單片機
返回首頁

電子器件的“中控室”:單片機MCU詳解

2021-03-09 來源:EEWORLD

上一篇文章介紹了嵌入式系統的組成部分。其中提到了單片機MCU,其實它也是一個小系統,它是控制電子產品的大腦。現如今,我們生活中的許多電器都含有單片機。例如:手機、電視機、冰箱、洗衣機、以及開關、LED等。那么,什么是單片機?它在這些電器中究竟做了些什么呢?以及是如何構成的?

 

See the source image

 

它是如何誕生的

 

單片機誕生于1971年,經歷SCM、MCU、SoC三大階段。單片機由以前的1位、4位、8位、16位。早期的單片機都是4位或8位。其中最成功的是英特爾的8031,因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后在8031上發展出了MCS51系列單片機系統。基于這一系統的單片機系統直到現在還在廣泛使用。

 

 

隨著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并未得到很廣泛的應用。90年代后隨著消費電子產品大發展,單片機技術得到了巨大的提高。如今已發展到32位甚至64位。90年代后隨著消費電子產品大發展,單片機技術得到了巨大提高,相繼誕生了一批經過市場考驗獲得良好口碑的單片機制造廠商。

 

“神通廣大”,到哪兒都有它

 

實際工作中并不是任何場合都要求計算機有很高的性能。應用的關鍵看是否夠用,是否有很好的性價比。單片機是電器動作的關鍵,是指揮硬件運行的。例如:接收按鈕或按鍵的輸入信號,按照事先編好的程序,指揮馬達和LCD的外圍功能電路動作。

 

為什么很多電器設備都要使用單片機呢?我們用一個點亮LED電路為例來說明。

 

(右)無單片機的電路是一個由LED,開關和電阻構成的簡單電路。很顯然,使用單片機的電路要復雜得多,而且設計電路還要花費精力與財力。這樣看來使用單片機并沒有什么優點,其實不然。

 

如果我們讓這個電路做一些比較復雜的操作,會怎么樣呢。例如:如果希望LED在按下開關后,經過一段時間再點亮或熄滅,那么,對于安裝有單片機的電路來說,只需更改單片機中的程序就可以了,并不需更改原電路。另一方面,對于沒有單片機的電路來說,就必須在元電路中加入定時器IC,或者用標準邏輯IC和FPGA構成邏輯電路,才能實現這個功能。也就是說,在更改和添加新功能時,帶有單片機的電路顯然更加容易實現。

 

單片機通常用于工業生產的控制、生活與程序和控制有關領域。由于單片機比專用處理器更適合應用于嵌入式系統,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。據了解,一輛汽車上要配備40多部單片機,復雜的工業控制系統上甚至可能有數百臺單片機在同時工作。這樣算下來,單片機的數量已經遠超過地球人口的數量了。

 

那么“無所不能”的單片機都由哪些器件構成的?

 

以PC為例,一臺計算機主要有這幾個部位組成:中央處理單元CPU(進行運算、控制)、隨機存儲器RAM(數據存儲)、存儲器ROM(程序存儲)、輸入/輸出設備I/O(串行口、并行輸出口等)。在個人計算機上這些部份被分成若干塊芯片,安裝在一個被稱之為主板的印刷線路板上。而在單片機中,這些部份全部被做到一塊集成電路芯片中,所以就稱為單片機,而且有一些單片機中除了上述部份外,還集成了其它部份如模擬量/數字量轉換(A/D)和數字量/模擬量轉換(D/A)等。此外,現在的單片機絕大多數都是基于馮·諾伊曼結構。

 

以51單片機為例,其功能組件及作用主要有:

 

1、CPU主芯片(內部通過總線連接擴展的設備)

2、時鐘電路(為單片機提供震蕩脈沖)

3、電源電路(為單片機提供電源)

4、內部數據存儲器RAM(包括通用數據寄存器和專用寄存器SFR,主要是數據存儲區。)

5、程序存儲器ROM(主要是存儲程序,51系列有4K內部程序ROM,可以外擴64K。)

6、并行端口4*8位(P0,P1,P2,P3主要是數據交換接口。)

7、串行口(TXD,RXD用于串口通信。)

