MCU科普總結(jié)

MCU是Microcontroller Unit 的簡稱，中文叫微控制器，俗稱單片機(jī)，是把CPU的頻率與規(guī)格做適當(dāng)縮減，并將內(nèi)存、計(jì)數(shù)器、USB、A/D轉(zhuǎn)換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至LCD驅(qū)動(dòng)電路都整合在單一芯片上，形成芯片級的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場合做不同組合控制，諸如手機(jī)、PC外圍、遙控器，至汽車電子、工業(yè)上的步進(jìn)馬達(dá)、機(jī)器手臂的控制等，都可見到MCU的身影。

單片機(jī)發(fā)展簡史

單片機(jī)出現(xiàn)的歷史并不長，但發(fā)展十分迅猛。它的產(chǎn)生與發(fā)展和微處理器（CPU）的產(chǎn)生與發(fā)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(fā)展到目前為止大致可分為5個(gè)階段。下面以英特爾公司的單片機(jī)發(fā)展為代表加以介紹。

1971年~1976年單片機(jī)發(fā)展的初級階段。1971年11月英特爾公司首先設(shè)計(jì)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(gòu)成了第一臺(tái)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(jī)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(shí)/計(jì)數(shù)器、RAM和ROM等集成于一塊半導(dǎo)體芯片上的單片結(jié)構(gòu)， 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(tǒng)也較簡單， 但功能可滿足一般工業(yè)控制和智能化儀器、儀表等的需要。

1980年~1983年高性能單片機(jī)階段。這一階段推出的高性能8位單片機(jī)普遍帶有串行口，有多級中斷處理系統(tǒng)， 多個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。片內(nèi)RAM、 ROM的容量加大，且尋址范圍可達(dá)64 KB，個(gè)別片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換接口。

1983年~80年代末16位單片機(jī)階段。1983年英特爾公司又推出了高性能的16位單片機(jī)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(dá)12萬只晶體管/片。

1990年代單片機(jī)在集成度、功能、速度、可靠性、應(yīng)用領(lǐng)域等全方位向更高水平發(fā)展。

單片機(jī)的分類和應(yīng)用

MCU按其存儲(chǔ)器類型可分為無片內(nèi)ROM型和帶片內(nèi)ROM型兩種。對于無片內(nèi)ROM型的芯片，必須外接EPROM才能應(yīng)用（典型為8031）；帶片內(nèi)ROM型的芯片又分為片內(nèi)EPROM型（典型芯片為87C51）、MASK片內(nèi)掩模ROM型（典型芯片為8051）、片內(nèi)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(jù)數(shù)據(jù)總線的寬度和一次可處理的數(shù)據(jù)字節(jié)長度可分為8、16、32位MCU。

目前，國內(nèi)MCU應(yīng)用市場最廣泛的是消費(fèi)電子領(lǐng)域，其次是工業(yè)領(lǐng)域、和汽車電子市場。消費(fèi)電子包括家用電器、電視、游戲機(jī)和音視頻系統(tǒng)等。工業(yè)領(lǐng)域包括智能家居、自動(dòng)化、醫(yī)療應(yīng)用及新能源生成與分配等。汽車領(lǐng)域包括汽車動(dòng)力總成和安全控制系統(tǒng)等。

單片機(jī)的基本功能

對于絕大多數(shù)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(huì)有區(qū)別，但本質(zhì)上是基本相同的：

1、TImer(定時(shí)器)：TImer的種類雖然比較多，但可歸納為兩大類：一類是固定時(shí)間間隔的TImer，即其定時(shí)的時(shí)間是由系統(tǒng)設(shè)定的，用戶程序不可控制，系統(tǒng)只提供幾種固定的時(shí)間間隔給用戶程序進(jìn)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(shí)現(xiàn)時(shí)鐘、計(jì)時(shí)等相關(guān)的功能。

另一類則是Programmable Timer(可編程定時(shí)器)，顧名思義，該類Timer的定時(shí)時(shí)間是可以由用戶的程序來控制的，控制的方式包括：時(shí)鐘源的選擇、分頻數(shù)(Prescale)選擇及預(yù)制數(shù)的設(shè)定等，有的MCU三者都同時(shí)具備，而有的則可能是其中的一種或兩種。此類Timer應(yīng)用非常靈活，實(shí)際的使用也千變?nèi)f化，其中最常見的一種應(yīng)用就是用其實(shí)現(xiàn)PWM輸出。

