MCU知識(shí)普及和選型指南

 MCU是Microcontroller Unit 的簡(jiǎn)稱，中文叫微控制器，俗稱單片機(jī)，是把CPU的頻率與規(guī)格做適當(dāng)縮減，并將內(nèi)存、計(jì)數(shù)器、USB、A/D轉(zhuǎn)換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至LCD驅(qū)動(dòng)電路都整合在單一芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合做不同組合控制，諸如手機(jī)、PC外圍、遙控器，至汽車電子、工業(yè)上的步進(jìn)馬達(dá)、機(jī)器手臂的控制等，都可見(jiàn)到MCU的身影。

 

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一、單片機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史

單片機(jī)出現(xiàn)的歷史并不長(zhǎng)，但發(fā)展十分迅猛。它的產(chǎn)生與發(fā)展和微處理器（CPU）的產(chǎn)生與發(fā)展大體同步，自1971年美國(guó)英特爾公司首先推出4位微處理器以來(lái)，它的發(fā)展到目前為止大致可分為5個(gè)階段。下面以英特爾公司的單片機(jī)發(fā)展為代表加以介紹。

 

1971年~1976年

單片機(jī)發(fā)展的初級(jí)階段。1971年11月英特爾公司首先設(shè)計(jì)出集成度為2000只晶體管/片的4位微處理器英特爾4004，并配有RAM、 ROM和移位寄存器， 構(gòu)成了第一臺(tái)MCS—4微處理器， 而后又推出了8位微處理器英特爾8008， 以及其它各公司相繼推出的8位微處理器。

 

1976年~1980年

低性能單片機(jī)階段。以1976年英特爾公司推出的MCS—48系列為代表， 采用將8位CPU、 8位并行I/O接口、8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、RAM和ROM等集成于一塊半導(dǎo)體芯片上的單片結(jié)構(gòu)， 雖然其尋址范圍有限（不大于4 KB）， 也沒(méi)有串行I/O， RAM、 ROM容量小， 中斷系統(tǒng)也較簡(jiǎn)單， 但功能可滿足一般工業(yè)控制和智能化儀器、儀表等的需要。

 

1980年~1983年

高性能單片機(jī)階段。這一階段推出的高性能8位單片機(jī)普遍帶有串行口，有多級(jí)中斷處理系統(tǒng)， 多個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。片內(nèi)RAM、 ROM的容量加大，且尋址范圍可達(dá)64 KB，個(gè)別片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換接口。

 

1983年~80年代末

16位單片機(jī)階段。1983年英特爾公司又推出了高性能的16位單片機(jī)MCS－96系列，由于其采用了最新的制造工藝， 使芯片集成度高達(dá)12萬(wàn)只晶體管/片。

 

1990年代

單片機(jī)在集成度、功能、速度、可靠性、應(yīng)用領(lǐng)域等全方位向更高水平發(fā)展。

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二、單片機(jī)的分類及應(yīng)用

MCU按其存儲(chǔ)器類型可分為無(wú)片內(nèi)ROM型和帶片內(nèi)ROM型兩種。對(duì)于無(wú)片內(nèi)ROM型的芯片，必須外接EPROM才能應(yīng)用（典型為8031）；帶片內(nèi)ROM型的芯片又分為片內(nèi)EPROM型（典型芯片為87C51）、MASK片內(nèi)掩模ROM型（典型芯片為8051）、片內(nèi)Flash型（典型芯片為89C51）等類型。

 

按用途可分為通用型和專用型；根據(jù)數(shù)據(jù)總線的寬度和一次可處理的數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度可分為8、16、32位MCU。

 

目前，國(guó)內(nèi)MCU應(yīng)用市場(chǎng)最廣泛的是消費(fèi)電子領(lǐng)域，其次是工業(yè)領(lǐng)域、和汽車電子市場(chǎng)。消費(fèi)電子包括家用電器、電視、游戲機(jī)和音視頻系統(tǒng)等。工業(yè)領(lǐng)域包括智能家居、自動(dòng)化、醫(yī)療應(yīng)用及新能源生成與分配等。汽車領(lǐng)域包括汽車動(dòng)力總成和安全控制系統(tǒng)等。

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三、單片機(jī)的基本功能

對(duì)于絕大多數(shù)MCU，下列功能是最普遍也是最基本的，針對(duì)不同的MCU，其描述的方式可能會(huì)有區(qū)別，但本質(zhì)上是基本相同的：

 

1、TImer(定時(shí)器)：TImer的種類雖然比較多，但可歸納為兩大類：一類是固定時(shí)間間隔的TImer，即其定時(shí)的時(shí)間是由系統(tǒng)設(shè)定的，用戶程序不可控制，系統(tǒng)只提供幾種固定的時(shí)間間隔給用戶程序進(jìn)行選擇，如32Hz，16Hz，8Hz等，此類TImer在4位MCU中比較常見(jiàn)，因此可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘、計(jì)時(shí)等相關(guān)的功能。

 

