智能的名義——MCU單片機

二十世紀跨越了三個“電”的時代，即電氣時代、電子時代和電腦時代。不過，這種電腦，通常是指個人計算機，簡稱PC機。它由主機、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計算機，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。這種計算機就是把智能賦予各種機械的單片機（亦稱微控制器）。

顧名思義，這種計算機的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進行簡單運算和控制。因為它體積小，通常都藏在被控機械的“肚子”里。它在整個裝置中，起著有如人類頭腦的作用。

現(xiàn)在單片機的使用領域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞——“智能型”。

什么是MCU

MCU(Micro Control Unit)中文名稱為微控制單元，又稱單片微型計算機(SingleChip Microcomputer)或者單片機，是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計算機的CPU、RAM、ROM、定時計數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的計算機，為不同的應用場合做不同組合控制。

單片機的結構

單片機最早是被用在工業(yè)控制領域。單片機由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設計出的處理器，從此以后，單片機和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。

早期的單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL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(fā)展出了MCS51系列單片機系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。

INTEL的8031

隨著工業(yè)控制領域要求的提高，開始出現(xiàn)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(chǎn)品****展，單片機技術得到了巨大提高。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。而傳統(tǒng)的8位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。 

當代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。

單片機比專用處理器更適合應用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應用。事實上單片機是世界上數(shù)量最多的計算機。現(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)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(shù)不少的單片機在工作。汽車上一般配備40多部單片機，復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機在同時工作！單片機的數(shù)量不僅遠超過PC機和其他計算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。

單片機的發(fā)展史

單片機誕生于20世紀70年代末，經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段。

1、SCM即單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結構?！皠?chuàng)新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展道路上，Intel公司功不可沒。　　

Micro ControllerUnit

2、MCU即微控制器（Micro Controller Unit）階段，主要的技術發(fā)展方向是：不斷擴展?jié)M足嵌入式應用時，對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領域都與對象系統(tǒng)相關，因此，發(fā)展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術廠家。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展MCU方面，最著名的廠家當數(shù)Philips公司。

Philips公司以其在嵌入式應用方面的巨大優(yōu)勢，將MCS-51從單片微型計算機迅速發(fā)展到微控制器。因此，當我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時，不要忘記Intel和Philips的歷史功績。

3、SoC即微處理系統(tǒng)(System-on-a-Chip)階段，單片機是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了SoC化趨勢。隨著微電子技術、IC設計、EDA工具的發(fā)展，基于SoC的單片機應用系統(tǒng)設計會有較大的發(fā)展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應用系統(tǒng)。

MCU單片機的分類

按用途分類：

通用型：將可開發(fā)的資源（ROM、RAM、I/O、 EPROM）等全部提供給用戶。

專用型：其硬件及指令是按照某種特定用途而設計，例如錄音機機芯控制器、打印機控制器、電機控制器等。

按基本操作處理的數(shù)據(jù)位數(shù)分類：

根據(jù)總線或數(shù)據(jù)暫存器的寬度，單片機又分為1位、4位、8位、16位、32位甚至64位單片機。

8位MCU工作頻率在16~50MHz之間，強調簡單效能、低成本應用，在目前MCU市場總值仍有一定地位，而不少MCU業(yè)者也持續(xù)為8bit MCU開發(fā)頻率調節(jié)的節(jié)能設計，以因應綠色時代的產(chǎn)品開發(fā)需求。

16位MCU，則以16位運算、16/24位尋址能力及頻率在24~100MHz為主流規(guī)格，部分16bit MCU額外提供32位加/減/乘/除的特殊指令。由于32bit MCU出現(xiàn)并持續(xù)降價及8bit MCU簡單耐用又便宜的低價優(yōu)勢下，夾在中間的16bit MCU市場不斷被擠壓，成為出貨比例中最低的產(chǎn)品。

32位MCU可說是MCU市場主流， 工作頻率大多在100~350MHz之間，執(zhí)行效能更佳，應用類型也相當多元。但32位MCU會因為操作數(shù)與內(nèi)存長度的增加，相同功能的程序代碼長度較8/16bit MCU增加30~40%，這導致內(nèi)嵌OTP/FlashROM內(nèi)存容量不能太小，而芯片對外腳位數(shù)量暴增，進一步局限32bit MCU的成本縮減能力。

MCU按存儲器類型分：

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才能應用（典型芯片為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，一些公司還推出帶有片內(nèi)一次性可編程ROM（One Time Programming， OTP）的芯片（典型芯片為97C51）。

