單片機
單片機英文名稱為Microcontrollers，是一種集成電路芯片，是一個採用超大規模集成電路技術將CPU、ROM、RAM、I/O、中斷系統、定時器等集成到一塊硅片上的微型計算機系統，因此它又稱為單片微控制器。單片機系統結構簡單、處理功能強、速度快、環境適應力強，在工業領域已有着廣泛的應用。[1]
| 單片機 | |
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中文名稱：單片微型計算機
外文名稱：Microcontrollers
別稱：單片微控制器
簡稱：單片機
目錄
發展歷程
單片機誕生於1971年，經歷了SCM、MCU、SoC三大階段，早期的SCM單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此後在8031上發展出了MCS51系列MCU系統。基於這一系統的單片機系統直到現在還在廣泛使用。隨着工業控制領域要求的提高，開始出現了16位單片機，但因為性價比不理想並未得到很廣泛的應用。90年代後隨着消費電子產品大發展，單片機技術得到了巨大提高。隨着INTEL i960系列特別是後來的ARM系列的廣泛應用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，並且進入主流市場。
而傳統的8位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數百倍。目前，高端的32位Soc單片機主頻已經超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元。
當代單片機系統已經不再只在裸機環境下開發和使用，大量專用的嵌入式操作系統被廣泛應用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統。
單片機比專用處理器更適合應用於嵌入式系統，因此它得到了最多的應用。事實上單片機是世界上數量最多的計算機。現代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產品中都會集成有單片機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標等電腦配件中都配有1-2部單片機。而個人電腦中也會有為數不少的單片機在工作。汽車上一般配備40多部單片機，複雜的工業控制系統上甚至可能有數百台單片機在同時工作！單片機的數量不僅遠超過PC機和其他計算的綜合，甚至比人類的數量還要多。[2]
結構與原理
單片機主要由運算器、控制器和寄存器三大部分構成。其中，運算器由算術邏輯單元(ALU)、累加器、寄存器等構成，首先累加器和寄存器向ALU輸入兩個8位源數據，其次ALU完成源數據的邏輯運算，最後將運算結果存入寄存器中;控制器由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序發生器和操作控制器等構成，是一個下達命令的「組織」，用於協調整個系統各部分之間的運作;寄存器主要有累加器A、數據寄存器DR、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、程序計數器PC、地址寄存器AR等。
在微處理器內部運算器、控制器、寄存器之間是相互連接的，由控制器向各部分發布操作命令，運算器接到命令後進行相應運算，並將運算後結果存入相應的寄存器中。[3]
硬件特性
1、主流單片機包括CPU、4KB容量的RAM、128 KB容量的ROM、 2個16位定時/計數器、4個8位並行口、全雙工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。
2、系統結構簡單，使用方便，實現模塊化；
3、單片機可靠性高，可工作到10^6 ~10^7小時無故障；
4、處理功能強，速度快。
5、低電壓，低功耗，便於生產便攜式產品
6、控制功能強
7、環境適應能力強。[4]
應用
單片機現已滲透到我們日常生活中的各個領域，小到家用電器、儀器儀表，大到醫療器械、航空航天，無不存在着單片機的身影。一旦在某種產品上添加了單片機，便使得原產品向互聯網靠攏，獲得了「智能型」的前綴。單片機具體在各個領域的應用如下：
1、在儀器儀表領域，一旦採用單片機對其進行控制，便使得儀器儀表變得數字化、智能化、微型化，且其功能更加強大;
2、在家用電器領域，已廣泛實現了家用電器的單片機控制，如電飯煲、電冰箱、空調、彩電、音響等等;
3、在網絡通信領域，手機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統等等都已實現了單片機控制，且單片機普遍具備通信接口，使得通信設備可以方便地與計算機之間進行數據通信;
4、在工業控制領域，可以使用單片機構成多種多樣的控制系統，如工廠流水線的智能化管理、電梯智能化控制、各種報警系統、與計算機聯網構成二級控制系統等;
5、在醫療設備領域，單片機也極大的實現了它的價值，已廣泛應用於各種分析儀、監護儀、病床呼叫系統、醫用呼吸機等醫療設備中;
6、在模塊化系統中，可利用單片機實現特定功能，進行模塊化應用，而不要求操作人員了解其內部結構，這樣做大大地縮小了體積、簡化了電路，也降低了損壞率、錯誤率;
