MCU简介及详细资料

发布网友 发布时间：2023-04-26 09:07

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热心网友 时间：2023-10-19 05:59

发展历史

​单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛。 它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步，自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来，它的发展到目前为止大致可分为5个阶段。下面以Intel公司的单片机发展为代表加以介绍。

1971-1976

单片机发展的初级阶段。 1971年11月Intel公司首先设计出集成度为2000只电晶体/片的4位微处理器Intel 4004, 并配有RAM、 ROM和移位暂存器, 构成了第一台MCS-4微处理器, 而后又推出了8位微处理器Intel 8008, 以及其它各公司相继推出的8位微处理器。

1976-1980

低性能单片机阶段。 以1976年Intel公司推出的MCS-48系列为代表, 采用将8位CPU、 8位并行I/O接口、8位定时/计数器、RAM和ROM等集成于一块半导体晶片上的单片结构, 虽然其定址范围有限(不大于4 KB), 也没有串列I/O, RAM、 ROM容量小, 中断系统也较简单, 但功能可满足一般工业控制和智慧型化仪器、仪表等的需要。

1980-1983

高性能单片机阶段。 这一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串列口, 有多级中断处理系统, 多个16位定时器/计数器。片内RAM、 ROM的容量加大，且定址范围可达64 KB，个别片内还带有A/D转换接口。

1983-80年代末

16位单片机阶段。 1983年Intel公司又推出了高性能的16位单片机MCS-96系列, 由于其采用了最新的制造工艺, 使晶片集成度高达12万只电晶体/片。

1990年代

单片机在集成度、功能、速度、可靠性、套用领域等全方位向更高水平发展。

按照单片机的特点，单片机的套用分为单机套用与多机套用。在一个套用系统中，只使用一片单片机称为单机套用。单片机的单机套用的范围包括:

(1) 测控系统。 用单片机可以构成各种不太复杂的工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等, 达到测量与控制的目的。

(2) 智慧型仪表。 用单片机改造原有的测量、控制仪表, 促进仪表向数位化、智慧型化、多功能化、综合化、柔性化方向发展。

(3) 机电一体化产品。单片机与传统的机械产品相结合, 使传统机械产品结构简化, 控制智慧型化。

(4) 智慧型接口。 在计算机控制系统, 特别是在较大型的工业测、控系统中, 用单片机进行接口的控制与管理, 加之单片机与主机的并行工作, 大大提高了系统的运行速度。

(5) 智慧型民用产品。 如在家用电器、玩具、游戏机、声像设备、电子秤、收银机、办公设备、厨房设备等许多产品中, 单片机控制器的引入, 不仅使产品的功能大大增强, 性能得到提高, 而且获得了良好的使用效果。

单片机的多机套用系统可分为功能集散系统、并行多机处理及局部网路系统。

(1) 功能集散系统。 多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能的要求而设定的多机系统。

(2) 并行多机控制系统。 并行多机控制系统主要解决工程套用系统的快速性问题, 以便构成大型实时工程套用系统。

(3) 局部网路系统。

单片机按套用范围又可分成通用型和专用型。专用型是针对某种特定产品而设计的，例如用于体温计的单片机、用于洗衣机的单片机等等。在通用型的单片机中，又可按字长分为4位、8位、16/32位，虽然计算机的微处理器现在几乎是32/64位的天下，8位、16位的微处理器已趋于萎缩，但单片机情况却不同，8位单片机成本低，价格廉，便于开发，其性能能满足大部分的需要，只有在航天、汽车、机器人等高技术领域，需要高速处理大量数据时，才需要选用16/32位，而在一般工业领域，8位通用型单片机，仍然是目前套用最广的单片机。

