芯片在沒有開發(fā)前，單片機(jī)只是具備功能極強(qiáng)的超大規(guī)模集成電路，如果賦予它特定的程序，它便是一個最小的、完整的微型計算機(jī)控制系統(tǒng)，它與個人電腦(PC機(jī))有著本質(zhì)的區(qū)別，單片機(jī)的應(yīng)用屬于芯片級應(yīng)用，需要用戶了解單片機(jī)芯片的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)以及其它集成電路應(yīng)用技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計所需要的理論和技術(shù)，用這樣特定的芯片設(shè)計應(yīng)用程序，從而使該芯片具備特定的功能。

不同的單片機(jī)有著不同的硬件特征和軟件特征，即它們的技術(shù)特征均不盡相同，硬件特征取決于單片機(jī)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用戶要使用某種單片機(jī)，必須了解該型產(chǎn)品是否滿足需要的功能和應(yīng)用系統(tǒng)所要求的特性指標(biāo)。這里的技術(shù)特征包括功能特性、控制特性和電氣特性等等，這些信息需要從生產(chǎn)廠商的技術(shù)手冊中得到。軟件特征是指指令系統(tǒng)特性和開發(fā)支持環(huán)境，指令特性即我們熟悉的單片機(jī)的尋址方式，數(shù)據(jù)處理和邏輯處理方式，輸入輸出特性及對電源的要求等等。開發(fā)支持的環(huán)境包括指令的兼容及可移植性，支持軟件(包含可支持開發(fā)應(yīng)用程序的軟件資源)及硬件資源。要利用某型號單片機(jī)開發(fā)自己的應(yīng)用系統(tǒng)，掌握其結(jié)構(gòu)特征和技術(shù)特征是必須的。

單片機(jī)控制系統(tǒng)能夠取代以前利用復(fù)雜電子線路或數(shù)字電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)，可以軟件控制來實(shí)現(xiàn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)智能化，現(xiàn)在單片機(jī)控制范疇無所不在，例如通信產(chǎn)品、家用電器、智能儀器儀表、過程控制和專用控制裝置等等，單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。誠然，單片機(jī)的應(yīng)用意義遠(yuǎn)不限于它的應(yīng)用范疇或由此帶來的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是它已從根本上改變了傳統(tǒng)的控制方法和設(shè)計思想。是控制技術(shù)的一次革命，是一座重要的里程碑。

單片機(jī)的基本工作原理

單片機(jī)自動完成賦予它的任務(wù)的過程，也就是單片機(jī)執(zhí)行程序的過程，即一條條執(zhí)行的指令的過程，所謂指令就是把要求單片機(jī)執(zhí)行的各種操作用的命令的形式寫下來，這是在設(shè)計人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的，一條指令對應(yīng)著一種基本操作；單片機(jī)所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機(jī)的指令系統(tǒng)，不同種類的單片機(jī)，其指令系統(tǒng)亦不同。

單片機(jī)的組成、工作原理、分類、特點(diǎn)以及發(fā)展趨勢

為使單片機(jī)能自動完成某一特定任務(wù)，必須把要解決的問題編成一系列指令（這些指令必須是選定單片機(jī)能識別和執(zhí)行的指令），這一系列指令的集合就成為程序，程序需要預(yù)先存放在具有存儲功能的部件——存儲器中。存儲器由許多存儲單元（最小的存儲單位）組成，就像大樓房有許多房間組成一樣，指令就存放在這些單元里，單元里的指令取出并執(zhí)行就像大樓房的每個房間的被分配到了唯一一個房間號一樣，每一個存儲單元也必須被分配到唯一的地址號，該地址號稱為存儲單元的地址，這樣只要知道了存儲單元的地址，就可以找到這個存儲單元，其中存儲的指令就可以被取出，然后再被執(zhí)行。

