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單片機
本詞條是多義詞，共2個義項
一種集成電路芯片
單片機（Microcontrollers）又稱微控制器，由中央處理器、存儲器、輸入輸出端口(包括并行I/O、串行I/O、模數(shù)轉換器)、計時器和計數(shù)器等組成，具有完整數(shù)字處理功能的大規(guī)模集成電路。微控制器是一種面向控制領域嵌入式應用的集成化計算機芯片，主要用于工業(yè)控制、數(shù)據(jù)處理、信號處理、智能儀器、通信產(chǎn)品及民用消費產(chǎn)品等自動控制產(chǎn)品與器件中。通常也把它簡稱為MCU或μC，MCU配以適當?shù)耐鈬O備和軟件就可構成一個計算機應用系統(tǒng)，所以也稱之為單片微型計算機，簡稱為單片機。
基本信息
| 中文名 | 單片機 |
| 外文名 | Microcontrollers |
| 類別 | 電路芯片 |
| 拼音 | dan pian ji |
| 電子產(chǎn)品類別 | 3種 |
| 基本結構 | 運算器、控制器和主要寄存器 |
| 應用范圍 | 家用電器 醫(yī)用設備 |
| 應用 | 工業(yè)生產(chǎn)，電子設備等 |
收起
發(fā)展歷程
MCU的發(fā)展始于20世紀70年代中期，當時主要稱為單片機，由于工藝和集成度的限制，一個完整功能的MCU由兩塊集成電路組成。如Fairchild公司的單片機F8必須外接一塊專為F8設計的程序存儲單元電路3851。第二階段為低性能MCU階段，雖已只用一塊芯片構成，但性能低，品種少。如Intel的MCS-48系列，芯片內(nèi)含有中央處理器(CPU)、并行I/O口、計時器、隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)等，但其CPU功能不強，I/O的種類和數(shù)量少，存儲容量小，只能應用于要求比較簡單的場合。第三階段是高性能微型計算機系統(tǒng)(MCS)發(fā)展階段，此時的MCU內(nèi)部具有功能很強的CPU、比較多的輸入輸出電路和大容量的數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器，MCU產(chǎn)品型號、規(guī)格多，各具特色，能滿足不同領域應用需求。
基本結構
單片機
運算器
運算器由運算部件——算術邏輯單元（Arithmetic & Logical Unit，簡稱ALU）、累加器和寄存器等幾部分組成。ALU的作用是把傳來的數(shù)據(jù)進行算術或邏輯運算，輸入來源為兩個8位數(shù)據(jù)，分別來自累加器和數(shù)據(jù)寄存器。ALU能完成對這兩個數(shù)據(jù)進行加、減、與、或、比較大小等操作，最后將結果存入累加器。
運算器有兩個功能：
(1)執(zhí)行各種算術運算。
(2)執(zhí)行各種邏輯運算，并進行邏輯測試，如零值測試或兩個值的比較。
運算器所執(zhí)行全部操作都是由控制器發(fā)出的控制信號來指揮的，并且，一個算術操作產(chǎn)生一個運算結果，一個邏輯操作產(chǎn)生一個判決。
控制器
(1)從內(nèi)存中取出一條指令，并指出下一條指令在內(nèi)存中的位置。
(2)對指令進行譯碼和測試，并產(chǎn)生相應的操作控制信號，以便于執(zhí)行規(guī)定的動作。
(3)指揮并控制CPU、內(nèi)存和輸入輸出設備之間數(shù)據(jù)流動的方向。
主要寄存器
（1）累加器A
累加器A是微處理器中使用最頻繁的寄存器。在算術和邏輯運算時它有雙功能：運算前，用于保存一個操作數(shù)；運算后，用于保存所得的和、差或邏輯運算結果。
（2）數(shù)據(jù)寄存器DR
數(shù)據(jù)寄存器通過數(shù)據(jù)總線向存儲器和輸入/輸出設備送（寫）或取（讀）數(shù)據(jù)的暫存單元。它可以保存一條正在譯碼的指令，也可以保存正在送往存儲器中存儲的一個數(shù)據(jù)字節(jié)等等。
（3）指令寄存器IR和指令譯碼器ID
指令包括操作碼和操作數(shù)。
指令寄存器是用來保存當前正在執(zhí)行的一條指令。當執(zhí)行一條指令時，先把它從內(nèi)存中取到數(shù)據(jù)寄存器中，然后再傳送到指令寄存器。當系統(tǒng)執(zhí)行給定的指令時，必須對操作碼進行譯碼，以確定所要求的操作，指令譯碼器就是負責這項工作的。其中，指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入。
（4）程序計數(shù)器PC
PC用于確定下一條指令的地址，以保證程序能夠連續(xù)地執(zhí)行下去，因此通常又被稱為指令地址計數(shù)器。在程序開始執(zhí)行前必須將程序的第一條指令的內(nèi)存單元地址（即程序的首地址）送入PC，使它總是指向下一條要執(zhí)行指令的地址。