到目前为止，中国的单片机套用和嵌入式系统开发走过了二十余年的历程，随着嵌入式系统逐渐深入社会生活各个方面，单片机课程的教学也有从传统的8位处理器平台向32位高级RISC处理器平台转变的趋势，但8位机依然难以被取代。国民经济建设、军事及家用电器等各个领域，尤其是手机、汽车自动导航设备、PDA、智慧型玩具、智慧型家电、医疗设备等行业都是国内急需单片机人才的行业。行业高端目前有超过10余万名从事单片机开发套用的工程师，但面对嵌入式系统工业化的潮流和我国大力推动建设"嵌入式软体工厂"的机遇，我国的嵌入式产品要溶入国际市场，形成产业，则必将急需大批单片机套用型人才，这为高职类学生从事这类高技术行业提供了巨大机会。

主要分类

按用途分类:

通用型:将可开发的资源(ROM、RAM、I/O、 EPROM)等全部提供给用户。

专用型:其硬体及指令是按照某种特定用途而设计，例如录音机机芯控制器、印表机控制器、电机控制器等。

按其基本操作处理的数据位数分类:

根据汇流排或数据暂存器的宽度，单片机又分为1位、4位、8位、16位、32位甚至64位单片机。4位MCU大部份套用在计算器、车用仪表、车用防盗装置、呼叫器、无线电话、CD播放器、LCD驱动控制器、LCD游戏机、儿童玩具、磅秤、充电器、胎压计、温湿度计、遥控器及傻瓜相机等;8位MCU大部份套用在电表、马达控制器、电动玩具机、变频式冷气机、呼叫器、传真机、来电辨识器(CallerID)、电话录音机、CRT显示器、键盘及USB等;8位、16位单片机主要用于一般的控制领域，一般不使用作业系统， 16位MCU大部份套用在行动电话、数字相机及摄录放影机等;32位MCU大部份套用在Modem、GPS、PDA、HPC、STB、Hub、Bridge、Router、工作站、ISDN电话、雷射印表机与彩色传真机; 32位用于网路操作、多媒体处理等复杂处理的场合，一般要使用嵌入式作业系统。64位MCU大部份套用在高阶工作站、多媒体互动系统、高级电视游乐器(如SEGA的Dreamcast及Nintendo的GameBoy)及高级终端机等。

8位MCU工作频率在16~50MHz之间，强调简单效能、低成本套用，在目前MCU市场总值仍有一定地位，而不少MCU业者也持续为8bit MCU开发频率调节的节能设计，以因应绿色时代的产品开发需求。

16位MCU，则以16位运算、16/24位定址能力及频率在24~100MHz为主流规格，部分16bit MCU额外提供32位加/减/乘/除的特殊指令。由于32bit MCU出现并持续降价及8bit MCU简单耐用又便宜的低价优势下，夹在中间的16bit MCU市场不断被挤压，成为出货比例中最低的产品。

32位MCU可说是MCU市场主流，单颗报价在1.5~4美元之间，工作频率大多在100~350MHz之间，执行效能更佳，套用类型也相当多元。但32位MCU会因为运算元与记忆体长度的增加，相同功能的程式代码长度较8/16bit MCU增加30~40%，这导致内嵌OTP/FlashROM记忆体容量不能太小，而晶片对外脚位数量暴增，进一步局限32bit MCU的成本缩减能力。

内嵌程式存储器类型

下面以51单片机为例(MCS-51系列MCU是我国使用最多的单片机)，根据其内部存储器的类型不同可以分为以下几个基本型:

1.无ROM型 :8031

2.ROM型:8051

3.EPROM型:8751

4.EEPROM 型:8951

5.增强型:8032/8052/8752/8952/C8051F

MCU按其存储器类型可分为无片内ROM型和带片内ROM型两种。对于无片内ROM型的晶片，必须外接EPROM才能套用(典型晶片为8031)。带片内ROM型的晶片又分为片内EPROM型(典型晶片为87C51)、MASK片内掩模ROM型(典型晶片为8051)、片内FLASH型(典型晶片为89C51)等类型，一些公司还推出带有片内一次性可程式ROM(One Time Programming, OTP)的晶片(典型晶片为97C51)。MASKROM的MCU价格便宜，但程式在出厂时已经固化，适合程式固定不变的套用场合;FLASH ROM的MCU程式可以反复擦写，灵活性很强，但价格较高，适合对价格不敏感的套用场合或做开发用途;OTPROM的MCU价格介于前两者之间，同时又拥有一次性可程式能力，适合既要求一定灵活性，又要求低成本的套用场合，尤其是功能不断翻新、需要迅速量产的电子产品。

