[科普中国]-单片机

单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。

简介单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。1

从二十世纪九十年代开始，单片机技术就已经发展起来，随着时代的进步与科技的发展，目前该技术的实践应用日渐成熟，单片机被广泛应用于各个领域。现如今，人们越来越重视单片机在智能电子技术方面的开发和应用，单片机的发展进入到新的时期，无论是自动测量还是智能仪表的实践，都能看到单片机技术的身影。当前工业发展进程中，电子行业属于新兴产业，工业生产中人们将电子信息技术成功运用，让电子信息技术与单片机技术相融合，有效提高了单片机应用效果。作为计算机技术中的一个分支，单片机技术在电子产品领域的应用，丰富了电子产品的功能，也为智能化电子设备的开发和应用提供了新的出路，实现了智能化电子设备的创新与发展。2

单片机也被称为单片微控器，属于一种集成式电路芯片。在单片机中主要包含CPU、只读存储器ROM和随机存储器RAM等，多样化数据采集与控制系统能够让单片机完成各项复杂的运算，无论是对运算符号进行控制，还是对系统下达运算指令都能通过单片机完成。 由此可见，单片机凭借着强大的数据处理技术和计算功能可以在智能电子设备中充分应用。简单地说，单片机就是一块芯片，这块芯片组成了一个系统，通过集成电路技术的应用，将数据运算与处理能力集成到芯片中，实现对数据的高速化处理。2

基本结构单片机的结构框图如下图所示：

运算器运算器由运算部件——算术逻辑单元（Arithmetic & Logical Unit，简称ALU）、累加器和寄存器等几部分组成。ALU的作用是把传来的数据进行算术或逻辑运算，输入来源为两个8位数据，分别来自累加器和数据寄存器。ALU能完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。

运算器有两个功能：

(1) 执行各种算术运算。

(2) 执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。

运算器所执行全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，并且，一个算术操作产生一个运算结果，一个逻辑操作产生一个判决。

控制器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组成，是发布命令的“决策机构”，即协调和指挥整个微机系统的操作。其主要功能有：

(1) 从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。

(2) 对指令进行译码和测试，并产生相应的操作控制信号，以便于执行规定的动作。

(3) 指挥并控制CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。

微处理器内通过内部总线把ALU、计数器、寄存器和控制部分互联，并通过外部总线与外部的存储器、输入输出接口电路联接。外部总线又称为系统总线，分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。通过输入输出接口电路，实现与各种外围设备连接。

主要寄存器（1）累加器A

累加器A是微处理器中使用最频繁的寄存器。在算术和逻辑运算时它有双功能：运算前，用于保存一个操作数；运算后，用于保存所得的和、差或逻辑运算结果。

（2）数据寄存器DR

数据寄存器通过数据总线向存储器和输入/输出设备送（写）或取（读）数据的暂存单元。它可以保存一条正在译码的指令，也可以保存正在送往存储器中存储的一个数据字节等等。

（3）指令寄存器IR和指令译码器ID

指令包括操作码和操作数。

指令寄存器是用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存中取到数据寄存器中，然后再传送到指令寄存器。当系统执行给定的指令时，必须对操作码进行译码，以确定所要求的操作，指令译码器就是负责这项工作的。其中，指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。

（4）程序计数器PC

PC用于确定下一条指令的地址，以保证程序能够连续地执行下去，因此通常又被称为指令地址计数器。在程序开始执行前必须将程序的第一条指令的内存单元地址（即程序的首地址）送入PC，使它总是指向下一条要执行指令的地址。

（5）地址寄存器AR

地址寄存器用于保存当前CPU所要访问的内存单元或I/O设备的地址。由于内存与CPU之间存在着速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存读/写操作完成为止。

显然，当CPU向存储器存数据、CPU从内存取数据和CPU从内存读出指令时，都要用到地址寄存器和数据寄存器。同样，如果把外围设备的地址作为内存地址单元来看的话，那么当CPU和外围设备交换信息时，也需要用到地址寄存器和数据寄存器。

