微控制器是集成在单个芯片上的完整计算机系统。 虽然它的大部分功能都集成在一个小芯片中，但它具有完整计算机所需的大部分组件：CPU、内存、内部和外部总线系统，并且现在大多数都具有外部存储器。 它还集成了通信接口、定时器和实时时钟等外设。 即使是最强大的单芯片系统现在也将声音、成像、网络以及复杂的输入和输出系统集成在单个芯片上。
微控制器也称为微控制器，因为它们首先用于工业控制。 该微控制器是用专用处理器开发的，其中只有一个CPU。 最早的设计理念是将大量外设和CPU集成到单个芯片中，从而使计算机系统变得更小，更容易集成到复杂的、体积关键的控制设备中。 INTEL的Z80是第一个基于这个思想设计的处理器。 此后，微控制器和专用处理器的发展就出现了分化。
早期的 MCU 是 8 位或 4 位。 最成功的产品之一是 INTEL 的 8031，它因其简单性和可靠性而受到高度评价。 此后，在8031上开发出了MCS51系列单片机系统。基于该系统的微控制器系统至今仍被广泛使用。 随着工业控制领域的要求提高，16位单片机开始出现，但由于性价比不理想，并未得到广泛应用。 随着20世纪90年代消费电子的发展，MCU技术得到了很大的提高。
随着INTEL i960系列（尤其是后来的ARM系列）的广泛应用，32位单片机迅速取代了16位单片机的高端地位，进入主流市场。 传统8位MCU的性能也迅速提升，处理能力较20世纪80年代提升数百倍。 目前，高端32位MCU的主频超过300MHz，性能直接追随20世纪90年代中期的专用处理器。 普通型号的价格低至 1 美元，最高端型号的价格仅为 10 美元。 现代 MCU 系统不再专门在裸机环境中开发和使用。 大量专用嵌入式操作系统广泛应用于各种MCU中。
与专用处理器相比，微控制器更适合嵌入式系统，因此应用最多。 事实上，微控制器是世界上数量最多的计算机。 MCU几乎集成到现代人类生活中所有的电子和机械产品中。 手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、PDA和鼠标等计算机配件均配备1-2个微控制器。 个人计算机中也有许多微控制器。 汽车中有超过 40 个微控制器。 在复杂的工业控制系统上，甚至可能有数百个微控制器同时工作！ 微控制器的数量不仅远远超过PC和其他计算的集成度，
其次，微控制器诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU和SoC三个主要阶段。
1、SCM是单片机阶段，主要是为最好的嵌入式系统寻找最好的架构。 “创新模式”的成功为微控制器和通用计算机奠定了完全不同的发展道路。 英特尔致力于嵌入式系统的独立系统开发。
2. MCU是微控制器单元级。 主要技术发展方向是：不断扩展目标系统在满足嵌入式应用时所需的各种外围电路和接口电路，突出其对象的智能控制能力。 涉及的领域与对象系统相关。 因此，开发MCU的任务不可避免地落在了电气和电子技术制造商身上。 从这个角度来看，Intel在MCU发展上的逐渐下滑也有其客观因素。 说到开发MCU，最著名的厂商就是飞利浦。 飞利浦凭借其在嵌入式应用方面的巨大优势，很快将MCS-51从单片机发展成为微控制器。所以当我们回顾嵌入式系统的演变过程时，不要
3、微控制器是嵌入式系统的独立发展路径。 MCU阶段发展的一个重要因素是寻求片上应用系统最大的解决方案。 因此，专用微控制器的发展自然形成了SoC的发展趋势。 随着微电子技术、IC设计和EDA工具的发展，基于SoC的微控制器应用系统设计将会有很大的发展。 因此，对单片机的理解可以从单片机扩展到单片机应用系统。
4、单片机的发展。 单片机作为单片机的一个重要分支，应用广泛，发展十分迅速。 单片机自诞生以来，已发展成为近百个系列、上千种型号。
5、如果以8位单片机的推出为起点，那么单片机的发展历史大致可以分为以下几个阶段：
(1)第一阶段(1976-1978)：单片机控制阶段。 英特尔公司的MCS
——48是有代表性的。 MCS-48的推出是工业控制领域的一种控制方法。 参与此次控制的公司，还有摩托罗拉和Zilog，都取得了令人满意的结果。 这就是单片机的诞生，“单片机”一词由此而来。
(2)单片机完善的第二阶段(1978-1982)。 英特尔公司在MCS
– 48是基于完整且典型的MCU系列MCS –51的介绍。 它从以下几个方面建立了典型的通用总线微控制器架构。
1条完整的外部总线。 MCS-51设定了经典8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线以及具有多种机器通信功能的串行通信接口。
