1.1 单片机的概念
- 单片机本质上是电子计算机的一种
右：PC主板
- 电子计算机是科技发展的产物，主要是依赖于半导体集成技术的飞速发展
- 计算机发展趋势：微型化、巨型化、网络化、智能模拟化
- 微型机：由大规模/超大规模集成电路组成，结构紧凑、功能强大、可靠性高
- 微型机 = 中央处理器（CPU）+ 存储器 + 通用或专用I/O接口电路 + … …
- 微型机分为单片微机（单片机，MCU）、单板微机和多板微机
- 单片机：将组成微型计算机的各功能部件——中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM、EPROM）、定时/计数器、串行口、I/O接口电路等——集成在一块集成电路芯片上，构成的完整的微型计算机
- 单片机的别称：单片机、单晶片微型计算机、微控制器、MCU、嵌入式控制器、… …
- 单片机分类：
- 按照用途
- 通用型：将可开发的资源（ROM、RAM、I/O、EPROM等）全部开放给用户
- 专用型：硬件及指令按照某种特定用途而设计，应用于打印机、录音机、电机驱动等不同领域
- 按基本操作处理的数据位数
- 1位
- 4位
- 8位：如MCS-51
- 16位
- 32位：如stm32f103
- 按照用途
1.2 单片机的特点及发展概况
- 初级阶段（1974-1976）
- 两片集成芯片（主要受集成工艺限制）
- 仙童F8：包含8位CPU，64字节RAM，2并行口
- 低性能阶段（1976-1978）
- INTER MCS-48：包含8位CPU、并行I/O、8位定时器、4K寻址空间，无串行口，中断处理简单
- 高性能阶段（1978-1982）
- MCS-51：功能较48单片机明显提高
- 更高性能阶段（1983至今）
- 多种机型并行发展
- 8位和32位应用较多
- 当前8位单片机仍然是工业检测、控制应用的主力军
- 实际应用中，不是位数越高越好，能够满足功能要求即可
- 单片机特点：
- 体积小：基本功能部件可满足主体要求，很少需要扩展外围部件
- 可靠性高：总线大多在内部，易于提高电磁屏蔽性能
- 功能强：实时响应速度快；可对I/O口直接操作，具有位处理功能
- 使用方便：易扩展，硬件设计简单，容易组成不同规模的应用系统；提供开发工具和资料
- 性价比高：电路板小；接插件少
- 易产品化：研制周期短（大量功能由软件实现）
- 单片机的出现使电路设计简单化
- 单片机的发展趋势
- CPU的改进
- 采用双CPU结构，提高处理能力：数据计算+人机交互
- 增加数据总线宽度：8->16->32位数据总线，提升运算能力
- 串行总线结构：与并行总线相比，减少了总线数量，提升抗干扰能力
- 存储器的发展
- 加大存储容量
- 片内RPROM采用EEPROM或闪烁（Flash）存储器
- 程序保密化：硬件加密手段
- 片内I/O的改进
- 增加并行口的驱动能力，能直接承受大电流和高电压：推挽输出
- 增加I/O口的逻辑控制功能：字节控制（8bit）->位控制（1bit）
- 设置了一些特殊的串行接口功能，构成分布式、网络化系统：CAN总线
- 外围电路内装化
- 器件集成度不断提高，把众多的外围功能部件集成在片内——系统的单片化：AD、PWM
- 低功耗化
- CMOS化；CHMOS工艺
- 控制功能改进：手机；笔记本电脑
- 总结：高性能、高速、低压（5V->3.3V）、低功耗、低价格、外围电路内装化
- CPU的改进
1.3 单片机的基本组成
1.3.1 中央处理器
- 中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件
- 中央处理器由运算器、控制器、中断部件、时钟和定时控制逻辑部件组成
- 负责处理二进制数据或代码
- 控制、指挥和调度整个单元系统协调地工作
- 完成运算和控制输入、输出功能等操作
1.3.2 存储器
- 根据用途可分为程序存储器和数据存储器
- 单片机系统一般需要较大容量的程序存储器和较小容量的数据存储器
- 程序存储器
- 用于存放用户程序、原始数据或表格