由于MCU强调是最大密集度与最小晶片面积，以有限的程式代码达成控制功能，因此当今MCU多半使用内建的MaskROM、OTP ROM、EEPROM或Flash记忆体来储存韧体码，MCU内建Flash记忆体容量从低阶4~64KB到最高阶512KB~2MB不等。

存储器结构

MCU根据其存储器结构可分为哈佛(Harvard)结构和冯▪诺依曼(Von Neumann)结构。现在的单片机绝大多数都是基于冯·诺伊曼结构的，这种结构清楚地定义了嵌入式系统所必需的四个基本部分:一个*处理器核心，程式存储器(唯读存储器或者快闪记忆体)、数据存储器(随机存储器)、一个或者更多的定时/计时器，还有用来与外围设备以及扩展资源进行通信的输入/输出连线埠，所有这些都被集成在单个积体电路晶片上。

指令结构

MCU根据指令结构又可分为CISC(Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机)和RISC(Reced Instruction Set Comuter,精简指令集计算机微控制器)

技术原理

MCU同温度感测器之间通过I2C汇流排连线。I2C汇流排占用2条MCU输入输出口线，二者之间的通信完全依靠软体完成。温度感测器的地址可以通过2根地址引脚设定，这使得一根I2C汇流排上可以同时连线8个这样的感测器。本方案中，感测器的7位地址已经设定为1001000。MCU需要访问感测器时，先要发出一个8位的暂存器指针，然后再发出感测器的地址(7位地址，低位是WR信号)。感测器中有3个暂存器可供MCU使用，8位暂存器指针就是用来确定MCU究竟要使用哪个暂存器的。本方案中，主程式会不断更新感测器的配置暂存器，这会使感测器工作于单步模式，每更新一次就会测量一次温度。

要读取感测器测量值暂存器的内容，MCU必须首先传送感测器地址和暂存器指针。MCU发出一个启动信号，接着发出感测器地址，然后将RD/WR管脚设为高电平，就可以读取测量值暂存器。

为了读出感测器测量值暂存器中的16位数据，MCU必须与感测器进行两次8位数据通信。当感测器上电工作时，默认的测量精度为9位，分辨力为0.5 C/LSB(量程为-128.5 C至128.5 C)。本方案采用默认测量精度，根据需要，可以重新设定感测器，将测量精度提高到12位。如果只要求作一般的温度指示，比如自动调温器，那么分辨力达到1 C就可以满足要求了。这种情况下，感测器的低8位数据可以忽略，只用高8位数据就可以达到分辨力1 C的设计要求。由于读取暂存器时是按先高8位后低8位的顺序，所以低8位数据既可以读，也可以不读。唯读取高8位数据的好处有二，第一是可以缩短MCU和感测器的工作时间，降低功耗;第二是不影响分辨力指标。

MCU读取感测器的测量值后，接下来就要进行换算并将结果显示在LCD上。整个处理过程包括:判断显示结果的正负号，进行二进制码到BCD码的转换，将数据传到LCD的相关暂存器中。

数据处理完毕并显示结果之后，MCU会向感测器发出一个单步指令。单步指令会让感测器启动一次温度测试，然后自动进入等待模式，直到模数转换完毕。MCU发出单步指令后，就进入LPM3模式，这时MCU系统时钟继续工作，产生定时中断唤醒CPU。定时的长短可以通过编程调整，以便适应具体套用的需要。