另一類則是Programmable Timer(可編程定時(shí)器)，顧名思義，該類Timer的定時(shí)時(shí)間是可以由用戶的程序來(lái)控制的，控制的方式包括：時(shí)鐘源的選擇、分頻數(shù)(Prescale)選擇及預(yù)制數(shù)的設(shè)定等，有的MCU三者都同時(shí)具備，而有的則可能是其中的一種或兩種。此類Timer應(yīng)用非常靈活，實(shí)際的使用也千變?nèi)f化，其中最常見(jiàn)的一種應(yīng)用就是用其實(shí)現(xiàn)PWM輸出。

 

由于時(shí)鐘源可以自由選擇，因此，此類Timer一般均與Event Counter(事件計(jì)數(shù)器)合在一起。

 

2、IO口：任何MCU都具有一定數(shù)量的IO口，沒(méi)有IO口，MCU就失去了與外部溝通的渠道。根據(jù)IO口的可配置情況，可以分為如下幾種類型：

 

純輸入或純輸出口：此類IO口由MCU硬件設(shè)計(jì)決定，只能是輸入或輸出，不可用軟件來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)的設(shè)定。

 

直接讀寫(xiě)IO口：如MCS-51的IO口就屬于此類IO口。當(dāng)執(zhí)行讀IO口指令時(shí)，就是輸入口;當(dāng)執(zhí)行寫(xiě)IO口指令則自動(dòng)為輸出口。

 

程序編程設(shè)定輸入輸出方向的：此類IO口的輸入或輸出由程序根據(jù)實(shí)際的需要來(lái)進(jìn)行設(shè)定，應(yīng)用比較靈活，可以實(shí)現(xiàn)一些總線級(jí)的應(yīng)用，如I2C總線，各種LCD、LED Driver的控制總線等。

 

對(duì)于IO口的使用，重要的一點(diǎn)必須牢記的是：對(duì)于輸入口，必須有明確的電平信號(hào)，確保不能浮空(可以通過(guò)增加上拉或下拉電阻來(lái)實(shí)現(xiàn));而對(duì)于輸出口，其輸出的狀態(tài)電平必須考慮其外部的連接情況，應(yīng)保證在Standby或靜態(tài)狀態(tài)下不存在拉電流或灌電流。

 

3、外部中斷：外部中斷也是絕大多數(shù)MCU所具有的基本功能，一般用于信號(hào)的實(shí)時(shí)觸發(fā)，數(shù)據(jù)采樣和狀態(tài)的檢測(cè)，中斷的方式由上升沿、下降沿觸發(fā)和電平觸發(fā)幾種。外部中斷一般通過(guò)輸入口來(lái)實(shí)現(xiàn)，若為IO口，則只有設(shè)為輸入時(shí)其中斷功能才會(huì)開(kāi)啟;若為輸出口，則外部中斷功能將自動(dòng)關(guān)閉(ATMEL的ATiny系列存在一些例外，輸出口時(shí)也能觸發(fā)中斷功能)。外部中斷的應(yīng)用如下：

 

外部觸發(fā)信號(hào)的檢測(cè)：一種是基于實(shí)時(shí)性的要求，比如可控硅的控制，突發(fā)性信號(hào)的檢測(cè)等，而另一種情況則是省電的需要。

 

信號(hào)頻率的測(cè)量：為了保證信號(hào)不被遺漏，外部中斷是最理想的選擇。

 

數(shù)據(jù)的解碼：在遙控應(yīng)用領(lǐng)域，為了降低設(shè)計(jì)的成本，經(jīng)常需要采用軟件的方式來(lái)對(duì)各種編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，如Manchester和PWM編碼的解碼。

 

按鍵的檢測(cè)和系統(tǒng)的喚醒：對(duì)于進(jìn)入Sleep狀態(tài)的MCU，一般需要通過(guò)外部中斷來(lái)進(jìn)行喚醒，最基本的形式則是按鍵，通過(guò)按鍵的動(dòng)作來(lái)產(chǎn)生電平的變化。

 

4、通訊接口：MCU所提供的通訊接口一般包括SPI接口，UART，I2C接口等，其分別描述如下：

 

SPI接口：此類接口是絕大多數(shù)MCU都提供的一種最基本通訊方式，其數(shù)據(jù)傳輸采用同步時(shí)鐘來(lái)控制，信號(hào)包括：SDI(串行數(shù)據(jù)輸入)、SDO(串行數(shù)據(jù)輸出)、SCLK(串行時(shí)鐘)及Ready信號(hào);有些情況下則可能沒(méi)有Ready信號(hào);此類接口可以工作在Master方式或Slave方式下，通俗說(shuō)法就是看誰(shuí)提供時(shí)鐘信號(hào)，提供時(shí)鐘的一方為Master，相反的一方則為Slaver。

 

UART（Universal Asynchronous Receive Transmit）：屬于最基本的一種異步傳輸接口，其信號(hào)線只有Rx和Tx兩條，基本的數(shù)據(jù)格式為：Start Bit + Data Bit(7-bits/8-bits) + Parity Bit(Even， Odd or None) + Stop Bit(1~2Bit)。一位數(shù)據(jù)所占的時(shí)間稱為Baud Rate(波特率)。

