單片機

單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統集成到一個芯片上。相當於一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設備。概括的講：一塊芯片就成了一台計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發提供了便利條件。同時，學習使用單片機是瞭解計算機原理與結構的最佳選擇。

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、家用電器等。 ^[1] 

從二十世紀九十年代開始，單片機技術就已經發展起來，隨着時代的進步與科技的發展，目前該技術的實踐應用日漸成熟，單片機被廣泛應用於各個領域。現如今，人們越來越重視單片機在智能電子技術方面的開發和應用，單片機的發展進入到新的時期，無論是自動測量還是智能儀表的實踐，都能看到單片機技術的身影。當前工業發展進程中，電子行業屬於新興產業，工業生產中人們將電子信息技術成功運用，讓電子信息技術與單片機技術相融合，有效提高了單片機應用效果。作為計算機技術中的一個分支，單片機技術在電子產品領域的應用，豐富了電子產品的功能，也為智能化電子設備的開發和應用提供了新的出路，實現了智能化電子設備的創新與發展。 ^[2] 

單片機也被稱為單片微控器，屬於一種集成式電路芯片。在單片機中主要包含CPU、只讀存儲器ROM和隨機存儲器RAM等，多樣化數據採集與控制系統能夠讓單片機完成各項複雜的運算，無論是對運算符號進行控制，還是對系統下達運算指令都能通過單片機完成。 由此可見，單片機憑藉着強大的數據處理技術和計算功能可以在智能電子設備中充分應用。簡單地説，單片機就是一塊芯片，這塊芯片組成了一個系統，通過集成電路技術的應用，將數據運算與處理能力集成到芯片中，實現對數據的高速化處理。 ^[2] 

單片機的結構框圖如下圖所示：

運算器由運算部件——算術邏輯單元（Arithmetic & Logical Unit，簡稱ALU）、累加器和寄存器等幾部分組成。ALU的作用是把傳來的數據進行算術或邏輯運算，輸入來源為兩個8位數據，分別來自累加器和數據寄存器。ALU能完成對這兩個數據進行加、減、與、或、比較大小等操作，最後將結果存入累加器。

運算器有兩個功能：

(1) 執行各種算術運算。

(2) 執行各種邏輯運算，並進行邏輯測試，如零值測試或兩個值的比較。

運算器所執行全部操作都是由控制器發出的控制信號來指揮的，並且，一個算術操作產生一個運算結果，一個邏輯操作產生一個判決。

控制器由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序發生器和操作控制器等組成，是發佈命令的“決策機構”，即協調和指揮整個微機系統的操作。其主要功能有：

(1) 從內存中取出一條指令，並指出下一條指令在內存中的位置。

(2) 對指令進行譯碼和測試，併產生相應的操作控制信號，以便於執行規定的動作。

(3) 指揮並控制CPU、內存和輸入輸出設備之間數據流動的方向。

微處理器內通過內部總線把ALU、計數器、寄存器和控制部分互聯，並通過外部總線與外部的存儲器、輸入輸出接口電路聯接。外部總線又稱為系統總線，分為數據總線DB、地址總線AB和控制總線CB。通過輸入輸出接口電路，實現與各種外圍設備連接。

（1）累加器A

累加器A是微處理器中使用最頻繁的寄存器。在算術和邏輯運算時它有雙功能：運算前，用於保存一個操作數；運算後，用於保存所得的和、差或邏輯運算結果。

（2）數據寄存器DR

數據寄存器通過數據總線向存儲器和輸入/輸出設備送（寫）或取（讀）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。

指令寄存器是用來保存當前正在執行的一條指令。當執行一條指令時，先把它從內存中取到數據寄存器中，然後再傳送到指令寄存器。當系統執行給定的指令時，必須對操作碼進行譯碼，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用於確定下一條指令的地址，以保證程序能夠連續地執行下去，因此通常又被稱為指令地址計數器。在程序開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。

（5）地址寄存器AR

地址寄存器用於保存當前CPU所要訪問的內存單元或I/O設備的地址。由於內存與CPU之間存在着速度上的差異，所以必須使用地址寄存器來保持地址信息，直到內存讀/寫操作完成為止。

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，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看的話，那麼當CPU和外圍設備交換信息時，也需要用到地址寄存器和數據寄存器。