8、中斷系統(外中斷0,定時計數T0,外中斷1,定時計數T1,串口中斷。)

9、定時/計數器(16位用于外部的計數和定時功能。)

 

在這些組成里,內存是單片機的記憶裝置,主要記憶程序和數據,但ROM與RAM有所區別:

 

ROM是只讀內存的簡稱。保存在ROM中的數據不能刪除,也不會因斷電而丟失。ROM主要用于保存用戶程序和在程序執行中保持不變的常數。

 

RAM是可隨機讀/寫內存的簡稱。可以隨時讀寫數據,但關機后,保存在RAM中的數據也隨之消失。主要用于存儲程序中的變量。在單芯片單片機中,常常用SRAM作為內部RAM。SRAM允許高速訪問,但是,內部結構太復雜,很難實現高密度集成,不適合用作大容量內存。除SRAM外,DRAM也是常見的RAM。DRAM的結構比較容易實現高密度集成,因此,比SRAM的容量大。但是,將高速邏輯電路和DRAM安裝于同一個晶片上較為困難,因此,一般在單芯片單片機中很少使用,基本上都是用作外圍電路。

 

工作原理

 

雖說CPU相當于人的大腦,但是它卻不能像人的大腦一樣,能有意識的、自發的思考。CPU只能依次讀取并執行事先存儲在內存中的指令組合。

 

單片機自動完成賦予它的任務過程,即一條條執行的指令過程,所謂指令就是把要求單片機執行的各種操作用的命令的形式寫下來,這是在設計人員賦予它的指令系統所決定的,一條指令對應著一種基本操作;單片機所能執行的全部指令,就是該單片機的指令系統,不同種類的單片機,其指令系統亦不同。

 

所以必須把要把問題編成一系列指令,這一系列指令的集合就成為程序,程序需要預先存放在存儲器中。存儲器由許多存儲單元組成,你可以想像成賓館的房間,指令就存放在這些房間里,房間里的指令取出并執行就像入住要分配房間一樣,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,然后再被執行。

 

主流單片機

 

現在主流單片機有:

 

51系列單片機——對所有兼容Intel 8031指令系統的單片機的統稱,51單片機是基礎入門的一個單片機,還是應用最廣泛的一種。

PIC系列單片機——用來開發的去控制外圍設備的集成電路,有計算和記憶功能,處理能力一般,存儲器容量也很有限。

AVR系列單片機——AVR最大的優點就是哈佛結構速度快;片上資源豐富;驅動能力強;功耗低;可選擇型號種類多;性價比高;保密性好;帶PWM脈沖寬度調制、串行外設接口SPI,片內RC 振蕩器,SRAM比51大。

 

這些是應用最多的三大系列單片機。其主要特點就是:51系列單片機是馮.諾依曼結構,后兩種是哈佛結構。

 

典型玩家介紹

 

經多年發展,MCU廠商可謂是多種多樣。簡單介紹下這個圈里典型玩家

 

1. 恩智浦(收購飛思卡爾)

 

單片機是基于80C51內核的單片機,嵌入了掉電檢測、模擬以及片內RC振蕩器等功能,這使51LPC在高集成度、低成本、低功耗的應用設計中可以滿足多方面的性能要求。NXP的MCU幾乎都是采用cortex-m系列架構。

 

 

2. 瑞薩電子

 

NEC電子和瑞薩科技于2010年4月1日通過合并誕生了“瑞薩電子”,現為全球首屈一指的微控制器供應商,也是SoC系統晶片與各式類比及電源裝置等先進半導體解決方案的領導品牌之一。他們推出的針對中國市場的MCU產品RL78系列分為通用產品和集成LCD驅動的產品,通用產品的升級款又圍繞著傳感器、小系統、馬達驅動等具體應用領域做了相應拓展。

 

 

3. 微芯科技(Microchip)(收購愛特梅爾(Atmel))

 

微芯科技是全球領先的單片機和模擬半導體供應商,微芯單片機是市場份額增長最塊的單片機。 他們強調節約成本的最優化設計,使用量大、檔次低、價格敏感的產品。

 

640?wx_fmt=png

 

4.三星(Samsung)

 

三星單片機有KS51和KS57系列4位單片機,KS86和KS88系列8位單片機,KS17系列16位單片機和KS32系列32位單片機。

 

