单片机概述
总述：
一、单片机的概念
单片微机是早期Single Chip Microcomputer 的直译，它忠实地反映了早期单片微机的形态和本质。单片微型计算机简称单片机（Single Chip Microcomputer），又称微控制器（Microcomputer Unit）。将计算机的基本部件微型化，使之集成在一块芯片上。片内含有CPU、
ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及总线等。随后，按照面向对象、突出控制功能，在片内集成了许多外围电路及外设接口，突破了传统意义的计算机结构，发展成microcontroller 的体系结构，目前国外已普遍称之为微控制器MCU（Micro Controller Unit）。鉴于它完全作嵌入式应用，故又称为嵌入式微控制器Embedded Microcontroller）。
1.1单片机的分类
1.1.1根据控制应用可分为：
通用型和专用型两大类。
1.1.2按生产厂家可分为：
美国的英特尔(Intel) 公司、摩托罗拉（Motorola）公司、国家办导体(NS) 公司、Atmel公司、微芯片(Microchip) 公司、洛克威尔(Rockwell)公司、莫斯特克公司(Mostek)、齐洛格(Zilog)公司、仙童(Fairchid)公司、德州仪器(TI)公司等。
日本的电气(NS)公司、东芝(Toshiba)公司、富士通(Fujitsu)公司、松下公司、日立(Hitachi)公司、日电(NEC)公司、夏普公司等。
韩国三星单片机。
荷兰的飞利浦(Philips)公司。
德国的西门子(Siemens)公司等等。
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。
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33,35,5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。
ATMEL公司的AVR单片机,是增强型RISC内载Flash的片机,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。
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。
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MIPS3000A RISC的CPU结构,面向VCD,数字相机,图像处理等市场。
1.1.3单片机按字长可分为：
4位单片机
4 位单片机的控制功能较弱,CPU 一次只能处理4 位二进制数。这类单片机常用于计算器、各种形态的智能单元以及作为家用电器中的控制器。
8位单片机
8 位单片机 8 位单片机的控制功能较强，品种最为齐全。和4 位单片机相比，它不仅具有较大的存储容量和寻址范围，而且中断源、并行I/O 接口和定时器/计数器个数都有了不同程度的增加，并集成有全双工串行通信接口。在指令系统方面，普遍增设了乘除指令和比较指令。特别是8 位机中的高性能增强型单片机，除片内增加了A/D 和D/A 转换器外，还集成有定时器捕捉/比较寄存器、监视定时器(Watchdog)、总线控制部件和晶体振荡电路等。这类单片机由于其片内资源丰富和功能强大，主要在工业控制、智能仪表、家用电器和办公自动化系统中应用。
16位单片机
16 位单片机是在1983 年以后发展起来的。这类单片机的特点是：CPU是16 位的，运算速度普遍高于8 位机，有的单片机的寻址能力高达1MB，片内含有A/D 和D/A转换电路，支持高级语言。这类单片机主要用于过程控制、智能仪表、家用电器以及作为计算机外部设备的控制器等。
32位单片机
32位单片机的字长为32 位，是单片机的顶级产品，具有极高的运算速度。近年来，随着家用电子系统的新发展，32 位单片机的市场前景看好。
继16 位单片机出现后不久，几大公司先后推出了代表当前最高性能和技术水平的32 位单片微机系列。32 位单片机具有极高的集成度，内部采用新颖的RISC（精简指令系统计算机）结构，CPU 可与其他微控制器兼容，主频频率可达33MHz 以上，指令系统进一步优化，运算速度可动态改变，设有高级语言编译器，具有性能强大的中断控制系统、定时/事件控制系统、同步/异步通信控制系统。这类单片机主要应用于汽车、航空航天、高级机器人、军事装备等方面。它代表着单片机发展中的高、新技术水平。
1.2单片机与单片机系统
单片机：通常是应用系统的主机，设计单片机应用系统时，为所选择的单片机系列器件。 单片机系统：单片微机资源的扩展，外围接口电路进入片内，最终向单片应用系统集成发展。——最终产品的目标系统，除了硬件电路外，还须嵌入系统应用程序。按照所选择的单片机，以及单片机的技术要求和嵌入对象对单片机的资源要求构成单片机系统。
单片机应用系统：按照单片机要求在外部配置单片机运行所需要的时钟电路、复位电路等，构成了单片机的最小应用系统。在单片机中CPU 外围电路不能满足嵌入对象功能要求时，在单片机外部扩展CPU 外围电路，如存储器、定时器/计数器、中断源等，形成能满足具体嵌入应用的一个计算机系统。
1.3单片机应用系统与单片机开发系统
单片机开发系统是单片机的开发调试的工具，有单片单板机和仿真器。实现单片机应用系统的硬、软件开发。MDS（微型机开发系统）、ICE（在线仿真器）
