單片機工作原理
時間：2018-04-12 來源：未知
隨著電子信息技術的應用發展，單片機在電子設備中應用越來越廣泛，單片機相當于電子產品的大腦，整個設備的工作流程，工作原理都是由單片機來控制的。可以說，只要有電子產品的地方，就有單片機，單片機就是主角。本文主要給同學們談談單片機的發展歷史、單片機的組成及工作原理以及單片機的發展趨勢。
單片機發展歷史
單片機誕生于1971年，經歷了SCM、MCU、SoC三大階段，早期的SCM單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上發展出了MCS51系列MCU系統。基于這一系統的單片機系統直到現在還在廣泛使用。隨著工業控制領域要求的提高，開始出現了16位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應用。90年代后隨著消費電子產品大發展，單片機技術得到了巨大提高。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。
而傳統的8位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數百倍。目前，高端的32位Soc單片機主頻已經超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元。
當代單片機系統已經不再只在裸機環境下開發和使用，大量專用的嵌入式操作系統被廣泛應用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統。
什么是單片機
單片機是一種集成電路芯片，采用超大規模技術把具有數據處理能力(如算術運算，邏輯運算、數據傳送、中斷處理)的微處理器(CPU)，隨機存取數據存儲器(RAM)，只讀程序存儲器(ROM)，輸入輸出電路(I/O口)，可能還包括定時計數器，串行通信口(SCI)，顯示驅動電路(LCD或LED驅動電路)，脈寬調制電路(PWM)，模擬多路轉換器及A/D轉換器等電路集成到一塊單塊芯片上，構成一個最小然而完善的計算機系統。這些電路能在軟件的控制下準確、迅速、高效地完成程序設計者事先規定的任務。由此來看，單片機有著微處理器所不具備的功能，它可單獨地完成現代工業控制所要求的智能化控制功能，這是單片機最大的特征。
芯片在沒有開發前，單片機只是具備功能極強的超大規模集成電路，如果賦予它特定的程序，它便是一個最小的、完整的微型計算機控制系統，它與個人電腦(PC機)有著本質的區別，單片機的應用屬于芯片級應用，需要用戶了解單片機芯片的結構和指令系統以及其它集成電路應用技術和系統設計所需要的理論和技術，用這樣特定的芯片設計應用程序，從而使該芯片具備特定的功能。
不同的單片機有著不同的硬件特征和軟件特征，即它們的技術特征均不盡相同，硬件特征取決于單片機芯片的內部結構，用戶要使用某種單片機，必須了解該型產品是否滿足需要的功能和應用系統所要求的特性指標。這里的技術特征包括功能特性、控制特性和電氣特性等等，這些信息需要從生產廠商的技術手冊中得到。軟件特征是指指令系統特性和開發支持環境，指令特性即我們熟悉的單片機的尋址方式，數據處理和邏輯處理方式，輸入輸出特性及對電源的要求等等。開發支持的環境包括指令的兼容及可移植性，支持軟件(包含可支持開發應用程序的軟件資源)及硬件資源。要利用某型號單片機開發自己的應用系統，掌握其結構特征和技術特征是必須的。
單片機控制系統能夠取代以前利用復雜電子線路或數字電路構成的控制系統，可以軟件控制來實現，并能夠實現智能化，現在單片機控制范疇無所不在，例如通信產品、家用電器、智能儀器儀表、過程控制和專用控制裝置等等，單片機的應用領域越來越廣泛。誠然，單片機的應用意義遠不限于它的應用范疇或由此帶來的經濟效益，更重要的是它已從根本上改變了傳統的控制方法和設計思想。是控制技術的一次革命，是一座重要的里程碑。
單片機的基本工作原理
單片機自動完成賦予它的任務的過程，也就是單片機執行程序的過程，即一條條執行的指令的過程，所謂指令就是把要求單片機執行的各種操作用的命令的形式寫下來，這是在設計人員賦予它的指令系統所決定的，一條指令對應著一種基本操作;單片機所能執行的全部指令，就是該單片機的指令系統，不同種類的單片機，其指令系統亦不同。