 

對(duì)于大多數(shù)的MCU來(lái)講，數(shù)據(jù)位的長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式(奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或無(wú)校驗(yàn))、停止位(Stop Bit)的長(zhǎng)度及Baud Rate是可以通過(guò)程序編程進(jìn)行靈活設(shè)定。此類接口最常用的方式就是與PC機(jī)的串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

 

I2C接口：I2C是由Philips開(kāi)發(fā)的一種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，同樣采用2根信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)：SDAT(串行數(shù)據(jù)輸入輸出)和SCLK(串行時(shí)鐘)。其最大的好處是可以在此總線上掛接多個(gè)設(shè)備，通過(guò)地址來(lái)進(jìn)行識(shí)別和訪問(wèn);I2C總線的一個(gè)最大的好處就是非常方便用軟件通過(guò)IO口來(lái)實(shí)現(xiàn)，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率完全由SCLK來(lái)控制，可快可慢，不像UART接口，有嚴(yán)格的速率要求。

 

5、Watchdog（看門(mén)狗定時(shí)器）：Watchdog也是絕大多數(shù)MCU的一種基本配置(一些4位MCU可能沒(méi)有此功能)，大多數(shù)的MCU的Watchdog只能允許程序?qū)ζ溥M(jìn)行復(fù)位而不能對(duì)其關(guān)閉(有的是在程序燒入時(shí)來(lái)設(shè)定的，如Microchip PIC系列MCU)，而有的MCU則是通過(guò)特定的方式來(lái)決定其是否打開(kāi)，如Samsung的KS57系列，只要程序訪問(wèn)了Watchdog寄存器，就自動(dòng)開(kāi)啟且不能再被關(guān)閉。一般而言watchdog的復(fù)位時(shí)間是可以程序來(lái)設(shè)定的。Watchdog的最基本的應(yīng)用是為MCU因?yàn)橐馔獾墓收隙鴮?dǎo)致死機(jī)提供了一種自我恢復(fù)的能力。

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四、全球主流單片機(jī)制造商

歐美地區(qū)

1、Freescale+NXP（飛思卡爾+恩智浦）：荷蘭，主要提供16位、32位MCU。應(yīng)用范圍：汽車電子、LED和普通照明、醫(yī)療保健、多媒體融合、家電和電動(dòng)工具、樓宇自動(dòng)化技術(shù)電機(jī)控制、電源和功率轉(zhuǎn)換器、能源和智能電網(wǎng)、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)與通信基礎(chǔ)設(shè)施。

2、Microchip+Atmel（微芯科技+愛(ài)特梅爾）：美國(guó)，主要提供16位、32位MCU。應(yīng)用范圍：汽車電子、工業(yè)用、電機(jī)控制、汽車、樓宇自動(dòng)化、家用電器、家庭娛樂(lè)、工業(yè)自動(dòng)化、照明、物聯(lián)網(wǎng)、智能能源、移動(dòng)電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)外設(shè)。

3、Cypress+Spansion（賽普拉斯+飛索半導(dǎo)體）：美國(guó)，主要提供8位、16位、32位MCU。應(yīng)用范圍：汽車電子、家用電器、醫(yī)療、消費(fèi)類電子、通信與電信、工業(yè)、無(wú)線。

4、ADI（亞德諾半導(dǎo)體）：美國(guó)，主要提供8位、16位、32位MCU。應(yīng)用范圍：航空航天與國(guó)防、汽車應(yīng)用 、樓宇技術(shù) 、通信 、消費(fèi)電子 、能源 、醫(yī)療保健 、儀器儀表和測(cè)量 、電機(jī)、工業(yè)自動(dòng)化 、安防。

5、Infineon（英飛凌）：德國(guó)，主要提供16位、32位MCU。應(yīng)用范圍：汽車電子、消費(fèi)電子、工程、商用和農(nóng)用車輛、數(shù)據(jù)處理、電動(dòng)交通、工業(yè)應(yīng)用、醫(yī)療設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備、電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)、電源、面向摩托車電動(dòng)自行車與小型電動(dòng)車、智能電網(wǎng)、照明、太陽(yáng)能系統(tǒng)解決方案、風(fēng)能系統(tǒng)解決方案。

6、ST Microelectronics（意法半導(dǎo)體）：意大利/法國(guó)，主要提供32位MCU。應(yīng)用范圍：LED和普通照明、交通運(yùn)輸、醫(yī)療保健、多媒體融合、家電和電動(dòng)工具、樓宇自動(dòng)化技術(shù)電機(jī)控制、電源和功率轉(zhuǎn)換器、能源和智能電網(wǎng)、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)與通信基礎(chǔ)設(shè)施。

7、Qualcomm（高通）：美國(guó)，主要提供16位，32位MCU。應(yīng)用范圍：智能手機(jī)、平板電腦、無(wú)線調(diào)制解調(diào)器。

8、Texas Instruments（德州儀器）：美國(guó)，主要提供16位、32位MCU。應(yīng)用范圍：汽車電子、消費(fèi)電子、醫(yī)療設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備、通信。