（1）單片機的體積比較小， 內部芯片作為計算機系統，其結構簡單，但是功能完善，使用起來十分方便，可以模塊化應用。

（2）單片機有着較高的集成度，可靠性比較強，即使單片機處於長時間的工作也不會存在故障問題。

（3） 單片機在應用時低電壓、低能耗，是人們在日常生活中的首要選擇， 為生產與研發提供便利。

（4）單片機對數據的處理能力和運算能力較強，可以在各種環境中應用，且有着較強的控制能力。 ^[2] 

單片機的發展先後經歷了4位、8位、16位和32位等階段。8位單片機由於功能強，被廣泛用於工業控制、智能接口、儀器儀表等各個領域，8位單片機在中、小規模應用場合仍佔主流地位，代表了單片機的發展方向，在單片機應用領域發揮着越來越大的作用。 ^[3]  80年代初，Intel公司推出了8位的MCS-51系列的單片機。

MCS-51單片機的邏輯部件，包括一個8位CPU及片內振盪器、 80514B掩膜ROM、87514KBEPROM、8031無ROM、特殊功能寄存 器SFR128BRAM、定時器/計數器T0及T1、並行I/O接口：P0、P1、P2、P3；串行接口：TXD、RXD；中斷系統：INT0，INT1。 ^[3] 

1.8位數據總線，16位地址總線的CPU；

2.具有布爾處理能力和位處理能力；

3.採用哈佛結構，程序存儲器與數據存儲器地址空間各自獨立，便於程序設計；

4.相同地址的64KB程序存儲器和64KB數據存儲器；

5.0-8KB片內程序存儲器(8031無，8051有4KB，8052有8KB，89C55有20KB)；

6.128字節片內數據存儲器（8051有256字節）；

7.32根雙向並可以按位尋址的I/O線；

8.兩個16位定時/計數器(8052有3個)；

9.一個全雙工的串行I/O接口；

10.多箇中斷源的中斷結構，具有兩個中斷優先級；

11.片內時鐘振盪器。 ^[1] 

單片機的特點可歸納為以下幾個方 面：集成度高；存儲容量大；外部擴展能力強；控制功能強。

1、從內部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統，稱作位處理器，處理對象不是字或字節而是位。不但能對片內某些特殊功能寄存器的某位進行處理，如傳送、置位、清零、測試等，還能進行位的邏輯運算，其功能十分完備，使用起來得心應手。

2、同時在片內RAM區間還特別開闢了一個雙重功能的地址區間，使用極為靈活，這一功能無疑給使用者提供了極大的方便。

3、乘法和除法指令，這給編程也帶來了便利。很多的八位單片機都不具備乘法功能，作乘法時還得編上一段子程序調用，十分不便。

由於智能電子設備可能會被經常攜帶外出，因此對這些設備的能耗要求是非常高的，所以經常會設計一些節能控制模塊，從而提高智能電子設備的待機時長。單片機技術在節能控制中的應用主要分為以下幾個方面：第一，智能電子設備在外出狀態下，大部分是處於輕負載的模式，這時候就需要通過節能控制，確保其基礎功能的前提下，進一步降低電量的消耗。單片機通過對智能電子設備中數據的收集，可以大致推斷當前設備處於較低的負載，這時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：在小米手環中，收集人體的心率、睡眠和運動步數等數字，這些數字收集後會在本地進行存儲，然後以分鐘級的頻率進行上報；信息未上報時，設備處於低能耗的狀態，信息上報時，會出現一些網絡傳輸方面的消耗，單片機可以控制能耗的節奏，將手環的大部分時間控制在低能耗的狀態下，可以使得待機時間長達七十二小時以上。 ^[4] 

為了更好地提高智能電子設備的智能性，可以允許人類通過簡單的語言進行控制，實現語音人機交互的目的。目前，語音處理芯片已經開發完成，並開始運用到智能電子設備中。單片機在智能語音設備中的應用，主要分為以下兩個部分：第一，軟件設置方面，由於單片機可以通過編程的方式，處理一些業務邏輯，因此就能夠對智能語音處理過程進行操作。例如：在導航智能電子設備中，可以將其中的一些道路名稱、距離等進行提取，然後進行播報；同時，還可以選擇不同的名人口吻進行播報，真正實現智能化的定製操作，更好地滿足用户的需求；第二，硬件設計方面，由於智能語音設備對資源的消耗比較大，因此為了更好地延長產品的待機時間，會使用單片機技術動態控制產品的功率，進一步降低對電量的消耗。同時，還可以通過單片機技術，提高硬件的響應時間，進一步提高用户的體驗。 ^[4] 