由于MCU強調是最大密集度與最小芯片面積，以有限的程序代碼達成控制功能，因此當今MCU多半使用內(nèi)建的MaskROM、OTP ROM、EEPROM或Flash內(nèi)存來儲存韌體碼，MCU內(nèi)建Flash內(nèi)存容量從低階4~64KB到最高階512KB~2MB不等。

按存儲器結構分：

MCU根據(jù)其存儲器結構可分為哈佛（Harvard）結構和馮?諾依曼（Von Neumann）結構。

現(xiàn)在的單片機絕大多數(shù)都是基于馮·諾伊曼結構的，這種結構清楚地定義了嵌入式系統(tǒng)所必需的四個基本部分：一個中央處理器核心，程序存儲器（只讀存儲器或者閃存）、數(shù)據(jù)存儲器（隨機存儲器）、一個或者更多的定時/計時器，還有用來與外圍設備以及擴展資源進行通信的輸入/輸出端口，所有這些都被集成在單個集成電路芯片上。

按指令結構分：

MCU根據(jù)指令結構又可分為CISC（Complex Instruction Set Computer，復雜指令集計算機）和RISC（Reduced Instruction Set Comuter，精簡指令集計算機微控制器）

MCU單片機的應用領域

目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理。

廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。

因此，單片機的學習、開發(fā)與應用將造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師。

單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，大致可分如下幾個范疇：

1、在智能儀器儀表上的應用

單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強大。例如精密的測量設備（功率計，示波器，各種分析儀）。

2、在工業(yè)控制中的應用

用單片機可以構成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機聯(lián)網(wǎng)構成二級控制系統(tǒng)等。

3、在家用電器中的應用

可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯褒、洗衣機、電冰箱、空調機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設備，五花八門，無所不在。

4、在計算機網(wǎng)絡和通信領域中的應用

現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為在計算機網(wǎng)絡和通信設備間的應用提供了極好的物質條件，現(xiàn)在的通信設備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制，從手機，電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機等。

5、單片機在醫(yī)用設備領域中的應用

單片機在醫(yī)用設備中的用途亦相當廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超聲診斷設備及病床呼叫系統(tǒng)等等。

6、在各種大型電器中的模塊化應用

某些專用單片機設計用于實現(xiàn)特定功能，從而在各種電路中進行模塊化應用，而不要求使用人員了解其內(nèi)部結構。如音樂集成單片機，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機的原理），就需要復雜的類似于計算機的原理。如：音樂信號以數(shù)字的形式存于存儲器中（類似于ROM），由微控制器讀出，轉化為模擬音樂電信號（類似于聲卡）。

在大型電路中，這種模塊化應用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯誤率，也方便于更換。

7、單片機在汽車設備領域中的應用

單片機在汽車電子中的應用非常廣泛，例如汽車中的發(fā)動機控制器，基于CAN總線的汽車發(fā)動機智能電子控制器，GPS導航系統(tǒng)，abs防抱死系統(tǒng)，制動系統(tǒng)等等。

此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領域都有著十分廣泛的用途。

MCU主要發(fā)展趨勢

汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)是MCU應用的藍海市場，這兩個市場也是MCU廠商必爭之地。為應對汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)應用的要求，安全性、穩(wěn)定性、可靠性等將成為MCU廠商關注的重點。

1、低成本、低功耗、高集成、高精度、高穩(wěn)定性MCU占據(jù)更大市場份額。除了對傳統(tǒng)領域現(xiàn)有MCU系列產(chǎn)品進行更新、升級外， 未來新興應用領域如低能耗電機控制、便攜式醫(yī)療設備、高精度工業(yè)儀器控制、特殊工作環(huán)境電子控制、精細動力控制等，對產(chǎn)品可靠性、魯棒性、穩(wěn)定性等都有較高的要求。物聯(lián)網(wǎng)、節(jié)能環(huán)保、新能源動力電池、軌道交通等新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)也需要大量低成本、低功耗、高集成、高精度、高穩(wěn)定性MCU。

2、整合各種不同功能的MCU不斷涌現(xiàn)。隨著智能設備、物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，無線RF、傳感器、電源管理等搭配MCU成為一種新趨勢。高度整合的MCU不僅可以方便客戶開發(fā)產(chǎn)品，并且可減少印刷電路板的占用空間，從而能夠降低一部分成本，將來非常具有市場潛力。

汽車電子、IoT(物聯(lián)網(wǎng))、安全將會是未來MCU增長的重要推動力量。未來嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展應該會更關注安全、可擴展、高能效。MCU與傳感、連接等相融合，共同構建安全互聯(lián)的終端節(jié)點。