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單片機
本詞條是多義詞，共2個(gè)義項
一種集成電路芯片
單片機（Microcontrollers）又稱(chēng)微控制器，由中央處理器、存儲器、輸入輸出端口(包括并行I/O、串行I/O、模數轉換器)、計時(shí)器和計數器等組成，具有完整數字處理功能的大規模集成電路。微控制器是一種面向控制領(lǐng)域嵌入式應用的集成化計算機芯片，主要用于工業(yè)控制、數據處理、信號處理、智能儀器、通信產(chǎn)品及民用消費產(chǎn)品等自動(dòng)控制產(chǎn)品與器件中。通常也把它簡(jiǎn)稱(chēng)為MCU或μC，MCU配以適當的外圍設備和軟件就可構成一個(gè)計算機應用系統，所以也稱(chēng)之為單片微型計算機，簡(jiǎn)稱(chēng)為單片機。
基本信息
| 中文名 | 單片機 |
| 外文名 | Microcontrollers |
| 類(lèi)別 | 電路芯片 |
| 拼音 | dan pian ji |
| 電子產(chǎn)品類(lèi)別 | 3種 |
| 基本結構 | 運算器、控制器和主要寄存器 |
| 應用范圍 | 家用電器 醫用設備 |
| 應用 | 工業(yè)生產(chǎn)，電子設備等 |
收起
發(fā)展歷程
MCU的發(fā)展始于20世紀70年代中期，當時(shí)主要稱(chēng)為單片機，由于工藝和集成度的限制，一個(gè)完整功能的MCU由兩塊集成電路組成。如Fairchild公司的單片機F8必須外接一塊專(zhuān)為F8設計的程序存儲單元電路3851。第二階段為低性能MCU階段，雖已只用一塊芯片構成，但性能低，品種少。如Intel的MCS-48系列，芯片內含有中央處理器(CPU)、并行I/O口、計時(shí)器、隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)等，但其CPU功能不強，I/O的種類(lèi)和數量少，存儲容量小，只能應用于要求比較簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。第三階段是高性能微型計算機系統(MCS)發(fā)展階段，此時(shí)的MCU內部具有功能很強的CPU、比較多的輸入輸出電路和大容量的數據存儲器、程序存儲器，MCU產(chǎn)品型號、規格多，各具特色，能滿(mǎn)足不同領(lǐng)域應用需求。
基本結構
單片機
運算器
運算器由運算部件——算術(shù)邏輯單元（Arithmetic & Logical Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)ALU）、累加器和寄存器等幾部分組成。ALU的作用是把傳來(lái)的數據進(jìn)行算術(shù)或邏輯運算，輸入來(lái)源為兩個(gè)8位數據，分別來(lái)自累加器和數據寄存器。ALU能完成對這兩個(gè)數據進(jìn)行加、減、與、或、比較大小等操作，最后將結果存入累加器。
運算器有兩個(gè)功能：
(1)執行各種算術(shù)運算。
(2)執行各種邏輯運算，并進(jìn)行邏輯測試，如零值測試或兩個(gè)值的比較。
運算器所執行全部操作都是由控制器發(fā)出的控制信號來(lái)指揮的，并且，一個(gè)算術(shù)操作產(chǎn)生一個(gè)運算結果，一個(gè)邏輯操作產(chǎn)生一個(gè)判決。
控制器
(1)從內存中取出一條指令，并指出下一條指令在內存中的位置。
(2)對指令進(jìn)行譯碼和測試，并產(chǎn)生相應的操作控制信號，以便于執行規定的動(dòng)作。
(3)指揮并控制CPU、內存和輸入輸出設備之間數據流動(dòng)的方向。
微處理器內通過(guò)內部總線(xiàn)把ALU、計數器、寄存器和控制部分互聯(lián)，并通過(guò)外部總線(xiàn)與外部的存儲器、輸入輸出接口電路聯(lián)接。外部總線(xiàn)又稱(chēng)為系統總線(xiàn)，分為數據總線(xiàn)DB、地址總線(xiàn)AB和控制總線(xiàn)CB。通過(guò)輸入輸出接口電路，實(shí)現與各種外圍設備連接。