硬件特征（1）单片机的体积比较小， 内部芯片作为计算机系统，其结构简单，但是功能完善，使用起来十分方便，可以模块化应用。

（2）单片机有着较高的集成度，可靠性比较强，即使单片机处于长时间的工作也不会存在故障问题。

（3） 单片机在应用时低电压、低能耗，是人们在日常生活中的首要选择， 为生产与研发提供便利。

（4）单片机对数据的处理能力和运算能力较强，可以在各种环境中应用，且有着较强的控制能力。2

51单片机的结构与功能历史单片机的发展先后经历了4位、8位、16位和32位等阶段。8位单片机由于功能强，被广泛用于工业控制、智能接口、仪器仪表等各个领域，8位单片机在中、小规模应用场合仍占主流地位，代表了单片机的发展方向，在单片机应用领域发挥着越来越大的作用。380年代初，Intel公司推出了8位的MCS-51系列的单片机。

51单片机的部件MCS-51单片机的逻辑部件，包括一个8位CPU及片内振荡器、 80514B掩膜ROM、87514KBEPROM、8031无ROM、特殊功能寄存 器SFR128BRAM、定时器/计数器T0及T1、并行I/O接口：P0、P1、P2、P3；串行接口：TXD、RXD；中断系统：INT0，INT1。3

基本功能1.8位数据总线，16位地址总线的CPU；

2.具有布尔处理能力和位处理能力；

3.采用哈佛结构，程序存储器与数据存储器地址空间各自独立，便于程序设计；

4.相同地址的64KB程序存储器和64KB数据存储器；

5.0-8KB片内程序存储器(8031无，8051有4KB，8052有8KB，89C55有20KB)；

6.128字节片内数据存储器（8051有256字节）；

7.32根双向并可以按位寻址的I/O线；

8.两个16位定时/计数器(8052有3个)；

9.一个全双工的串行I/O接口；

10.多个中断源的中断结构，具有两个中断优先级；

11.片内时钟振荡器。1

特点单片机的特点可归纳为以下几个方 面：集成度高；存储容量大；外部扩展能力强；控制功能强。

1、从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，处理对象不是字或字节而是位。不但能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。

2、同时在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，使用极为灵活，这一功能无疑给使用者提供了极大的方便。

3、乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。很多的八位单片机都不具备乘法功能，作乘法时还得编上一段子程序调用，十分不便。

应用节能控制由于智能电子设备可能会被经常携带外出，因此对这些设备的能耗要求是非常高的，所以经常会设计一些节能控制模块，从而提高智能电子设备的待机时长。单片机技术在节能控制中的应用主要分为以下几个方面：第一，智能电子设备在外出状态下，大部分是处于轻负载的模式，这时候就需要通过节能控制，确保其基础功能的前提下，进一步降低电量的消耗。单片机通过对智能电子设备中数据的收集，可以大致推断当前设备处于较低的负载，这时可以降低电压及电流的输出，达到节能的目的；第二，单片机可以控制能耗的节奏，例如：在小米手环中，收集人体的心率、睡眠和运动步数等数字，这些数字收集后会在本地进行存储，然后以分钟级的频率进行上报；信息未上报时，设备处于低能耗的状态，信息上报时，会出现一些网络传输方面的消耗，单片机可以控制能耗的节奏，将手环的大部分时间控制在低能耗的状态下，可以使得待机时间长达七十二小时以上。4

智能语音设备为了更好地提高智能电子设备的智能性，可以允许人类通过简单的语言进行控制，实现语音人机交互的目的。目前，语音处理芯片已经开发完成，并开始运用到智能电子设备中。单片机在智能语音设备中的应用，主要分为以下两个部分：第一，软件设置方面，由于单片机可以通过编程的方式，处理一些业务逻辑，因此就能够对智能语音处理过程进行操作。例如：在导航智能电子设备中，可以将其中的一些道路名称、距离等进行提取，然后进行播报；同时，还可以选择不同的名人口吻进行播报，真正实现智能化的定制操作，更好地满足用户的需求；第二，硬件设计方面，由于智能语音设备对资源的消耗比较大，因此为了更好地延长产品的待机时间，会使用单片机技术动态控制产品的功率，进一步降低对电量的消耗。同时，还可以通过单片机技术，提高硬件的响应时间，进一步提高用户的体验。4

