1.1 單片機(jī)的基本概念

單片機(jī)的全稱為單片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microcomputer），它是將計(jì)算機(jī)的基本部件微型化并集成在一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)，在一塊硅片上集成了中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器（RAM、ROM、FLASH、E2PROM等）、輸入/輸出接口（并行I/O接口、同步串行口、異步串行口等）及各種外圍設(shè)備（定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、A/D、D/A、PWM等）。從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，單片機(jī)主要用于控制，所以又稱為微控制器（Microcontroller Unit）或嵌入式控制器（Embedded Controller）。

1.1.1 單片機(jī)的分類(lèi)

目前市面上的單片機(jī)品種很多，至少有五十多個(gè)系列、三百多個(gè)品種，可按以下方式進(jìn)行分類(lèi)。

（1）按適用范圍分

通用型——是指可把開(kāi)發(fā)資源（如FLASH、RAM、I/O接口、外設(shè)等）全部提供給應(yīng)用者的單片機(jī)。其內(nèi)部資源比較豐富，性能全面且適用性強(qiáng)，能覆蓋多種應(yīng)用需求，如80C51單片機(jī)。用戶可以根據(jù)需要，設(shè)計(jì)不同的應(yīng)用控制系統(tǒng)。

專用型——是指其硬件結(jié)構(gòu)和指令是按照某個(gè)特定用途而專門(mén)設(shè)計(jì)的單片機(jī)。例如，打印機(jī)控制器、錄音機(jī)機(jī)芯控制器等。這類(lèi)單片機(jī)不屬于本書(shū)討論的范圍。

（2）按制造工藝分

HMOS工藝——高密度短溝道MOS工藝，具有高速度、高密度的特點(diǎn)。

CHMOS（或HCMOS）工藝——互補(bǔ)的金屬氧化物的HMOS工藝，是CMOS與HMOS的結(jié)合，具有高密度、高速度、低功耗的特點(diǎn)。

（3）按字長(zhǎng)分

字長(zhǎng)是指單片機(jī)內(nèi)部參與運(yùn)算的數(shù)的位數(shù)。它決定了單片機(jī)內(nèi)部寄存器、算術(shù)邏輯單元（Arithmetic Logic Unit, ALU）和數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，直接影響著機(jī)器的硬件規(guī)模和造價(jià)。字長(zhǎng)直接反映了單片機(jī)的計(jì)算精度。

單片機(jī)按字長(zhǎng)可分為4位機(jī)（如NEC公司的μPD75XX系列）、8位機(jī)（如Intel公司的MCS-51系列）、16位機(jī)（如Intel公司的MCS-96/98系列）和32位機(jī)（如Motorola公司的MC683XX系列）等，字長(zhǎng)越長(zhǎng)其運(yùn)算處理的速度越快，功能越強(qiáng)大。從近年來(lái)的使用情況看，8位單片機(jī)使用率最高，其次是32位。前者主要用于滿足大量低端控制領(lǐng)域應(yīng)用的需求，后者主要用于滿足一些高端新興領(lǐng)域（如網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體、數(shù)碼產(chǎn)品和信息家電等）對(duì)海量數(shù)據(jù)處理能力的需要。對(duì)于工作速度不高、數(shù)據(jù)處理量不大、控制過(guò)程不很復(fù)雜的場(chǎng)合，如家用電器、商用產(chǎn)品等，可選用8位單片機(jī)；對(duì)于要求很高的實(shí)時(shí)控制及復(fù)雜的過(guò)程控制，如機(jī)器人、信號(hào)處理等，則最好選用32位單片機(jī)。

盡管單片機(jī)種類(lèi)繁多，但它們的基本結(jié)構(gòu)和功能類(lèi)似，因此可以選擇以一種單片機(jī)為主進(jìn)行學(xué)習(xí)，并熟練掌握。目前，教學(xué)的首選機(jī)型仍然是8位單片機(jī)。

1.1.2 單片機(jī)的指標(biāo)

衡量單片機(jī)的性能指標(biāo)有很多，包括速度、位數(shù)、功耗、I/O接口數(shù)量、存儲(chǔ)容量、工作電壓、價(jià)格、體積、重量等。

（1）速度

CPU處理速度，用每秒執(zhí)行百萬(wàn)條指令表征，單位是MIPS（Million Instruction Per Second），目前最快的單片機(jī)可達(dá)200MIPS。單片機(jī)的速度與系統(tǒng)時(shí)鐘相關(guān)聯(lián)，但并不是頻率越高處理速度就越快。對(duì)于同一型號(hào)的單片機(jī)來(lái)說(shuō)，采用頻率高的時(shí)鐘一般比頻率低的速度快。

（2）位數(shù)

位數(shù)是指CPU一次基本操作處理的數(shù)據(jù)位數(shù)。它與CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)總線寬度是一致的。位數(shù)越多，所表示的數(shù)據(jù)精度就越高。在完成同樣精度的運(yùn)算時(shí)，位數(shù)較多的單片機(jī)比位數(shù)較少的單片機(jī)運(yùn)算速度快。

（3）功耗

為了滿足廣泛使用于便攜式系統(tǒng)的要求，目前許多單片機(jī)內(nèi)的工作電壓僅為1.8～3.6V，工作電流僅為數(shù)百毫安，一些低功耗單片機(jī)的靜態(tài)電流甚至可以達(dá)到μA或nA級(jí)。幾乎所有的單片機(jī)都有WAIT、STOP等省電運(yùn)行方式。目前，低電壓供電的單片機(jī)電源下限已達(dá)1～2V甚至更低。

（4）I/O接口數(shù)量

不同類(lèi)型的單片機(jī)其輸入/輸出接口有很大差別。一般從幾個(gè)到幾十個(gè)。例如，MCS-51系列單片機(jī)有4個(gè)8位并行I/O接口，使用上很方便。在片內(nèi)接口不夠時(shí)，可考慮進(jìn)行接口擴(kuò)展。

（5）存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器字節(jié)數(shù)通常在幾十字節(jié)到幾百字節(jié)之間。程序存儲(chǔ)器空間較大，從幾KB到幾百M(fèi)B。

（6）外設(shè)數(shù)量

隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的高速發(fā)展，單片機(jī)集成的外設(shè)數(shù)量越來(lái)越多，功能也越來(lái)越強(qiáng)大，提供給用戶的硬件資源非常豐富。例如，一些高性能單片機(jī)集成了A/D、D/A、PWM、SPI、I2C、CAN、比較器等多達(dá)十幾個(gè)模塊。

（7）擴(kuò)展能力

當(dāng)單片機(jī)片內(nèi)資源不夠時(shí)，需要擴(kuò)展外部硬件模塊，擴(kuò)展能力決定了單片機(jī)最多能擴(kuò)展多少容量的外部硬件設(shè)備。