1.4单片机的程序设计语言和软件
单片机的程序设计语言有三类分别是机器语言(Machine Language)、汇编语言 (Assemble) 和高级语言 (High Level Language)。
机器语言：单片机应用系统只使用机器语言（指令的二进制代码，又称指令代码）。机器语言指令组成的程序称目标程序。MCS-51两个寄存器相加的机器语言指令：00101000
汇编语言：与机器语言指令一一对应的英文单词缩写，称为指令助记符。汇编语言编写的程序称为汇编语言程序。MCS-51
两个寄存器相加汇编语言指令： ADD A，R0
高级语言：高级语言源程序C-51、C、PL/M51等。 源程序通过编译得到机器能执行的目标程序。汇编语言程序可以高效率利用计算机资源，目标程序占用内存少，执行速度快，适合于自动测控系统反应快速、结构紧凑的要求。实际应用中，常与C 语言配合使用。高级语言程序容易掌握，通用性好，但编译程序系统开销大，目标程序占用内存多，且执行时间比较长，多用于科学计算、工业设计、企业管理。
二、单片机的发展
2.1电子计算机的发展历史
1、第一代（1946—1958）：电子管计算机。用于科学计算 2、第二代（1958—19）：晶体管计算机。用于科学计算、数据处理、工业控制 3、第三代（19—1971）：集成电路计算机、网络。用于科学计算、数据处理、工业控
制、事务管理。
4、（1971— ）：大规模集成电路计算机。用于计算量极大的高尖技术及国民经济领域出现了微型机。
5、第五代：智能型计算机正在研制中。用于模拟人的智能，识别图像、语言和物体，联想、推理、解答问题，使用自然语言进行会话处理。
2.2微型计算机的发展历史
微型机算计的核心部分：微处理器的发展已经历了五代。 第一代（1971—1973）：4位→8位（初级） 第二代（1973—1975）：8位（初级） 第三代（1975—1978）：初级8位单片机 Intel MCS—48系列单片机 （1978—80年代中期）：高档8位单片机Intel MCS—51 系列单片机→16位、32位
第五代（80年代中期至今）：→位
1976- ：初级8位单片机Intel MCS-48系列
1980- ：高档8位单片机Intel MCS-51系列：—51 子系列：8031/8051/8751 —52 子系列：8032/8052/8752低功耗型80C31 高性能型80C252 廉价型C2051/1051
1983- ：16位单片机Intel MCS-96系列：8098/8096、80C198/80C196 32位单片机80960 MCS—48（从1976 年起）：低档型：8021、8022基本型：8048、8748、8038 改进型：8049、8749、8039和8050、8750、8040
MCS—51（从1980年起）：基本型：8051、8751、8031 改进型：8052、8752、8032 低功耗型：80C51、87C51、80C31 强性能型：83C252、87C252、80C252 早期产品：8X9X（8096）
MCS—96（从1983年起）：改进型：8X9XBH、8X9XJF 新产品：8098（准）强功能型：80C196、80C198（准）
三、单片机的应用
3.1用单片机构成智能化产品：
在智能仪器仪表中的应用； 在家用产品中的应用； 在医疗仪器中的应用；
在计算机外部设备中的应用。
3.2、单片机在工业测控领域中的应用：
过程控制：数控铣床、步进控制、生产流水线等； 数据采集； 信号处理；
旧设备的改造。
四、单片机的基本组成
4.1时钟系统 4.2中断系统 4.3定时计数器 4.4数据通信 4.5 AD转换器
五、主流单片机的比较
1）51系列单片机
8031/8051/8751是Intel公司早期的产品。应用的早，影响很大，已成为世界上的工业标准。后来很多芯片厂商以各种方式与Intel公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断的改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容；在使用上基本可以直接互换。人们统称这些与8051内核相同的单片机为“51系列单片机”。
8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的27系列。用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。
8051片内有4k ROM，无须外接外存储器和373，更能体现“单片”的简练。但是所编的程序无法写入到其ROM中，只有将程序交芯片厂代为写入，并是一次性的，不能改写其内容。
8751与8051基本一样，但8751片内有4k的EPROM，用户可以将自己编写的程序写入单片机的EPROM中进行现场实验与应用，EPROM的改写同样需要用紫外线灯照射一定时间擦除后再写入。
2）PIC系列单片机
由美国Microchip公司推出的PIC单片机系列产品，首先采用了RISC结构的嵌入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势。