报警控制对于部分电子设备来讲，会拥有自动报警的设置，报警控制也是单片机技术经常使用的领域，主要体现在以下几个方面：第一，对于一些自动报警装置来讲，例如：家里经常使用的火灾报警器，就是在外界环境达到一定条件下开启智能报警的设备，如果室内的烟雾浓度到达某种水平，或者是收集外界的数据达到某种状态时，就会自动触发报警设置，从而实现智能报警的功能；第二，对于一些智能电子设备来讲，如果外在环境超过设备的工作环境范围时，或者是设备存在一些异常情况时，就会触发自身的报警机制，让用户能够及时了解设备的运作详情，并且根据报警信息提供解决方案。例如：在一些工厂中，经常会安装一些设备，对工厂的生产环境进行监控，当出现某些异常数据时，就会发生报警，为确保设备的正常运作，设备维护人员需要及时进行处理，避免产生较大的故障。4

医疗设备随着医疗设备技术的不断提升，单片机开始在医疗设备中进行广泛的应用，主要体现在：第一，对病人的身体特征数据进行智能监控，可以将一些医疗设备安装在病人身上，并对其身体的数据进行收集，然后与后台的控制系统进行交互，如果发现病人的身体特征异常时，会及时产生报警。例如：部分医疗设备可以针对病人的心跳、脉搏、血压等进行监控，如果发现异常会及时呼叫医生进行处理；第二，在手术过程中，也会使用一些智能电子设备，例如：部分手术需要进入病人的体内进行，在避免开刀的情况下，可以通过控制智能设备完成手术的过程，进一步降低病人的痛苦，提高病人身体恢复的速度；第三，智能体检数据分析设备，可以将用户的体检数据录入进去，然后输入到分析设备后，通过与正常数据的对比，及时对用户的身体疾病进行预测和诊断。随着我国医疗技术水平的不断提高，单片机技术的应用变得越来越广泛，提高了医疗技术水平，更好地维护病人的健康。4

应用特点单片机拥有以下几种应用特点：（1）拥有良好的集成度； （2）单片机自身体积较小；（3）单片机拥有强大的控制功能，同时运行电压比较低；（4）单片机拥有简易携带等优势， 同时性价比较高。单片机主要应用于下面几种领域当中，分别是：自动化办公、机电一体化、尖端武器和国防军事领域、 航空航天领域、汽车电子设备、医用设备领域、商业营销设备、计算机通讯、家电领域、日常生活和实时控制领域等。5

单片机技术的开发单片机在电子技术中的开发，主要包括CPU开发、程序开发、 存储器开发、计算机开发及C语言程序开发，同时得到开发能够保证单片机在十分复杂的计算机与控制环境中可以正常有序的进行，这就需要相关人员采取一定的措施，下文是笔者的一些简单介绍：

（1）CPU开发。开发单片机中的CPU总线宽度，能够有效完善单片机信息处理功能缓慢的问题，提高信息处理效率与速度，开发改进中央处理器的实际结构，能够做到同时运行2-3个CPU，从而大大提高单片机的整体性能。6

