一文读懂什么单片机：组成结构与应用

欢迎来到单片机的世界，这是一种微小(但功能强大)的设备，改变了嵌入式系统的面貌。在本文中，您将了解单片机的一些基本知识、单片机的结构以及微处理器与单片机之间的一些区别。

在深入单片机基础知识之前，您需要了解什么是单片机。单片机与微处理器类似，但它在同一芯片上集成了一些额外的组件。

 

什么是单片机？

 

单片机是一种超大规模集成电路(VLSI)，它包含电子计算单元和逻辑单元(统称为CPU)、存储器(程序存储器和数据存储器)、I/O端口(输入/输出端口)以及其他一些组件，全部集成在一块芯片上。

 

 

有时，单片机也被称为“单芯片计算机”或“计算机芯片”。由于单片机及其支持电路通常被嵌入在其控制的设备中，因此单片机也被称为嵌入式控制器。

单片机无处不在。如果某个设备或应用涉及测量、存储、计算、控制或显示信息，那么该设备中就包含单片机。让我们看看一些单片机应用的领域。

 

单片机最大的用户可能是汽车行业。几乎每辆出厂的汽车至少包含一个用于发动机控制的单片机。您可以在许多其他系统中找到更多的单片机。

 

消费电子产品是另一个充斥着单片机的领域。单片机是数码相机、摄像机、CD和DVD播放器、洗衣机、烤箱等产品的一部分。

 

单片机也被用于测试和测量设备，如万用表、示波器、函数发生器等。您还可以在您的台式计算机附近找到单片机，如打印机、路由器、调制解调器、键盘等。

 

上述对单片机的定义可能对电子学或嵌入式系统的新手来说显得复杂或困惑，但随着我们继续深入，概念将会变得清晰。

 

单片机的基本知识

 

基本上，单片机由以下组件组成：

· 中央处理单元(CPU)

· 程序存储器(ROM - 只读存储器)

· 数据存储器(RAM - 随机存取存储器)

· 定时器和计数器

· I/O端口(输入/输出)

· 串行通信接口

· 时钟电路(振荡器电路)

· 中断机制

 

大多数现代单片机可能还包含更多外设，如SPI(串行外设接口)、I2C(内部集成电路)、ADC(模拟到数字转换器)、DAC(数字到模拟转换器)、CAN(控制区域网络)、USB(通用串行总线)等。

 

单片机中的CPU执行算术、逻辑、数学和数据导向的功能，类似于微处理器中的CPU。微处理器和单片机之间的区别在于，微处理器需要与外部内存和其他I/O接口相连接才能作为计算机工作，而单片机则在与CPU同一芯片上集成了所有必需的外设。

 

将ADC、DAC等功能集成在与CPU同一芯片上，使得单片机比使用单独的ADC芯片更高效、更便宜。

 

开发一个计算机控制系统需要设计硬件和编写高效的软件程序。由于单片机在同一芯片上集成了构建计算机控制系统所需的所有硬件，使用单片机将大大减少在硬件设计和布线上所花费的时间和精力。

 

单片机的基本结构

 

您可能已经多次看到单片机的基本结构。如果您之前已经看到过单片机的结构及其基本组件，那么请把这当作一次复习。如果您还没有见过，那么了解单片机的基本结构非常重要。

 

以下图像展示了单片机的基本结构。

 

从上面的图像中，您可以理解单片机的三个重要(或主要)组件是：

 

· CPU(中央处理单元)

· 内存

· I/O端口

 

这并不意味着其他组件不重要，但可以将这些视为辅助设备。现在我们将分别介绍上述结构中提到的单片机的基本组件。

 

CPU：中央处理单元(CPU)是单片机的核心。它由算术逻辑单元(ALU)和控制单元(CU)组成。CPU读取、解码并执行指令，以执行算术、逻辑和数据传输操作。

 

内存：任何计算系统需要两种类型的内存：程序存储器和数据存储器。程序存储器顾名思义，包含程序，即CPU要执行的指令。数据存储器则用于在执行指令时存储临时数据。

通常，程序存储器是只读存储器(ROM)，而数据存储器是随机存取存储器(RAM)。数据存储器有时也被称为读写存储器(R/W M)。

 

I/O端口：单片机与外部世界的接口由I/O端口提供。输入设备如开关、键盘等将用户信息以二进制数据的形式传递给CPU。

CPU在接收到输入设备发送的数据后，执行相应的指令，并通过LED、显示器、打印机等输出设备作出响应。

 

总线：另一个重要但很少讨论的单片机组件是系统总线。系统总线是一组连接线，连接CPU与其他外设，如内存、I/O端口和其他支持组件。

 

定时器/计数器：单片机的重要组件之一是定时器和计数器。它们提供时间延迟和计数外部事件的操作。此外，定时器和计数器还可以提供功能生成、脉宽调制、时钟控制等功能。

 

串行端口：单片机的一个重要需求是与其他设备和外设(外部)进行通信。串行端口通过串行通信提供这样的接口。单片机中最常用的串行通信是UART。

 

中断：单片机的一个非常重要的特性是中断及其中断处理机制。中断可以是外部的、内部的、与硬件相关或与软件相关。

 

ADC(模拟到数字转换器):模拟到数字转换器(ADC)是一种将模拟信号转换为数字信号的电路。ADC电路构成了外部模拟输入设备和单片机CPU之间的接口。几乎所有传感器都是模拟设备，这些传感器的模拟数据必须转换为数字数据，以便CPU理解。

 

DAC(数字到模拟转换器):数字到模拟转换器(DAC)是一种与ADC相对的电路，即将数字信号转换为模拟信号。DAC在单片机的CPU与外部模拟设备之间形成桥梁。

 

单片机的优点

 

单片机是真正适合“单芯片计算机”概念的设备。

不需要对基本组件如内存、I/O端口等进行任何外部接口。

单片机不需要复杂的操作系统，因为所有指令必须被写入并存储在内存中。(实时操作系统是个例外)。

所有输入/输出端口都是可编程的。

所有必要组件的集成降低了产品(或应用)的成本、设计时间和面积。

 

单片机的缺点

单片机并不以计算能力著称。

内存的数量限制了单片机可以执行的指令数量。

没有操作系统，因此所有指令必须被编写。

 

单片机的应用

单片机有着巨大的应用范围。实际上，整个嵌入式系统行业都依赖于单片机。以下是一些单片机的应用示例：

· 像烤箱、洗衣机等设备的前面板控制

· 功能发生器

· 烟雾和火灾警报器

· 家庭自动化系统

· 汽车自动头灯开启

· 速度感应门锁系统

 

在本文章中，我们已讨论了单片机的基础知识、单片机的基本结构、不同组件、优缺点和应用。