歡迎來到單片機的世界，這是一種微小(但功能強大)的設備，改變了嵌入式系統的面貌。在本文中，您將了解單片機的一些基本知識、單片機的結構以及微處理器與單片機之間的一些區別。

在深入單片機基礎知識之前，您需要了解什么是單片機。單片機與微處理器類似，但它在同一芯片上集成了一些額外的組件。

什么是單片機？

單片機是一種超大規模集成電路(VLSI)，它包含電子計算單元和邏輯單元(統稱為CPU)、存儲器(程序存儲器和數據存儲器)、I/O端口(輸入/輸出端口)以及其他一些組件，全部集成在一塊芯片上。

有時，單片機也被稱為“單芯片計算機”或“計算機芯片”。由于單片機及其支持電路通常被嵌入在其控制的設備中，因此單片機也被稱為嵌入式控制器。

單片機無處不在。如果某個設備或應用涉及測量、存儲、計算、控制或顯示信息，那么該設備中就包含單片機。讓我們看看一些單片機應用的領域。

單片機最大的用戶可能是汽車行業。幾乎每輛出廠的汽車至少包含一個用于發動機控制的單片機。您可以在許多其他系統中找到更多的單片機。

消費電子產品是另一個充斥著單片機的領域。單片機是數碼相機、攝像機、CD和DVD播放器、洗衣機、烤箱等產品的一部分。

單片機也被用于測試和測量設備，如萬用表、示波器、函數發生器等。您還可以在您的臺式計算機附近找到單片機，如打印機、路由器、調制解調器、鍵盤等。

上述對單片機的定義可能對電子學或嵌入式系統的新手來說顯得復雜或困惑，但隨著我們繼續深入，概念將會變得清晰。

單片機的基本知識

基本上，單片機由以下組件組成：

· 中央處理單元(CPU)

· 程序存儲器(ROM - 只讀存儲器)

· 數據存儲器(RAM - 隨機存取存儲器)

· 定時器和計數器

· I/O端口(輸入/輸出)

· 串行通信接口

· 時鐘電路(振蕩器電路)

· 中斷機制

大多數現代單片機可能還包含更多外設，如SPI(串行外設接口)、I2C(內部集成電路)、ADC(模擬到數字轉換器)、DAC(數字到模擬轉換器)、CAN(控制區域網絡)、USB(通用串行總線)等。

單片機中的CPU執行算術、邏輯、數學和數據導向的功能，類似于微處理器中的CPU。微處理器和單片機之間的區別在于，微處理器需要與外部內存和其他I/O接口相連接才能作為計算機工作，而單片機則在與CPU同一芯片上集成了所有必需的外設。

將ADC、DAC等功能集成在與CPU同一芯片上，使得單片機比使用單獨的ADC芯片更高效、更便宜。

開發一個計算機控制系統需要設計硬件和編寫高效的軟件程序。由于單片機在同一芯片上集成了構建計算機控制系統所需的所有硬件，使用單片機將大大減少在硬件設計和布線上所花費的時間和精力。

單片機的基本結構

您可能已經多次看到單片機的基本結構。如果您之前已經看到過單片機的結構及其基本組件，那么請把這當作一次復習。如果您還沒有見過，那么了解單片機的基本結構非常重要。

以下圖像展示了單片機的基本結構。

從上面的圖像中，您可以理解單片機的三個重要(或主要)組件是：

· CPU(中央處理單元)

· 內存

· I/O端口

這并不意味著其他組件不重要，但可以將這些視為輔助設備。現在我們將分別介紹上述結構中提到的單片機的基本組件。

CPU：中央處理單元(CPU)是單片機的核心。它由算術邏輯單元(ALU)和控制單元(CU)組成。CPU讀取、解碼并執行指令，以執行算術、邏輯和數據傳輸操作。

內存：任何計算系統需要兩種類型的內存：程序存儲器和數據存儲器。程序存儲器顧名思義，包含程序，即CPU要執行的指令。數據存儲器則用于在執行指令時存儲臨時數據。

通常，程序存儲器是只讀存儲器(ROM)，而數據存儲器是隨機存取存儲器(RAM)。數據存儲器有時也被稱為讀寫存儲器(R/W M)。

I/O端口：單片機與外部世界的接口由I/O端口提供。輸入設備如開關、鍵盤等將用戶信息以二進制數據的形式傳遞給CPU。

CPU在接收到輸入設備發送的數據后，執行相應的指令，并通過LED、顯示器、打印機等輸出設備作出響應。

總線：另一個重要但很少討論的單片機組件是系統總線。系統總線是一組連接線，連接CPU與其他外設，如內存、I/O端口和其他支持組件。

定時器/計數器：單片機的重要組件之一是定時器和計數器。它們提供時間延遲和計數外部事件的操作。此外，定時器和計數器還可以提供功能生成、脈寬調制、時鐘控制等功能。

串行端口：單片機的一個重要需求是與其他設備和外設(外部)進行通信。串行端口通過串行通信提供這樣的接口。單片機中最常用的串行通信是UART。

中斷：單片機的一個非常重要的特性是中斷及其中斷處理機制。中斷可以是外部的、內部的、與硬件相關或與軟件相關。

ADC(模擬到數字轉換器):模擬到數字轉換器(ADC)是一種將模擬信號轉換為數字信號的電路。ADC電路構成了外部模擬輸入設備和單片機CPU之間的接口。幾乎所有傳感器都是模擬設備，這些傳感器的模擬數據必須轉換為數字數據，以便CPU理解。

DAC(數字到模擬轉換器):數字到模擬轉換器(DAC)是一種與ADC相對的電路，即將數字信號轉換為模擬信號。DAC在單片機的CPU與外部模擬設備之間形成橋梁。

單片機的優點

單片機是真正適合“單芯片計算機”概念的設備。

不需要對基本組件如內存、I/O端口等進行任何外部接口。

單片機不需要復雜的操作系統，因為所有指令必須被寫入并存儲在內存中。(實時操作系統是個例外)。

所有輸入/輸出端口都是可編程的。

所有必要組件的集成降低了產品(或應用)的成本、設計時間和面積。

單片機的缺點

單片機并不以計算能力著稱。

內存的數量限制了單片機可以執行的指令數量。

沒有操作系統，因此所有指令必須被編寫。

單片機的應用

單片機有著巨大的應用范圍。實際上，整個嵌入式系統行業都依賴于單片機。以下是一些單片機的應用示例：

· 像烤箱、洗衣機等設備的前面板控制

·功能發生器

·煙霧和火災警報器

· 家庭自動化系統

· 汽車自動頭燈開啟

· 速度感應門鎖系統

在本文章中，我們已討論了單片機的基礎知識、單片機的基本結構、不同組件、優缺點和應用。