程序通常是順序執(zhí)行的，所以程序中的指令也是一條條順序存放的，單片機(jī)在執(zhí)行程序時要能把這些指令一條條取出并加以執(zhí)行，必須有一個部件能追蹤指令所在的地址，這一部件就是程序計數(shù)器PC（包含在CPU中），在開始執(zhí)行程序時，給PC賦以程序中第一條指令所在的地址，然后取得每一條要執(zhí)行的命令，PC在中的內(nèi)容就會自動增加，增加量由本條指令長度決定，可能是1、2或3，以指向下一條指令的起始地址，保證指令順序執(zhí)行。

單片機(jī)的組成

以MSC-51系列單片機(jī)為例，單片機(jī)由5個基本部分組成，包括中央處理器CPU、存儲器、輸入/輸出口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。

單片機(jī)的組成、工作原理、分類、特點(diǎn)以及發(fā)展趨勢

單片機(jī)CPU結(jié)構(gòu)

51單片機(jī)內(nèi)部有一個8位的CPU，包含運(yùn)算器，控制器及若干寄存器等。

從上圖中我們可以看到，在虛線框內(nèi)的就是CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)了，8位的MCS-51單片機(jī)的CPU內(nèi)部有數(shù)術(shù)邏輯單元ALU（ArithmeticLogic Unit）、累加器A（8位）、寄存器B（8位）、程序狀態(tài)字PSW（8位）、程序計數(shù)器PC（有時也稱為指令指針，即IP，16位）、地址寄存器AR（16位）、數(shù)據(jù)寄存器DR（8位）、指令寄存器IR（8位）、指令譯碼器ID、控制器等部件組成。

單片機(jī)的存儲器

存儲器是用來存放程序和數(shù)據(jù)的部件，MCS-51單片機(jī)芯片內(nèi)部存儲器包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩大類。

1、程序存儲器（ROM）

一般用來存放固定程序和數(shù)據(jù)，特點(diǎn)是程序?qū)懭牒竽荛L期保存，不會因斷電而丟失，MSC-51系列單片機(jī)內(nèi)部有4KB的程序存儲空間，可以通過外部擴(kuò)展到64KB。

2、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）

主要用于存放各種數(shù)據(jù)。

優(yōu)點(diǎn)：可以隨機(jī)讀入或讀出，讀寫速度快，讀寫方便。

缺點(diǎn)：電源斷電后，存儲的信息丟失。

單片機(jī)的并行I/O

1、P0口

P0口的口線邏輯電路如圖所示

2、P1口

P1口的口線邏輯電路如圖所示

3、P2口

P2口的口線邏輯電路如圖所示

4、P3口

P3口的口線邏輯電路如圖所示

單片機(jī)的時鐘和時序

1、時鐘電路

單片機(jī)時鐘電路通常有兩種形式：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式

MCS-51單片機(jī)片內(nèi)有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端 。把放大器與晶體振蕩器連接，就構(gòu)成了內(nèi)部自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。

外部振蕩方式就是把外部已有的時鐘信號直接連接到XTAL1端引入單片機(jī)內(nèi)，XTAL2端懸空不用。

2、時序

振蕩周期：為單片機(jī)提供時鐘信號的振蕩源的周期。

時鐘周期：是振蕩源信號經(jīng)二分頻后形成的時鐘脈沖信號。因此時鐘周期是振蕩周期的兩倍，即一個S周期，被分成兩個節(jié)拍—P1、P2

指令周期：CPU執(zhí)行一條指令所需要的時間(用機(jī)器周期表示。

各時序之間的關(guān)系如圖所示。

單片機(jī)的特點(diǎn)

單片機(jī)問世以來所走的路與微處理器是不同的。微處理器向著高速運(yùn)算、數(shù)據(jù)分析與處理能力、大規(guī)模容量存儲等方向發(fā)展,以提高通用計算機(jī)的性能。其接口界面也是為了滿足外設(shè)和網(wǎng)絡(luò)接口而設(shè)計的。單片機(jī)則是從工業(yè)測控對象、環(huán)境、接口特點(diǎn)出發(fā),向著增強(qiáng)控制功能、提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性、靈活方便的構(gòu)成應(yīng)用計算機(jī)系統(tǒng)的界面接口的方向發(fā)展。因此，單片機(jī)有著自已的特點(diǎn),主要是：