為使單片機能自動完成某一特定任務，必須把要解決的問題編成一系列指令(這些指令必須是選定單片機能識別和執行的指令)，這一系列指令的集合就成為程序，程序需要預先存放在具有存儲功能的部件——存儲器中。存儲器由許多存儲單元(最小的存儲單位)組成，就像大樓房有許多房間組成一樣，指令就存放在這些單元里，單元里的指令取出并執行就像大樓房的每個房間的被分配到了唯一一個房間號一樣，每一個存儲單元也必須被分配到唯一的地址號，該地址號稱為存儲單元的地址，這樣只要知道了存儲單元的地址，就可以找到這個存儲單元，其中存儲的指令就可以被取出，然后再被執行。
程序通常是順序執行的，所以程序中的指令也是一條條順序存放的，單片機在執行程序時要能把這些指令一條條取出并加以執行，必須有一個部件能追蹤指令所在的地址，這一部件就是程序計數器PC(包含在CPU中)，在開始執行程序時，給PC賦以程序中第一條指令所在的地址，然后取得每一條要執行的命令，PC在中的內容就會自動增加，增加量由本條指令長度決定，可能是1、2或3，以指向下一條指令的起始地址，保證指令順序執行。
單片機的組成
以MSC-51系列單片機為例，單片機由5個基本部分組成，包括中央處理器CPU、存儲器、輸入/輸出口、定時/計數器、中斷系統等。
單片機CPU結構
51單片機內部有一個8位的CPU，包含運算器，控制器及若干寄存器等。
從上圖中我們可以看到，在虛線框內的就是CPU的內部結構了，8位的MCS-51單片機的CPU內部有數術邏輯單元ALU(ArithmeticLogic Unit)、累加器A(8位)、寄存器B(8位)、程序狀態字PSW(8位)、程序計數器PC(有時也稱為指令指針，即IP，16位)、地址寄存器AR(16位)、數據寄存器DR(8位)、指令寄存器IR(8位)、指令譯碼器ID、控制器等部件組成。
單片機發展趨勢
1、低功耗CMOS化
MCS-51系列的8031推出時的功耗達630mW，而現在的單片機普遍都在100mW左右，隨著對單片機功耗要求越來越低，現在的各個單片機制造商基本都采用了CMOS(互補金屬氧化物半導體工藝)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金屬氧化物半導體工藝)和CHMOS(互補高密度金屬氧化物半導體工藝)。CMOS雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而CHMOS則具備了高速和低功耗的特點，這些特征，更適合于在要求低功耗象電池供電的應用場合。所以這種工藝將是今后一段時期單片機發展的主要途徑。
2、微型單片化
現在常規的單片機普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機存取數據存儲(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強型的單片機集成了如A/D轉換器、PMW(脈寬調制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機將LCD(液晶)驅動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機包含的單元電路就更多，功能就越強大。甚至單片機廠商還可以根據用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機芯片。
此外，現在的產品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機除了功能強和功耗低外，還要求其體積要小。現在的許多單片機都具有多種封裝形式，其中SMD(表面封裝)越來越受歡迎，使得由單片機構成的系統正朝微型化方向發展。
3、主流與多品種共存
現在雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以80C51為核心的單片機占主流。所以C8051為核心的單片機占據了半壁江山。而Microchip公司的PIC精簡指令集(RISC)也有著強勁的發展勢頭，中國臺灣的HOLTEK公司近年的單片機產量與日俱增，與其低價質優的優勢，占據一定的市場分額。此外還有MOTOROLA公司的產品，日本幾大公司的專用單片機。在一定的時期內，這種情形將得以延續，將不存在某個單片機一統天下的壟斷局面，走的是依存互補，相輔相成、共同發展的道路。
以上就是我這次要跟同學們講解的單片機的發展歷史，單片機組成及工作原理，單片機發展趨勢相關知識，希望對同學們有所幫助。
