單片機原理及應用發展科普
MCU是Microcontroller Unit 的簡稱，中文叫微控制器，俗稱單片機，是把CPU的頻率與規格做適當縮減，并將內存、計數器、USB、A/D轉換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至LCD驅動電路都整合在單一芯片上，形成芯片級的計算機，為不同的應用場合做不同組合控制，諸如手機、PC外圍、遙控器，至汽車電子、工業上的步進馬達、機器手臂的控制等，都可見到MCU的身影。
單片機出現的歷史并不長，但發展十分迅猛。 它的產生與發展和微處理器（CPU）的產生與發展大體同步，自1971年美國英特爾公司首先推出4位微處理器以來，它的發展到目前為止大致可分為5個階段。下面以英特爾公司的單片機發展為代表加以介紹。
1971年~1976年
單片機發展的初級階段。 1971年11月英特爾公司首先設計出集成度為2000只晶體管/片的4位微處理器英特爾4004，并配有RAM、 ROM和移位寄存器， 構成了第一臺MCS—4微處理器， 而后又推出了8位微處理器英特爾8008， 以及其它各公司相繼推出的8位微處理器。
1976年~1980年
低性能單片機階段。 以1976年英特爾公司推出的MCS—48系列為代表， 采用將8位CPU、 8位并行I/O接口、8位定時/計數器、RAM和ROM等集成于一塊半導體芯片上的單片結構， 雖然其尋址范圍有限（不大于4 KB）， 也沒有串行I/O， RAM、 ROM容量小， 中斷系統也較簡單， 但功能可滿足一般工業控制和智能化儀器、儀表等的需要。
1980年~1983年
高性能單片機階段。 這一階段推出的高性能8位單片機普遍帶有串行口，有多級中斷處理系統， 多個16位定時器/計數器。片內RAM、 ROM的容量加大，且尋址范圍可達64 KB，個別片內還帶有A/D轉換接口。
1983年~80年代末
16位單片機階段。 1983年英特爾公司又推出了高性能的16位單片機MCS－96系列，由于其采用了最新的制造工藝， 使芯片集成度高達12萬只晶體管/片。
1990年代
單片機在集成度、功能、速度、可靠性、應用領域等全方位向更高水平發展。
MCU按其存儲器類型可分為無片內ROM型和帶片內ROM型兩種。對于無片內ROM型的芯片，必須外接EPROM才能應用（典型為8031）；帶片內ROM型的芯片又分為片內EPROM型（典型芯片為87C51）、MASK片內掩模ROM型（典型芯片為8051）、片內Flash型（典型芯片為89C51）等類型。
按用途可分為通用型和專用型；根據數據總線的寬度和一次可處理的數據字節長度可分為8、16、32位MCU。
目前，國內MCU應用市場最廣泛的是消費電子領域，其次是工業領域、和汽車電子市場。消費電子包括家用電器、電視、游戲機和音視頻系統等。工業領域包括智能家居、自動化、醫療應用及新能源生成與分配等。汽車領域包括汽車動力總成和安全控制系統等。
對于絕大多數MCU，下列功能是最普遍也是最基本的，針對不同的MCU，其描述的方式可能會有區別，但本質上是基本相同的。
TImer(定時器)：TImer的種類雖然比較多，但可歸納為兩大類：一類是固定時間間隔的TImer，即其定時的時間是由系統設定的，用戶程序不可控制，系統只提供幾種固定的時間間隔給用戶程序進行選擇，如32Hz，16Hz，8Hz等，此類TImer在4位MCU中比較常見，因此可以用來實現時鐘、計時等相關的功能。