9、Maxim（美信）：美國(guó)，主要提供32位MCU。應(yīng)用范圍：汽車電子、消費(fèi)電子、工業(yè)應(yīng)用、安防。

 

日韓地區(qū)

1、Renesas（瑞薩）：日本，主要提供16位、32位MCU。應(yīng)用范圍：電腦及外設(shè)、消費(fèi)類電子、健康醫(yī)療電子、汽車電子、工業(yè)、通信。

2、Toshiba（東芝）：日本，主要提供16位、32位MCU。應(yīng)用范圍：汽車電子、工業(yè)用、電機(jī)控制、無(wú)線通信、移動(dòng)電話、電腦與周邊設(shè)備、影像及音視頻、消費(fèi)類(家電)、LED照明、安全、電源管理、娛樂(lè)設(shè)備。

3、Fujitsu（富士通）：日本，主要提供32位MCU。應(yīng)用范圍：汽車、醫(yī)療、機(jī)械，家電。

4、Samsung Electronics（三星電子）：韓國(guó)，主要提供16位、32位MCU。應(yīng)用范圍：汽車電子、工業(yè)用、電機(jī)控制、汽車、樓宇自動(dòng)化、家用電器、家庭娛樂(lè)、工業(yè)自動(dòng)化、照明、物聯(lián)網(wǎng)、智能能源、移動(dòng)電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)外設(shè)。

 

中國(guó)地區(qū)

▍中國(guó)大陸地區(qū)

1、希格瑪微電子：主要提供32位MCU，應(yīng)用范圍：電信、制造、能源、交通、電力等。

2、珠海歐比特：主要提供32位MCU，應(yīng)用范圍：航空航天：星箭站船、飛行器;高端工控：嵌入式計(jì)算機(jī);艦船控制、工業(yè)控制、電力設(shè)備、環(huán)境監(jiān)控。

3、兆易創(chuàng)新：主要提供32位MCU，應(yīng)用范圍：工業(yè)自動(dòng)化、人機(jī)界面、電機(jī)控制、安防監(jiān)控、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)。

4、晟矽微電子：主要提供8位、32位MCU，應(yīng)用范圍：小家電、消費(fèi)類電子、遙控器、鼠標(biāo)、鋰電池、數(shù)碼產(chǎn)品、汽車電子、醫(yī)療儀器及計(jì)量、玩具、工業(yè)控制、智能家居及安防等領(lǐng)域。

5、芯?？萍迹褐饕峁?6、32位MCU，應(yīng)用范圍：儀器儀表、物聯(lián)網(wǎng)、消費(fèi)電子、家電、汽車電子。

6、聯(lián)華集成電路：主要提供8位、16位MCU，應(yīng)用范圍：消費(fèi)電子、白色家電、工業(yè)控制、通信設(shè)備、汽車電子、計(jì)算機(jī)。

7、珠海建榮：主要提供8位MCU，應(yīng)用范圍：家用電器 、移動(dòng)電源。

8、炬芯科技：主要提供8位至32位MCU，應(yīng)用范圍：平板電腦、智能家居、多媒體、藍(lán)牙、wifi音頻。

9、愛(ài)思科微電子：主要提供8位、16位MCU，應(yīng)用范圍：消費(fèi)類芯片、通訊類芯片、信息類芯片、家電。

10、華芯微電子：主要提供8位、4位MCU，應(yīng)用范圍：衛(wèi)星接收器、手機(jī)充電器、萬(wàn)年歷、多合一遙控器。

11、上海貝嶺（華大半導(dǎo)體控股）：主要提供8位、16位、32位MCU，應(yīng)用范圍：計(jì)算機(jī)周邊、HDTV、電源管理、小家電、數(shù)字家電。

12、海爾集成電路：主要提供14位、15位、16位MCU，應(yīng)用范圍：消費(fèi)電子、汽車電子、工業(yè)、智能儀表。

13、北京君正：主要提供32位MCU，應(yīng)用范圍：可穿戴式設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、智能家電、汽車、消費(fèi)類電子、平板電腦。

14、中微半導(dǎo)體：主要提供8位MCU，應(yīng)用范圍：智能家電、汽車電子、安防監(jiān)控、LED照明及景觀、智能玩具、智能家居、消費(fèi)類電子。

15、神州龍芯集成電路：主要提供32位MCU，應(yīng)用范圍：電力監(jiān)控、智能電網(wǎng)、工業(yè)數(shù)字控制、物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、數(shù)據(jù)監(jiān)控。

16、紫光微電子：主要提供8位、16位MCU，應(yīng)用范圍：智能家電。

17、時(shí)代民芯：主要提供32位MCU，應(yīng)用范圍：汽車導(dǎo)航、交通監(jiān)控、漁船監(jiān)管、電力電信網(wǎng)絡(luò)。

18、華潤(rùn)矽科微電子（華潤(rùn)微旗下公司）：主要提供8位、16位MCU，應(yīng)用范圍：消費(fèi)電子、工業(yè)控制、家電。

19、國(guó)芯科技：主要提供32位MCU，應(yīng)用范圍：信息安全領(lǐng)域 、辦公自動(dòng)化領(lǐng)域、通訊網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域、 信息安全領(lǐng)域。