地址寄存器用于保存當前CPU所要訪問的內(nèi)存單元或I/O設備的地址。由于內(nèi)存與CPU之間存在著速度上的差異，所以必須使用地址寄存器來保持地址信息，直到內(nèi)存讀/寫操作完成為止。
顯然，當CPU向存儲器存數(shù)據(jù)、CPU從內(nèi)存取數(shù)據(jù)和CPU從內(nèi)存讀出指令時，都要用到地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。同樣，如果把外圍設備的地址作為內(nèi)存地址單元來看的話，那么當CPU和外圍設備交換信息時，也需要用到地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。
硬件特征
（1）單片機的體積比較小，內(nèi)部芯片作為計算機系統(tǒng)，其結構簡單，但是功能完善，使用起來十分方便，可以模塊化應用。
（2）單片機有著較高的集成度，可靠性比較強，即使單片機處于長時間的工作也不會存在故障問題。
（3）單片機在應用時低電壓、低能耗，是人們在日常生活中的首要選擇，為生產(chǎn)與研發(fā)提供便利。
（4）單片機對數(shù)據(jù)的處理能力和運算能力較強，可以在各種環(huán)境中應用，且有著較強的控制能力。
未來發(fā)展
微控制器正朝著高性能和多品種的方向發(fā)展，MCU性能的提高主要體現(xiàn)在下述4個方面：①增強MCU內(nèi)部CPU功能，即提高其數(shù)據(jù)處理速度和精度，包括擴大字長，增加乘法、除法部件，采用流水線結構等。有的MCU則將高性能16位或32位微處理器原封不動地移來，作為MCU的CPU單元，這樣MCU便與相應的通用計算機系統(tǒng)的軟件兼容，具有相同的數(shù)據(jù)處理能力，便于開發(fā)和應用。②增加MCU內(nèi)部資源的集成，盡量減少外接電路，使MCU本身即是一個完整的應用系統(tǒng)。例如增加內(nèi)部存儲器種類及容量，擴大I/O端口品種和數(shù)量，I/O端口可以有串行口、并行口、多路模數(shù)轉換器、計時器、定時輸出和捕獲輸入、系統(tǒng)故障監(jiān)視器、DMA通道及數(shù)模輸出電路等。③設計和使用多功能復用引腳，使MCU內(nèi)部資源的增加不會導致MCU外引腳的過多增加，從而提高應用的靈活性。④擴大外尋址范圍以提高系統(tǒng)的擴展功能，目前外尋址空間已從典型的64K字節(jié)擴大到幾兆字節(jié)，MCU品種的發(fā)展趨勢是多品種和多層次。主要體現(xiàn)為：①發(fā)展低電壓和低功耗品種，如電池供電系統(tǒng)和野外作業(yè)系統(tǒng)。②發(fā)展微型化 MCU，即利用MCU設計模塊化的結構特點，在內(nèi)核CPU不變的情況下根據(jù)應用目標調整內(nèi)部各功能模塊的規(guī)格和外引腳數(shù)，以發(fā)展新品種。
應用
節(jié)能控制
由于智能電子設備可能會被經(jīng)常攜帶外出，因此對這些設備的能耗要求是非常高的，所以經(jīng)常會設計一些節(jié)能控制模塊，從而提高智能電子設備的待機時長。單片機技術在節(jié)能控制中的應用主要分為以下幾個方面：第一，智能電子設備在外出狀態(tài)下，大部分是處于輕負載的模式，這時候就需要通過節(jié)能控制，確保其基礎功能的前提下，進一步降低電量的消耗。單片機通過對智能電子設備中數(shù)據(jù)的收集，可以大致推斷當前設備處于較低的負載，這時可以降低電壓及電流的輸出，達到節(jié)能的目的；第二，單片機可以控制能耗的節(jié)奏，例如：在小米手環(huán)中，收集人體的心率、睡眠和運動步數(shù)等數(shù)字，這些數(shù)字收集后會在本地進行存儲，然后以分鐘級的頻率進行上報；信息未上報時，設備處于低能耗的狀態(tài)，信息上報時，會出現(xiàn)一些網(wǎng)絡傳輸方面的消耗，單片機可以控制能耗的節(jié)奏，將手環(huán)的大部分時間控制在低能耗的狀態(tài)下，可以使得待機時間長達七十二小時以上。
智能語音設備
為了更好地提高智能電子設備的智能性，可以允許人類通過簡單的語言進行控制，實現(xiàn)語音人機交互的目的。目前，語音處理芯片已經(jīng)開發(fā)完成，并開始運用到智能電子設備中。單片機在智能語音設備中的應用，主要分為以下兩個部分：第一，軟件設置方面，由于單片機可以通過編程的方式，處理一些業(yè)務邏輯，因此就能夠對智能語音處理過程進行操作。例如：在導航智能電子設備中，可以將其中的一些道路名稱、距離等進行提取，然后進行播報；同時，還可以選擇不同的名人口吻進行播報，真正實現(xiàn)智能化的定制操作，更好地滿足用戶的需求；第二，硬件設計方面，由于智能語音設備對資源的消耗比較大，因此為了更好地延長產(chǎn)品的待機時間，會使用單片機技術動態(tài)控制產(chǎn)品的功率，進一步降低對電量的消耗。同時，還可以通過單片機技術，提高硬件的響應時間，進一步提高用戶的體驗。