主要区别

在20世纪最值得人们称道的成就中，就有积体电路和电子计算机的发展。20世纪70年代出现的微型计算机，在科学技术界引起了影响深远的变革。在70年代中期，微型计算机家族中又*出一个小小的派系--单片机。随着4位单片机出现之后，又推出了8位的单片机。MCS48系列，特别是MCS51系列单片机的出现，确立了单片机作为微控制器(MCU)的地位，引起了微型计算机领域新的变革。在当今世界上，微处理器(MPU)和微控制器(MCU)形成了各具特色的两个分支。它们互相区别，但又互相融合、互相促进。与微处理器(MPU)以运算性能和速度为特征的飞速发展不同，微控制器(MCU)则是以其控制功能的不断完善为发展标志的。

CPU(Central Processing Unit，*处理器)发展出来三个分枝，一个是DSP(Digital Signal Processing/Processor，数位讯号处理)，另外两个是MCU(Micro Control Unit，微控制器单元)和MPU(Micro Processor Unit，微处理器单元)。

MCU集成了片上外围器件;MPU不带外围器件(例如存储器阵列)，是高度集成的通用结构的处理器，是去除了集成外设的MCU;DSP运算能力强，擅长很多的重复数据运算，而MCU则适合不同信息源的多种数据的处理诊断和运算，侧重于控制，速度并不如DSP。MCU区别于DSP的最大特点在于它的通用性，反应在指令集和定址模式中。DSP与MCU的结合是DSC，它终将取代这两种晶片。

1.对密集的乘法运算的支持

GPP不是设计来做密集乘法任务的，即使是一些现代的GPP，也要求多个指令周期来做一次乘法。而DSP处理器使用专门的硬体来实现单周期乘 法。DSP处理器还增加了累加器暂存器来处理多个乘积的和。累加器暂存器通常比其他暂存器宽，增加称为结果bits的额外bits来避免溢出。同时，为了 充分体现专门的乘法-累加硬体的好处，几乎所有的DSP的指令集都包含有显式的MAC指令。

2. 存储器结构

传统上，GPP使用冯.诺依曼存储器结构。这种结构中，只有一个存储器空间通过一组汇流排(一个地址汇流排和一个数据汇流排)连线到处理器核。通常，做一次乘法会发生4次存储器访问，用掉至少四个指令周期。

大多数DSP采用了哈佛结构，将存储器空间划分成两个，分别存储程式和数据。它们有两组汇流排连线到处理器核，允许同时对它们进行访问。这种安排将处理器存储器的频宽加倍，更重要的是同时为处理器核提供数据与指令。在这种布局下，DSP得以实现单周期的MAC指令。

典型的高性能GPP实际上已包含两个片内高速快取，一个是数据，一个是指令，它们直接连线到处理器核，以加快运行时的访问速度。从物理上说，这种片内的双存储器和汇流排的结构几乎与哈佛结构的一样了。然而从逻辑上说，两者还是有重要的区别。

GPP使用控制逻辑来决定哪些数据和指令字存储在片内的高速快取里，其程式设计师并不加以指定(也可能根本不知道)。与此相反，DSP使用多个片内 存储器和多组汇流排来保证每个指令周期记忆体储器的多次访问。在使用DSP时，程式设计师要明确地控制哪些数据和指令要存储在片记忆体储器中。程式设计师在写程式时，必 须保证处理器能够有效地使用其双汇流排。

此外，DSP处理器几乎都不具备数据高速快取。这是因为DSP的典型数据是数据流。也就是说，DSP处理器对每个数据样本做计算后，就丢弃了，几乎不再重复使用。

3.零开销循环

如果了解到DSP算法的一个共同的特点，即大多数的处理时间是花在执行较小的循环上，也就容易理解，为什么大多数的DSP都有专门的硬体，用于 零开销循环。所谓零开销循环是指处理器在执行循环时，不用花时间去检查循环计数器的值、条件转移到循环的顶部、将循环计数器减1。