另一類則是Programmable Timer(可編程定時器)，顧名思義，該類Timer的定時時間是可以由用戶的程序來控制的，控制的方式包括：時鐘源的選擇、分頻數(Prescale)選擇及預制數的設定等，有的MCU三者都同時具備，而有的則可能是其中的一種或兩種。此類Timer應用非常靈活，實際的使用也千變萬化，其中最常見的一種應用就是用其實現PWM輸出。
由于時鐘源可以自由選擇，因此，此類Timer一般均與Event Counter(事件計數器)合在一起。
IO口：任何MCU都具有一定數量的IO口，沒有IO口，MCU就失去了與外部溝通的渠道。根據IO口的可配置情況，可以分為如下幾種類型。
純輸入或純輸出口：此類IO口有MCU硬件設計決定，只能是輸入或輸出，不可用軟件來進行實時的設定。
直接讀寫IO口：如MCS-51的IO口就屬于此類IO口。當執行讀IO口指令時，就是輸入口;當執行寫IO口指令則自動為輸出口。
程序編程設定輸入輸出方向的：此類IO口的輸入或輸出由程序根據實際的需要來進行設定，應用比較靈活，可以實現一些總線級的應用，如I2C總線，各種LCD、LED Driver的控制總線等。
對于IO口的使用，重要的一點必須牢記的是：對于輸入口，必須有明確的電平信號，確保不能浮空(可以通過增加上拉或下拉電阻來實現);而對于輸出口，其輸出的狀態電平必須考慮其外部的連接情況，應保證在Standby或靜態狀態下不存在拉電流或灌電流。
外部中斷：外部中斷也是絕大多數MCU所具有的基本功能，一般用于信號的實時觸發，數據采樣和狀態的檢測，中斷的方式由上升沿、下降沿觸發和電平觸發幾種。外部中斷一般通過輸入口來實現，若為IO口，則只有設為輸入時其中斷功能才會開啟;若為輸出口，則外部中斷功能將自動關閉(ATMEL的ATiny系列存在一些例外，輸出口時也能觸發中斷功能)。外部中斷的應用如下：
外部觸發信號的檢測：一種是基于實時性的要求，比如可控硅的控制，突發性信號的檢測等，而另一種情況則是省電的需要。
信號頻率的測量，為了保證信號不被遺漏，外部中斷是最理想的選擇。
數據的解碼：在遙控應用領域，為了降低設計的成本，經常需要采用軟件的方式來對各種編碼數據進行解碼，如Manchester和PWM編碼的解碼。
按鍵的檢測和系統的喚醒：對于進入Sleep狀態的MCU，一般需要通過外部中斷來進行喚醒，最基本的形式則是按鍵，通過按鍵的動作來產生電平的變化。
通訊接口：MCU所提供的通訊接口一般包括SPI接口，UART，I2C接口等，其分別描述如下：
SPI接口：此類接口是絕大多數MCU都提供的一種最基本通訊方式，其數據傳輸采用同步時鐘來控制，信號包括：SDI(串行數據輸入)、SDO(串行數據輸出)、SCLK(串行時鐘)及Ready信號;有些情況下則可能沒有Ready信號;此類接口可以工作在Master方式或Slave方式下，通俗說法就是看誰提供時鐘信號，提供時鐘的一方為Master，相反的一方則為Slaver。
UART（Universal Asynchronous Receive Transmit）：屬于最基本的一種異步傳輸接口，其信號線只有Rx和Tx兩條，基本的數據格式為：Start Bit + Data Bit(7-bits/8-bits) + Parity Bit(Even， Odd or None) + Stop Bit(1~2Bit)。一位數據所占的時間稱為Baud Rate(波特率)。
對于大多數的MCU來講，數據為的長度、數據校驗方式(奇校驗、偶校驗或無校驗)、停止位(Stop Bit)的長度及Baud Rate是可以通過程序編程進行靈活設定。此類接口最常用的方式就是與PC機的串口進行數據通訊。