報警控制
對于部分電子設備來講，會擁有自動報警的設置，報警控制也是單片機技術經(jīng)常使用的領域，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，對于一些自動報警裝置來講，例如：家里經(jīng)常使用的火災報警器，就是在外界環(huán)境達到一定條件下開啟智能報警的設備，如果室內(nèi)的煙霧濃度到達某種水平，或者是收集外界的數(shù)據(jù)達到某種狀態(tài)時，就會自動觸發(fā)報警設置，從而實現(xiàn)智能報警的功能；第二，對于一些智能電子設備來講，如果外在環(huán)境超過設備的工作環(huán)境范圍時，或者是設備存在一些異常情況時，就會觸發(fā)自身的報警機制，讓用戶能夠及時了解設備的運作詳情，并且根據(jù)報警信息提供解決方案。例如：在一些工廠中，經(jīng)常會安裝一些設備，對工廠的生產(chǎn)環(huán)境進行監(jiān)控，當出現(xiàn)某些異常數(shù)據(jù)時，就會發(fā)生報警，為確保設備的正常運作，設備維護人員需要及時進行處理，避免產(chǎn)生較大的故障。
醫(yī)療設備
隨著醫(yī)療設備技術的不斷提升，單片機開始在醫(yī)療設備中進行廣泛的應用，主要體現(xiàn)在：第一，對病人的身體特征數(shù)據(jù)進行智能監(jiān)控，可以將一些醫(yī)療設備安裝在病人身上，并對其身體的數(shù)據(jù)進行收集，然后與后臺的控制系統(tǒng)進行交互，如果發(fā)現(xiàn)病人的身體特征異常時，會及時產(chǎn)生報警。例如：部分醫(yī)療設備可以針對病人的心跳、脈搏、血壓等進行監(jiān)控，如果發(fā)現(xiàn)異常會及時呼叫醫(yī)生進行處理；第二，在手術過程中，也會使用一些智能電子設備，例如：部分手術需要進入病人的體內(nèi)進行，在避免開刀的情況下，可以通過控制智能設備完成手術的過程，進一步降低病人的痛苦，提高病人身體恢復的速度；第三，智能體檢數(shù)據(jù)分析設備，可以將用戶的體檢數(shù)據(jù)錄入進去，然后輸入到分析設備后，通過與正常數(shù)據(jù)的對比，及時對用戶的身體疾病進行預測和診斷。隨著我國醫(yī)療技術水平的不斷提高，單片機技術的應用變得越來越廣泛，提高了醫(yī)療技術水平，更好地維護病人的健康。
應用特點
單片機擁有以下幾種應用特點：（1）擁有良好的集成度；（2）單片機自身體積較小；（3）單片機擁有強大的控制功能，同時運行電壓比較低；（4）單片機擁有簡易攜帶等優(yōu)勢，同時性價比較高。單片機主要應用于下面幾種領域當中，分別是：自動化辦公、機電一體化、尖端武器和國防軍事領域、航空航天領域、汽車電子設備、醫(yī)用設備領域、商業(yè)營銷設備、計算機通訊、家電領域、日常生活和實時控制領域等。
故障的排除
單片機故障的排除
1、單片機正常工作的三個條件
單片機工作的三個條件分別是電源、時鐘晶振、復位。當單片機不能正常工作時，我們首先就要檢查這三個條件，用電壓表或者萬用表檢測他的電源和接地腳，檢測兩個引腳之間的電壓是不是5V左右；對于時鐘晶體振蕩有沒有正常工作，我們最好用示波器進行檢測，看能否檢測到相應頻率的正弦波脈沖；復位檢測比較簡單，單片機的復位電平一般是高電平復位，單片機在接通電源的時候一般復位引腳上會出現(xiàn)5V左右的高電平，另外在按下復位按鍵時，復位引腳上也會出現(xiàn)高電平，用一般的電壓表或者萬用表都可以進行檢測。
2、單片機內(nèi)部是否正常工作的檢測
單片機內(nèi)部有沒有正常工作，我們主要是通過寫入程序的方式來進行檢測和排查。這個檢測需要有“燒入”代碼的硬件和軟件才行，檢測的原理就是通過“燒入”代碼的硬件和軟件，將一段帶有檢測功能的正常代碼“燒入”到單片機。檢查兩個方面：第一就是能不能將目標代碼正常寫入單片機，不能正常寫入單片機時，說明單片機已經(jīng)損壞，需要更換同型號的單片機；第二就是目標代碼可以正常寫入單片機，寫入后的效果是不是就是程序設定的功能，如果是說明單片機正常。
單片機在更換時，我們最好采用同型號的單片機，然后寫入公司給予的目標代碼，單片機的價格目前一般比較便宜，零售價格大概5元左右。
參考資料
[1]
張效祥 . 計算機科學技術百科全書 : 清華大學出版社 ，2018-05
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尚可名片
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作者
