单片机

单片机，全称单片微型计算机（英语：single-chip microcomputer），又称微控制器单元（microcontroller unit），是把中央处理器、存储器、定时/计数器（timer/counter）、各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。与应用在个人电脑中的通用型微处理器相比，它更强调自供应（不用外接硬件）和节约成本。它的最大优点是体积小，可放在仪表内部，但存储量小，输入输出接口简单，功能较低。由于其发展非常迅速，旧的定义已不能满足，所以在很多应用场合被称为范围更广的微控制器；由于单片机微电脑常用于当控制器故又名single chip microcontroller。台湾称为“单片机”；中国大陆则主要采用“单片机”，英文缩写为MCU。

概述

绝大多数现在的单片机都是基于冯·诺伊曼结构的，这种结构清楚地定义了嵌入式系统所必需的四个基本部分：一个中央处理器核心，程序存储器（只读存储器或者闪存）、数据存储器（随机存储器）、一个或者更多的定时/计数器，还有用来与外围设备以及扩展资源进行通信的输入/输出端口——所有这些都被集成在单个集成电路芯片上。

说单片机与通用型中央处理单元芯片不同，是因为前者一般很容易配合最小型的外部支持芯片制成工作计算机。这样就可以很容易的把单片机系统植入设备内部来控制设备了。近年来为了在指令和数据上使用不同的字宽，并提高处理器线速度，哈佛结构在微控制器（Microcontrollers）和数字信号处理器也逐渐得到了广泛的应用。

传统的微处理器是不允许这么做的。它要完成单片机的工作，就必须连接一些其他芯片。比如说，因为芯片上没有数据存储器，就必须要添加一些RAM的存储芯片，虽然所添加存储器的容量很灵活，但是至少还是要添加。另外还需要添加很多连线来传递芯片之间的数据。与以上的情况相比，单片机的工作则相对独立，一个典型的微控制器只需要一个时钟发生器和很少的RAM和ROM（或者EPROM, E²PROM）就可以在软件和晶振下工作了。同时，微控制器具有丰富的输入输出设备，例如模拟数字转换器、定时器、串口，以及其他串行通讯接口，比如I²C，串行周边接口，控制器局域网等。通常，这些集成在内部的设备可以通过特殊的指令来操作。

单片机时钟频率通常较同时代的计算机芯片低，但它价格低廉，能够提供充足的程序存储器、丰富的片上接口。某些架构的单片机生产厂商众多，例如8051系列、Z80系列。一些现代的微控制器支持一些内建的高级编程语言，比如BASIC(培基)语言、C语言、C++等。

单片机的组成

单片机是微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。它通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。单片机中的CPU、存储器等部件将在后面章节陆续介绍。

单片机的位元数

根据汇流排或资料暂存器的宽度，单片机又分为4位元、8位元、16位元和32位元单片机。4位单片机多用于冰箱、洗衣机、微波炉、灯具等简单的家电控制中；8位、16位单片机主要用于一般的控制领域，例如遥控器手把、空调、发动机等，一般不使用操作系统；32位用于网络操作、多媒体处理等复杂处理的场合，一般要使用嵌入式操作系统，例如电视、车机、监视器等产品。

单片机的特点

（1）有优异的性能价格比。

（2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。

（3）控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。

（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。

（5）外部总线增加了I C（Inter-Integrated Circuit）及SPI（Serial Peripheral Interface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。

（6）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。

主要分类

单片机发展阶段和发展历史

1、SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。

2、MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。 Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。

单片机的应用

由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：

（1）单片机在智能仪表中的应用 单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。

（2）单片机在机电一体化中的应用 机电一体化是械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。

（3）单片机在实时控制中的应用 单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。

（4）单片机在分布式多机系统中的应用 在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。

（5）单片机在人类生活中的应用 自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机 等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。 综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。

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，录象机、摄象机、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理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

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。

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。

单片机的发展趋势

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。

1、下面是单片机的主要发展趋势：

（1）CMOS化

近年，由于CHMOS技术的进小，大大地促进了单片机的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。CHMOS和HMOS工艺的结合。目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。

低功耗化 单片机的功耗已从Ma级，甚至1uA以下；使用电压在3~6V之间，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。

（2） 低电压化

几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般在3~6V范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达1~2V。目前0.8V供电的单片机已经问世。

低噪声与高可靠性 为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。

（3） 大容量化

以往单片机内的ROM为1KB~4KB，RAM为64~128B。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB。