2 CPU外围功能单元的集中管理模式。
图3反映了工业控制功能的位地址空间和位操作模式。 4指令系统趋于丰富和复杂，增加了许多突出控制功能的指令。
（3）第三阶段（1982-1990年）：8位单片机的集成和发展以及16位单片机的推出，也是单片机向单片机发展的阶段。 英特尔MCS
– 96系列MCU，其中芯片中集成了一些用于测量和控制系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等，体现了MCU的微控制器特性。 随着MCS-51系列的广泛应用，许多电气制造商争相以80C51为核心，将电路技术、接口技术、多通道A/D转换元件和可靠性技术应用到许多测量和控制中。 系统到MCU。 外围电路功能增强了智能控制的特点。
(4)第四阶段(1990年-)：单片机的完整发展阶段。 随着微控制器在各个领域的全面发展和应用，8位/16位/32位通用微控制器具有速度高、寻址范围大、计算能力强、体积紧凑等优点。 大型且廉价的专用单片机已经出现。
3、微控制器的发展趋势
目前微控制器向高性能、多品种的发展趋势将进一步向CMOS、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内部化方向发展。
1.以下是微控制器的主要发展趋势：
(1) CMOS
近年来，由于CHMOS技术的小型化，微控制器的CMOS得到了很大的发展。 除了CMOS芯片的低功耗特性外，还具有功耗可控性，可以让微控制器工作在精细化的电源管理状态。 这也是未来8051将取代8051成为标准MCU芯片的原因。 因为大多数微控制器芯片都是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体技术生产的。 CMOS电路具有低功耗、高密度、低速度、低价格等特点。 采用双极半导体工艺的TTL电路速度非常快，但功耗和芯片面积较大。 随着技术的进步，出现了HMOS（高密度、高速MOS和CHMOS工艺。CHMOS和HMOS工艺的结合。目前CHMOS电路已经达到了LSTTL的速度，传输延迟时间小于2 ns.其综合优势在于TTL电路，因此，在单片机领域，CMOS正在逐步取代TTL电路。
低功耗微控制器的功耗从Ma级降低到甚至1uA； 电压在3~6V之间，完全适合电池供电。 低功耗的效果不仅是低功耗，还在于产品的高可靠性、高抗干扰能力和便携性。
(2)低电压
几乎所有的微控制器都有WAIT、STOP等省电模式。 允许使用的电压范围越来越宽，通常工作在3至6V范围内。 低压电源的功率下限已达到1~2V。 目前，0.8V供电的微控制器已经推出。
低噪声、高可靠性为了提高单片机的抗电磁干扰能力，该产品能够适应恶劣的工作环境，满足更高的电磁兼容标准。 每个微控制器制造商都在微控制器的内部电路中采用了新技术。 措施。
(3)容量大
过去，微控制器中的ROM为1KB~4KB，RAM为64~128B。 但在需要复杂控制的地方，存储容量不足，必须进行外部扩展。 为了满足该领域的要求，必须采用新的工艺来增加片上存储器的容量。 目前，单片机的ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB。
(4)高性能
主要指进一步提高CPU的性能，加快指令的运行速度，提高系统控制的可靠性。 采用简化指令集（RISC）架构和流水线技术，运算速度可大幅提升。 最高指令速度已达到100MIPS（每秒百万条指令），并且增强了位处理功能、中断和时序控制功能。 该微控制器的运行速度是标准微控制器的十倍以上。 由于此类微控制器的命令速度极高，可以使用软件来模拟其I/O功能，引入虚拟外设的新概念。
(5)容量小、价格低
与上述相反，以4位、8位机为中心的小容量、低价格也是发展趋势之一。 这种单片机的目的是将数字逻辑集成电路组成的控制电路集成在一起，使其能够广泛应用于家用电器中。
外围电路的内部化也是单片机发展的主要方向。 随着集成度的不断提高，各种外围功能器件都可以集成在芯片上。 除了必要的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等之外，片上集成组件还包括模数转换器、DMA控制器、声音发生器、看门狗定时器、LCD显示驱动器和彩色电视。以及录像机等的锁相电路。
