浅谈对单片机的认识
摘要：自从1975年美国德克萨斯仪器公司（Texas Instruments）的第一个单片微型计算机（简称单片机）TMS-1000问世以来，单片机技术已成为计算机技术的一个独特分支，其应用领域越来越广泛，特别是在工业控制和仪器仪表智能化中扮演着极其重要的角色。 关键词：单片机 特点 分类 工作原理 应用领域
单片机的发展史
单片机的开发和应用是从4位机开始的，因其内部结构简单，从而最早问世。自1975年以来，几乎所有的4位微型计算机全是单片机结构；1976年9月美国英特尔公司首次推出了MCS-48系列8位单片机，这是一个完全的8位单片机。随后两年3870（F8)系列和6801系列的8位机被推出，此后，各种8位单片机也纷纷应运而生；1983年以后集成电路的集成度可达十几万个管/片，16位单片机逐渐问世；随着调制解调器、GPS、路由器、机顶盒、工作站、激光打印机等中高端应用需求的增长，32位单片机应运而生。
单片机的内部结构和特点
单片机
把微型计算机的基本功能部件全部集成在一块半导体芯片上，是的一块集成电路芯片就是一部微型计算机，这种集成电路芯片被称为半片微型计算机（Single Chip Microcomputer），简称单片机。单片机除了具备一般微型计算机的功能，为了增强实时控制能力，绝大部分单片机的芯片上还集成有定时器/计数器，某些单片机还带有A/D
转换器等功能部件。 单片机的内部结构
1、中央处理器（CPU），包括ALU、控制器和寄存器组； 2、存储器，包括ROM和RAM；
3、输入/输出(I/O)接口，与外部输入/输出设备连接。 单片机的特点
所谓单片机就是一块芯片上集成了CPU、ROM、RAM、定时/计数器和多种I/O接口电路等达到一定规模的微型计算机。单片机与微型计算机比较，在硬件结构、指令设置上均有独到之处，其主要特点如下。
1、在存储器组织上采用哈佛（Harvard）结构。即数据存储空间与程序存储空间相互分离开来。而不太采用目前计算机常用的冯·诺依曼结构，即数据与程序合用一个存储空间。
采用Harvard结构主要是考虑到单片机主要面向控制，程序存储器ROM和数据存储器RAM严格分工。通常需要较大容量的ROM，ROM只存放已调试好的控制程序、常数及数据表格。还需要一定容量的RAM，用于存放少量的随机数据、变量及用做工作区。这样小容量的数据存储器能以高速RAM的形式形成集成在单片机内，加快程序运行速度。RAM并不是当做高速数据缓冲存储器（Cache）用。
2、采用面向控制的指令系统。为满足控制的需要，单片机的逻辑控制能力要优于同等级的CPU，特别是单片机具有很强的位处理能力。单片机的运行速度也较高。
3、单片机的I/O引脚通常是多功能的。由于单片机上的引脚数有限，为了解决实际引脚数和需要的信号线数的矛盾，采用了引脚功能复用的方法，引脚处于何种功能，可有指令来设置或由机器状态来区分。
4、系列齐全，功能扩展性强。单片机有内部淹膜ROM、内部EPROM和外接ROM等形式，并可方便地扩展外部的ROM、RAM及I/O接口，与许多通用的微机接口芯片兼容，给应用系统的设计和生产带来了极大的方便。
5、单片机的功能是通用的。单片机虽然主要作控制器，但是功能上还是通用的，可以像一般微处理器那样广泛地应用在各个方面。
单片机的分类
单片机的分类目前尚无统一标准。通常根据应用领域、总线类型来分。
1、工控型／家电型。工控型的单片机主要是面向测控，要求寻址范围大，运算能力强。家电型的单片机要求体积小、价格低，外围器件少，使用方便。
2、总线型／非总线型。总线型单片机是指单片机设有并行总线，用以扩展并行外围器件。非总线型单片机是指单片机通过串行口与外围器件连接，或直接把外围器件、外设接口集成在片内。
3、通用型／专用型。通用型单片机，它的应用范围宽，如Intel公司的MCS—5l系列产品8031、80C51等通过不同的外围扩展就可以用在不同的设备中。专用型单片机是专门为某一产品设计生产的如电
子体温计、计费电度表等。
单片机的工作原理
单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条
指令的起始地址，保证指令顺序执行。
单片机的应用领域
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，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。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。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：
1.在智能仪器仪表上的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。 2.在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管 3.在家用电器中的应用
可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。 4.在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的
物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。
5.单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 6.在各种大型电器中的模块化应用
某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。
在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。 7.单片机在汽车设备领域中的应用
单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。
此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
参考文献
[1]杨文龙.单片机原理及应用系统设计.北京：清华大学出版社，2011.
