代码收藏家 深入剖析单片机原理，全面展现多元应用画卷
相信大家听到单片机三个字肯定是非常的熟悉，尤其是通信行业，计算机行业，医疗行业，汽车电子行业的宝子们来说在熟悉不过了，那么对于单片机的发展及应用大家到底知道多少呢？今天就跟随着我的步伐一起深入探索，深入剖析这个熟悉又陌生的东西。
今天我们主要从以下五个方面深入剖析。
目录
一、单片机的发展历程
二、单片机的结构与原理
三、单片机的常见类型
四、单片机的工作过程
五、单片机的应用领域
自 20 世纪 70 年代诞生以来，单片机经历了多个发展阶段。
一、单片机的发展历程
1. 早期阶段（20 世纪 70 年代）
1971 年，Intel 公司研制出世界上第一个 4 位的微处理器，标志着微处理器和微机时代从此开始。1976 年，Intel 公司研发出了第一款 8 位单片机 MCS – 48，它以较小的体积、强大的功能以及实惠的价格在市场上迅速火爆起来，为后续单片机的发展奠定了基础。这个阶段的代表产品有 Fairchild 公司的 F8 系列和 Intel 公司的 MCS – 48 系列。F8 系列片内只包括了 8 位 CPU，64B 的 RAM 和两个并行口，需要外加一块 3851 芯片才能组成一台完整的单片机。MCS – 48 系列片内集成有 8 位的 CPU，1KB 或 2KB 的 ROM，64B 或 128B 的 RAM，只有并行接口，无串行接口，有 1 个 8 位的定时器 / 计数器，中断源有 2 个。
2. 发展阶段（20 世纪 80 年代）
这一时期，各家科技公司在单片机研发上都取得了突破性的进展。Intel 的 MCS – 51 单片机、Motorola 的 6801 和 6802 系列、Rokwell 的 6501 和 6052 系列的推出进一步扩大了单片机的市场。MCS – 51 系列单片机的推出，标志着单片机的发展进入了体系结构的完善阶段。它采用 16 位的外部并行地址总线可对外部 64KB 的存储和数据存储器空间进行寻址，还有 8 位数据总线及相应的控制总线，形成完整的并行三总线结构，同时还提供了多机通信功能的串行 I/O 口，增加了大量的位操作指令与片内的位地址空间构成了单片机所独有的布尔逻辑操作系统。这个阶段的代表产品有 Intel 公司的 MCS – 51 系列，Motorola 公司的 MC6805 系列，TI 公司的 TMS7000 系列，Zilog 公司的 Z8 系列等。
3. 成熟阶段（20 世纪 90 年代）
1982 年，以 Intel 研发的 MCS – 96 为代表的 16 位单片机在市场崭露头角。相比于 8 位单片机，16 位单片机不仅拥有更宽的带宽，ROM 和 RAM 的容量也更大，在进行 8 位以上的数据处理时，其效率可以达到 8 位单片机的 2 倍。同时在外设方面也做了更多的拓展和升级。20 世纪 90 年代，Microchip (微星) 公司推出 PIC 系列单片机，该系列单片机采用 RISC 结构的嵌入式微控制器，只有 33 条指令集，更加简单、易用。1990 年，Intel 公司推出了 32 位单片机 80960，性能得到了巨大提升，单片机的应用范围进一步扩大。这个阶段的代表产品有 Intel 公司的 MCS – 96 系列，Motorola 公司的 MC68HC16 系列，TI 公司的 TMS9900 系列，NEC 公司的 783×× 系列和 NS 公司的 HPC16040 等，以及 Microchip 公司的 PIC 系列和 Intel 公司的 80960。
4. 百花齐放阶段（现阶段）
现阶段是单片机的百花齐放阶段，在工业控制领域中普遍采用单片机及技术进行智能化控制。小到玩具、家电行业，大到车载 / 舰船电子系统、计量测试、工业过程控制、机械电子、金融电子、商用电子、办公自动化、工业机器人以及航空航天领域都有单片机的踪迹。此外，为满足不同的应用要求，出现了高速、大寻址范围、强运算能力和多机通信能力的 8 位、16 位、32 位通用型单片机，小型廉价外围系统集成的专用型单片机以及其他各具特色的现代单片机。
二、单片机的结构与原理
（一）组成部分
单片机主要由中央处理器、存储器、定时 / 计数器、输入输出接口、中断控制系统和晶体振动电路六部分组成。
1. 中央处理器（CPU）
中央处理器是单片机的核心部分，负责执行指令、进行计算、控制数据流和控制外设等任务。它通常包括算术逻辑单元、控制单元和寄存器等。例如，在一些复杂的运算任务中，CPU 能够快速准确地进行数据处理，确保单片机系统的高效运行。
2. 存储器
存储器用于存储程序指令、数据和变量等。主要包括程序存储器（如 ROM、Flash）和数据存储器（如 RAM）以及非易失性存储器（如 EEPROM）。程序存储器用于存储程序代码，而数据存储器则用于存储临时数据和变量等。一般来说，程序存储器的容量可以从几 KB 到几百 KB 不等，数据存储器的容量通常在几十字节到几 KB 之间。