20、中天微：主要提供32位MCU，應(yīng)用范圍：智能手機(jī)、數(shù)字電視、機(jī)頂盒、汽車電子、GPS、電子閱讀器、打印機(jī)。

21、華潤(rùn)微電子：主要提供8位、16位MCU，應(yīng)用范圍：家電，消費(fèi)類電子、工業(yè)自動(dòng)化控制的通用控制電路。

22、中穎電子：主要提供4位、8位、16位、32位MCU，應(yīng)用范圍：家電、電機(jī)。

23、靈動(dòng)微電子：主要提供32位，應(yīng)用范圍：電機(jī)控制、藍(lán)牙控制、高清顯示、無(wú)線充、無(wú)人機(jī)、微型打印機(jī)、智能標(biāo)簽、電子煙、LED點(diǎn)陣屏等。

24、新唐科技：主要提供8位MCU，應(yīng)用范圍：照明、物聯(lián)網(wǎng)等。

25、東軟載波：主要提供8位、32位MCU，應(yīng)用范圍：家電、智能家居、儀器儀表、液晶面板控制器、工業(yè)控制等。

26、天中半導(dǎo)體：主要提供8位、32位MCU，應(yīng)用范圍：智能家居、工業(yè)控制以及消費(fèi)類產(chǎn)品領(lǐng)域。

27、笙泉科技：主要提供8位MCU，應(yīng)用范圍：車用、教育、工控、醫(yī)療等中小型顯示面板。

28、航順芯片：主要提供8位、32位MCU，應(yīng)用范圍：汽車、物聯(lián)網(wǎng)等。

29、復(fù)旦微電子：主要提供16位、32位MCU，應(yīng)用范圍：智能電表、智能門(mén)鎖等。

30、華大半導(dǎo)體：主要提供8位、16位、32位MCU，應(yīng)用范圍：工業(yè)控制、智能制造、智慧生活及物聯(lián)網(wǎng)等。

 

▍中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)

1、宏晶科技：主要提供32位MCU。應(yīng)用范圍：通信、工業(yè)控制、信息家電、語(yǔ)音。

2、盛群半導(dǎo)體：主要提供8位、32位MCU。應(yīng)用范圍：消費(fèi)電子、LED照明等。

3、凌陽(yáng)科技：主要提供8位、16位MCU。應(yīng)用范圍：家庭影音。

4、中穎電子：主要提供4位、8位MCU。應(yīng)用范圍：充電器、移動(dòng)電源、家電、工業(yè)控制。

5、松翰科技：主要提供8位、32位MCU。應(yīng)用范圍：搖控器、智能型充電器、大小系統(tǒng)、電子秤、耳溫槍、血壓計(jì)、胎壓計(jì)、各類量測(cè)及健康器材。

6、華邦電子：主要提供8位、16位MCU。應(yīng)用范圍：車用電子、工業(yè)電子、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、物聯(lián)網(wǎng)。

7、十速科技：主要提供4位、8位、51位MCU。應(yīng)用范圍：遙控器、小家電。

8、佑華微電子：主要提供4位、8位MCU。應(yīng)用范圍：錄音集成電路產(chǎn)品、消費(fèi)電子、家用產(chǎn)品。

9、應(yīng)廣科技單片機(jī)：主要提供4位、8位MCU。應(yīng)用范圍：機(jī)械、自動(dòng)化、家電、機(jī)器人。

10、義隆電子：主要提供8位、16位MCU。應(yīng)用范圍：消費(fèi)電子、電腦、智能手機(jī)。

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五、單片機(jī)的學(xué)習(xí)竅門(mén)

任何一款MCU，其基本原理和功能都是大同小異，所不同的只是其外圍功能模塊的配置及數(shù)量、指令系統(tǒng)等。

對(duì)于指令系統(tǒng)，雖然形式上看似千差萬(wàn)別，但實(shí)際上只是符號(hào)的不同，其所代表的含義、所要完成的功能和尋址方式基本上是類似的。

要了解一款MCU，首先需要知道就是其ROM空間、RAM空間、IO口數(shù)量、定時(shí)器數(shù)量和定時(shí)方式、所提供的外圍功能模塊（Peripheral Circuit）、中斷源、工作電壓及功耗等等。

了解這些MCU Features后，接下來(lái)第一步就是將所選MCU的功能與實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的要求的功能進(jìn)行對(duì)比，明確哪些資源是目前所需要的，哪些是本項(xiàng)目所用不到的。

對(duì)于項(xiàng)目中需要用到的而所選MCU不提供的功能，則需要認(rèn)真理解MCU的相關(guān)資料，以求用間接的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如，所開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目需要與PC機(jī)COM口進(jìn)行通訊，而所選的MCU不提供UART口，則可以考慮用外部中斷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于項(xiàng)目開(kāi)發(fā)需要用到的資源，則需要對(duì)其Manua*進(jìn)行認(rèn)真的理解和閱讀，而對(duì)于不需要的功能模塊則可以忽略或?yàn)g覽即可。對(duì)于MCU學(xué)習(xí)來(lái)講，應(yīng)用才是關(guān)鍵，也是最主要的目的。