主要寄存器
（1）累加器A
累加器A是微處理器中使用最頻繁的寄存器。在算術(shù)和邏輯運算時(shí)它有雙功能：運算前，用于保存一個(gè)操作數；運算后，用于保存所得的和、差或邏輯運算結果。
（2）數據寄存器DR
數據寄存器通過(guò)數據總線(xiàn)向存儲器和輸入/輸出設備送（寫(xiě)）或?。ㄗx）數據的暫存單元。它可以保存一條正在譯碼的指令，也可以保存正在送往存儲器中存儲的一個(gè)數據字節等等。
（3）指令寄存器IR和指令譯碼器ID
指令包括操作碼和操作數。
指令寄存器是用來(lái)保存當前正在執行的一條指令。當執行一條指令時(shí)，先把它從內存中取到數據寄存器中，然后再傳送到指令寄存器。當系統執行給定的指令時(shí)，必須對操作碼進(jìn)行譯碼，以確定所要求的操作，指令譯碼器就是負責這項工作的。其中，指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入。
（4）程序計數器PC
PC用于確定下一條指令的地址，以保證程序能夠連續地執行下去，因此通常又被稱(chēng)為指令地址計數器。在程序開(kāi)始執行前必須將程序的第一條指令的內存單元地址（即程序的首地址）送入PC，使它總是指向下一條要執行指令的地址。
地址寄存器用于保存當前CPU所要訪(fǎng)問(wèn)的內存單元或I/O設備的地址。由于內存與CPU之間存在著(zhù)速度上的差異，所以必須使用地址寄存器來(lái)保持地址信息，直到內存讀/寫(xiě)操作完成為止。
顯然，當CPU向存儲器存數據、CPU從內存取數據和CPU從內存讀出指令時(shí)，都要用到地址寄存器和數據寄存器。同樣，如果把外圍設備的地址作為內存地址單元來(lái)看的話(huà)，那么當CPU和外圍設備交換信息時(shí)，也需要用到地址寄存器和數據寄存器。
硬件特征
（1）單片機的體積比較小，內部芯片作為計算機系統，其結構簡(jiǎn)單，但是功能完善，使用起來(lái)十分方便，可以模塊化應用。
（2）單片機有著(zhù)較高的集成度，可靠性比較強，即使單片機處于長(cháng)時(shí)間的工作也不會(huì )存在故障問(wèn)題。
（3）單片機在應用時(shí)低電壓、低能耗，是人們在日常生活中的首要選擇，為生產(chǎn)與研發(fā)提供便利。
（4）單片機對數據的處理能力和運算能力較強，可以在各種環(huán)境中應用，且有著(zhù)較強的控制能力。
未來(lái)發(fā)展
微控制器正朝著(zhù)高性能和多品種的方向發(fā)展，MCU性能的提高主要體現在下述4個(gè)方面：①增強MCU內部CPU功能，即提高其數據處理速度和精度，包括擴大字長(cháng)，增加乘法、除法部件，采用流水線(xiàn)結構等。有的MCU則將高性能16位或32位微處理器原封不動(dòng)地移來(lái)，作為MCU的CPU單元，這樣MCU便與相應的通用計算機系統的軟件兼容，具有相同的數據處理能力，便于開(kāi)發(fā)和應用。②增加MCU內部資源的集成，盡量減少外接電路，使MCU本身即是一個(gè)完整的應用系統。例如增加內部存儲器種類(lèi)及容量，擴大I/O端口品種和數量，I/O端口可以有串行口、并行口、多路模數轉換器、計時(shí)器、定時(shí)輸出和捕獲輸入、系統故障監視器、DMA通道及數模輸出電路等。③設計和使用多功能復用引腳，使MCU內部資源的增加不會(huì )導致MCU外引腳的過(guò)多增加，從而提高應用的靈活性。④擴大外尋址范圍以提高系統的擴展功能，目前外尋址空間已從典型的64K字節擴大到幾兆字節，MCU品種的發(fā)展趨勢是多品種和多層次。主要體現為：①發(fā)展低電壓和低功耗品種，如電池供電系統和野外作業(yè)系統。②發(fā)展微型化 MCU，即利用MCU設計模塊化的結構特點(diǎn)，在內核CPU不變的情況下根據應用目標調整內部各功能模塊的規格和外引腳數，以發(fā)展新品種。
應用
