單片微處理器

單片微處理器又稱單片機，它是將組成微型計算機的各個功能部件，例如中央處理器CPU、數據存貯器RAM、程序存貯器ROM、輸入輸出電路I/O、定時/計數電路TCC、中斷控制電路INT等電路集成在一塊芯片中，在應用時單塊芯片即可構成一個完整的微型計算機系統的微處理器芯片。大部分單片微處理器只能處理數字信號，模擬信號需先進行A/D變換將其數字化後才能進行處理。

單片微處理器的出現，為工業自動化控制、智能化儀器儀表等方面開闢了廣闊的道路，而將單片微處理器應用於漏電保護開關是提高漏電保護開關產品質量，降低生產成本，提高產品品位的有效途徑。

由於單片機在工業控制領域的廣泛應用，單片機由芯片內僅有CPU的專用處理器發展而來。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，使計算機系統更小，更容易集成進複雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。

INTEL的8080是最早按照這種思想設計出的處理器，當時的單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此後在8031上發展出了MCS51系列單片機系統。因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。儘管2000年以後ARM已經發展出了32位的主頻超過300M的高端單片機，直到基於8031的單片機還在廣泛的使用。在很多方面單片機比專用處理器更適合應用於嵌入式系統，因此它得到了廣泛的應用。事實上單片機是世界上數量最多處理器，隨着單片機家族的發展壯大，單片機和專用處理器的發展便分道揚鑣。

現代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產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。 汽車上一般配備40多部單片機，複雜的工業控制系統上甚至可能有數百台單片機在同時工作！單片機的數量不僅遠超過PC機和其他計算的總和，甚至比人類的數量還要多。

單片機作為計算機發展的一個重要分支領域，根據發展情況，從不同角度單片機大致可以分為通用型/專用型、總線型/非總線型及工控型/家電型。

這是按單片機適用範圍來區分的。例如，80C51是通用型單片機，它不是為某種專用途設計的；專用型單片機是針對一類產品甚至某一個產品設計生產的，例如為了滿足電子體温計的要求，在片內集成ADC接口等功能的温度測量控制電路。

這是按單片機是否提供並行總線來區分的。總線型單片機普遍設置有並行地址總線、 數

據總線、控制總線，這些引腳用以擴展並行外圍器件都可通過串行口與單片機連接，另外，許多單片機已把所需要的外圍器件及外設接口集成一片內，因此在許多情況下可以不要並行擴展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機稱為非總線型單片機。

這是按照單片機大致應用的領域進行區分的。一般而言，工控型尋址範圍大，運算能力強；用於家電的單片機多為專用型，通常是小封裝、低價格，外圍器件和外設接口集成度高。 顯然，上述分類並不是惟一的和嚴格的。例如，80C51類單片機既是通用型又是總線型，還可以作工控用。

單片機誕生於1971年，經歷了SCM、MCU、SoC三大階段，早期的SCM單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此後在8031上發展出了MCS51系列MCU系統。基於這一系統的單片機系統直到現在還在廣泛使用。隨着工業控制領域要求的提高，開始出現了16位單片機，但因為性價比不理想並未得到很廣泛的應用。90年代後隨着消費電子產品大發展，單片機技術得到了巨大提高。隨着INTEL i960系列特別是後來的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，並且進入主流市場。

而傳統的8位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數百倍。高端的32位Soc單片機主頻已經超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元。

當代單片機系統已經不再只在裸機環境下開發和使用，大量專用的嵌入式操作系統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。

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嵌入式系統的最佳體系結構。“創新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計算機完全不同的發展道路。在開創嵌入式系統獨立發展道路上，Intel公司功不可沒。

MCU即微控制器（Micro Controller Unit）階段，主要的技術發展方向是：不斷擴展滿足嵌入式應用時，對象系統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相關，因此，發展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的發展也有其客觀因素。在發展MCU方面，最著名的廠家當數Philips公司。

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

SoC嵌入式系統(System on Chip）式的獨立發展之路，向MCU階段發展的重要因素，就是尋求應用系統在芯片上的最大化解決，因此，專用單片機的發展自然形成了SoC化趨勢。隨着微電子技術、IC設計、EDA工具的發展，基於SoC的單片機應用系統設計會有較大的發展。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。

1971年intel公司研製出世界上第一個4位的微處理器；Intel公司的霍夫研製成功世界上第一塊4位微處理器芯片Intel 4004，標誌着第一代微處理器問世，微處理器和微機時代從此開始。因發明微處理器，霍夫被英國《經濟學家》雜誌列為“二戰以來最有影響力的7位科學家”之一。

1971年11月，Intel推出MCS-4微型計算機系統（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微處理器 ）其中4004包含2300個晶體管，尺寸規格為3mm×4mm，計算性能遠遠超過當年的ENIAC，最初售價為200美元。

1972年4月，霍夫等人開發出第一個8位微處理器Intel 8008。由於8008採用的是P溝道MOS微處理器，因此仍屬第一代微處理器。

1973年intel公司研製出8位的微處理器8080；1973年8月，霍夫等人研製出8位微處理器Intel 8080，以N溝道MOS電路取代了P溝道，第二代微處理器就此誕生。

主頻2MHz的8080芯片運算速度比8008快10倍，可存取64KB存儲器，使用了基於6微米技術的6000個晶體管，處理速度為0.64MIPS（Million Instructions Per Second ）。

1975年4月，MITS發佈第一個通用型Altair 8800，售價375美元，帶有1KB存儲器。這是世界上第一台微型計算機。

1976年intel公司研製出MCS-48系列8位的單片機，這也是單片機的問世。

Zilog公司於1976年開發的Z80微處理器，廣泛用於微型計算機和工業自動控制設備。當時，Zilog、Motorola和Intel在微處理器領域三足鼎立。

20世紀80年代初，Intel公司在MCS-48系列單片機的基礎上，推出了MCS-51系列8位高檔單片機。MCS-51系列單片機無論是片內RAM容量，I/O口功能，系統擴展方面都有了很大的提高。