明確了MCU的相關(guān)功能后，接下來(lái)就可以開(kāi)始編程了。

對(duì)于初學(xué)者或初次使用此款MCU的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，可能會(huì)遇到很多對(duì)MCU的功能描述不明確的地方，對(duì)于此類問(wèn)題，可以通過(guò)兩種方法來(lái)解決，一種是編寫(xiě)特別的驗(yàn)證程序來(lái)理解資料所述的功能;另一種則可以暫時(shí)忽略，單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中則按照自己目前的理解來(lái)編寫(xiě)，留到調(diào)試時(shí)去修改和完善。前一種方法適用于時(shí)間較寬松的項(xiàng)目和初學(xué)者，而后一種方法則適合于具有一定單片機(jī)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的人或項(xiàng)目進(jìn)度較緊迫的情況。

指令系統(tǒng)千萬(wàn)不要特別花時(shí)間去理解。指令系統(tǒng)只是一種邏輯描述的符號(hào)，只有在編程時(shí)根據(jù)自己的邏輯和程序的邏輯要求來(lái)查看相關(guān)的指令即可，而且隨著編程的進(jìn)行，對(duì)指令系統(tǒng)也會(huì)越來(lái)越熟練，甚至可以不自覺(jué)地記憶下來(lái)。

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六、單片機(jī)的程序編寫(xiě)

MCU的程序的編寫(xiě)與PC下的程序的編寫(xiě)存在很大的區(qū)別，雖然現(xiàn)在基于C的MCU開(kāi)發(fā)工具越來(lái)越流行，但對(duì)于一個(gè)高效的程序代碼和喜歡使用匯編的設(shè)計(jì)者來(lái)講，匯編語(yǔ)言仍然是最簡(jiǎn)潔、最有效的編程語(yǔ)言。

對(duì)于MCU的程序編寫(xiě)，其基本的框架可以說(shuō)是大體一致的，一般分為初始化部分(這是MCU程序設(shè)計(jì)與PC最大的不同)，主程序循環(huán)體和中斷處理程序三大部分，其分別說(shuō)明如下：

1、初始化：對(duì)于所有的MCU程序的設(shè)計(jì)來(lái)講，初始化是最基本也是最重要的一步，一般包括如下內(nèi)容：

屏蔽所有中斷并初始化堆棧指針：初始化部分一般不希望有任何中斷發(fā)生。

清除系統(tǒng)的RAM區(qū)域和顯示Memory：雖然有時(shí)可能沒(méi)有完全的必要，但從可靠性及一致性的角度出發(fā)，特別是對(duì)于防止意外的錯(cuò)誤，還是建議養(yǎng)成良好的編程習(xí)慣。

IO口的初始化：根據(jù)項(xiàng)目的應(yīng)用的要求，設(shè)定相關(guān)IO口的輸入輸出方式，對(duì)于輸入口，需要設(shè)定其上拉或下拉電阻;對(duì)于輸出口，則必須設(shè)定其初始的電平輸出，以防出現(xiàn)不必要的錯(cuò)誤。

中斷的設(shè)置：對(duì)于所有項(xiàng)目需要用到的中斷源，應(yīng)該給予開(kāi)啟并設(shè)定中斷的觸發(fā)條件，而對(duì)于不使用的多余的中斷，則必須給予關(guān)閉。

其他功能模塊的初始化：對(duì)于所有需要用到的MCU的外圍功能模塊，必須按項(xiàng)目的應(yīng)用的要求進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，如UART的通訊，需要設(shè)定Baud Rate，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，校驗(yàn)方式和Stop Bit的長(zhǎng)度等，而對(duì)于Programmer Timer，則必須設(shè)置其時(shí)鐘源，分頻數(shù)及Reload Data等。

參數(shù)的初始化：完成了MCU的硬件和資源的初始化后，接下來(lái)就是對(duì)程序中使用到的一些變量和數(shù)據(jù)的初始化設(shè)置，這一部分的初始化需要根據(jù)具體的項(xiàng)目及程序的總體安排來(lái)設(shè)計(jì)。對(duì)于一些用EEPROM來(lái)保存項(xiàng)目預(yù)制數(shù)的應(yīng)用來(lái)講，建議在初始化時(shí)將相關(guān)的數(shù)據(jù)拷貝到MCU的RAM，以提高程序?qū)?shù)據(jù)的訪問(wèn)速度，同時(shí)降低系統(tǒng)的功耗（原則上，訪問(wèn)外部EEPROM都會(huì)增加電源的功耗）。

2、主程序循環(huán)體：大多數(shù)MCU是屬于長(zhǎng)時(shí)間不間斷運(yùn)行的，因此其主程序體基本上都是以循環(huán)的方式來(lái)設(shè)計(jì)，對(duì)于存在多種工作模式的應(yīng)用來(lái)講，則可能存在多個(gè)循環(huán)體，相互之間通過(guò)狀態(tài)標(biāo)志來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。對(duì)于主程序體，一般情況下主要安排如下的模塊：