1、品種多樣,型號繁多

品種型號逐年擴(kuò)充以適應(yīng)各種需要。使系統(tǒng)開發(fā)者有很大的選擇自由。CPU從4、8、16、32到64位,有些還采用RISC技術(shù)；

2、提高性能,擴(kuò)大容量

集成度已達(dá)200萬個晶體管以上。總線工作速度已達(dá)數(shù)十微秒。工作頻率達(dá)到30MHz甚至40MHz。指令執(zhí)行周期減到數(shù)十微秒。存儲器容量RAM發(fā)展到1K、2K,ROM發(fā)展到32K、64K；

3、增加控制功能,向外部接口延伸

把原屬外圍芯片的功能集成到本芯片內(nèi)。現(xiàn)今的單片機(jī)已發(fā)展到在一塊含有CPU的芯片上,除嵌入RAM、ROM存儲器和I/O接口外,還有A/D、PWM、UART、Timer/Counter、DMA、Watchdog、SerialPort、Sensor、driver、還有顯示驅(qū)動、鍵盤控制、函數(shù)發(fā)生器、比較器等，構(gòu)成一個完整的功能強(qiáng)的計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)；

4、低功耗

供電電壓從5V降到3V、2V甚至1V左右。工作電流從mA級降到LA級。在生產(chǎn)工藝上以CMOS代替NMOS,并向HCMOS過渡；

5、應(yīng)用軟件配套

提供了軟件庫,包括標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用軟件,示范設(shè)計方法。使用戶開發(fā)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時更快速、方便。使有可能做到用一周時間開發(fā)一個新的應(yīng)用產(chǎn)品；

6、系統(tǒng)擴(kuò)展與配置

有供擴(kuò)展外部電路用的三總線結(jié)構(gòu)DB、AB、CB,以方便構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)。根據(jù)單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、多機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)專門開發(fā)出單片機(jī)串行總線。此外,還特別配置有傳感器,人機(jī)對話、網(wǎng)絡(luò)多通道等接口,以便構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)和多機(jī)系統(tǒng)。

單片機(jī)的發(fā)展趨勢

1、低功耗CMOS化

MCS-51系列的8031推出時的功耗達(dá)630mW，而現(xiàn)在的單片機(jī)普遍都在100mW左右，隨著對單片機(jī)功耗要求越來越低，現(xiàn)在的各個單片機(jī)制造商基本都采用了CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)和CHMOS(互補(bǔ)高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。CMOS雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而CHMOS則具備了高速和低功耗的特點(diǎn)，這些特征，更適合于在要求低功耗象電池供電的應(yīng)用場合。所以這種工藝將是今后一段時期單片機(jī)發(fā)展的主要途徑。

2、微型單片化

現(xiàn)在常規(guī)的單片機(jī)普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強(qiáng)型的單片機(jī)集成了如A/D轉(zhuǎn)換器、PMW(脈寬調(diào)制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機(jī)將LCD(液晶)驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機(jī)包含的單元電路就更多，功能就越強(qiáng)大。甚至單片機(jī)廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機(jī)芯片。

此外，現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機(jī)除了功能強(qiáng)和功耗低外，還要求其體積要小?，F(xiàn)在的許多單片機(jī)都具有多種封裝形式，其中SMD(表面封裝)越來越受歡迎，使得由單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。

3、主流與多品種共存

現(xiàn)在雖然單片機(jī)的品種繁多，各具特色，但仍以80C51為核心的單片機(jī)占主流。所以C8051為核心的單片機(jī)占據(jù)了半壁江山。而Microchip公司的PIC精簡指令集(RISC)也有著強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，中國臺灣的HOLTEK公司近年的單片機(jī)產(chǎn)量與日俱增，與其低價質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢，占據(jù)一定的市場分額。此外還有MOTOROLA公司的產(chǎn)品，日本幾大公司的專用單片機(jī)。在一定的時期內(nèi)，這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個單片機(jī)一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補(bǔ)，相輔相成、共同發(fā)展的道路。