串行扩展技术 长期以来，通用单片机通过三总线结构来扩展外围器件，已成为单片机应用的主流结构。 随着低成本OTP（一次性编程）和各类片上程序存储器的发展，附加接口不断进入芯片，推动了微控制器“单芯片”应用结构的发展。 。 特别是I2C、SPI等串行总线的引入，可以使MCU引脚设计更少，使MCU系统的结构更加简化和标准化。
随着半导体集成技术的不断发展，微控制器将集成度更高、尺寸更小、功能更强大。 在微控制器家族中，80C51系列是最好的系列之一，Intel已将MCS-51系列中80C51内核的使用权转让给了世界上许多著名的IC制造商，如飞利浦、NEC等， NEC。 专利交换或出售。 Atmel、AMD、Winbond等，这些公司在保持与80C51单片机兼容性的同时，改进了80C51的许多功能。 就这样，80C51已经成为一个大家族，得到众多厂家的支持，开发了上百个品种。 它们现在统称为80C51系列。 80C51单片机已成为单片机发展的主流。 专家认为，虽然世界上的MCU功能多样，开发设备互不兼容，但客观的发展表明80C51最终可能形成事实上的标准MCU芯片。
4、单片机的组成及特点
微控制器是微型计算机的主要分支。 这种结构的最大特点是将CPU、存储器、定时器和各种输入输出接口电路集成在一块超大规模的集成电路芯片上。 从其组成和功能来看，单片机就是一台计算机。
1、单片机的组成：
它通过内部总线集成了计算机的主要部件，包括地址总线、数据总线和控制总线。 其中，地址总线的作用是在数据交换时提供地址，CPU通过该地址输出到内存或I/O接口； 数据总线的作用是在CPU和存储器或I/O接口之间，或者存储器和I/O接口之间。 之间的外部。 设备之间交换数据； 控制总线包括CPU发送的控制信号线和发送给CPU的外部响应信号线。 微控制器中的 CPU、存储器和其他组件将在后面的章节中介绍。
2、单片机功能
由于MCU的结构形式和所采用的半导体工艺，使其具有许多优良的功能，在各个领域得到了迅速的发展。
2、MCU主要功能如下：
(1)优良的性能价格比。
(2)集成度高、体积小、可靠性高。 该单片机将各种功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力。 此外，其体积小，易于采取强磁场屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。
(3)控制功能强。 为了满足工业控制的要求，通用单片机的指令系统具有非常丰富的I/O口的传输指令、逻辑运算和微处理功能。 单片机的逻辑控制功能和运行速度高于同类产品。
(4)低功耗、低电压，易于生产便携式产品。
(5)外部总线增加了IC(内部集成电路)、SPI(串行外设接口)等串行总线方式，进一步减小了尺寸，简化了结构。
(6)单片机的系统扩展和系统配置典型化、标准化，易于组成各种规模的应用系统。
5、微控制器的分类
单片机作为计算机发展的一个重要领域，采用了更为科学的分类方法。 根据目前的发展现状，MCU从不同的角度大致可以分为通用/专用型、总线型/非总线型和工控型/家电型。
(1) 通用型/特殊型
这就是单片机的应用范围特点。 例如，80C51是通用微控制器，它不是为特定用途而设计的。 专门的微控制器是针对一类产品甚至某些产品而设计和制造的，例如满足电子温度计的要求，在芯片上集成ADC接口和其他功能。 温度测量控制电路。
(2) 总线型/非总线型
这是通过微控制器是否提供并行总线来区分的。 总线型MCU通常具有并行的地址总线、数据总线和控制总线。 这些引脚用于扩展并行外设，可以通过串口连接到MCU。 此外，许多 MCU 需要外设和外设接口。 集成是一件式的，因此在许多情况下总线不必并行扩展，从而显着降低了封装成本和芯片尺寸。 这种微控制器称为非总线微控制器。
(3)控制方式/家电方式
这是一个基于微控制器的应用领域。 一般来说，工业控制类型具有较宽的寻址范围和强大的计算能力。 家用电器中使用的微控制器大多是专用的，通常封装较小，价格较低，并且与外围器件和外围接口的集成度较高。
显然，上述分类并不排他性和严格性。 例如，80C51型MCU既可以是通用型，也可以是总线型，也可以用于工业控制。
6、单片机的应用
单片机因其显着的优势，已成为科技领域的有力工具和人类生活的得力助手。 其应用遍及各个领域，主要体现在以下几个方面：
(1)单片机在智能电表中的应用
微控制器广泛应用于各种仪器仪表中，使其智能化，提高自动化程度和测量精度，简化仪器的硬件结构，提高性能价格比。
(2)单片机在机电一体化中的应用