計(jì)算程序：計(jì)算程序一般比較耗時(shí)，因此堅(jiān)決反對(duì)放在任何中斷中處理，特別是乘除法運(yùn)算。

實(shí)時(shí)性要求不高或沒(méi)有實(shí)時(shí)性要求的處理程序；

顯示傳輸程序：主要針對(duì)存在外部LED、LCD Driver的應(yīng)用。

3、中斷處理程序：中斷程序主要用于處理實(shí)時(shí)性要求較高的任務(wù)和事件，如，外部突發(fā)性信號(hào)的檢測(cè)，按鍵的檢測(cè)和處理，定時(shí)計(jì)數(shù)，LED顯示掃描等。

一般情況下，中斷程序應(yīng)盡可能保證代碼的簡(jiǎn)潔和短小，對(duì)于不需要實(shí)時(shí)去處理的功能，可以在中斷中設(shè)置觸發(fā)的標(biāo)志，然后由主程序來(lái)執(zhí)行具體的事務(wù)――這一點(diǎn)非常重要，特別是對(duì)于低功耗、低速的MCU來(lái)講，必須保證所有中斷的及時(shí)響應(yīng)。

4、對(duì)于不同任務(wù)體的安排，不同的MCU其處理的方法也有所不同：

例如，對(duì)于低速、低功耗的MCU(Fosc=32768Hz)應(yīng)用，考慮到此類項(xiàng)目均為手持式設(shè)備和采用普通的LCD顯示，對(duì)按鍵的反應(yīng)和顯示的反應(yīng)要求實(shí)時(shí)性較高，因此一般采用定時(shí)中斷的方式來(lái)處理按鍵的動(dòng)作和數(shù)據(jù)的顯示；而對(duì)于高速的MCU，如Fosc》1MHz的應(yīng)用，由于此時(shí)MCU有足夠的時(shí)間來(lái)執(zhí)行主程序循環(huán)體，因此可以只在相應(yīng)的中斷中設(shè)置各種觸發(fā)標(biāo)志，并將所有的任務(wù)放在主程序體中來(lái)執(zhí)行。

5、在MCU的程序設(shè)計(jì)中，還需要特別注意的一點(diǎn)就是：

要防止在中斷和主程序體中同時(shí)訪問(wèn)或設(shè)置同一個(gè)變量或數(shù)據(jù)的情況。有效的預(yù)防方法是，將此類數(shù)據(jù)的處理安排在一個(gè)模塊中，通過(guò)判斷觸發(fā)標(biāo)志來(lái)決定是否執(zhí)行該數(shù)據(jù)的相關(guān)操作；而在其他的程序體中(主要是中斷)，對(duì)需要進(jìn)行該數(shù)據(jù)的處理的地方只設(shè)置觸發(fā)的標(biāo)志。――這可以保證數(shù)據(jù)的執(zhí)行是可預(yù)知和唯一的。

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七、工程師對(duì)單片機(jī)編程的總結(jié)

1、要養(yǎng)成總結(jié)的好習(xí)慣，總結(jié)不僅是對(duì)自己學(xué)習(xí)的一個(gè)總結(jié)，還是對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程的一個(gè)回顧與加深，還可避免第二次犯錯(cuò)。

2、編寫(xiě)程序之前先要有一個(gè)對(duì)該項(xiàng)目熟悉的了解，做到心中有數(shù)，列一個(gè)大致框架。仔細(xì)推敲該怎么布局，怎樣布局最合理，該步驟很重要。要分析先做哪個(gè)模塊，具體到該模塊的具體步驟，各個(gè)函數(shù)怎么命名，與其他模塊的銜接等。最好拿張紙記下重要過(guò)程。

3、對(duì)于c語(yǔ)言的模塊化編程，要先分好各個(gè)模塊，一個(gè)模塊一個(gè)模塊的編程，確定一個(gè)順序，按順序來(lái)，該模塊成功之后再編寫(xiě)下一個(gè)。對(duì)于頭文件，當(dāng)該模塊編寫(xiě)好之后再編寫(xiě)該模塊的頭文件。

4、出現(xiàn)警告不要忽視，說(shuō)明該程序一定有不合理之處，要弄清其來(lái)源，找到解決辦法。找來(lái)源時(shí)要有針對(duì)性，可上網(wǎng)搜一下該方面的資料，或向別人請(qǐng)教。例如，居然把另一個(gè)工程內(nèi)的main函數(shù)加入了這個(gè)工程。還有居然函數(shù)命名重復(fù)。還有根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析原因，層層遞進(jìn)。還有端口定義時(shí)居然選錯(cuò)了接口。有時(shí)，實(shí)在解決不了就休息一下，在想也挺好的。再簡(jiǎn)單的地方也要注意一下，都有可能出錯(cuò)。在單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)中，代碼的使用效率問(wèn)題、單片機(jī)抗干擾性和可靠性等問(wèn)題仍困擾著?，F(xiàn)歸納出單片機(jī)開(kāi)發(fā)中應(yīng)掌握的幾個(gè)基本技巧。

