单片机原理及应用

导读：现代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，轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、等等，这些都离不开单片机。
在单片机入门系列讲座中，首先学习单片机的基本构成和工作原理、以及外围功能电路，然后，挑战一个实际单片机的运行。

单片机是控制电子产品的大脑
现如今，我们生活中的许多电器都使用了单片机。例如：手机、电视机、冰箱、洗衣机、以及按下开关，LED就闪烁的儿童玩具。那么，单片机在这些电器中究竟做了些什么呢？
单片机是这些电器动作的关键，是指挥硬件运行的。例如：接收按钮或按键的输入信号，按照事先编好的程序，指挥马达和LCD的外围功能电路动作。
那么，单片机是如何构成的呢？
（图1）

单机片

单片机是由CPU、内存、外围功能等部分组成的。如果将单片机比作人，那么CPU是负责思考的，内存是负责记忆的，外围功能相当于视觉的感官系统及控制手脚动作的神经系统。

图1：单片机的构成要素
尽管我们说CPU相当于人的大脑，但是它却不能像人的大脑一样，能有意识的、自发的思考。CPU只能依次读取并执行事先存储在内存中的指令组合（程序）。当然CPU执行的指令并不是“走路”、“讲话”等高难度命令，而是一些非常简单的指令，象从内存的某个地方“读取数据”或把某个数据“写入”内存的某个地方，或做加法、乘法和逻辑运算等等。然而这些简单指令的组合，却能实现许多复杂的功能。
会思考的CPU
让我们从CPU的构成来了解它的作用吧。（图2）

单机片

图2：CPU的作用
程序计数器
CPU读取指令时需要知道要执行的指令保存在内存的什么位置，这个位置信息称为地址（相当于家庭住址）。程序计数器（PC）就是存储地址的寄存器。通常，PC是按1递增设计的，也就是说，当CPU执行了0000地址中的指令后，PC会自动加1，变成0001地址。每执行一条指令PC都会自动加1，指向下一条指令的地址。可以说，PC决定了程序执行的顺序。
指令解码电路
指令解码电路是解读从内存中读取的指令的含义。运算电路是根据解码结果操作的。确切地讲，指令解码电路就是我们在“数字电路入门（2）”中学过的解码电路，只不过电路结构稍微复杂些，所以，指令解码电路的工作原理就是从被符号化（被加密）的指令中，还原指令。
运算电路
运算电路也称为ALU（Arithmetic and Logic Unit），是完成运算的电路。能进行加法、乘法等算术运算、也能进行AND、OR 、BIT-SHIFT等逻辑运算。运算是在指令解码电路的控制下进行的。通常运算电路的构成都比较复杂。
CPU内部寄存器
CPU内部寄存器是存储临时信息的场所。有存储运算值和运算结果的通用寄存器，也有一些特殊寄存器，比如存储运算标志的标志寄存器等。也就是说，运算电路进行运算时，并不是在内存中直接运算的，而是将内存中的数据复制到通用寄存器，在通用寄存器中进行运算的。
单片机原理及应用--单片机简介
单片机是一种集成的电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

单片机原理及应用--单片机分类及特点

STC公司的单片机主要是基于8051内核，是新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度快8~12倍，带ADC,4路PWM，双串口，有全球唯一ID号，加密性好，抗干扰强.

  ：
是MICROCHIP公司的产品，其突出的特点是体积小，功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好，大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片.



是台湾义隆公司的产品，有很大一部分与PIC 8位单片机兼容，且相兼容产品的资源相对比PIC的多，价格便宜，有很多系列可选，但抗干扰较差.




ATMEl单片机：
ATMEl公司的8位单片机有AT89、AT90两个系列，AT89系列是8位Flash单片机，与8051系列单片机相兼容，静态时钟模式;AT90系列单片机是增强RISC结构、全静态工作方式、内载在线可编程Flash的单片机，也叫AVR单片机.




PHLIPIS 51LPC系列单片机(51单片机)：
PHILIPS公司的单片机是基于80C51内核的单片机，嵌入了掉电检测、模拟以及片内RC振荡器等功能，这使51LPC在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的性能要求.

HOLTEK单片机：
台湾盛扬半导体的单片机，价格便宜，种类较多，但抗干扰较差，适用于消费类产品.


TI公司单片机：
德州仪器提供了TMS370和MSP430两大系列通用单片机.TMS370系列单片机是8位CMOS单片机，具有多种存储模式、多种外围接口模式，适用于复杂的实时控制场合;MSP430系列单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的16位低功耗单片机，特别适用于要求功耗低的场合


单片机原理及应用--单片机的工作原理
单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。 单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作;单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令(这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令)，这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。存储器由许多存储单元(最小的存储单位)组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。

单片机原理及应用--总结
目前我内各种家用电器已普遍采用单片机控制取代传统的控制电路，做成单片机控制系统，如洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电饭煲、电视机、录像机及其他视频、音像设备的控制器。现代办公室中所使用的大量通信、信息产品多数都采用了单片机，如通用计算机系统中的键盘译码、磁盘驱动、打印机、绘图仪、复印机、电话、舌、传真机及考勤机等。单片机的应用意义绝不限于它的功能及所带来的经济效益上。更重要的意义在于，单片机的应用正从根本上改变着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控制功能，现在已能使用单片机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称为“微控制技术”。这标志着一种全新概 念的建立。随着单片机应用技术的推广、普及，微控制技术必将不断发展,日益完善会变的更加充实。