电子器件的“中控室”：单片机MCU详解

它是如何出身的

单片机出身于1971年，经历SCM、MCU、SoC三大阶段。
单片机由以前的1位、4位、8位、16位。
早期的单片机都是4位或8位。
个中最成功的是英特尔的8031，由于大略可靠而性能不错得到了很大的好评。
此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛利用。

随着工业掌握领域哀求的提高，开始涌现了16位单片机，但由于性价比不理想并未得到很广泛的运用。
90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技能得到了巨大的提高。
如今已发展到32位乃至64位。
90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技能得到了巨大提高，相继出身了一批经由市场磨练得到良好口碑的单片机制造厂商。

“神通广大”，到哪儿都有它

实际事情中并不是任何场合都哀求打算机有很高的性能。
运用的关键看是否够用，是否有很好的性价比。
单片机是电器动作的关键，是指挥硬件运行的。
例如：吸收按钮或按键的输入旗子暗记，按照事先编好的程序，指挥马达和LCD的外围功能电路动作。

为什么很多电器设备都要利用单片机呢？我们用一个点亮LED电路为例来解释。

（右）无单片机的电路是一个由LED，开关和电阻构成的大略电路。
很显然，利用单片机的电路要繁芜得多，而且设计电路还要花费精力与财力。
这样看来利用单片机并没有什么优点，实在不然。

如果我们让这个电路做一些比较繁芜的操作，会怎么样呢。
例如：如果希望LED在按下开关后，经由一段韶光再点亮或熄灭，那么，对付安装有单片机的电路来说，只需变动单片机中的程序就可以了，并不需变动原电路。
另一方面，对付没有单片机的电路来说，就必须在元电路中加入定时器IC，或者用标准逻辑IC和FPGA构成逻辑电路，才能实现这个功能。
也便是说，在变动和添加新功能时，带有单片机的电路显然更加随意马虎实现。

单片机常日用于工业生产的掌握、生活与程序和掌握有关领域。
由于单片机比专用途理器更适宜运用于嵌入式系统，因此它得到了最多的运用。
事实上单片机是天下上数量最多的打算机。
当代人类生活中所用的险些每件电子和机器产品中都会集成有单片机。
手机、电话、打算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。
而个人电脑中也会有为数不少的单片机在事情。
据理解，一辆汽车上要配备40多部单片机，繁芜的工业掌握系统上乃至可能有数百台单片机在同时事情。
这样算下来，单片机的数量已经远超过地球人口的数量了。

那么“无所不能”的单片机都由哪些器件构成的？

以PC为例，一台打算机紧张有这几个部位组成：中心处理单元CPU（进走运算、掌握）、随机存储器RAM（数据存储）、存储器ROM（程序存储）、输入/输出设备I/O（串行口、并行输出口等）。
在个人打算机上这些部份被分成多少块芯片，安装在一个被称之为主板的印刷线路板上。
而在单片机中，这些部份全部被做到一块集成电路芯片中，以是就称为单片机，而且有一些单片机中除了上述部份外，还集成了其它部份如仿照量/数字量转换（A/D）和数字量/仿照量转换（D/A）等。
此外，现在的单片机绝大多数都是基于冯诺伊曼构造。

以51单片机为例，其功能组件及浸染紧张有：

1、CPU主芯片（内部通过总线连接扩展的设备）

2、时钟电路（为单片机供应震荡脉冲）

3、电源电路（为单片机供应电源）

4、内部数据存储器RAM（包括通用数据寄存器和专用寄存器SFR，紧张是数据存储区。
）

5、程序存储器ROM（紧张是存储程序，51系列有4K内部程序ROM，可以外扩64K。
）

6、并行端口48位（P0，P1，P2，P3紧张是数据交流接口。
）

7、串行口（TXD，RXD用于串口通信。
）

8、中断系统（外中断0，定时计数T0，外中断1，定时计数T1，串口中断。
）

9、定时/计数器（16位用于外部的计数和定时功能。
）

在这些组成里，内存是单片机的影象装置，紧张影象程序和数据，但ROM与RAM有所差异：

ROM是只读内存的简称。
保存在ROM中的数据不能删除，也不会因断电而丢失。
ROM紧张用于保存用户程序和在程序实行中保持不变的常数。

RAM是可随机读/写内存的简称。
可以随时读写数据，但关机后，保存在RAM中的数据也随之消逝。
紧张用于存储程序中的变量。
在单芯片单片机中，常常用SRAM作为内部RAM。
SRAM许可高速访问，但是，内部构造太繁芜，很难实现高密度集成，不适宜用作大容量内存。
除SRAM外，DRAM也是常见的RAM。
DRAM的构造比较随意马虎实现高密度集成，因此，比SRAM的容量大。
但是，将高速逻辑电路和DRAM安装于同一个晶片上较为困难，因此，一样平常在单芯片单片机中很少利用，基本上都是用作外围电路。

事情事理

虽说CPU相称于人的大脑，但是它却不能像人的大脑一样，能故意识的、自发的思考。
CPU只能依次读取并实行事先存储在内存中的指令组合。

单片机自动完成授予它的任务过程，即一条条实行的指令过程，所谓指令便是把哀求单片机实行的各种操浸染的命令的形式写下来，这是在设计职员授予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能实行的全部指令，便是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。

以是必须把要把问题编成一系列指令，这一系列指令的凑集就成为程序，程序须要预先存放在存储器中。
存储器由许多存储单元组成，你可以想像成宾馆的房间，指令就存放在这些房间里，房间里的指令取出并实行就像入住要分配房间一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，个中存储的指令就可以被取出，然后再被实行。