与此相反，GPP的循环使用软体来实现。某些高性能的GPP使用转移预报硬体，几乎达到与硬体支持的零开销循环同样的效果。

4.定点计算

大多数DSP使用定点计算，而不是使用浮点。虽然DSP的套用必须十分注意数字的精确，用浮点来做应该容易的多，但是对DSP来说，廉价也是非 常重要的。定点机器比起相应的浮点机器来要便宜(而且更快)。为了不使用浮点机器而又保证数字的准确，DSP处理器在指令集和硬体方面都支持饱和计算、舍 入和移位。

5.专门的定址方式

DSP处理器往往都支持专门的定址模式，它们对通常的信号处理操作和算法是很有用的。例如，模组(循环)定址(对实现数字滤波器延时线很有用)、位倒序定址(对FFT很有用)。这些非常专门的定址模式在GPP中是不常使用的，只有用软体来实现。

6.执行时间的预测

大多数的DSP套用(如蜂窝电话和数据机)都是严格的实时套用，所有的处理必须在指定的时间内完成。这就要求程式设计师准确地确定每个样本需要多少处理时间，或者，至少要知道，在最坏的情况下，需要多少时间。如果打算用低成本的GPP去完成实时信号处理的任务，执行时间的预测大概不会成为什么问题，应为低成本GPP具有相对直接的结构，比较容易预测执行时间。然而，大多数实时DSP套用所要求的处理能力是低成本GPP所不能提供的。 这时候，DSP对高性能GPP的优势在于，即便是使用了高速快取的DSP，哪些指令会放进去也是由程式设计师(而不是处理器)来决定的，因此很容易判断指令是从高速快取还是从存储器中读取。DSP一般不使用动态特性，如转移预测和推理执行等。因此，由一段给定的代码来预测所要求的执行时间是完全直截了当的。从而使程式设计师得以确定晶片的性能*。

7.定点DSP指令集

定点DSP指令集是按两个目标来设计的:使处理器能够在每个指令周期内完成多个操作，从而提高每个指令周期的计算效率。将存贮DSP程式的存储器空间减到最小(由于存储器对整个系统的成本影响甚大，该问题在对成本敏感的DSP套用中尤为重要)。为了实现这些目标，DSP处理器的指令集通常都允许程式设计师在一个指令内说明若干个并行的操作。例如，在一条指令包含了MAC操作，即同时的一个或两个数据移动。在典型的例子里，一条指令就包含了计算FIR滤波器的一节所需要的所有操作。这种高效率付出的代价是，其指令集既不直观，也不容易使用(与GPP的指令集相比)。 GPP的程式通常并不在意处理器的指令集是否容易使用，因为他们一般使用象C或C++等高级语言。而对于DSP的程式设计师来说，不幸的是主要的DSP应用程式都是用汇编语言写的(至少部分是汇编语言最佳化的)。这里有两个理由:首先，大多数广泛使用的高级语言，例如C，并不适合于描述典型的DSP算法。其次， DSP结构的复杂性，如多存储器空间、多汇流排、不规则的指令集、高度专门化的硬体等，使得难于为其编写高效率的编译器。 即便用编译器将C原始码编译成为DSP的汇编代码，最佳化的任务仍然很重。典型的DSP套用都具有大量计算的要求，并有严格的开销*，使得程式的最佳化必不可少(至少是对程式的最关键部分)。因此，考虑选用DSP的一个关键因素是，是否存在足够的能够较好地适应DSP处理器指令集的程式设计师。

8.开发工具的要求

因为DSP套用要求高度最佳化的代码，大多数DSP厂商都提供一些开发工具，以帮助程式设计师完成其最佳化工作。例如，大多数厂商都提供处理器的仿真工具，以准确地仿真每个指令周期内处理器的活动。无论对于确保实时操作还是代码的最佳化，这些都是很有用的工具。 GPP厂商通常并不提供这样的工具，主要是因为GPP程式设计师通常并不需要详细到这一层的信息。GPP缺乏精确到指令周期的仿真工具，是DSP套用开发者所面临的的大问题:由于几乎不可能预测高性能GPP对于给定任务所需要的周期数，从而无法说明如何去改善代码的性能。