I2C接口：I2C是由Philips開發的一種數據傳輸協議，同樣采用2根信號來實現：SDAT(串行數據輸入輸出)和SCLK(串行時鐘)。其最大的好處是可以在此總線上掛接多個設備，通過地址來進行識別和訪問;I2C總線的一個最大的好處就是非常方便用軟件通過IO口來實現，其傳輸的數據速率完全由SCLK來控制，可快可慢，不像UART接口，有嚴格的速率要求。
Watchdog（看門狗定時器）：Watchdog也是絕大多數MCU的一種基本配置(一些4位MCU可能沒有此功能)，大多數的MCU的Watchdog只能允許程序對其進行復位而不能對其關閉(有的是在程序燒入時來設定的，如Microchip PIC系列MCU)，而有的MCU則是通過特定的方式來決定其是否打開，如Samsung的KS57系列，只要程序訪問了Watchdog寄存器，就自動開啟且不能再被關閉。一般而言watchdog的復位時間是可以程序來設定的。Watchdog的最基本的應用是為MCU因為意外的故障而導致死機提供了一種自我恢復的能力。
任何一款MCU，其基本原理和功能都是大同小異，所不同的只是其外圍功能模塊的配置及數量、指令系統等。
對于指令系統，雖然形式上看似千差萬別，但實際上只是符號的不同，其所代表的含義、所要完成的功能和尋址方式基本上是類似的。
要了解一款MCU，首先需要知道就是其ROM空間、RAM空間、IO口數量、定時器數量和定時方式、所提供的外圍功能模塊（Peripheral Circuit）、中斷源、工作電壓及功耗等等。
了解這些MCU Features后，接下來第一步就是將所選MCU的功能與實際項目開發的要求的功能進行對比，明確哪些資源是目前所需要的，哪些是本項目所用不到的。
對于項目中需要用到的而所選MCU不提供的功能，則需要認真理解MCU的相關資料，以求用間接的方法來實現，例如，所開發的項目需要與PC機COM口進行通訊，而所選的MCU不提供UART口，則可以考慮用外部中斷的方式來實現。
對于項目開發需要用到的資源，則需要對其Manua*進行認真的理解和閱讀，而對于不需要的功能模塊則可以忽略或瀏覽即可。對于MCU學習來講，應用才是關鍵，也是最主要的目的。
明確了MCU的相關功能后，接下來就可以開始編程了。
對于初學者或初次使用此款MCU的設計者來說，可能會遇到很多對MCU的功能描述不明確的地方，對于此類問題，可以通過兩種方法來解決，一種是編寫特別的驗證程序來理解資料所述的功能;另一種則可以暫時忽略，單片機程序設計中則按照自己目前的理解來編寫，留到調試時去修改和完善。前一種方法適用于時間較寬松的項目和初學者，而后一種方法則適合于具有一定單片機開發經驗的人或項目進度較緊迫的情況。
指令系統千萬不要特別花時間去理解。指令系統只是一種邏輯描述的符號，只有在編程時根據自己的邏輯和程序的邏輯要求來查看相關的指令即可，而且隨著編程的進行，對指令系統也會越來越熟練，甚至可以不自覺地記憶下來。
MCU的程序的編寫與PC下的程序的編寫存在很大的區別，雖然現在基于C的MCU開發工具越來越流行，但對于一個高效的程序代碼和喜歡使用匯編的設計者來講，匯編語言仍然是最簡潔、最有效的編程語言。
對于MCU的程序編寫，其基本的框架可以說是大體一致的，一般分為初始化部分(這是MCU程序設計與PC最大的不同)，主程序循環體和中斷處理程序三大部分，其分別說明如下：
初始化：對于所有的MCU程序的設計來講，出世化是最基本也是最重要的一步，一般包括如下內容：
屏蔽所有中斷并初始化堆棧指針：初始化部分一般不希望有任何中斷發生。
清除系統的RAM區域和顯示Memory：雖然有時可能沒有完全的必要，但從可靠性及一致性的角度出發，特別是對于防止意外的錯誤，還是建議養成良好的編程習慣。