机电一体化是机械工业的发展方向。 机电一体化产品是指集机械技术、微电子技术和计算机技术于一体、具有智能化功能的机电产品，如微机控制的车床、钻床等。 单片机作为产品中的控制器，可以充分发挥其体积小、可靠性高、功能强大的优点，可以大大提高机器的自动化和智能化。
(3)单片机在实时控制中的应用
微控制器广泛应用于各种实时控制系统中。 例如，微控制器可以用作工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中的控制器。 单片机的实时数据处理能力和控制功能可以使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。
(4)单片机在分布式多机系统中的应用
在更复杂的系统中，经常使用分布式多计算机系统。 多机系统通常由许多具有不同功能的微控制器组成，每个微控制器执行特定的任务，它们之间通过串行通信进行通信和协调。 在这类系统中，通常采用单片机作为终端，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时测量和控制。 MCU的高可靠性和强抗干扰能力使其能够在恶劣的环境下工作在前端。
(5)单片机在人类生活中的应用
自从单片机诞生以来，它就走进了人类的生活。 例如，洗衣机、冰箱、电子玩具、录音机等家用电器都配备了微控制器，增加了智能化和功能性。 它深受人们喜爱。 微控制器将使人们的生活更加方便、舒适、丰富多彩。 总而言之，微控制器已经成为计算机开发和应用的一个重要方面。 另一方面，单片机应用的重要意义在于从根本上改变传统控制系统的设计思想和设计方法。 大多数必须由模拟或数字电路实现的功能现在必须通过使用微控制器的软件方法来实现。
目前，单片机已经渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到一个没有单片机踪迹的领域。 导弹导航装置、飞机上各种仪表的控制、计算机网络通信和数据传输、工业自动化过程的实时控制和数据处理、广泛应用的各种智能IC卡、民用豪华汽车、复读机、摄像机、自动驾驶汽车的安全系统洗衣机的控制以及程控玩具、电子宠物灯都离不开单片机。 更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表和医疗设备了。因此，学习
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医疗器械、航空航天、特种设备智能管理和过程控制等领域，可分为以下几类：
1.在智能仪器上的应用
本发明具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、小型化、使用方便的优点。 广泛应用于仪器仪表中，与电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等不同类型的传感器相结合，采用单片机控制，使仪器数字化、智能化、小型化，功能比使用电子或数字电路更强大。 例如，复杂的测量设备（功率计、示波器、各种分析仪）。
2、在工业控制中的应用
微控制器可以构成各种控制系统和数据采集系统。 例如工厂流水线的智能管理、电梯的智能控制、各种报警系统、与计算机联网构成辅助控制系统。
3、在家用电器中的应用
可以说，现在的家用电器基本上都是由单片机控制的。 从电饭锅、洗衣机、冰箱、空调、彩电等音视频设备到电子称重设备，各种各样的东西无处不在。
4.计算机网络与通信领域的应用
现代单片机通常都具有通信接口，可以方便地与计算机进行数据通信。 为计算机网络与通信设备之间的应用提供了优良的物质条件。 当今的通信设备基本实现了单片机的智能控制。 手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通讯呼叫系统、列车无线通讯、日常工作中随处可见的手机、集群移动通讯、对讲机等。
5、单片机在医疗设备领域的应用
单片机还广泛应用于医疗设备，如医用呼吸机、各种分析仪、监视器、超声诊断设备、病床呼叫系统等。
6. 各种大型电器的模块化应用
一些专用微控制器被设计为在模块化应用的各种电路中实现特定功能，而不需要用户了解其内部结构。 例如，集成音乐的微控制器（看似简单的功能）在纯电子芯片中很小（与磁带驱动器的原理相反），并且需要复杂的类似计算机的原理。 例如，音乐信号以数字形式存储在存储器（类似于ROM）中，由微控制器读取，然后转换为模拟音乐电信号（类似于声卡）。
在大型电路中，这种模块化的应用大大减小了尺寸，简化了电路，减少了损坏、错误率，并且方便更换。