套用大会

MCU技术创新与嵌入式套用大会是伴随着高交会电子展一起开展的一个有关MCU技术的交流套用论坛。由深圳市创意时代会展有限公司承办，内容上安排通常是上午由国内专业人士对mcu知识和创新套用进行演讲，下午论坛，自由畅谈交流技术及行业趋势等。

第四届

时间:2012年8月21日

地点:深圳会展中心

相关展会:2012年嵌入式系统展

大会全称:第四届MCU技术创新与嵌入式套用大会

支持媒体:电子展览网

主题演讲(上午):

从MCU到SoC

MCU技术的融合、开放与创新

将嵌入式系统无缝升级32位MCU

更绿色可靠的嵌入式设计，等

分论坛(下午)深入更多嵌入式套用市场:

分论坛1:家用电器/智慧型家居

分论坛2:人机界面/IPC

分论坛3:电机控制

第三届

将重点呈现:嵌入式世界创新关键 及 中国企业产品升级转型所需MCU与嵌入式方案。

时间:2011年11月18日

地点:深圳

主办单位:第十三届深圳高交会电子展组委会

承办单位:创意时代会展 电子展览网

主题演讲(上午)内容包括:

多核MCU发展趋势

MCU到SoC

智慧型系统的安全性与可靠性等

MCU!MCU!2011触角深入最新套用市场(下午):

分论坛1:家用电器/智慧型家居

分论坛2:智慧型计量

分论坛3:人机界面/IPC

分论坛4:电机控制

以往回顾

2009年有460多为专业人士出席

2010年有606位专业人士出席

2010年专业听众分析

MCU!MCU!2010吸引了来自IBM、西门子、研祥、艾默生、TCL、创维、康佳、美的、中兴、联想、富士康、伟创力、比亚迪等上百家国内外知名企业606位技术及管理人员到会参与:

专业听众中研发技术人员超过了一半

技术研发人员占到52%，其次是中、高层管理人员占33%;少部分为市场/行销人员，占13%，其他占2%

专业听众从事的领域分布参会人员所在的企业，消费电子占37%;工业电子占24%;嵌入式系统设计占22%;医疗电子占19%;汽车电子，嵌入式软体开发，各占15%;家电14%;手机与通讯11%;IT与网路10%;其他占9%。

热心网友 时间：2023-10-19 05:59

在现代工程建设中，精确和高效的测量是保证项目顺利进行的关键环节。而MCU自动化测量单元作为一种先进的工程仪器仪表，为工程测量带来了诸多好处，给用户带来了积极的正面影响。

首先，MCU自动化测量单元大大提升了工程测量的效率。传统的测量方法通常需要人工进行繁琐的测量操作，耗时耗力且容易出错。而MCU自动化测量单元采用先进的传感技术和自动化算法，实现了测量的自动化和高效化。用户只需简单设置参数和操作设备，即可自动完成测量任务，极大地节省了时间和人力资源。

其次，MCU自动化测量单元具有高精度和高稳定性的特点。通过使用高精度的传感器和精密的测量算法，MCU自动化测量单元能够实现对工程测量的高精度和高稳定性要求。这为工程项目提供了可靠的测量数据，保证了工程建设的质量和安全。

此外，MCU自动化测量单元还具有良好的灵活性和可扩展性。它可以根据不同的工程需求和测量任务进行灵活的配置和组合，满足不同工程项目的测量需求。例如，在高速公路测量中，MCU自动化测量单元可以与GPS定位技术结合使用，实现对地理位置和测量数据的精确获取。在桥梁测量中，MCU自动化测量单元可以与激光测距仪配合使用，实现对桥梁结构参数的高精度测量。

综上所述，MCU自动化测量单元作为一种先进的工程仪器仪表，给工程测量带来了诸多好处。它提高了工程测量的效率，提供了高精度和高稳定性的测量数据，同时具有良好的灵活性和可扩展性。通过使用MCU自动化测量单元，工程项目可以获得更为准确和可靠的测量结果，从而提升了工程建设的质量和效益。