【蓝桥杯】单片机学习（1）——基础知识

一、单片机简介

1、单片机，即微型单芯片计算机，是将单片机主机（CPU、内存和I/O接口）集成 在一小块硅片上的微型机，又称微控器（MCU）。51单片机是对所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称，是基础入门的一类单片机，也是应用最广泛的一种。

2、单片机的用途：单片机由于具有三高优势（集成度高、可靠性高、性价比高），主要应用于工业检测于控制、单片机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用电器等。

3、单片机的发展趋势：
CPU进一步改进：采用双CPU结构，以提高处理能力；增加数据总线宽度；采用流水线的结构。
存储器扩展：加大存储容量；片内EPROM开始FLASH化；程序保密化。
片内I/0改进：增加并行口的驱动能力；增加I/0口的逻辑控制功能；加强通信及网络功能。
外围电路的集成度更高 ，引脚功能更加多样化 ，功耗更低。

4、单片机主要的技术指标：
字长：8位机，16位机，32位机。
内存容量：容量单位：1K=2^10=1024, 1M = 2^20,8K,64K,
16M,64M。
运算速度：时钟频率、主频、
内存存取速度：50ns、70ns、200ns。

5、单片机运算基础。
常见的计数制有二进制（B），十进制（D），十六进制（H）。不同进制数制对照表如下：

二、单片机内部资源（FLASH、RAM、SFR）

51单片机的存储器地址空间采用的是普林斯顿结构，具体内部结构如下：
此处主要介绍51单片机内部的三大资源：Flash、RAM、SFR。

• Flash：程序存储空间。早期单片机是OTPRRM（一次可编程只读存储器），程序只能写入一次，如果错了只能换一片重新写入。随着技术的发展，开始广泛使用Flash作为程序存储器，它可重复擦写，且容量大成本低。最重要的是断电后数据不会丢失。
• RAM：数据存储空间。用来存储程序运行过程中产生和需要的数据，类似于计算机的内存。读写速度非常快，理论上课无限次写入，但断电后数据会丢失。
• SFR：特殊功能寄存器。用来设置片内电路的运行方式，记录电路的运行状态。并行和串行I/)端口也映射到特殊功能寄存器，通过对这些寄存器的读写，实现从相应I/0端口的输入和输出操作。单片机每个功能都会对应一个或者多个SFR。用户通过对SFR的读写来实现各种各样的功能。

内部其他部分在这里不再进行赘述，关于单片机的资料书中有很多相关介绍。

三、单片机最小系统

单片机最小系统的三要素是：电源、晶振、复位电路。如下图：

• 晶振电路：晶振，又叫晶振振荡器，产生震荡电流，为单片机系统提供基准时钟信号，一般选用6MHZ，12MHZ以及24MHZ的晶振。如图2-2所示为晶振电路部分（采用内部震荡方式）。为保证各模块同步进行,一个系统一般共用一个晶振。晶振电路一般配置两个大小为30pF的电容,二者并联后和一个12MHz的晶振串联。电容的作用是帮助晶振起振，并维持震荡信号的稳定。
  
• 复位电路：复位电路用来保证中央处理器和中央处理器外的其他功能模块同时恢复到一个确切的初始状态，下次运行时从该初始状态重新开始。单片机复位一般有三种情况：上电复位、手动复位、程序自动复位。着重介绍一下前两个。上电复位：程序中早就设定的方式,使其在上电后就能正常工作，类似于计算机的开机。手动复位：当多次运行程序,出现“死机”现象,或者程序跑飞，可以按下复位按键，让程序初始化重新运行，这个过程就是手动复位，类似于计算机的重启。

当一个单片机具备电源，晶振，复位电路这三部分之后，就可以运行下载程序了，用户可以根据自己的需求在此基础上添加一些外部设备，比如LED小灯、数码管、液晶等。

在这里还要介绍一下单片机的时序单位。常见的时序单位有：时钟周期，机器周期，指令周期。

• 时钟周期：晶振的震荡周期，最小的时序单位。
• 时钟周期（MC）：计算机执行一种基本操作的时间单位。一个机器周期由12个时钟周期组成。
• 指令周期：执行一条指令所需要的时间。一个指令周期由1~4个机器周期组成。

它们存在以下关系：（fosc为晶振的振荡频率）

四、硬件基础知识

1、 电磁干扰：使用去耦电容来达到电磁兼容的目的。
2、 去耦电容的应用：将电流类比于水流，得到去耦电容有以下作用：（1）缓冲作用：上电瞬间，电流不稳定，容易冲击电子器件，加电容起到缓冲作用。（2）稳定作用：不同的电子器件的功率大小也不一样，器件正常工作时的电流也不是一成不变的。电容会在电流产生波动的时候，将存储的电量释放出来，稳定电压和电流，避免大的波动。

常见的电容有：铝电解电容，钽（tan三声）电容和陶瓷电容，依次如下图。铝电解电容个头大，占空间大，价格相对最低；后两者个头较小，性能也较好，价格自然也稍高。

下面我们看一下电容的选取，主要有以下参考因素：

• 电容的耐压值：我们一般使用5V的系统，选取电容的耐压值要在系统电压的1.5~2倍。
• 电容的容值：一般根据经验选取。滤波电容（滤除高频信号干扰）一般为0.1uf ; 电源处的去耦高频电容也是选用0.1uf ；有较大电流通过时，选用较大的容值的电容来稳定电压。

3、三级管
三级管可根据材料分为硅管和锗管，硅管的正向导通压降为0.7V左右，锗管的正向导通压降为0.2V~0.4V。常用的三级管有两种类型，PNP型和NPN型，如下图所示：

三级管有三种工作状态，分别为截止、放大和饱和。模拟电路中涉及到的主要是放大状态，后两种相对简单，应用于数字电路中。关于三级管的类型和用法可记忆下面这句口诀：箭头朝内PNP，导通电压顺箭头过，电压导通，电流控制。对于硅管，箭头的始端比末端高0.7V时三级管才能导通。利用三级管的开关特性，常见的应用有两个：控制应用（进行不同电压之间的转换）和驱动应用（电流放大）。

注：单片机总工作电流不超过50mA , 单个I/O口的工作电流不超过6mA。