由于時(shí)鐘源可以自由選擇，因此，此類Timer一般均與Event Counter(事件計(jì)數(shù)器)合在一起。

2、IO口：任何MCU都具有一定數(shù)量的IO口，沒有IO口，MCU就失去了與外部溝通的渠道。根據(jù)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口由MCU硬件設(shè)計(jì)決定，只能是輸入或輸出，不可用軟件來進(jìn)行實(shí)時(shí)的設(shè)定。

直接讀寫IO口：如MCS-51的IO口就屬于此類IO口。當(dāng)執(zhí)行讀IO口指令時(shí)，就是輸入口;當(dāng)執(zhí)行寫IO口指令則自動(dòng)為輸出口。

程序編程設(shè)定輸入輸出方向的：此類IO口的輸入或輸出由程序根據(jù)實(shí)際的需要來進(jìn)行設(shè)定，應(yīng)用比較靈活，可以實(shí)現(xiàn)一些總線級的應(yīng)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(diǎn)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(shí)現(xiàn));而對于輸出口，其輸出的狀態(tài)電平必須考慮其外部的連接情況，應(yīng)保證在Standby或靜態(tài)狀態(tài)下不存在拉電流或灌電流。

3、外部中斷：外部中斷也是絕大多數(shù)MCU所具有的基本功能，一般用于信號的實(shí)時(shí)觸發(fā)，數(shù)據(jù)采樣和狀態(tài)的檢測，中斷的方式由上升沿、下降沿觸發(fā)和電平觸發(fā)幾種。外部中斷一般通過輸入口來實(shí)現(xiàn)，若為IO口，則只有設(shè)為輸入時(shí)其中斷功能才會(huì)開啟;若為輸出口，則外部中斷功能將自動(dòng)關(guān)閉(ATMEL的ATiny系列存在一些例外，輸出口時(shí)也能觸發(fā)中斷功能)。外部中斷的應(yīng)用如下：

外部觸發(fā)信號的檢測：一種是基于實(shí)時(shí)性的要求，比如可控硅的控制，突發(fā)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(shù)據(jù)的解碼：在遙控應(yīng)用領(lǐng)域，為了降低設(shè)計(jì)的成本，經(jīng)常需要采用軟件的方式來對各種編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，如Manchester和PWM編碼的解碼。

按鍵的檢測和系統(tǒng)的喚醒：對于進(jìn)入Sleep狀態(tài)的MCU，一般需要通過外部中斷來進(jìn)行喚醒，最基本的形式則是按鍵，通過按鍵的動(dòng)作來產(chǎn)生電平的變化。

4、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(shù)MCU都提供的一種最基本通訊方式，其數(shù)據(jù)傳輸采用同步時(shí)鐘來控制，信號包括：SDI(串行數(shù)據(jù)輸入)、SDO(串行數(shù)據(jù)輸出)、SCLK(串行時(shí)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(shí)鐘信號，提供時(shí)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(shù)據(jù)格式為：Start Bit + Data Bit(7-bits/8-bits) + Parity Bit(Even， Odd or None) + Stop Bit(1~2Bit)。一位數(shù)據(jù)所占的時(shí)間稱為Baud Rate(波特率)。

對于大多數(shù)的MCU來講，數(shù)據(jù)位的長度、數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式(奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或無校驗(yàn))、停止位(Stop Bit)的長度及Baud Rate是可以通過程序編程進(jìn)行靈活設(shè)定。此類接口最常用的方式就是與PC機(jī)的串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

I2C接口：I2C是由Philips開發(fā)的一種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，同樣采用2根信號來實(shí)現(xiàn)：SDAT(串行數(shù)據(jù)輸入輸出)和SCLK(串行時(shí)鐘)。其最大的好處是可以在此總線上掛接多個(gè)設(shè)備，通過地址來進(jìn)行識(shí)別和訪問;I2C總線的一個(gè)最大的好處就是非常方便用軟件通過IO口來實(shí)現(xiàn)，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率完全由SCLK來控制，可快可慢，不像UART接口，有嚴(yán)格的速率要求。

5、Watchdog（看門狗定時(shí)器）：Watchdog也是絕大多數(shù)MCU的一種基本配置(一些4位MCU可能沒有此功能)，大多數(shù)的MCU的Watchdog只能允許程序?qū)ζ溥M(jìn)行復(fù)位而不能對其關(guān)閉(有的是在程序燒入時(shí)來設(shè)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(dòng)開啟且不能再被關(guān)閉。一般而言watchdog的復(fù)位時(shí)間是可以程序來設(shè)定的。Watchdog的最基本的應(yīng)用是為MCU因?yàn)橐馔獾墓收隙鴮?dǎo)致死機(jī)提供了一種自我恢復(fù)的能力。