IO口的初始化：根據項目的應用的要求，設定相關IO口的輸入輸出方式，對與輸入口，需要設定其上拉或下拉電阻;對于輸出口，則必須設定其出世的電平輸出，以防出現不必要的錯誤。
中斷的設置：對于所有項目需要用到的中斷源，應該給予開啟并設定中斷的觸發條件，而對于不使用的多余的中斷，則必須給予關閉。
其他功能模塊的初始化：對于所有需要用到的MCU的外圍功能模塊，必須按項目的應用的要求進行相應的設置，如UART的通訊，需要設定Baud Rate，數據長度，校驗方式和Stop Bit的長度等，而對于Programmer Timer，則必須設置其時鐘源，分頻數及Reload Data等。
參數的出世化：完成了MCU的硬件和資源的出世化后，接下來就是對程序中使用到的一些變量和數據的初始化設置，這一部分的初始化需要根據具體的項目及程序的總體安排來設計。對于一些用EEPROM來保存項目預制數的應用來講，建議在初始化時將相關的數據拷貝到MCU的RAM，以提高程序對數據的訪問速度，同時降低系統的功耗（原則上，訪問外部EEPROM都會增加電源的功耗）。
主程序循環體：大多數MCU是屬于長時間不間斷運行的，因此其主程序體基本上都是以循環的方式來設計，對于存在多種工作模式的應用來講，則可能存在多個循環體，相互之間通過狀態標志來進行轉換。對于主程序體，一般情況下主要安排如下的模塊：
計算程序：計算程序一般比較耗時，因此堅決反對放在任何中斷中處理，特別是乘除法運算。
顯示傳輸程序：主要針對存在外部LED、LCD Driver的應用。
中斷處理程序：中斷程序主要用于處理實時性要求較高的任務和事件，如，外部突發性信號的檢測，按鍵的檢測和處理，定時計數，LED顯示掃描等。
一般情況下，中斷程序應盡可能保證代碼的簡潔和短小，對于不需要實時去處理的功能，可以在中斷中設置觸發的標志，然后由主程序來執行具體的事務――這一點非常重要，特別是對于低功耗、低速的MCU來講，必須保證所有中斷的及時響應。
對于不同任務體的安排，不同的MCU其處理的方法也有所不同。
例如，對于低速、低功耗的MCU(Fosc=32768Hz)應用，考慮到此類項目均為手持式設備和采用普通的LCD顯示，對按鍵的反應和顯示的反應要求實時性較高，應此一般采用定時中斷的方式來處理按鍵的動作和數據的顯示；而對于高速的MCU，如Fosc》1MHz的應用，由于此時MCU有足夠的時間來執行主程序循環體，因此可以只在相應的中斷中設置各種觸發標志，并將所有的任務放在主程序體中來執行。
在MCU的程序設計中，還需要特別注意的一點就是：要防止在中斷和主程序體中同時訪問或設置同一個變量或數據的情況。有效的預防方法是，將此類數據的處理安排在一個模塊中，通過判斷觸發標志來決定是否執行該數據的相關操作；而在其他的程序體中(主要是中斷)，對需要進行該數據的處理的地方只設置觸發的標志。――這可以保證數據的執行是可預知和唯一的。
1、Freescale+NXP（飛思卡爾+恩智浦）：荷蘭，主要提供16位、32位MCU。應用范圍：汽車電子、LED和普通照明、醫療保健、多媒體融合、家電和電動工具、樓宇自動化技術電機控制、電源和功率轉換器、能源和智能電網、自動化、計算機與通信基礎設施。
2、Microchip+Atmel（微芯科技+愛特梅爾）：美國，主要提供16位、32位MCU。應用范圍：汽車電子、工業用、電機控制、汽車、樓宇自動化、家用電器、家庭娛樂、工業自動化、照明、物聯網、智能能源、移動電子設備、計算機外設。