5. 意法半導體(ST)

 

意法半導體微控制器擁有一個強大的產品陣容,從穩健的低功耗8位單片機STM8系列,到基于各種ARM Cortex-M0和M0+、 Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M7內核的32位閃存微控制器STM32家族。STM32系列32位微控制器基于Arm? Cortex?-M處理器,旨在為MCU用戶提供新的開發自由度。它包括一系列產品,集高性能、實時功能、數字信號處理、低功耗/低電壓操作、連接性等特性于一身,同時還保持了集成度高和易于開發的特點。

 

 

6. 英飛凌(Infineon)

 

其前身是西門子集團的半導體部門。英飛凌8位單片機能實現高性能的電機驅動控制,在嚴酷環境下(高溫、EMI、振動)具有極高的可靠性。英飛凌針對中國市場推出的XMC1000工業單片機,在電機控制領域擁有很高的性價比。

 

See the source image

640?wx_fmt=jpeg

 

7. 德州儀器(TI)

 

TI是全球領先的模擬及數字半導體 IC 設計制造公司。除了提供模擬技術、數字信號處理 (DSP) 以外,TI 在單片機領域也涉入較深,推出一系列的32位單片機,其中Piccolo系列微處理器最具代表性,具體型號如C2000和F28x系列。

See the source image

 

8. 東芝(Toshiba)

 

東芝單片機的特點從4位機到64位,門類齊全。4位機在家電領域仍有較大的市場。8位機主要有870系列、90系列等,該類單片機允許使用慢模式,采用32K時鐘時功耗低至10uA數量級。CPU內部多組寄存器的使用,使得中斷響應與處理更加快捷。東芝的32位單片機采用MIPS3000ARISC的 CPU結構,面向VCD、數字相機、圖像處理等市場。

 

See the source image

 

9. Silicon Laboratories(芯科實驗室)

 

Silicon Laboratories成立于1996年,位于美國德州奧斯汀市,是一家專業研發設計類比電路及混合信號IC的公司,為成長快速的通信產業設計等提供廣大應用。在8051系列MCU領域居于領先軍團行列。這家公司2013收購了一家叫Energy Micro的節能型MCU公司,所以產品有兩個型號。

 

10. Maxim

 

Maxim的超低功耗32 位 Arm? Cortex?-M4 FPU微控制器(單片機),可以幫助您在任意地方收發其他超低功耗MCU的產品。超低功耗MCU系列產品既智能又省電。他們在去年發布了一款名為MAX78000的革命性芯片。這顆低功耗神經網絡加速微控制器能將人工智能(AI)推向邊緣端,更重要的是,因為其低功耗特性,那就意味著即使在將其應用在電池供電的物聯網(IoT)設備里,芯片性能并未受到影響。

See the source image

 

11. ADI

 

ADI提供日漸增多的DSP、混合信號控制處理器、嵌入式處理器和模擬微控制器產品,適合廣泛的通用和專用需求。例如產品包括:帶有微處理器的模數轉換芯片ADuC844和ADuC846,用于IoT超低功耗MCU ADuCM4050。

 

 

12. 高通(Qualcomm)

 

高通的MCU主要應用于智能手機、平板電腦、無線調制解調器等等,功能非常強大。主要提供16位,32位MCU。

 

其余廠商見圖片。


MCU作為微型計算機的一個重要分支,應用面很廣,發展很快。自MCU誕生至今,已發展為上百種系列的近千個機種。而且隨著半導體集成工藝的不斷發展,MCU的集成度將更高、體積將更小、功能將更強。

進入單片機查看更多內容>>

上一篇:單片機快速入門1分鐘

下一篇:

相關視頻
  • TI 新一代 C2000? 微控制器:全方位助力伺服及馬達驅動應用

  • MSP430電容觸摸技術 - 防水Demo演示

  • 直播回放: Microchip Timberwolf? 音頻處理器在線研討會

  • 新唐 8051單片機教程

  • 基于靈動MM32W0系列MCU的指夾血氧儀控制及OTA升級應用方案分享

  • 基于靈動MM32SPIN系列MCU的無感FOC便攜冰箱應用方案分享

    相關電子頭條文章
萝卜大香蕉