主流單片機(jī)種類及特點(diǎn)

51單片機(jī)

應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)當(dāng)然也是初學(xué)者們最容易上手學(xué)習(xí)的單片機(jī)，最早由Intel推出，由于其典型的結(jié)構(gòu)和完善的總線專用寄存器的集中管理，眾多的邏輯位操作功能及面向控制的豐富的指令系統(tǒng)，堪稱為一代“經(jīng)典”，為以后的其它單片機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

單片機(jī)的組成、工作原理、分類、特點(diǎn)以及發(fā)展趨勢

特點(diǎn)：

1、從內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，稱作位處理器，處理對象不是字或字節(jié)而是位。不但能對片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進(jìn)行處理，如傳送、置位、清零、測試等，還能進(jìn)行位的邏輯運(yùn)算，其功能十分完備，使用起來得心應(yīng)手。

2、同時在片內(nèi)RAM區(qū)間還特別開辟了一個雙重功能的地址區(qū)間，使用極為靈活，這一功能無疑給使用者提供了極大的方便，

3、乘法和除法指令，這給編程也帶來了便利。很多的八位單片機(jī)都不具備乘法功能，作乘法時還得編上一段子程序調(diào)用，十分不便。

缺點(diǎn)：

1、AD、EEPROM等功能需要靠擴(kuò)展，增加了硬件和軟件負(fù)擔(dān)

2、雖然I/O腳使用簡單，但高電平時無輸出能力，這也是51系列單片機(jī)的最大軟肋

3、運(yùn)行速度過慢，特別是雙數(shù)據(jù)指針，如能改進(jìn)能給編程帶來很大的便利

4、保護(hù)能力很差，很容易燒壞芯片

MSP430單片機(jī)

MSP430系列單片機(jī)是德州儀器1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器，給人們留下的最大的亮點(diǎn)是低功耗而且速度快，匯編語言用起來很靈活，尋址方式很多，指令很少，容易上手。主要是由于其針對實(shí)際應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”解決方案。

單片機(jī)的組成、工作原理、分類、特點(diǎn)以及發(fā)展趨勢

特點(diǎn)：

1、強(qiáng)大的處理能力，采用了精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（ 7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在8MHz 晶體驅(qū)動下指令周期為 125 ns 。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序

2、在運(yùn)算速度方面，能在 8MHz 晶體的驅(qū)動下，實(shí)現(xiàn) 125ns 的指令周期。 16 位的數(shù)據(jù)寬度、 125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實(shí)現(xiàn)乘加）相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法（如 FFT 等）

3、超低功耗方面，MSP430 單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷杭办`活而可控的運(yùn)行時鐘方面都有其獨(dú)到之處。電源電壓采用的是 1.8~3.6V 電壓。因而可使其在 1MHz 的時鐘條件下運(yùn)行時，芯片的電流會在 200~400uA 左右，時鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有 0.1uA

缺點(diǎn)：

1、個人感覺不容易上手，不適合初學(xué)者入門，資料也比較少，只能跑官網(wǎng)去找

2、占的指令空間較大，因?yàn)槭?6位單片機(jī)，程序以字為單位，有的指令竟然占6個字節(jié)。雖然程序表面上簡潔，但與pic單片機(jī)比較空間占用很大

STM32單片機(jī)

由ST廠商推出的STM32系列單片機(jī)，行業(yè)的朋友都知道，這是一款性價比超高的系列單片機(jī)，應(yīng)該沒有之一，功能及其強(qiáng)大。其基于專為要求高性能、低成 本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M內(nèi)核，同時具有一流的外設(shè)：1μs的雙12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI等等，在功耗和集成度方面也有不俗的表 現(xiàn)，當(dāng)然和MSP430的功耗比起來是稍微遜色的一些，但這并不影響工程師們對它的熱捧程度，由于其簡單的結(jié)構(gòu)和易用的工具再配合其強(qiáng)大的功能在行業(yè)中赫赫有名

