单片机
单片机英文名称为Microcontrollers，是一种集成电路芯片，是一个采用超大规模集成电路技术将CPU、ROM、RAM、I/O、中断系统、定时器等集成到一块硅片上的微型计算机系统，因此它又称为单片微控制器。单片机系统结构简单、处理功能强、速度快、环境适应力强，在工业领域已有着广泛的应用。[1]
| 单片机 | |
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中文名称：单片微型计算机
外文名称：Microcontrollers
别称：单片微控制器
简称：单片机
目录
发展历程
单片机诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段，早期的SCM单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上发展出了MCS51系列MCU系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位Soc单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、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工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的综合，甚至比人类的数量还要多。[2]
结构与原理
单片机主要由运算器、控制器和寄存器三大部分构成。其中，运算器由算术逻辑单元(ALU)、累加器、寄存器等构成，首先累加器和寄存器向ALU输入两个8位源数据，其次ALU完成源数据的逻辑运算，最后将运算结果存入寄存器中;控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等构成，是一个下达命令的“组织”，用于协调整个系统各部分之间的运作;寄存器主要有累加器A、数据寄存器DR、指令寄存器IR、指令译码器ID、程序计数器PC、地址寄存器AR等。
在微处理器内部运算器、控制器、寄存器之间是相互连接的，由控制器向各部分发布操作命令，运算器接到命令后进行相应运算，并将运算后结果存入相应的寄存器中。[3]
硬件特性
1、主流单片机包括CPU、4KB容量的RAM、128 KB容量的ROM、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。
2、系统结构简单，使用方便，实现模块化；
3、单片机可靠性高，可工作到10^6 ~10^7小时无故障；
4、处理功能强，速度快。
5、低电压，低功耗，便于生产便携式产品
6、控制功能强
7、环境适应能力强。[4]
应用
单片机现已渗透到我们日常生活中的各个领域，小到家用电器、仪器仪表，大到医疗器械、航空航天，无不存在着单片机的身影。一旦在某种产品上添加了单片机，便使得原产品向互联网靠拢，获得了“智能型”的前缀。单片机具体在各个领域的应用如下：
1、在仪器仪表领域，一旦采用单片机对其进行控制，便使得仪器仪表变得数字化、智能化、微型化，且其功能更加强大;
2、在家用电器领域，已广泛实现了家用电器的单片机控制，如电饭煲、电冰箱、空调、彩电、音响等等;
3、在网络通信领域，手机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统等等都已实现了单片机控制，且单片机普遍具备通信接口，使得通信设备可以方便地与计算机之间进行数据通信;
4、在工业控制领域，可以使用单片机构成多种多样的控制系统，如工厂流水线的智能化管理、电梯智能化控制、各种报警系统、与计算机联网构成二级控制系统等;
5、在医疗设备领域，单片机也极大的实现了它的价值，已广泛应用于各种分析仪、监护仪、病床呼叫系统、医用呼吸机等医疗设备中;
6、在模块化系统中，可利用单片机实现特定功能，进行模块化应用，而不要求操作人员了解其内部结构，这样做大大地缩小了体积、简化了电路，也降低了损坏率、错误率;
常见种类介绍
单片机种类繁多，但是一般常用的有以下几种：
1、AVR单片机
是增强型RISC内载Flash的单片机，芯片上的Flash存储器附在用户的产品中，可随时编程，再编程，使用户的产品设计容易，更新换代方便。AVR单片机采用增强的RISC结构，使其具有高速处理能力，在一个时钟周期内可执行复杂的指令，每MHz可实现1MIPS的处理能力。AVR单片机工作电压为2.7~6.0V,可以实现耗电最优化。AVR的单片机广泛应用于计算机外部设备，工业实时控制，仪器仪表，通讯设备，家用电器，宇航设备等各个领域。