- 根据内部程序存储器类型的不同，分为：
- ROM型单片机：包含只读程序存储器ROM，程序出厂前固化到ROM内，用户不能修改；适用于大批量产品生产
- EPROM型单片机：对于有窗口的EPROM型单片机，可以通过紫外线擦除EPROM中的程序，用编程工具把新的代码写入EPROM，可以反复擦写；对于无窗口的EPROM型单片机，只能写一次，称为OTP型单片机；适用于小批量产品生产
- EEPROM型单片机：可以使用编程工具擦写程序，使用更方便
- Flash Memory型单片机：内部含有快速的Flash Memory程序存储器，可用编程工具擦写程序，使用更方便
- 无ROM型单片机：必须外接EPROM程序存储器，不是完整的单片机
- 数据存储器
- 一般为静态随机存取存储器（SRAM），常用RAM表示，容量几十字节到几千字节
- 也有用EEPROM存储器作为数据存储器
1.3.3 输入/输出部件
- 两种最基本的I/O部件
- 并行口：用于数据的输入/输出
- 定时器：用于定时操作和测量外部输入信号
- 大部分单片机还有一些特殊的I/O部件：
- 串行接口：同步或异步串行口、扩展串行口、I2C BUS串行口、时钟同步串行口
- A-D转换器：一般为8位或10位多路逐次逼近式A-D转换器，新型单片机带有更高位数的A-D转换器
- 多功能定时器：一般是16位多功能定时器，具有多路输入捕捉、比较输出、脉宽调制（PWM）、定时等多种功能
- 显示驱动器：发光二极管（LED）、液晶显示器（LCD）等类型的显示驱动器接口模块
- 其他：三相正弦波输出模块、基本定时实时中断模块、直接存储器存取（DMA）通道、监视定时器（watchdog）模块等
1.4 常用单片机系列
- 器件厂家：
- 美国：Intel、Motorola、Microchip、Atmel等
- 荷兰：Philips等
- 德国：Siemens等
- 日本：Nec、TOSHIBA等
- 中国：兆易创新、中颖电子、华大半导体等
- MCS-51单片机按照内部存储器的类型分为
无ROM型 |
8031 |
需外扩程序存储器 |
ROM型 |
8051 |
程序代码厂家定值，需外扩程序存储器 |
EPROM型 |
8751 |
含4K程序存储器，紫外线擦除 |
EEPROM型 |
8951 |
含4K程序存储器，电可擦除，使用更方便，应用较多 |
- 增强型：8032/8052/8752/8952（定时器数量、存储空间等升级）
- 实际应用中，以8951/8952为主
- MCS-51兼容型单片机的生产厂家
- 美国Intel公司MCS-51系列及其增强型、扩展型系列
- 美国Atmel公司89C51、89C52、89C55、89S52等
- 荷兰Philips公司8xC552系列
- 国产宏晶STC89C51/52
右：STC89C52单片机（开发板）
- MCS-51系列单片机在我国得到了广泛应用，软、硬件设计资料丰富齐全
1.5 单片机的应用领域
1.5.1 单片机的应用
- 应用特点：量大面广
- 机电一体化：机器人（手臂、视觉、听觉）
- 智能仪表：测量仪（温湿度、智能电表）
- 实时控制：汽车；电动汽车
- 家电：热水器、洗衣机、空调
- 网络通信：手机；网卡；通信协议集成其中
- 计算机外设：键盘、打印机
- 保健产品：按摩仪
- 多机分布式系统：工业控制领域；温湿度监控；皮带传送系统
- 使用温度
民品 |
0℃~+70℃ |
工业品 |
-40~+85℃ |
军品 |
-65℃~+125℃ |
实际开发时，需根据所设计的产品的应用领域选择合适品级的芯片
1.5.2 单片机应用系统的结构
- 单片机应用系统由硬件和软件组成
- 硬件是应用系统的基础
- 软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统多要求的任务
- 二者相互依赖，缺一不可
其他：
- 单片机的两种基本结构形式：
- 普林斯顿结构（冯•诺依曼结构）：程序存储器和数据存储器合用一个存储空间，通用微型计算机广泛采用
- 哈佛结构：程序存储器和数据存储器分开、分别寻址，单片机广泛采用