節能控制
由于智能電子設備可能會(huì )被經(jīng)常攜帶外出，因此對這些設備的能耗要求是非常高的，所以經(jīng)常會(huì )設計一些節能控制模塊，從而提高智能電子設備的待機時(shí)長(cháng)。單片機技術(shù)在節能控制中的應用主要分為以下幾個(gè)方面：第一，智能電子設備在外出狀態(tài)下，大部分是處于輕負載的模式，這時(shí)候就需要通過(guò)節能控制，確保其基礎功能的前提下，進(jìn)一步降低電量的消耗。單片機通過(guò)對智能電子設備中數據的收集，可以大致推斷當前設備處于較低的負載，這時(shí)可以降低電壓及電流的輸出，達到節能的目的；第二，單片機可以控制能耗的節奏，例如：在小米手環(huán)中，收集人體的心率、睡眠和運動(dòng)步數等數字，這些數字收集后會(huì )在本地進(jìn)行存儲，然后以分鐘級的頻率進(jìn)行上報；信息未上報時(shí)，設備處于低能耗的狀態(tài)，信息上報時(shí)，會(huì )出現一些網(wǎng)絡(luò )傳輸方面的消耗，單片機可以控制能耗的節奏，將手環(huán)的大部分時(shí)間控制在低能耗的狀態(tài)下，可以使得待機時(shí)間長(cháng)達七十二小時(shí)以上。
智能語(yǔ)音設備
為了更好地提高智能電子設備的智能性，可以允許人類(lèi)通過(guò)簡(jiǎn)單的語(yǔ)言進(jìn)行控制，實(shí)現語(yǔ)音人機交互的目的。目前，語(yǔ)音處理芯片已經(jīng)開(kāi)發(fā)完成，并開(kāi)始運用到智能電子設備中。單片機在智能語(yǔ)音設備中的應用，主要分為以下兩個(gè)部分：第一，軟件設置方面，由于單片機可以通過(guò)編程的方式，處理一些業(yè)務(wù)邏輯，因此就能夠對智能語(yǔ)音處理過(guò)程進(jìn)行操作。例如：在導航智能電子設備中，可以將其中的一些道路名稱(chēng)、距離等進(jìn)行提取，然后進(jìn)行播報；同時(shí)，還可以選擇不同的名人口吻進(jìn)行播報，真正實(shí)現智能化的定制操作，更好地滿(mǎn)足用戶(hù)的需求；第二，硬件設計方面，由于智能語(yǔ)音設備對資源的消耗比較大，因此為了更好地延長(cháng)產(chǎn)品的待機時(shí)間，會(huì )使用單片機技術(shù)動(dòng)態(tài)控制產(chǎn)品的功率，進(jìn)一步降低對電量的消耗。同時(shí)，還可以通過(guò)單片機技術(shù)，提高硬件的響應時(shí)間，進(jìn)一步提高用戶(hù)的體驗。
報警控制
對于部分電子設備來(lái)講，會(huì )擁有自動(dòng)報警的設置，報警控制也是單片機技術(shù)經(jīng)常使用的領(lǐng)域，主要體現在以下幾個(gè)方面：第一，對于一些自動(dòng)報警裝置來(lái)講，例如：家里經(jīng)常使用的火災報警器，就是在外界環(huán)境達到一定條件下開(kāi)啟智能報警的設備，如果室內的煙霧濃度到達某種水平，或者是收集外界的數據達到某種狀態(tài)時(shí)，就會(huì )自動(dòng)觸發(fā)報警設置，從而實(shí)現智能報警的功能；第二，對于一些智能電子設備來(lái)講，如果外在環(huán)境超過(guò)設備的工作環(huán)境范圍時(shí)，或者是設備存在一些異常情況時(shí)，就會(huì )觸發(fā)自身的報警機制，讓用戶(hù)能夠及時(shí)了解設備的運作詳情，并且根據報警信息提供解決方案。例如：在一些工廠(chǎng)中，經(jīng)常會(huì )安裝一些設備，對工廠(chǎng)的生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行監控，當出現某些異常數據時(shí)，就會(huì )發(fā)生報警，為確保設備的正常運作，設備維護人員需要及時(shí)進(jìn)行處理，避免產(chǎn)生較大的故障。
醫療設備
