1.1 微控制器的概念、特點與發展

隨著微電子技術的不斷發展，計算機技術也得到迅速發展，并且由于芯片的集成度的提高而使計算機微型化，出現了單片微型計算機（Single Chip Microcomputer），簡稱單片機，也可稱為微控制器MCU（Micro Controller Unit）。單片機，即集成在一塊芯片上的計算機，集成了中央處理器CPU（Central Processing Unit）、隨機存儲器RAM（Random Access Memory）、只讀存儲器（Read Only Memory）、定時器/計數器以及I/O接口電路等主要計算機部件。

單片機具有功能強、體積小、成本低、功耗小、配置靈活等特點，使其在工業控制、智能儀表、技術改造、通信系統、信號處理等領域以及家用電器、高級玩具、辦公自動化設備等方面均得到應用。

隨著大規模、超大規模集成電路技術的發展，單片機內還可以包含模/數（A/D）轉換器、數/模（D/A）轉換器、高速輸入/輸出部件、直接存儲器訪問通道（DMA通道）、脈寬調制電路（PWM）、看門狗定時器（WDT）、浮點運算等新的特殊功能部件，從而構成一個小而完善的計算機系統。

由于單片機的結構和指令功能都是按照工業控制要求設計的，特別適合于工業控制及與控制有關的數據處理場合，國際上已經將其正式命名為微控制器（Micro Controller Unit，MCU），單片機是其習慣稱呼。

從1976年9月Intel公司推出MCS-48系列單片機以來，世界上的一些著名的器件公司都紛紛推出各自系列的單片機產品。主要有Intel公司的MCS-48、51、96系列單片機；Motorola公司的MC6801、6805系列單片機；ZiLOG公司的Z8系列單片機；近年有Atmel公司的AT89系列單片機和Microchip公司的PIC系列單片機等。各種系列的單片機由于其內部功能、單元組成及指令系統的不盡相同，形成了各具特色的系列產品。其中Intel公司生產的MCS系列單片機目前仍占市場主導地位。如圖1.1所示為Atmel公司生產的AT89系列單片機的實物圖。

單片機作為微型計算機的一個分支，同樣具有快速、精確、記憶功能和邏輯判斷能力強等特點，而且在硬件結構和指令設置上也具有其獨到之處，主要特點有：

（1）體積小，重量輕；價格低，功能強；電源單一，功耗低；可靠性高，抗干擾能力強。這是單片機得到迅速普及和發展的主要原因。同時由于它的功耗低，后期投入成本也大大降低。

（2）使用方便靈活、通用性強。由于單片機本身就構成一個最小系統，只要根據不同的控制對象進行相應的改變即可，因而它具有很強的通用性。

（3）目前大多數單片機采用哈佛（Harvard）結構體系。單片機的數據存儲器空間和程序存儲器空間相互獨立。單片機主要面向測控對象，通常有大量的控制程序和比較少的隨機數據。為了將程序和數據分開，單片機使用較大容量的程序存儲器來固化程序代碼，使用較小容量的數據存儲器來存取隨機數據。程序在只讀存儲器ROM中運行，不易受外界侵害，可靠性高。

（4）突出控制功能的指令系統。單片機的指令系統中有大量的單字節指令，可以提高指令運行速度和操作效率；有豐富的位操作指令，滿足了對開關量控制的要求；有豐富的轉移指令，包括無條件轉移指令和條件轉移指令。

（5）較低的處理速度和較小的存儲容量。因為單片機是一種小而全的微型機系統，它是犧牲運算速度和存儲容量來換取其體積小、功耗低等特色的。

目前，單片機正朝著高性能和多品種方向發展，將進一步向著低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內裝化等幾個方面發展。單片機的主要發展趨勢如表1.1所示。