主流单片机

现在主流单片机有：

51系列单片机——对所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称，51单片机是根本入门的一个单片机，还是运用最广泛的一种。

PIC系列单片机——用来开拓的去掌握外围设备的集成电路，有打算和影象功能，处理能力一样平常，存储器容量也很有限。

AVR系列单片机——AVR最大的优点便是哈佛构造速率快；片上资源丰富；驱动能力强；功耗低；可选择型号种类多；性价比高；保密性好；带PWM脉冲宽度调制、串行外设接口SPI，片内RC 振荡器，SRAM比51大。

这些是运用最多的三大系列单片机。
其紧张特点便是：51系列单片机是冯.诺依曼构造，后两种是哈佛构造。

范例玩家先容

经多年景长，MCU厂商可谓是多种多样。
大略先容下这个圈里范例玩家

1. 恩智浦（收购飞思卡尔）

单片机是基于80C51内核的单片机，嵌入了掉电检测、仿照以及片内RC振荡器等功能，这使51LPC在高集成度、低本钱、低功耗的运用设计中可以知足多方面的性能哀求。
NXP的MCU险些都是采取cortex-m系列架构。

2. 瑞萨电子

NEC电子和瑞萨科技于2010年4月1日通过合并出身了“瑞萨电子”，现为环球压倒一切的微掌握器供应商，也是SoC系统晶片与各式类比及电源装置等前辈半导体办理方案的领导品牌之一。
他们推出的针对中国市场的MCU产品RL78系列分为通用产品和集成LCD驱动的产品，通用产品的升级款又环绕着传感器、小系统、马达驱动等详细运用领域做了相应拓展。

3. 微芯科技(Microchip)（收购爱特梅尔(Atmel)）

微芯科技是环球领先的单片机和仿照半导体供应商，微芯单片机是市场份额增长最块的单片机。
他们强调节约本钱的最优化设计，利用量大、档次低、价格敏感的产品。

4.三星(Samsung)

三星单片机有KS51和KS57系列4位单片机，KS86和KS88系列8位单片机，KS17系列16位单片机和KS32系列32位单片机。

5. 意法半导体(ST)

意法半导体微掌握器拥有一个强大的产品阵容，从稳健的低功耗8位单片机STM8系列，到基于各种ARM Cortex-M0和M0+、 Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M7内核的32位闪存微掌握器STM32家族。
STM32系列32位微掌握器基于Arm Cortex-M处理器，旨在为MCU用户供应新的开拓自由度。
它包括一系列产品，集高性能、实时功能、数字旗子暗记处理、低功耗/低电压操作、连接性等特性于一身，同时还保持了集成度高和易于开拓的特点。

6. 英飞凌(Infineon)

其前身是西门子集团的半导体部门。
英飞凌8位单片性能实现高性能的电机驱动掌握，在严厉环境下(高温、EMI、振动)具有极高的可靠性。
英飞凌针对中国市场推出的XMC1000工业单片机，在电机掌握领域拥有很高的性价比。

7. 德州仪器(TI)

TI是环球领先的仿照及数字半导体 IC 设计制造公司。
除了供应仿照技能、数字旗子暗记处理 (DSP) 以外，TI 在单片机领域也涉入较深，推出一系列的32位单片机，个中Piccolo系列微处理器最具代表性,详细型号如C2000和F28x系列。

8. 东芝(Toshiba)

东芝单片机的特点从4位机到64位，门类完好。
4位机在家电领域仍有较大的市场。
8位机紧张有870系列、90系列等，该类单片机许可利用慢模式，采取32K时钟时功耗低至10uA数量级。
CPU内部多组寄存器的利用，使得中断相应与处理更加快捷。
东芝的32位单片机采取MIPS3000ARISC的 CPU构造，面向VCD、数字相机、图像处理等市场。

9. Silicon Laboratories(芯科实验室)

Silicon Laboratories成立于1996年，位于美国德州奥斯汀市，是一家专业研发设计类比电路及稠浊旗子暗记IC的公司，为发展快速的通信家当设计等供应广大运用。
在8051系列MCU领域居于领先军团行列。
这家公司2013收购了一家叫Energy Micro的节能型MCU公司，以是产品有两个型号。

10. Maxim

Maxim的超低功耗32 位 Arm Cortex-M4 FPU微掌握器（单片机），可以帮助您在任意地方收发其他超低功耗MCU的产品。
超低功耗MCU系列产品既智能又省电。
他们在去年发布了一款名为MAX78000的革命性芯片。
这颗低功耗神经网络加速微掌握器能将人工智能（AI）推向边缘端，更主要的是，由于其低功耗特性，那就意味着纵然在将其运用在电池供电的物联网（IoT）设备里，芯片性能并未受到影响。

11. ADI

ADI供应日渐增多的DSP、稠浊旗子暗记掌握处理器、嵌入式处理器和仿照微掌握器产品，适宜广泛的通用和专用需求。
例如产品包括：带有微处理器的模数转换芯片ADuC844和ADuC846，用于IoT超低功耗MCU ADuCM4050。

12. 高通（Qualcomm）

高通的MCU紧张运用于智好手机、平板电脑、无线调制解调器等等，功能非常强大。
紧张供应16位，32位MCU。

别的厂商见图片。

MCU作为微型打算机的一个主要分支，运用面很广，发展很快。
自MCU出身至今，已发展为上百种系列的近千个机种。
而且随着半导体集成工艺的不断发展，MCU的集成度将更高、体积将更小、功能将更强。