（2）程序开发。嵌入式系统的合理应用得到了大力推广，对程序进行开发时要求能够自动执行各种指令，这样可以快速准确地采集外部数据，提高单片机的应用效率。6

（3）存储器开发。单片机的发展应着眼于内存，加强对基于传统内存读写功能的新内存的探索，使其既能实现静态读写又能实现动态读写，从而显着提高存储性能。6

（4）计算机开发。进一步优化和开发单机片应激即分析，并应用计算机系统，通过连接通信数据，实现数据传递。6

（5）C语言程序开发。优化开发C语言能够保证单片机在十分复杂的计算机与控制环境中，可以正常有序的进行，促使其实现广泛全面的应用。6

单片机有效应用（1）使用寿命。寿命主要指以下2方面：单片机开发产品拥有良好的稳定性和较长的使用寿命，可以长时间稳定运行10年或是20多年；与微处理器相比拥有较长的使用寿命。随着半导体技术的不断提高，MPU更新换代速度的不断提升，部分已经成功上市，同时年龄较小的CPU核心同样会随着I/O模块的发展而不断丰富，生存周期较长。随着新型CPU产品的出现，单片机领域也不断扩展，用户选择余地也相继增加。目前单片机的主要发展趋势就是32位、16位和8位单片机的共同进步。最初单片机主要是从8位开始的，随着多媒体技术、互联网技术和移动通讯技术的发展，32位单片机逐渐发展起来。比如32位的CPU单片机Mororola68k曾经就实现过八千万枚的销量，而16位单片机的发展从产量和品种两种层面上看也有着巨大的进步，呈现出增长的态势。5

（2）运行速度。MUP发展中的主要是不断提升速度，主要是以时钟频率为主要标志，时钟频率逐渐增高。但是单片机却和MUP存在一定的差异，为了进一步提升单片机的抗干扰能力，减少噪音影响，单片机在发展过程中逐渐开始从降低时钟频率入手，为此不惜降低运算效率。从单片机内部系统入手，改变内在时序，在不提升时钟频率的基础上，进一步提高了单片机的运算速度。5

（3）高可靠性和低噪音技术。首先是EFT技术属于抗干扰技术，主要是振荡电路中的正弦信号被外部的环境所影响时，其所发出的波形就叠加各种毛刺信号，而人们在处理过程中也经常利用施密特电路进行整形，随后电路振荡毛刺就会变成触发信号干扰的时钟，交替利用RC滤波电路和施密特电路能够有效消除毛刺作用，让影响失效，促进系统时钟信号的顺利传输。进一步提升单片机稳定性。其次是驱动技术和低噪音的布线技术，传统单片机通常是将地线和电源设置在电路外壳中的对称引脚位置，大都是在右上左下、左上右下两部分对称位置中，如此让电源噪音顺利穿过整个芯片，干扰单片机内部电路。大部分单片机都将电源引脚与地线设置在两个相邻引脚中，这样能够有效减少穿过整个芯片的电流，同时还能在印刷电路板中设置去耦电容，进一步减少噪声影响。5

（4）掩膜与OTP。OTP属于一次性输入的单机片，过去将投产掩膜的单片机当作单片机产品成熟的标志，因为掩膜拥有相应的生产周期，同时OTP型号的单片机价格也不断降低，因此通过OTP进行产品制造逐渐成为近几年的发展趋势。与掩膜方式比较起来，拥有风险小、生产周期短等优势。在社会发现新时期，OTP型号的单片机需求量也不断上涨。5

故障的排除单片机故障的排除

1、单片机正常工作的三个条件

单片机工作的三个条件分别是电源、时钟晶振、复位。当单片机不能正常工作时，我们首先就要检查这三个条件，用电压表或者万用表检测他的电源和接地脚，检测两个引脚之间的电压是不是5V左右；对于时钟晶体振荡有没有正常工作，我们最好用示波器进行检测，看能否检测到相应频率的正弦波脉冲；复位检测比较简单，单片机的复位电平一般是高电平复位，单片机在接通电源的时候一般复位引脚上会出现5V左右的高电平，另外在按下复位按键时，复位引脚上也会出现高电平，用一般的电压表或者万用表都可以进行检测。

2、单片机内部是否正常工作的检测

单片机内部有没有正常工作，我们主要是通过写入程序的方式来进行检测和排查。这个检测需要有“烧入”代码的硬件和软件才行，检测的原理就是通过“烧入”代码的硬件和软件，将一段带有检测功能的正常代码“烧入”到单片机。检查两个方面：第一就是能不能将目标代码正常写入单片机，不能正常写入单片机时，说明单片机已经损坏，需要更换同型号的单片机；第二就是目标代码可以正常写入单片机，写入后的效果是不是就是程序设定的功能，如果是说明单片机正常。

单片机在更换时，我们最好采用同型号的单片机，然后写入公司给予的目标代码，单片机的价格目前一般比较便宜，零售价格大概5元左右。

本词条内容贡献者为:

孙锐 - 教授 - 合肥工业大学