第1章 单片机概论

1.1 单片机概述

单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简称单片机，其以体积小、质量轻、抗干扰能力强、对应用环境要求不高、价格低廉、维护简单、使用方便、稳定可靠、灵活性好、二次开发容易，以及较高的性能价格比，受到社会的重视和青睐。目前，单片机应用领域从航空、航天、仪器、仪表、家用电器已经普及到国计民生的各个领域。单片机的应用标志着人类社会向自动控制领域前进了一大步。

1.什么是单片机

单片机是在一个硅片上集成了中央处理器（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）和各种输入/输出接口、定时器/计数器、串行通信口及中断系统等多种资源的一个集成电路。它构成了一个完整的微型计算机。因为它的结构及功能是按照工业过程控制设计的，所以单片机也被称为微控制器（Microcontroller）。

在结构设计上，单片机的硬、软件系统及I/O接口控制能力等方面都有独到之处，具有很强的有效功能。从其组成、逻辑功能上来看，单片机具备微型机系统的基本部件。但需要指出的是，单片机毕竟只是一个芯片，只有在配置了应用系统所需的接口芯片、输入/输出设备后，才能构成实用的单片机应用系统。

由于大规模与超大规模集成电路技术的快速发展，微型计算机技术形成了两大分支：微处理器（Micro Processor Unit,MPU）和微控制器（Micro Controller Unit,MCU）。

MPU是微型计算机的核心部件，它的性质决定了微型计算机的性能。通用的计算机已从早期的数值计算、数据处理发展到今天的人工智能阶段，它不仅可以处理文字、字符、图形、图像等信息，还可以处理语音、视频等信息，并向多媒体、人工智能、虚拟现实、网络通信等方向发展。它的存储容量和运算速度正在以惊人的速度发展，高性能的32位、64位微型计算机系统正在向大、中型计算机发出挑战。

MCU 主要用于控制领域，由它构成的检测控制系统具有实时、快速的外部响应功能，能快速地采集大量数据，在做出正确的逻辑推理和判断后实现对被控对象参数的调整与控制。

单片机的发展直接利用了MPU的成果，也发展了16位、32位、64位的机型。但它的发展方向是高性能、高可靠性、低功耗、低电压、低噪声和低成本。目前，单片机仍然处于以8位机为主，16位、32位、64位机并行发展的格局。单片机的发展主要表现在其接口和性能不断满足多种被控对象的要求上，尤其在控制功能上，它可以构成各种专用的控制器和多机控制系统。

2.单片机与嵌入式系统

面向检测控制对象，嵌入到应用系统中的计算机系统称为嵌入式系统。实时性是嵌入式系统的主要特征。此外，嵌入式系统对系统的物理尺寸、可靠性、重启动和故障恢复方面也有特殊的要求。由于被嵌入对象的系统结构、应用环境等的要求，嵌入式系统比通用的计算机系统设计更为复杂，涉及面也更为广泛。嵌入式系统从形式上可分为系统级、板级和芯片级。

系统级嵌入式系统为各种类型的工控机（包括用于进行机械加固和电气加固的通用计算机系统及各种以总线方式工作的工控机和由各种模块组成的工控机）。它们都有通用计算机组成的软件及外设的支持，具有很强的数据处理能力，应用软件的开发也很方便。但由于其体积庞大，一般适用于具有较大空间的嵌入式应用环境，如大型实验装置和船舶、分布式测控系统等。

板级嵌入式系统则是由带有 CPU 的主板及原始制造商（Original Equipment Manufacturer, OEM）的产品组成的系统。与系统级嵌入式系统相比，板级嵌入式系统体积较小，可以满足较小空间的嵌入式应用环境。

芯片级嵌入式系统是将单片机嵌入到对象的环境、结构体系中，作为一个智能化控制单元，是最典型的嵌入式计算机系统。它有唯一的专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统，加上它芯片级的体积和现场运行环境下的高可靠性，最能满足各种中、小型对象的嵌入式应用要求。但是一般的单片机目前还没有通用的系统管理软件或监控程序，只能放置用户调试好的应用程序。它本身不具备开发能力，需要专门的开发工具。

3.单片机的特点

单片机与一般的微型计算机相比，由于其独特的结构决定了它具有如下特点。

（1）集成度高，体积小

在一块芯片上集成了构成一台微型计算机所需的 CPU、ROM、RAM、I/O 接口及定时器/计数器等部件，能满足很多应用领域对硬件的功能要求，因此由单片机组成的应用系统结构简单，体积特别小。

（2）面向控制，功能强

单片机面向控制，它的实时控制功能特别强大，CPU可以直接对I/O接口进行各种操作，能有针对性地解决从简单到复杂的各种控制任务。

（3）抗干扰能力强

单片机内CPU访问存储器、I/O接口的信息传输线（即总线）大多数在芯片内部，因此不易受外界的干扰。另外，由于单片机体积小，适应温度范围宽，在应用环境比较差的状况下，容易采取对系统进行电磁屏蔽等措施，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，所以单片机应用系统的可靠性比一般微型计算机系统高得多。

（4）功耗低

为了满足广泛使用于便携式系统的要求，许多单片机内的工作电压仅为1.8～3.6V，而工作电流仅为数百微安。

（5）使用方便

因为单片机功能强，系统扩展方便，所以应用系统的硬件设计非常简单，又因为有多种多样的单片机开发工具，具有很强的软硬件调试功能和辅助设计的手段，使单片机的应用极为方便，缩短了系统研制的周期。另外，单片机还能方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。

（6）性能价格比高

由于单片机价格便宜，其应用系统的印制电路板小，接插件少，安装调试简单，这一系列原因使得单片机应用系统的性能价格比高于一般的微型计算机系统。为了提高单片机的速度和运行效率，很多厂商已开始使用精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer,RISC）流水线和数字信号处理（Digital Signal Processing,DSP）等技术。单片机应用广泛且市场竞争激烈，使其价格十分低廉，性能价格比极高。

（7）容易产品化

单片机以上的特性缩短了由单片机应用系统样机至正式产品的过渡过程，能够使科研成果迅速转化为生产力。