隨著(zhù)醫療設備技術(shù)的不斷提升，單片機開(kāi)始在醫療設備中進(jìn)行廣泛的應用，主要體現在：第一，對病人的身體特征數據進(jìn)行智能監控，可以將一些醫療設備安裝在病人身上，并對其身體的數據進(jìn)行收集，然后與后臺的控制系統進(jìn)行交互，如果發(fā)現病人的身體特征異常時(shí)，會(huì )及時(shí)產(chǎn)生報警。例如：部分醫療設備可以針對病人的心跳、脈搏、血壓等進(jìn)行監控，如果發(fā)現異常會(huì )及時(shí)呼叫醫生進(jìn)行處理；第二，在手術(shù)過(guò)程中，也會(huì )使用一些智能電子設備，例如：部分手術(shù)需要進(jìn)入病人的體內進(jìn)行，在避免開(kāi)刀的情況下，可以通過(guò)控制智能設備完成手術(shù)的過(guò)程，進(jìn)一步降低病人的痛苦，提高病人身體恢復的速度；第三，智能體檢數據分析設備，可以將用戶(hù)的體檢數據錄入進(jìn)去，然后輸入到分析設備后，通過(guò)與正常數據的對比，及時(shí)對用戶(hù)的身體疾病進(jìn)行預測和診斷。隨著(zhù)我國醫療技術(shù)水平的不斷提高，單片機技術(shù)的應用變得越來(lái)越廣泛，提高了醫療技術(shù)水平，更好地維護病人的健康。
應用特點(diǎn)
單片機擁有以下幾種應用特點(diǎn)：（1）擁有良好的集成度；（2）單片機自身體積較??；（3）單片機擁有強大的控制功能，同時(shí)運行電壓比較低；（4）單片機擁有簡(jiǎn)易攜帶等優(yōu)勢，同時(shí)性?xún)r(jià)比較高。單片機主要應用于下面幾種領(lǐng)域當中，分別是：自動(dòng)化辦公、機電一體化、尖端武器和國防軍事領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、汽車(chē)電子設備、醫用設備領(lǐng)域、商業(yè)營(yíng)銷(xiāo)設備、計算機通訊、家電領(lǐng)域、日常生活和實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域等。
故障的排除
單片機故障的排除
1、單片機正常工作的三個(gè)條件
單片機工作的三個(gè)條件分別是電源、時(shí)鐘晶振、復位。當單片機不能正常工作時(shí)，我們首先就要檢查這三個(gè)條件，用電壓表或者萬(wàn)用表檢測他的電源和接地腳，檢測兩個(gè)引腳之間的電壓是不是5V左右；對于時(shí)鐘晶體振蕩有沒(méi)有正常工作，我們最好用示波器進(jìn)行檢測，看能否檢測到相應頻率的正弦波脈沖；復位檢測比較簡(jiǎn)單，單片機的復位電平一般是高電平復位，單片機在接通電源的時(shí)候一般復位引腳上會(huì )出現5V左右的高電平，另外在按下復位按鍵時(shí)，復位引腳上也會(huì )出現高電平，用一般的電壓表或者萬(wàn)用表都可以進(jìn)行檢測。
2、單片機內部是否正常工作的檢測
單片機內部有沒(méi)有正常工作，我們主要是通過(guò)寫(xiě)入程序的方式來(lái)進(jìn)行檢測和排查。這個(gè)檢測需要有“燒入”代碼的硬件和軟件才行，檢測的原理就是通過(guò)“燒入”代碼的硬件和軟件，將一段帶有檢測功能的正常代碼“燒入”到單片機。檢查兩個(gè)方面：第一就是能不能將目標代碼正常寫(xiě)入單片機，不能正常寫(xiě)入單片機時(shí)，說(shuō)明單片機已經(jīng)損壞，需要更換同型號的單片機；第二就是目標代碼可以正常寫(xiě)入單片機，寫(xiě)入后的效果是不是就是程序設定的功能，如果是說(shuō)明單片機正常。
單片機在更換時(shí)，我們最好采用同型號的單片機，然后寫(xiě)入公司給予的目標代碼，單片機的價(jià)格目前一般比較便宜，零售價(jià)格大概5元左右。
參考資料
[1]
張效祥 . 計算機科學(xué)技術(shù)百科全書(shū) : 清華大學(xué)出版社 ，2018-05
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
作者