對於部分電子設備來講，會擁有自動報警的設置，報警控制也是單片機技術經常使用的領域，主要體現在以下幾個方面：第一，對於一些自動報警裝置來講，例如：家裏經常使用的火災報警器，就是在外界環境達到一定條件下開啓智能報警的設備，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時，就會自動觸發報警設置，從而實現智能報警的功能；第二，對於一些智能電子設備來講，如果外在環境超過設備的工作環境範圍時，或者是設備存在一些異常情況時，就會觸發自身的報警機制，讓用户能夠及時瞭解設備的運作詳情，並且根據報警信息提供解決方案。例如：在一些工廠中，經常會安裝一些設備，對工廠的生產環境進行監控，當出現某些異常數據時，就會發生報警，為確保設備的正常運作，設備維護人員需要及時進行處理，避免產生較大的故障。 ^[4] 

隨着醫療設備技術的不斷提升，單片機開始在醫療設備中進行廣泛的應用，主要體現在：第一，對病人的身體特徵數據進行智能監控，可以將一些醫療設備安裝在病人身上，並對其身體的數據進行收集，然後與後台的控制系統進行交互，如果發現病人的身體特徵異常時，會及時產生報警。例如：部分醫療設備可以針對病人的心跳、脈搏、血壓等進行監控，如果發現異常會及時呼叫醫生進行處理；第二，在手術過程中，也會使用一些智能電子設備，例如：部分手術需要進入病人的體內進行，在避免開刀的情況下，可以通過控制智能設備完成手術的過程，進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，可以將用户的體檢數據錄入進去，然後輸入到分析設備後，通過與正常數據的對比，及時對用户的身體疾病進行預測和診斷。隨着我國醫療技術水平的不斷提高，單片機技術的應用變得越來越廣泛，提高了醫療技術水平，更好地維護病人的健康。 ^[4] 

單片機擁有以下幾種應用特點：（1）擁有良好的集成度； （2）單片機自身體積較小；（3）單片機擁有強大的控制功能，同時運行電壓比較低；（4）單片機擁有簡易攜帶等優勢， 同時性價比較高。單片機主要應用於下面幾種領域當中，分別是：自動化辦公、機電一體化、尖端武器和國防軍事領域、 航空航天領域、汽車電子設備、醫用設備領域、商業營銷設備、計算機通訊、家電領域、日常生活和實時控制領域等。 ^[5] 

單片機在電子技術中的開發，主要包括CPU開發、程序開發、 存儲器開發、計算機開發及C語言程序開發，同時得到開發能夠保證單片機在十分複雜的計算機與控制環境中可以正常有序的進行，這就需要相關人員採取一定的措施，下文是筆者的一些簡單介紹：

（1）CPU開發。開發單片機中的CPU總線寬度，能夠有效完善單片機信息處理功能緩慢的問題，提高信息處理效率與速度，開發改進中央處理器的實際結構，能夠做到同時運行2-3個CPU，從而大大提高單片機的整體性能。 ^[6] 

（2）程序開發。嵌入式系統的合理應用得到了大力推廣，對程序進行開發時要求能夠自動執行各種指令，這樣可以快速準確地採集外部數據，提高單片機的應用效率。 ^[6] 

（3）存儲器開發。單片機的發展應着眼於內存，加強對基於傳統內存讀寫功能的新內存的探索，使其既能實現靜態讀寫又能實現動態讀寫，從而顯着提高存儲性能。 ^[6] 

（4）計算機開發。進一步優化和開發單機片應激即分析，並應用計算機系統，通過連接通信數據，實現數據傳遞。 ^[6] 

（5）C語言程序開發。優化開發C語言能夠保證單片機在十分複雜的計算機與控制環境中，可以正常有序的進行，促使其實現廣泛全面的應用。 ^[6] 