3. 定时 / 计数器
单片机共有两个 16 位的定时 / 计数器，以实现定时或计数功能，并以定时或计数结果对计算机进行控制。例如，在一些需要精确时间控制的应用中，定时 / 计数器可以用来产生定时中断，实现周期性的任务执行。
4. 输入输出接口（I/O）
单片机通过输入输出设备与外部环境进行数据交互。常见的输入输出接口包括 GPIO（通用输入输出接口）、UART（串行通信接口）、SPI（串行外设接口）等。不同的接口适用于不同的应用场景，例如 GPIO 可以用于连接数字传感器或控制 LED 灯，UART 可以用于与其他设备进行串行通信。
5. 中断控制系统
中断控制系统可以让 CPU 停止正在执行的程序，转而去执行程序存储器 ROM 中特定的某段程序，执行完成该段程序后再继续执行先前中断的程序。单片机共有 5 个中断源，即两个外中断源，两个定时 / 计数中断源，一个串行中断源。
6. 晶体振动电路
晶体振动电路产生时钟信号送给单片机内部各电路，控制这些电路，使它们有节拍地工作。时钟信号频率越高，内部电路工作速度越快。系统允许的晶振频率一般为 6MHz～12MHz。
（二）工作原理
单片机是以计算机应用技术为基础，通过控制器管理内存中的指令，运算器进行数据运算，其工作过程实质是执行程序的过程。
单片机的工作原理包括以下几个方面：
1. 时钟信号
单片机内部有一个时钟电路，提供基准时钟信号，控制 CPU 的运行速度和时间节奏。通常，时钟信号的频率决定了单片机的执行速度，频率越高，执行速度越快。
2. 存储器操作
单片机内部有 ROM 和 RAM 两种存储器。ROM 存储程序代码，这些代码在单片机上电后被加载到内存中，供 CPU 执行。RAM 用于存储数据和变量，CPU 可以对 RAM 中的数据进行读写操作。存储器的读取和写入都是通过总线控制器实现的。
3. 输入输出操作
单片机通过输入输出端口与外部设备进行数据交换。输入口接收外部信号，如传感器的数据或按键的输入。输出口向外部发送信号，如控制电机的转速或点亮 LED 灯。输入输出的控制也是通过总线控制器实现的。
4. 中央处理器（CPU）的执行
单片机的核心部分是中央处理器（CPU），它负责执行指令、进行运算和控制系统。CPU 通过总线控制器和存储器、输入输出等模块进行数据交换和控制。CPU 从存储器中读取指令，对指令进行译码后执行相应的操作。
总之，单片机通过各个组成部分的协同工作，实现了对外部设备的控制和数据处理功能。其工作原理基于计算机的基本工作原理，但又具有体积小、功耗低、控制功能强等特点，适用于各种嵌入式系统的应用。
三、单片机的常见类型
（一）九齐 NY 系列单片机
- 特点：
应用领域：专门为 IO 产品的应用而设计，比如红外遥控器、风扇 / 灯光控制等产品，生活中常用的消费类小家电都可以使用。
（二）51 系列单片机
- 特点：
应用领域：
（三）AVR 系列单片机
- 特点：
应用领域：广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。
（四）PIC 系列单片机
- 特点：
应用领域：主要用于电机、医疗、家电、有限连接、汽车领域、电池管理方案、智能源等。
（五）STM32 系列单片机
- 特点：
应用领域：主要交通运输、UPS 电源、充电桩、功率转换器、计算机等方面。
（六）MSP430 系列单片机
- 特点：
应用领域：主要应用在智能电子锁、键盘门禁、读取器、电梯轿厢呼叫按钮、无线扬声器、可视门铃等。
（七）M68HC 系列单片机
- 特点：
应用领域：工控领域。
四、单片机的工作过程
（一）取指令阶段
单片机执行程序的第一个阶段是取指令。计算机每执行一条指令都可分为三个阶段进行，即取指令、分析指令和执行指令。取指令的任务是根据程序计数器（PC）中的值从程序存储器读出现行指令，送到指令寄存器。例如，当单片机开始运行时，首先程序计数器（PC）会指向程序存储器中的某个地址，这个地址中的内容（指令）会被送到地址寄存器，然后程序计数器自动加 1，地址寄存器的内容通过内部地址总线送到存储器，以存储器中地址译码电跟，使对应的存储单元被选中，CPU 使读控制线有效，在读取命令控制下，被选中存储器单元的内容（指令）被送到内部数据总线上，由于是取指阶段，所以该内容通过数据总线被送到指令寄存器。至此，取指阶段完成。
（二）分析指令阶段
取指令阶段完成后，进入分析指令阶段。这个阶段的任务是将指令寄存器中的指令操作码取出后进行译码，分析其指令性质。如指令要求操作数，则寻找操作数地址。例如，如果指令是将一个数送到累加器，那么在分析指令阶段，单片机就会知道该指令是要进行这样的操作，并且会确定这个数的存储地址。