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八、單片機(jī)開(kāi)發(fā)技巧

1如何減少程序中的bug

對(duì)于如何減少程序的bug，應(yīng)該先考慮系統(tǒng)運(yùn)行中應(yīng)考慮的超范圍管理參數(shù)如下。

• 物理參數(shù)：這些參數(shù)主要是系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，它包括激勵(lì)參數(shù)、采集處理中的運(yùn)行參數(shù)和處理結(jié)束的結(jié)果參數(shù)。
• 資源參數(shù)：這些參數(shù)主要是系統(tǒng)中的電路、器件、功能單元的資源，如記憶體容量、存儲(chǔ)單元長(zhǎng)度、堆疊深度。
• 應(yīng)用參數(shù)：這些應(yīng)用參數(shù)常表現(xiàn)為一些單片機(jī)、功能單元的應(yīng)用條件。過(guò)程參數(shù)：指系統(tǒng)運(yùn)行中的有序變化的參數(shù)。

2如何提高C語(yǔ)言編程代碼的效率

用C語(yǔ)言進(jìn)行單片機(jī)程序設(shè)計(jì)是單片機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的必然趨勢(shì)。如果使用C編程時(shí)，要達(dá)到最高的效率，最好熟悉所使用的C編譯器。先試驗(yàn)一下每條C語(yǔ)言編譯以后對(duì)應(yīng)的匯編語(yǔ)言的語(yǔ)句行數(shù)，這樣就可以很明確的知道效率。在今后編程的時(shí)候，使用編譯效率最高的語(yǔ)句。各家的C編譯器都會(huì)有一定的差異，故編譯效率也會(huì)有所不同，優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)C編譯器代碼長(zhǎng)度和執(zhí)行時(shí)間僅比以匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的同樣功能程度長(zhǎng)5-20%。

對(duì)于復(fù)雜而開(kāi)發(fā)時(shí)間緊的項(xiàng)目時(shí)，可以采用C語(yǔ)言，但前提是要求你對(duì)該MCU系統(tǒng)的C語(yǔ)言和C編譯器非常熟悉，特別要注意該C編譯系統(tǒng)所能支持的數(shù)據(jù)類型和算法。雖然C語(yǔ)言是最普遍的一種高級(jí)語(yǔ)言，但由于不同的MCU廠家其C語(yǔ)言編譯系統(tǒng)是有所差別的，特別是在一些特殊功能模塊的操作上。所以如果對(duì)這些特性不了解，那么調(diào)試起來(lái)問(wèn)題就會(huì)很多，反而導(dǎo)致執(zhí)行效率低于匯編語(yǔ)言。

3如何解決單片機(jī)的抗干擾性問(wèn)題

防止干擾最有效的方法是去除干擾源、隔斷干擾路徑，但往往很難做到，所以只能看單片機(jī)抗干擾能力夠不夠強(qiáng)了。在提高硬件系統(tǒng)抗干擾能力的同時(shí)，軟件抗干擾以其設(shè)計(jì)靈活、節(jié)省硬件資源、可靠性好越來(lái)越受到重視。

單片機(jī)干擾最常見(jiàn)的現(xiàn)象就是復(fù)位，至于程序跑飛，其實(shí)也可以用軟件陷阱和看門(mén)狗將程序拉回到復(fù)位狀態(tài)，所以單片機(jī)軟件抗干擾最重要的是處理好復(fù)位狀態(tài)。

一般單片機(jī)都會(huì)有一些標(biāo)志寄存器，可以用來(lái)判斷復(fù)位原因；另外你也可以自己在RAM中埋一些標(biāo)志。在每次程序復(fù)位時(shí)，通過(guò)判斷這些標(biāo)志，可以判斷出不同的復(fù)位原因；還可以根據(jù)不同的標(biāo)志直接跳到相應(yīng)的程序。這樣可以使程序運(yùn)行有連續(xù)性，用戶在使用時(shí)也不會(huì)察覺(jué)到程序被重新復(fù)位過(guò)。

4如何測(cè)試單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性

當(dāng)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成，對(duì)于不同的單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)品會(huì)有不同的測(cè)試項(xiàng)目和方法，但是有一些是必須測(cè)試的：

• 測(cè)試單片機(jī)軟件功能的完善性
• 上電、掉電測(cè)試
• 老化測(cè)試
• ESD和EFT等測(cè)試

有時(shí)候，我們還可以模擬人為使用中，可能發(fā)生的破壞情況。例如用人體或者衣服織物故意摩擦單片機(jī)系統(tǒng)的接觸端口，由此測(cè)試抗靜電的能力。用大功率電鉆靠近單片機(jī)系統(tǒng)工作，由此測(cè)試抗電磁干擾能力等。

綜上所述，單片機(jī)已成為計(jì)算機(jī)發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)重要方面，單片機(jī)應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。

從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過(guò)軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。

此外在開(kāi)發(fā)和應(yīng)用過(guò)程中我們更要掌握技巧，提高效率，以便于發(fā)揮它更加廣闊的用途。