（4）高性能化

主要是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达100MIPS（Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其I/O功能，由此引入了虚拟外设的新概念。

（5）小容量、低价格化

与上述相反，以4位、8位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。

外围电路内装化 这也是单片机发展的主要方向。随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种处围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、DMA控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。

串行扩展技术 在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位OTP（One Time Programble）及各种类型片内程序存储器的发展，加之处围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结构的发展。特别是IC、SPI等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。

随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS–51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、 NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。80C51单片机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51可能最终形成事实上的标准MCU芯片。

全球主流单片机制造商

欧美地区

1、Freescale+NXP（飞思卡尔+恩智浦）：荷兰，主要提供16位、32位MCU。应用范围：汽车电子、LED和普通照明、医疗保健、多媒体融合、家电和电动工具、楼宇自动化技术电机控制、电源和功率转换器、能源和智能电网、自动化、计算机与通信基础设施。

2、Microchip+Atmel（微芯科技+爱特梅尔）：美国，主要提供16位、32位MCU。应用范围：汽车电子、工业用、电机控制、汽车、楼宇自动化、家用电器、家庭娱乐、工业自动化、照明、物联网、智能能源、移动电子设备、计算机外设。

3、Cypress+Spansion（赛普拉斯+飞索半导体）：美国，主要提供8位、16位、32位MCU。应用范围：汽车电子、家用电器、医疗、消费类电子、通信与电信、工业、无线。

4、ADI（亚德诺半导体）：美国，主要提供8位、16位、32位MCU。应用范围：航空航天与国防、汽车应用 、楼宇技术 、通信 、消费电子 、能源 、医疗保健 、仪器仪表和测量 、电机、工业自动化 、安防。

5、Infineon（英飞凌）：德国，主要提供16位、32位MCU。应用范围：汽车电子、消费电子、工程、商用和农用车辆、数据处理、电动交通、工业应用、医疗设备、移动设备、电机控制与驱动、电源、面向摩托车电动自行车与小型电动车、智能电网、照明、太阳能系统解决方案、风能系统解决方案。

6、ST Microelectronics（意法半导体）：意大利/法国，主要提供32位MCU。应用范围：LED和普通照明、交通运输、医疗保健、多媒体融合、家电和电动工具、楼宇自动化技术电机控制、电源和功率转换器、能源和智能电网、自动化、计算机与通信基础设施。

7、Qualcomm（高通）：美国，主要提供16位，32位MCU。应用范围：智能手机、平板电脑、无线调制解调器。

8、Texas Instruments（德州仪器）：美国，主要提供16位、32位MCU。应用范围：汽车电子、消费电子、医疗设备、移动设备、通信。

9、Maxim（美信）：美国，主要提供32位MCU。应用范围：汽车电子、消费电子、工业应用、安防。

日韩地区

1、Renesas（瑞萨）：日本，主要提供16位、32位MCU。应用范围：电脑及外设、消费类电子、健康医疗电子、汽车电子、工业、通信。

2、Toshiba（东芝）：日本，主要提供16位、32位MCU。应用范围：汽车电子、工业用、电机控制、无线通信、移动电话、电脑与周边设备、影像及音视频、消费类(家电)、LED照明、安全、电源管理、娱乐设备。

3、Fujitsu（富士通）：日本，主要提供32位MCU。应用范围：汽车、医疗、机械，家电。

4、Samsung Electronics（三星电子）：韩国，主要提供16位、32位MCU。应用范围：汽车电子、工业用、电机控制、汽车、楼宇自动化、家用电器、家庭娱乐、工业自动化、照明、物联网、智能能源、移动电子设备、计算机外设。