（三）执行指令阶段
分析指令阶段完成后，进入执行指令阶段。这个阶段的任务是取出操作数，然后按照操作码的性质对操作数进行操作。例如，如果指令是将一个数送到累加器，那么在执行指令阶段，就会从操作数地址中取出这个数，然后将其送到累加器中。
（四）程序在 ROM、RAM 和 CPU 中的运行方式
程序在单片机中的运行涉及到 ROM、RAM 和 CPU 三个部分。程序代码通常存储在 ROM（只读存储器）中，当单片机上电后，程序代码从 ROM 中被加载到内存中，供 CPU 执行。CPU 从 ROM 中读取指令，对指令进行译码后执行相应的操作。RAM（随机存储器）用于存储数据和变量，CPU 可以对 RAM 中的数据进行读写操作。在执行程序的过程中，如果程序中有对变量的操作，那么这些变量就会存储在 RAM 中。例如，当程序进行计算时，如果产生了变量，那么产生的变量将存放在 RAM 中。
总之，单片机通过取指令、分析指令、执行指令三个阶段来执行程序，程序在 ROM、RAM 和 CPU 中的运行方式相互配合，实现了单片机对外部设备的控制和数据处理功能。
五、单片机的应用领域
（一）智能仪器仪表
单片机在智能仪器仪表中应用广泛，具有控制功能强、I/O 功能强大、数据计算能力高速等特点。例如，在精密的测量设备如功率计、示波器和各种分析仪中，单片机结合不同类型的传感器，可实现对电压、功率、频率等多种物理量的测量。通过单片机控制，仪器仪表不仅实现了数字化，还更加智能化和微型化，功能相比采用电子或数字电路更加强大。以 MCS-51 类型的单片机为例，其具有布尔处理功能和处理指令输入输出的功能，能准确监控仪器仪表各参数，节省了大量的开关与常规仪器中的数字电路，使仪器仪表的控制更加高效。
（二）工业控制
在工业控制领域，单片机发挥着重要作用。它可以用于工厂流水线的智能化管理，通过传感器收集各类物理信号，利用程序进行有效处理与控制，实现对生产过程的精确监控和自动化操作，提高生产效率和产品质量。例如，在电梯智能化控制中，单片机可实现对电梯运行状态的实时监测和精确控制，确保电梯安全、稳定运行。此外，单片机还可用于各种报警系统，以及与计算机联网构成二级控制系统，为工业生产提供全方位的安全保障和高效管理。
（三）家用电器
现在的家用电器基本上都采用了单片机控制。例如，电饭煲通过单片机可以根据不同的米种、水量和烹饪需求，自动选择最佳的烹饪时间和温度，煮出喷香可口的米饭。洗衣机利用单片机能够自动计算注水量，选择最佳水流，确定洗涤动作和洗涤时间，以获得最佳洗涤效果。电冰箱通过单片机可以实现温度的精确控制，根据食物的种类和数量自动调节制冷强度，保持食物的新鲜度。空调机借助单片机能够根据室内外温度、湿度等因素自动调节制冷或制热模式，为用户提供舒适的室内环境。
（四）计算机网络通信
在计算机网络和通信领域，现代的单片机普遍具备通信接口，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。例如，在手机中，单片机实现了对通信功能、屏幕显示、按键操作等的智能控制。电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统等也都离不开单片机的应用。通过单片机的控制，这些设备能够实现高效的数据通信和稳定的运行。此外，移动电话、集群移动通信、无线电对讲机等通信设备也广泛应用了单片机技术，使通信更加便捷、可靠。
（五）医用设备领域
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛。例如，医用呼吸机通过单片机可以精确控制呼吸频率、压力等参数，为患者提供合适的呼吸支持。各种分析仪如血液分析仪、生化分析仪等利用单片机实现对样本的快速、准确分析。监护仪通过单片机实时监测患者的生命体征，如心率、血压、血氧饱和度等，并在出现异常情况时及时报警。病床呼叫系统借助单片机方便患者在需要时及时呼叫医护人员，提高医疗服务的效率和质量。
（六）汽车电子
在汽车电子领域，单片机的应用非常广泛。在汽车发动机控制方面，单片机可以收集分布在汽车各处传感器发出的信息，按照内嵌软件的指令进行实时计算，优化发动机的运行状态，提高燃油效率和动力性能。例如，通过计算歧管压力的波动可判断气缸的工作顺序，省去了凸轮轴位置传感器。在汽车导航系统中，单片机实现了对地图数据的存储和处理、定位功能以及路线规划等。此外，在汽车的安全与底盘电子系统中，如防抱死制动系统（ABS）、电子稳定控制系统（ESP）等，单片机起着关键的控制作用，确保车辆行驶的安全稳定。在汽车的车身电子系统中，单片机可用于控制电动座椅、车窗、后视镜等设备，提高驾驶的舒适性和便利性。
作者：车载测试职场人
