摘要:单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲:一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
关键词: 单片机 分析 介绍
引言
二十世纪跨越了三个“电”的时代,即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过,这种电脑,通常是指个人计算机,简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机,大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机(亦称微控制器)。顾名思义,这种计算机的最小系统只用了一片集成电路,即可进行简单运算和控制。因为它体积小,通常都藏在被控机械的“肚子”里。现在,这种单片机的使用领域已十分广泛,如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机,就能起到使产品升级换代的功效,常在产品名称前冠以形容词——“智能型”。
一、建立单片机的概念
单片机是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡等等,这些都离不开单片机。因此,单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
二、单片机的基本组成
1、运算器
运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件ALU为核心,再加上暂存器TMP、累加器ACC、寄存器B、程序状态标志寄存器PSW及布尔处理器。累加器ACC是一个八位寄存器,它是CPU中工作最频繁的寄存器。在进行算术、逻辑运算时,累加器ACC往往在运算前暂存一个操作数(如被加数),而运算后又保存其结果(如代数和)。寄存器B主要用于乘法和除法操作。标志寄存器PSW也是一个八位寄存器,用来存放运算结果的一些特征,如有无进位、借位等。
2、控制器
控制器是CPU的神经中枢,它包括定时控制逻辑电路、指令寄存器、译码器、地址指针DPTR及程序计数器PC、堆栈指针SP等。这里程序计数器PC是由16位寄存器构成的计数器。8051 CPU碢C指定的地址,从ROM相应单元中取出指令字节放在指令寄存器中寄存,然后,指令寄存器中的指令代码被译码器译成各种形式的控制信号,这些信号与单片机时钟振荡器产生的时钟脉冲在定时与控制电路中相结合,形成按一定时间节拍变化的电平和时钟,即所谓控制信息,在CPU内部协调寄存器之间的数据传输、运算等操作。
3、存储器
存储器是单片机的又一个重要组成部分,图6给出了一种存储容量为256个单元的存储器结构示意图。其中每个存储单元对应一个地址,256个单元共有256个地址,用两位16进制数表示,即存储器的地址(00H～FFH)。存储器中每个存储单元可存放一个八位二进制信息,通常用两位16进制数来表示,这就是存储器的内容。存储器的存储单元地址和存储单元的内容是不同的两个概念,不能混淆。
三、单片机的发展趋势
现在可以说单片机是百花齐放,百家争鸣的时期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机,从8位、16位到32位,数不胜数,应有尽有,有与主流C51系列兼容的,也有不兼容的,但它们各具特色,互成互补,为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程,可以预示单片机的发展趋势,大致有:
1.低功耗CMOS化
MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW,而现在的单片机普遍都在100mW左右,随着对单片机功耗要求越来越低,现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低,但由于其物理特征决定其工作速度不够高,而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点,这些特征,更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。
2.微型单片化
现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口,中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上,增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上,这样单片机包含的单元电路就更多,功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做,制造出具有自己特色的单片机芯片。
3.主流与多品种共存
现在虽然单片机的品种繁多,各具特色,但仍以80C51为核心的单片机占主流,兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品,ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头,中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增,与其低价质优的优势,占据一定的市场分额。
四、单片机的广泛应用
单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强、运算速度快、控制灵活、抗干扰能力强、电源电压范围宽等特点,故在国民经济建设、军事及家用电器、自动测控系统、智能仪表、机器人等领域均得到了广泛的应用。
五、结语
现代计算机技术的产业革命,将世界经济从资本经济带入到知识经济时代。在电子世界领域,从20世纪中的无线电时代也进入到21世纪以计算机技术为中心的智能化现代电子系统时代。现代电子系统的基本核心是嵌入式计算机系统(简称嵌入式系统),而单片机是最典型、最广泛、最普及的嵌入式系统。
参考文献
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