（1）使用壽命。壽命主要指以下2方面：單片機開發產品擁有良好的穩定性和較長的使用壽命，可以長時間穩定運行10年或是20多年；與微處理器相比擁有較長的使用壽命。隨着半導體技術的不斷提高，MPU更新換代速度的不斷提升，部分已經成功上市，同時年齡較小的CPU核心同樣會隨着I/O模塊的發展而不斷豐富，生存週期較長。隨着新型CPU產品的出現，單片機領域也不斷擴展，用户選擇餘地也相繼增加。目前單片機的主要發展趨勢就是32位、16位和8位單片機的共同進步。最初單片機主要是從8位開始的，隨着多媒體技術、互聯網技術和移動通訊技術的發展，32位單片機逐漸發展起來。比如32位的CPU單片機Mororola68k曾經就實現過八千萬枚的銷量，而16位單片機的發展從產量和品種兩種層面上看也有着巨大的進步，呈現出增長的態勢。 ^[5] 

（2）運行速度。MUP發展中的主要是不斷提升速度，主要是以時鐘頻率為主要標誌，時鐘頻率逐漸增高。但是單片機卻和MUP存在一定的差異，為了進一步提升單片機的抗干擾能力，減少噪音影響，單片機在發展過程中逐漸開始從降低時鐘頻率入手，為此不惜降低運算效率。從單片機內部系統入手，改變內在時序，在不提升時鐘頻率的基礎上，進一步提高了單片機的運算速度。 ^[5] 

（3）高可靠性和低噪音技術。首先是EFT技術屬於抗干擾技術，主要是振盪電路中的正弦信號被外部的環境所影響時，其所發出的波形就疊加各種毛刺信號，而人們在處理過程中也經常利用施密特電路進行整形，隨後電路振盪毛刺就會變成觸發信號干擾的時鐘，交替利用RC濾波電路和施密特電路能夠有效消除毛刺作用，讓影響失效，促進系統時鐘信號的順利傳輸。進一步提升單片機穩定性。其次是驅動技術和低噪音的佈線技術，傳統單片機通常是將地線和電源設置在電路外殼中的對稱引腳位置，大都是在右上左下、左上右下兩部分對稱位置中，如此讓電源噪音順利穿過整個芯片，干擾單片機內部電路。大部分單片機都將電源引腳與地線設置在兩個相鄰引腳中，這樣能夠有效減少穿過整個芯片的電流，同時還能在印刷電路板中設置去耦電容，進一步減少噪聲影響。 ^[5] 

（4）掩膜與OTP。OTP屬於一次性輸入的單機片，過去將投產掩膜的單片機當作單片機產品成熟的標誌，因為掩膜擁有相應的生產週期，同時OTP型號的單片機價格也不斷降低，因此通過OTP進行產品製造逐漸成為近幾年的發展趨勢。與掩膜方式比較起來，擁有風險小、生產週期短等優勢。在社會發現新時期，OTP型號的單片機需求量也不斷上漲。 ^[5] 

單片機工作的三個條件分別是電源、時鐘晶振、復位。當單片機不能正常工作時，我們首先就要檢查這三個條件，用電壓表或者萬用表檢測他的電源和接地腳，檢測兩個引腳之間的電壓是不是5V左右；對於時鐘晶體振盪有沒有正常工作，我們最好用示波器進行檢測，看能否檢測到相應頻率的正弦波脈衝；復位檢測比較簡單，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候一般復位引腳上會出現5V左右的高電平，另外在按下復位按鍵時，復位引腳上也會出現高電平，用一般的電壓表或者萬用表都可以進行檢測。

單片機內部有沒有正常工作，我們主要是通過寫入程序的方式來進行檢測和排查。這個檢測需要有“燒入”代碼的硬件和軟件才行，檢測的原理就是通過“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。檢查兩個方面：第一就是能不能將目標代碼正常寫入單片機，不能正常寫入單片機時，説明單片機已經損壞，需要更換同型號的單片機；第二就是目標代碼可以正常寫入單片機，寫入後的效果是不是就是程序設定的功能，如果是説明單片機正常。

單片機在更換時，我們最好採用同型號的單片機，然後寫入公司給予的目標代碼，單片機的價格目前一般比較便宜，零售價格大概5元左右。