3、Cypress+Spansion（賽普拉斯+飛索半導體）：美國，主要提供8位、16位、32位MCU。應用范圍：汽車電子、家用電器、醫療、消費類電子、通信與電信、工業、無線。
4、ADI（亞德諾半導體）：美國，主要提供8位、16位、32位MCU。應用范圍：航空航天與國防、汽車應用 、樓宇技術 、通信 、消費電子 、能源 、醫療保健 、儀器儀表和測量 、電機、工業自動化 、安防。
5、Infineon（英飛凌）：德國，主要提供16位、32位MCU。應用范圍：汽車電子、消費電子、工程、商用和農用車輛、數據處理、電動交通、工業應用、醫療設備、移動設備、電機控制與驅動、電源、面向摩托車電動自行車與小型電動車、智能電網、照明、太陽能系統解決方案、風能系統解決方案。
6、ST Microelectronics（意法半導體）：意大利/法國，主要提供32位MCU。應用范圍：LED和普通照明、交通運輸、醫療保健、多媒體融合、家電和電動工具、樓宇自動化技術電機控制、電源和功率轉換器、能源和智能電網、自動化、計算機與通信基礎設施。
7、Qualcomm（高通）：美國，主要提供16位，32位MCU。應用范圍：智能手機、平板電腦、無線調制解調器。
8、Texas Instruments（德州儀器）：美國，主要提供16位、32位MCU。應用范圍：汽車電子、消費電子、醫療設備、移動設備、通信。
9、Maxim（美信）：美國，主要提供32位MCU。應用范圍：汽車電子、消費電子、工業應用、安防。
1、Renesas（瑞薩）：日本，主要提供16位、32位MCU。應用范圍：電腦及外設、消費類電子、健康醫療電子、汽車電子、工業、通信。
2、Toshiba（東芝）：日本，主要提供16位、32位MCU。應用范圍：汽車電子、工業用、電機控制、無線通信、移動電話、電腦與周邊設備、影像及音視頻、消費類(家電)、LED照明、安全、電源管理、娛樂設備。
3、Fujitsu（富士通）：日本，主要提供32位MCU。應用范圍：汽車、醫療、機械，家電。
4、Samsung Electronics（三星電子）：韓國，主要提供16位、32位MCU。應用范圍：汽車電子、工業用、電機控制、汽車、樓宇自動化、家用電器、家庭娛樂、工業自動化、照明、物聯網、智能能源、移動電子設備、計算機外設。
1、宏晶科技：臺灣，主要提供32位MCU。應用范圍：通信、工業控制、信息家電、語音。
2、盛群半導體：臺灣，主要提供8位、32位MCU。應用范圍：消費電子、LED照明等。
3、凌陽科技：臺灣，主要提供8位、16位MCU。應用范圍：家庭影音。
4、中穎電子：臺灣，主要提供4位、8位MCU。應用范圍：充電器、移動電源、家電、工業控制。
5、松翰科技：臺灣，主要提供8位、32位MCU。應用范圍：搖控器、智能型充電器、大小系統、電子秤、耳溫槍、血壓計、胎壓計、各類量測及健康器材。
6、華邦電子：臺灣，主要提供8位、16位MCU。應用范圍：車用電子、工業電子、網絡、計算機、消費電子、物聯網。
7、十速科技：臺灣，主要提供4位、8位、51位MCU。應用范圍：遙控器、小家電。
8、佑華微電子：臺灣，主要提供4位、8位MCU。應用范圍：錄音集成電路產品、消費電子、家用產品。
9、應廣科技單片機：臺灣，主要提供4位、8位MCU。應用范圍：機械、自動化、家電、機器人。
10、義隆電子：臺灣，主要提供8位、16位MCU。應用范圍：消費電子、電腦、智能手機。
1、希格瑪微電子：主要提供32位MCU，應用范圍：電信、制造、能源、交通、電力等。
2、珠海歐比特：主要提供32位MCU，應用范圍：航空航天：星箭站船、飛行器;高端工控：嵌入式計算機;艦船控制、工業控制、電力設備、環境監控。