特點(diǎn)：

1、內(nèi)核：ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz，單周期乘法和硬件除法

2、存儲器：片上集成32-512KB的Flash存儲器。6-64KB的SRAM存儲器

3、時鐘、復(fù)位和電源管理：2.0-3.6V的電源供電和I/O接口的驅(qū)動電壓。POR、PDR和可編程的電壓探測器（PVD）。4-16MHz的晶 振。內(nèi)嵌出廠前調(diào)校的8MHzRC振蕩電路。內(nèi)部40 kHz的RC振蕩電路。用于CPU時鐘的PLL。帶校準(zhǔn)用于RTC的32kHz的晶振

4、調(diào)試模式：串行調(diào)試（SWD）和JTAG接口。最多高達(dá)112個的快速I/O端口、最多多達(dá)11個定時器、最多多達(dá)13個通信接口

PIC單片機(jī)

PIC單片機(jī)系列是美國微芯公司（Microship）的產(chǎn)品，共分三個級別，即基本級、中級、高級，是當(dāng)前市場份額增長最快的單片機(jī)之一，CPU采用 RISC結(jié)構(gòu)，分別有33、35、58條指令，屬精簡指令集，同時采用Harvard雙總線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度快，它能使程序存儲器的訪問和數(shù)據(jù)存儲器的訪問 并行處理，這種指令流水線結(jié)構(gòu)，在一個周期內(nèi)完成兩部分工作，一是執(zhí)行指令，二是從程序存儲器取出下一條指令，這樣總的看來每條指令只需一個周期，這也是高效率運(yùn)行的原因之一

單片機(jī)的組成、工作原理、分類、特點(diǎn)以及發(fā)展趨勢

特點(diǎn)：

1、具有低工作電壓、低功耗、驅(qū)動能力強(qiáng)等特點(diǎn)。PIC系列單片機(jī)的I/O口是雙向的，其輸出電路為CMOS互補(bǔ)推挽輸出電路。I/O腳增加了用于設(shè)置輸入或輸出狀態(tài)的方向寄存器，從而解決了51系列I/O腳為高電平時同為輸入和輸出的狀態(tài)。

2、當(dāng)置位1時為輸入狀態(tài)，且不管該腳呈高電平或低電平，對外均呈高阻狀態(tài);置位0時為輸出狀態(tài)，不管該腳為何種電平，均呈低阻狀態(tài)，有相當(dāng)?shù)尿?qū)動能力，低電平吸入電流達(dá)25mA，高電平輸出電流可達(dá)20mA。相對于51系列而言，這是一個很大的優(yōu)點(diǎn)

3、它可以直接驅(qū)動數(shù)碼管顯示且外電路簡單。它的A/D為10位，能滿足精度要求。具有在線調(diào)試及編程（ISP）功能。

缺點(diǎn)：

其專用寄存器（SFR）并不像51系列那樣都集中在一個固定的地址區(qū)間內(nèi)（80～FFH），而是分散在四個地址區(qū)間內(nèi)。只有5個專用寄存器PCL、 STATUS、FSR、PCLATH、INTCON在4個存儲體內(nèi)同時出現(xiàn)，但是在編程過程中，少不了要與專用寄存器打交道，得反復(fù)地選擇對應(yīng)的存儲體，也即對狀態(tài)寄存器STATUS的第6位（RP1）和第5位（RP0）置位或清零。數(shù)據(jù)的傳送和邏輯運(yùn)算基本上都得通過工作寄存器W（相當(dāng)于51系列的累加器A）來進(jìn)行，而51系列的還可以通過寄存器相互之間直接傳送，因而PIC單片機(jī)的瓶頸現(xiàn)象比51系列還要嚴(yán)重，這在編程中的朋友應(yīng)該深有體會