PIC单片机从覆盖市场出发，已有三种(又称三层次)系列多种型号的产品问世，所以在全球都可以看到PIC单片机从电脑的外设、家电控制、电讯通信、智能仪器、汽车电子到金融电子各个领域的广泛应用。现今的PIC单片机已经是世界上最有影响力的嵌入式微控制器之一。
PIC 8位单片机产品共有三个系列，即基本级、中级和高级。
a基本级系列 该级产品的特点是低价位，如PIC16C5X，适用于各种对成本要求严格的家电产品选用。又如PIC12C5XX是世界第一个8脚的低价位单片机，因其体积很小，完全可以应用在以前不能使用单片机的家电产品的空间。
b中级系列 该级产品是PIC最丰富的品种系列。它是在基本级产品上进行了改进，并保持了很高的兼容性。外部结构也是多种的，从8引脚到68引脚的各种封装，如PIC12C6XX。该级产品其性能很高，如内部带有A/D变换器、E2PROM数据存储器、比较器输出、PWM
输出、I2C和SPI等接口。PIC中级系列产品适用于各种高、中和低档的电子产品的设计中。
c高级系列 该系列产品如PIC17CXX，其特点是速度快，所以适用于高速数字运算的应用场合中，加之它具备一个指令周期内(160ns)可以完成8×8(位)二进制乘法运算能力，所以可取代某些DSP产品。再有PIC17CXX具有丰富的I/O控制功能，并可外接扩展EPROM和RAM，使它成为目前8位单片机中性能最高的机种之一。所以很适用于高、中档的电子设备中使用。
3）AVR系列单片机
AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC(Reduced
Instruction Set CPU) 精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可以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、家用电器等各个领域。
AVR单片机的优势及特点
a、AVR单片机易于入手、便于升级、费用低廉。单片机初学者只需一条ISP下载线，把编辑、调试通过的软件程序直接在线写入AVR单片机，即可以开发AVR单片机系列中的各种封装的器件。
b、高速、低耗、保密。首先，AVR单片机是高速嵌入式单片机。AVR单片机保密性能好。它具有不可破解的位加密锁Lock Bit技术，保密位单元深藏于芯片内部，无法用电子显微镜看到。
c 、I/O口功能强,具有A/D转换等电路。AVR单片机的I/O口是真正的I/O口，能正确反映I/O口输入/输出的真实情况。
d、有功能强大的定时器/计数器及通讯接口。定时/计数器T/C有8位和16位,可用作比较器。计数器外部中断和PWM(也可用作D/A)用于控制输出，某些型号的AVR单片机有3～4个PWM，是作电机无级调速的理想器件。AVR单片机有串行异步通讯UART接口,不占用定时器和SPI同步传输功能,因其具有高速特性，故可以工作在一般标准整数频率下,而波特率可达576K。
4）MSP430系列
它采用了精简指令集（ RISC ）结构，具有丰富的寻址方式、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns 。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。
在运算速度方面， MSP430 系列单片机能在 8MHz 晶体的驱动下，实现 125ns 的指令周期。 16 位的数据宽度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT 等）。
MSP430 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用 6us 。
超低功耗 MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。
由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统有一种活动模式（ AM ）和五种低功耗模式（ LPM0~LPM4 ）。在等待方式下，耗电为 0.7uA ，在节电方式下，最低可达 0.1uA 。
方便高效的开发环境目前 MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。MSP430单片机目前主要以 FLASH 型为主。
5）ARM单片机
ARM在32位MCU中的主流地位是毫无疑问的。ARM公司于1991年成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用ARM技术智能财产（IP）核心的处理器，即我
们通常所说的ARM处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。
ARM首个多核心架构为ARM11 MPCore，架构于原先的ARM11处理器核心之上。ARM11采用当时最先进的0.13μm制造制程，运行频率最高可达500到700MHz。如果采用90nm制程，ARM11核心的工作频率能够轻松达到1GHz以上—对于嵌入式处理器来说，这显然是个相当惊人的程度，不过显然1GHz在ARM11体系中不算是个均衡的设定，因此几乎没有厂商推出达到1GHz的ARM11架构处理器。
六、未来单片机的发展趋势
1.低功耗 CMOS 化、2.微型单片化、3.主流与多品种共存、4.低电压化、5.低噪声与高可靠性、6.高性能化、7.小容量、低价格化