3、兆易創新：主要提供32位MCU，應用范圍：工業自動化、人機界面、電機控制、安防監控、智能家居、物聯網。
4、晟矽微電子：主要提供8位、32位MCU，應用范圍：小家電、消費類電子、遙控器、鼠標、鋰電池、數碼產品、汽車電子、醫療儀器及計量、玩具、工業控制、智能家居及安防等領域。
5、芯海科技：主要提供16、32位MCU，應用范圍：儀器儀表、物聯網、消費電子、家電、汽車電子。
6、聯華集成電路：主要提供8位、16位MCU，應用范圍：消費電子、白色家電、工業控制、通信設備、汽車電子、計算機。
7、珠海建榮：主要提供8位MCU，應用范圍：家用電器 、移動電源。
8、炬芯科技：主要提供8位至32位MCU，應用范圍：平板電腦、智能家居、多媒體、藍牙、wifi音頻。
9、愛思科微電子：主要提供8位、16位MCU，應用范圍：消費類芯片、通訊類芯片、信息類芯片、家電。
10、華芯微電子：主要提供8位、4位MCU，應用范圍：衛星接收器、手機充電器、萬年歷、多合一遙控器。
11、上海貝嶺（華大半導體控股）：主要提供8位、16位、32位MCU，應用范圍：計算機周邊、HDTV、電源管理、小家電、數字家電。
12、海爾集成電路：主要提供14位、15位、16位MCU，應用范圍：消費電子、汽車電子、工業、智能儀表。
13、北京君正：主要提供32位MCU，應用范圍：可穿戴式設備、物聯網、智能家電、汽車、費類電子、平板電腦。
14、中微半導體：主要提供8位MCU，應用范圍：智能家電、汽車電子、安防監控、LED照明及景觀、智能玩具、智能家居、消費類電子。
15、神州龍芯集成電路：主要提供32位MCU，應用范圍：電力監控、智能電網、工業數字控制、物聯網、智能家居、數據監控。
16、紫光微電子：主要提供8位、16位MCU，應用范圍：智能家電。
17、時代民芯：主要提供32位MCU，應用范圍：汽車導航、交通監控、漁船監管、電力電信網絡。
18、華潤矽科微電子（華潤微旗下公司）：主要提供8位、16位MCU，應用范圍：消費電子、工業控制、家電。
19、國芯科技：主要提供32位MCU，應用范圍：信息安全領域 、辦公自動化領域、通訊網絡領域、 信息安全領域。
20、中天微：主要提供32位MCU，應用范圍：智能手機、數字電視、機頂盒、汽車電子、GPS、電子閱讀器、打印機。
21、華潤微電子：主要提供8位、16位MCU，應用范圍：家電，消費類電子、工業自動化控制的通用控制電路。
22、中穎電子：主要提供4位、8位、16位、32位MCU，應用范圍：家電、電機。
23、靈動微電子：主要提供32位，應用范圍：電機控制、藍牙控制、高清顯示、無線充、無人機、微型打印機、智能標簽、電子煙、LED點陣屏等。
24、新唐科技：主要提供8位MCU，應用范圍：照明、物聯網等。
25、東軟載波：主要提供8位、32位MCU，應用范圍：家電、智能家居、儀器儀表、液晶面板控制器、工業控制等。
26、貝特萊：主要提供32位MCU，應用范圍：智能家居、工業控制以及消費類產品領域。
27、笙泉科技：主要提供8位MCU，應用范圍：車用、教育、工控、醫療等中小型顯示面板。
28、航順芯片：主要提供8位、32位MCU，應用范圍：汽車、物聯網等。
29、復旦微電子：主要提供16位、32位MCU，應用范圍：智能電表、智能門鎖等。
30、華大半導體：主要提供8位、16位、32位MCU，應用范圍：工業控制、智能制造、智慧生活及物聯網等。
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