2、Motorola单片机
Motorola是世界上最大的单片机厂商。从M6800开始，开发了广泛的品种，4位，8位，16位32位的单片机都能生产，其中典型的代表有：8位机M6805,M68HC05系列，8位增强型M68HC11,M68HC12 , 16位机M68HC16, 32位机M683XX。Motorola单片机的特点之一是在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于工控领域及恶劣的环境。
3、MicroChip单片机
MicroChip单片机的主要产品是PIC 16C系列和17C系列8位单片机，CPU采用RISC结构，分别仅有33,35,58条指令，采用Harvard双总线结构，运行速度快，低工作电压，低功耗，较大的输入输出直接驱动能力，价格低，一次性编程，小体积。 适用于用量大，档次低，价格敏感的产品。在办公自动化设备，消费电子产品，电讯通信，智能仪器仪表，汽车电子，金融电子，工业控制不同领域都有广泛的应用，PIC系列单片机在世界单片机市场份额排名中逐年提高。发展非常迅速。
4、MDT20XX系列单片机
工业级OTP单片机，Micon公司生产，与PIC单片机管脚完全一致，海尔集团的电冰箱控制器，TCL通信产品，长安奥拓铃木小轿车功率分配器就采用这种单片机。
5、EM78系列OTP型单片机
台湾义隆电子股份有限公司，直接替代PIC16CXX,管脚兼容，软件可转换。
6、Scenix单片机
Scenix公司推出的8位RISC结构SX系列单片机与Intel 的Pentium II等一起被《Electronic Industry Yearbook 1998》评选为1998年世界十大处理器。在技术上有其独到之处：SX系列双时钟设置，指令运行速度可达50/75/100MIPS（每秒执行百万条指令，XXX M Instruction Per Second） ;具有虚拟外设功能，柔性化I/O端口，所有的I/O端口都可单独编程设定，公司提供各种I/O的库函数，用于实现各种I/O模块的功能，如多路UART,多路A/D,PWM,SPI,DTMF,FS,LCD驱动等等。采用EEPROM/FLASH程序存储器，可以实现在线系统编程。通过计算机RS232C接口，采用专用串行电缆即可对目标系统进行在线实时仿真。
7、EPSON单片机
EPSON单片机以低电压，低功耗和内置LCD驱动器特点着名于世，尤其是LCD驱动部分做得很好。广泛用于工业控制，医疗设备，家用电器，仪器仪表，通信设备和手持式消费类产品等领域。目前EPSON已推出四位单片机SMC62系列，SMC63系列，SMC60系列和八位单片机SMC88系列。
8、东芝单片机
东芝单片机门类齐全，4位机在家电领域有很大市场，8位机主要有870系列，90系列，该类单片机允许使用慢模式，采用32K时钟时功耗降至10UA数量级。东芝的32位单片机采用MIPS 3000A RISC的CPU结构，面向VCD,数字相机，图像处理等市场。
9、8051单片机
8051单片机最早由Intel公司推出，其后，多家公司购买了8051的内核，使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大，应用也最广泛，有人推测8051可能最终形成事实上的标准MCU芯片。
10、LG GMS90系列单片机
该系列芯片与Intel MCS-51系列，Atmel 89C51/52,89C2051等单片机兼容，CMOS技术，高达40MHZ的时钟频率，应用于：多功能电话，智能传感器，电度表，工业控制，防盗报警装置，各种计费器，各种IC卡装置，DVD,VCD,CD-ROM。
11、华邦单片机
华邦公司的W77,W78系列8位单片机的脚位和指令集与8051兼容， 但每个指令周期只需要4个时钟周期，速度提高了三倍，工作频率最高可达40MHz。同时增加了WatchDog Timer,6组外部中断源，2组UART,2组Data pointer及Wait state control pin。
12、Zilog单片机：Z8单片机是Zilog公司的产品，采用多累加器结构，有较强的中断处理能力，开发工具价廉物美。Z8单片机以低价位面向低端应用。我想很多人都知道Z80单板机，直到90年代后期，很多大学的微机原理还是讲述Z80。
13、NS单片机：COP8单片机是NS（美国国家半导体公司）的产品，内部集成了16位A/D,这是不多见的，在看门狗多路及STOP方式下单片机的唤醒方式上都有独到之处。此外，COP8的程序加密也做得比较好。 [6]
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