台湾地区

1、宏晶科技：台湾，主要提供32位MCU。应用范围：通信、工业控制、信息家电、语音。

2、盛群半导体：台湾，主要提供8位、32位MCU。应用范围：消费电子、LED照明等。

3、凌阳科技：台湾，主要提供8位、16位MCU。应用范围：家庭影音。

4、中颖电子：台湾，主要提供4位、8位MCU。应用范围：充电器、移动电源、家电、工业控制。

5、松翰科技：台湾，主要提供8位、32位MCU。应用范围：摇控器、智能型充电器、大小系统、电子秤、耳温枪、血压计、胎压计、各类量测及健康器材。

6、华邦电子：台湾，主要提供8位、16位MCU。应用范围：车用电子、工业电子、网络、计算机、消费电子、物联网。

7、十速科技：台湾，主要提供4位、8位、51位MCU。应用范围：遥控器、小家电。

8、佑华微电子：台湾，主要提供4位、8位MCU。应用范围：录音集成电路产品、消费电子、家用产品。

9、应广科技单片机：台湾，主要提供4位、8位MCU。应用范围：机械、自动化、家电、机器人。

10、义隆电子：台湾，主要提供8位、16位MCU。应用范围：消费电子、电脑、智能手机。

大陆地区

1、希格玛微电子：主要提供32位MCU，应用范围：电信、制造、能源、交通、电力等。

2、珠海欧比特：主要提供32位MCU，应用范围：航空航天：星箭站船、飞行器;高端工控：嵌入式计算机;舰船控制、工业控制、电力设备、环境监控。

3、兆易创新：主要提供32位MCU，应用范围：工业自动化、人机界面、电机控制、安防监控、智能家居、物联网。

4、晟矽微电子：主要提供8位、32位MCU，应用范围：小家电、消费类电子、遥控器、鼠标、锂电池、数码产品、汽车电子、医疗仪器及计量、玩具、工业控制、智能家居及安防等领域。

5、芯海科技：主要提供16、32位MCU，应用范围：仪器仪表、物联网、消费电子、家电、汽车电子。

6、联华集成电路：主要提供8位、16位MCU，应用范围：消费电子、白色家电、工业控制、通信设备、汽车电子、计算机。

7、珠海建荣：主要提供8位MCU，应用范围：家用电器 、移动电源。

8、炬芯科技：主要提供8位至32位MCU，应用范围：平板电脑、智能家居、多媒体、蓝牙、wifi音频。

9、爱思科微电子：主要提供8位、16位MCU，应用范围：消费类芯片、通讯类芯片、信息类芯片、家电。

10、华芯微电子：主要提供8位、4位MCU，应用范围：卫星接收器、手机充电器、万年历、多合一遥控器。

11、上海贝岭（华大半导体控股）：主要提供8位、16位、32位MCU，应用范围：计算机周边、HDTV、电源管理、小家电、数字家电。

12、海尔集成电路：主要提供14位、15位、16位MCU，应用范围：消费电子、汽车电子、工业、智能仪表。

13、北京君正：主要提供32位MCU，应用范围：可穿戴式设备、物联网、智能家电、汽车、费类电子、平板电脑。

14、中微半导体：主要提供8位MCU，应用范围：智能家电、汽车电子、安防监控、LED照明及景观、智能玩具、智能家居、消费类电子。

15、神州龙芯集成电路：主要提供32位MCU，应用范围：电力监控、智能电网、工业数字控制、物联网、智能家居、数据监控。

16、紫光微电子：主要提供8位、16位MCU，应用范围：智能家电。

17、时代民芯：主要提供32位MCU，应用范围：汽车导航、交通监控、渔船监管、电力电信网络。

18、华润矽科微电子（华润微旗下公司）：主要提供8位、16位MCU，应用范围：消费电子、工业控制、家电。

19、国芯科技：主要提供32位MCU，应用范围：信息安全领域 、办公自动化领域、通讯网络领域、 信息安全领域。

20、中天微：主要提供32位MCU，应用范围：智能手机、数字电视、机顶盒、汽车电子、GPS、电子阅读器、打印机。

21、华润微电子：主要提供8位、16位MCU，应用范围：家电，消费类电子、工业自动化控制的通用控制电路。

22、中颖电子：主要提供4位、8位、16位、32位MCU，应用范围：家电、电机。

23、灵动微电子：主要提供32位，应用范围：电机控制、蓝牙控制、高清显示、无线充、无人机、微型打印机、智能标签、电子烟、LED点阵屏等。

24、新唐科技：主要提供8位MCU，应用范围：照明、物联网等。

25、东软载波：主要提供8位、32位MCU，应用范围：家电、智能家居、仪器仪表、液晶面板控制器、工业控制等。

26、贝特莱：主要提供32位MCU，应用范围：智能家居、工业控制以及消费类产品领域。

27、笙泉科技：主要提供8位MCU，应用范围：车用、教育、工控、医疗等中小型显示面板。

28、航顺芯片：主要提供8位、32位MCU，应用范围：汽车、物联网等。

29、复旦微电子：主要提供16位、32位MCU，应用范围：智能电表、智能门锁等。

30、华大半导体：主要提供8位、16位、32位MCU，应用范围：工业控制、智能制造、智慧生活及物联网等。

Entires个相关

• MCU