MCU是Microcontroller Unit 的簡稱，中文叫微控制器，俗稱單片機，是把CPU的頻率與規格做適當縮減，并將內存、計數器、USB、A/D轉換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至LCD驅動電路都整合在單一芯片上，形成芯片級的計算機，為不同的應用場合做不同組合控制，諸如手機、PC外圍、遙控器，至汽車電子、工業上的步進馬達、機器手臂的控制等，都可見到MCU的身影。

單片機發展簡史

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

1971年~1976年單片機發展的初級階段。1971年11月英特爾公司首先設計出集成度為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， 構成了第一臺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/計數器、RAM和ROM等集成于一塊半導體芯片上的單片結構， 雖然其尋址范圍有限（不大于4 KB）， 也沒有串行I/O， RAM、 ROM容量小， 中斷系統也較簡單， 但功能可滿足一般工業控制和智能化儀器、儀表等的需要。

1980年~1983年高性能單片機階段。這一階段推出的高性能8位單片機普遍帶有串行口，有多級中斷處理系統， 多個16位定時器/計數器。片內RAM、 ROM的容量加大，且尋址范圍可達64 KB，個別片內還帶有A/D轉換接口。

1983年~80年代末16位單片機階段。1983年英特爾公司又推出了高性能的16位單片機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12萬只晶體管/片。

1990年代單片機在集成度、功能、速度、可靠性、應用領域等全方位向更高水平發展。

單片機的分類和應用

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

按用途可分為通用型和專用型；根據數據總線的寬度和一次可處理的數據字節長度可分為8、16、32位MCU。

目前，國內MCU應用市場最廣泛的是消費電子領域，其次是工業領域、和汽車電子市場。消費電子包括家用電器、電視、游戲機和音視頻系統等。工業領域包括智能家居、自動化、醫療應用及新能源生成與分配等。汽車領域包括汽車動力總成和安全控制系統等。

單片機的基本功能

對于絕大多數MCU，下列功能是最普遍也是最基本的，針對不同的MCU，其描述的方式可能會有區別，但本質上是基本相同的：

1、TImer(定時器)：TImer的種類雖然比較多，但可歸納為兩大類：一類是固定時間間隔的TImer，即其定時的時間是由系統設定的，用戶程序不可控制，系統只提供幾種固定的時間間隔給用戶程序進行選擇，如32Hz，16Hz，8Hz等，此類TImer在4位MCU中比較常見，因此可以用來實現時鐘、計時等相關的功能。

另一類則是Programmable Timer(可編程定時器)，顧名思義，該類Timer的定時時間是可以由用戶的程序來控制的，控制的方式包括：時鐘源的選擇、分頻數(Prescale)選擇及預制數的設定等，有的MCU三者都同時具備，而有的則可能是其中的一種或兩種。此類Timer應用非常靈活，實際的使用也千變萬化，其中最常見的一種應用就是用其實現PWM輸出。

由于時鐘源可以自由選擇，因此，此類Timer一般均與Event Counter(事件計數器)合在一起。

2、IO口：任何MCU都具有一定數量的IO口，沒有IO口，MCU就失去了與外部溝通的渠道。根據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硬件設計決定，只能是輸入或輸出，不可用軟件來進行實時的設定。

直接讀寫IO口：如MCS-51的IO口就屬于此類IO口。當執行讀IO口指令時，就是輸入口;當執行寫IO口指令則自動為輸出口。

程序編程設定輸入輸出方向的：此類IO口的輸入或輸出由程序根據實際的需要來進行設定，應用比較靈活，可以實現一些總線級的應用，如I2C總線，各種LCD、LED Driver的控制總線等。

對于IO口的使用，重要的一點必須牢記的是：對于輸入口，必須有明確的電平信號，確保不能浮空(可以通過增加上拉或下拉電阻來實現);而對于輸出口，其輸出的狀態電平必須考慮其外部的連接情況，應保證在Standby或靜態狀態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MCU所具有的基本功能，一般用于信號的實時觸發，數據采樣和狀態的檢測，中斷的方式由上升沿、下降沿觸發和電平觸發幾種。外部中斷一般通過輸入口來實現，若為IO口，則只有設為輸入時其中斷功能才會開啟;若為輸出口，則外部中斷功能將自動關閉(ATMEL的ATiny系列存在一些例外，輸出口時也能觸發中斷功能)。外部中斷的應用如下：

外部觸發信號的檢測：一種是基于實時性的要求，比如可控硅的控制，突發性信號的檢測等，而另一種情況則是省電的需要。

信號頻率的測量：為了保證信號不被遺漏，外部中斷是最理想的選擇。

數據的解碼：在遙控應用領域，為了降低設計的成本，經常需要采用軟件的方式來對各種編碼數據進行解碼，如Manchester和PWM編碼的解碼。

按鍵的檢測和系統的喚醒：對于進入Sleep狀態的MCU，一般需要通過外部中斷來進行喚醒，最基本的形式則是按鍵，通過按鍵的動作來產生電平的變化。

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MCU都提供的一種最基本通訊方式，其數據傳輸采用同步時鐘來控制，信號包括：SDI(串行數據輸入)、SDO(串行數據輸出)、SCLK(串行時鐘)及Ready信號;有些情況下則可能沒有Ready信號;此類接口可以工作在Master方式或Slave方式下，通俗說法就是看誰提供時鐘信號，提供時鐘的一方為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，其信號線只有Rx和Tx兩條，基本的數據格式為：Start Bit + Data Bit(7-bits/8-bits) + Parity Bit(Even， Odd or None) + Stop Bit(1~2Bit)。一位數據所占的時間稱為Baud Rate(波特率)。

對于大多數的MCU來講，數據位的長度、數據校驗方式(奇校驗、偶校驗或無校驗)、停止位(Stop Bit)的長度及Baud Rate是可以通過程序編程進行靈活設定。此類接口最常用的方式就是與PC機的串口進行數據通訊。

I2C接口：I2C是由Philips開發的一種數據傳輸協議，同樣采用2根信號來實現：SDAT(串行數據輸入輸出)和SCLK(串行時鐘)。其最大的好處是可以在此總線上掛接多個設備，通過地址來進行識別和訪問;I2C總線的一個最大的好處就是非常方便用軟件通過IO口來實現，其傳輸的數據速率完全由SCLK來控制，可快可慢，不像UART接口，有嚴格的速率要求。

5、Watchdog（看門狗定時器）：Watchdog也是絕大多數MCU的一種基本配置(一些4位MCU可能沒有此功能)，大多數的MCU的Watchdog只能允許程序對其進行復位而不能對其關閉(有的是在程序燒入時來設定的，如Microchip PIC系列MCU)，而有的MCU則是通過特定的方式來決定其是否打開，如Samsung的KS57系列，只要程序訪問了Watchdog寄存器，就自動開啟且不能再被關閉。一般而言watchdog的復位時間是可以程序來設定的。Watchdog的最基本的應用是為MCU因為意外的故障而導致死機提供了一種自我恢復的能力。

編輯：黃飛

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