常見種類介紹
單片機種類繁多，但是一般常用的有以下幾種：
1、AVR單片機
是增強型RISC內載Flash的單片機，芯片上的Flash存儲器附在用戶的產品中，可隨時編程，再編程，使用戶的產品設計容易，更新換代方便。AVR單片機採用增強的RISC結構，使其具有高速處理能力，在一個時鐘周期內可執行複雜的指令，每MHz可實現1MIPS的處理能力。AVR單片機工作電壓為2.7~6.0V,可以實現耗電最優化。AVR的單片機廣泛應用於計算機外部設備，工業實時控制，儀器儀表，通訊設備，家用電器，宇航設備等各個領域。
2、Motorola單片機
Motorola是世界上最大的單片機廠商。從M6800開始，開發了廣泛的品種，4位，8位，16位32位的單片機都能生產，其中典型的代表有：8位機M6805,M68HC05系列，8位增強型M68HC11,M68HC12 , 16位機M68HC16, 32位機M683XX。Motorola單片機的特點之一是在同樣的速度下所用的時鐘頻率較Intel類單片機低得多，因而使得高頻噪聲低，抗干擾能力強，更適合於工控領域及惡劣的環境。
3、MicroChip單片機
MicroChip單片機的主要產品是PIC 16C系列和17C系列8位單片機，CPU採用RISC結構，分別僅有33,35,58條指令，採用Harvard雙總線結構，運行速度快，低工作電壓，低功耗，較大的輸入輸出直接驅動能力，價格低，一次性編程，小體積。 適用於用量大，檔次低，價格敏感的產品。在辦公自動化設備，消費電子產品，電訊通信，智能儀器儀表，汽車電子，金融電子，工業控制不同領域都有廣泛的應用，PIC系列單片機在世界單片機市場份額排名中逐年提高。發展非常迅速。
4、MDT20XX系列單片機
工業級OTP單片機，Micon公司生產，與PIC單片機管腳完全一致，海爾集團的電冰箱控制器，TCL通信產品，長安奧拓鈴木小轎車功率分配器就採用這種單片機。
5、EM78系列OTP型單片機
台灣義隆電子股份有限公司，直接替代PIC16CXX,管腳兼容，軟件可轉換。
6、Scenix單片機
Scenix公司推出的8位RISC結構SX系列單片機與Intel 的Pentium II等一起被《Electronic Industry Yearbook 1998》評選為1998年世界十大處理器。在技術上有其獨到之處：SX系列雙時鐘設置，指令運行速度可達50/75/100MIPS（每秒執行百萬條指令，XXX M Instruction Per Second） ;具有虛擬外設功能，柔性化I/O端口，所有的I/O端口都可單獨編程設定，公司提供各種I/O的庫函數，用於實現各種I/O模塊的功能，如多路UART,多路A/D,PWM,SPI,DTMF,FS,LCD驅動等等。採用EEPROM/FLASH程序存儲器，可以實現在線系統編程。通過計算機RS232C接口，採用專用串行電纜即可對目標系統進行在線實時仿真。
7、EPSON單片機
EPSON單片機以低電壓，低功耗和內置LCD驅動器特點着名於世，尤其是LCD驅動部分做得很好。廣泛用於工業控制，醫療設備，家用電器，儀器儀表，通信設備和手持式消費類產品等領域。目前EPSON已推出四位單片機SMC62系列，SMC63系列，SMC60系列和八位單片機SMC88系列。
8、東芝單片機
東芝單片機門類齊全，4位機在家電領域有很大市場，8位機主要有870系列，90系列，該類單片機允許使用慢模式，採用32K時鐘時功耗降至10UA數量級。東芝的32位單片機採用MIPS 3000A RISC的CPU結構，面向VCD,數字相機，圖像處理等市場。
9、8051單片機
8051單片機最早由Intel公司推出，其後，多家公司購買了8051的內核，使得以8051為內核的MCU系列單片機在世界上產量最大，應用也最廣泛，有人推測8051可能最終形成事實上的標準MCU芯片。
10、LG GMS90系列單片機
該系列芯片與Intel MCS-51系列，Atmel 89C51/52,89C2051等單片機兼容，CMOS技術，高達40MHZ的時鐘頻率，應用於：多功能電話，智能傳感器，電度表，工業控制，防盜報警裝置，各種計費器，各種IC卡裝置，DVD,VCD,CD-ROM。
11、華邦單片機
華邦公司的W77,W78系列8位單片機的腳位和指令集與8051兼容， 但每個指令周期只需要4個時鐘周期，速度提高了三倍，工作頻率最高可達40MHz。同時增加了WatchDog Timer,6組外部中斷源，2組UART,2組Data pointer及Wait state control pin。
12、Zilog單片機：Z8單片機是Zilog公司的產品，採用多累加器結構，有較強的中斷處理能力，開發工具價廉物美。Z8單片機以低價位面向低端應用。我想很多人都知道Z80單板機，直到90年代後期，很多大學的微機原理還是講述Z80。
13、NS單片機：COP8單片機是NS（美國國家半導體公司）的產品，內部集成了16位A/D,這是不多見的，在看門狗多路及STOP方式下單片機的喚醒方式上都有獨到之處。此外，COP8的程序加密也做得比較好。 [6]
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