接驅動數(shù)碼管顯示且外電路簡單。它的A/D為10位，能滿足精度要求。具有在線調試及編程（ISP）功能。

缺點：

其專用寄存器（SFR）并不像51系列那樣都集中在一個固定的地址區(qū)間內（80～FFH），而是分散在四個地址區(qū)間內。只有5個專用寄存器PCL、STATUS、FSR、PCLATH、INTCON在4個存儲體內同時出現(xiàn)，但是在編程過程中，少不了要與專用寄存器打交道，得反復地選擇對應的存儲體，也即對狀態(tài)寄存器STATUS的第6位（RP1）和第5位（RP0）置位或清零。數(shù)據(jù)的傳送和邏輯運算基本上都得通過工作寄存器W（相當于51系列的累加器A）來進行，而51系列的還可以通過寄存器相互之間直接傳送，因而PIC單片機的瓶頸現(xiàn)象比51系列還要嚴重，這在編程中的朋友應該深有體會