单片机的发展历史及简介

单片机的发展历史

单片机是单片微型计算机（Single chip microcomputer）的简称，又称为微控制器（Micro Control Unit，MCU）。目前，众多厂商将单片机称为微控制器，虽然这样看上去比单片机的名字显得更高级些，但是单片机这个词更能反映其本质特点。单片机是20世纪70年代中期发展起来的一种超大规模集成电路芯片。典型的，大家通常所说的8051单片机，属于MCS-51单芯片系统的一种，它是由英特尔（Intel）公司于1981年开发出来的。然后，英特尔公司将MCS-51的核心技术授权给了很多公司，所以有很多公司在设计以8051为核心的单片机系统。典型地，Atmel、飞利浦和STC公司等。随着半导体技术的不断发展，相继出现了16位和32位的单片机系统。特别是近几年来，ARM公司相继推出了更高性能的单片系统，成为单片系统应用的一个热点领域。但是，作为传统领域的8051单片机性能也得到了很大的提高，和20世纪80年代相比，其处理能力提高了几十倍。因此，仍有非常广阔的市场。

单片机的概念及组成

从字面上来说，单片机一词中的“单片”是指一个芯片，“机”是指小型计算机系统。这个小型计算机系统的功能部件主要包括：中央处理单元、程序存储器、随机访问存储器、中断系统、计数器/定时器、外设接口模块，以及连接各个功能部件的总线，下面对单片机的各个功能部件进行说明

CPU（Central Processing Unit）是单片机系统的大脑和中枢，

它可以完成下面最基本的功能：
1与不同地址空间的不同类型存储器交换信息。通过对存储器的读
和写操作，完成CPU和存储器的信息交换过程。
2执行逻辑和算术指令，基本和常用的指令包括：加/减运算、逻辑
按位或运算、逻辑按位与运算、逻辑按位异或运算、移位运算等。

程序计数器

PC（Program Counter）指向保存将要执行程序指令的存储器地址。然后，通过读操作，从PC所指向的储存器的地址，获取具体的指令内容。指令中包含着操作码和操作数。如果在执行指令的过程中，并不是顺序的执行指令，比如遇到调转指令，那么PC将加载新的所要运行指令的地址，并且从指向Flash新的地址位置的地方执行程序。

指令译码单元

从实现的本质来说，指令译码单元就是一个复杂的有限自动状态机（Finite State Machine，FSM），它用于对来自程序存储器的指令内容进行翻译。从而，用于确定将要执行的指令，这些指令表示CPU下一步所要执行的逻辑操作行为。这些逻辑操作行为，实际上就是一系列的控制序列。

算术逻辑单元

ALU（Arithmetic Logic Unit）是CPU中最为重要的核心单元。通过指令译码单元发出的控制序列，从寄存器、存储器中取出需要运算的数据，并将其送到ALU，执行所要求的算术运算或者逻辑运算。

控制寄存器和状态寄存器组

对于CPU来说，其内部的控制寄存器组用于设置CPU的工作模式，比如：设置CPU的工作模式；而状态寄存器组用于反映CPU当前的工作状态，比如：CPU执行加法运算的过程中，是否出现溢出、进位等

程序存储器

程序存储器用于保存将要执行的程序代码。通常地，程序存储器是非易失性的，即一旦将程序固化到存储器中，除非重新固化程序到存储器，否则程序一直保存在存储器中。即使给单片机断电，在下次上电时，原来固化在程序存储器中的程序仍然存在。 从工艺来说，大多数单片机的程序存储器采用Flash工艺，极少数的单片机采用一次可编程（One-Time-Programmable，OTP）工艺。当采用Flash工艺时，设计者可以多次修改和固化程序；当采用OTP工艺时，一旦程序固化，设计者就再也没有机会修改程序。

随机访问存储器

RAM（Random Access Memory）存储器保存着在程序中所需要用到的数据。典型的，在STC 8051单片机中，提供了用于不同目的RAM。通过不同的指令，实现对这些RAM资源的访问。

中断系统

中断系统用于CPU对外部紧急事件的处理。当CPU正在执行当前的程序时，如果外部设备发出了紧急事件的请求，也就是通常所说的中断请求信号时，如果CPU允许立即处理当前紧急事件时，则打断当前正在执行的程序，从而对紧急事件进行处理，也就是通常所说的用于处理紧急事件的程序，即：中断服务程序。

当CPU开始对外部紧急事件进行处理时，会通过中断系统通知外部设备CPU已经开始处理紧急事件。这样，外部设备会做出相应的判断。

定时器/计数器

在单片机中，定时器/计数器单元作为一个最基本的功能单元。通过这个单元，可以对不同事件进行同步。典型地，当定时器中的计数值到达预先设置的初值时，就会产生定时器中断信号。通过这个信号，外部设备可以做出相应的判断。

外部模块

不同单片机厂商所提供的外部接口模块也不尽相同。但是，基本上都提供了通用IO（General Purpose Input & Output，GPIO）
和RS-232接口等。
根据产品的应用范围，不同单片机厂商还提供了一些个性化的外设。典型的，STC公司在其单片机中就集成了模拟\数字转换器（Analog to Digital Converter，ADC）模块。

总线

总线是一组相关逻辑信号的集合。目前大多数计算机系统都是基于总线的结构，总线包括：控制总线、地址总线和数据总线。

对于单片机系统来说，总线分为内部总线和外部总线。其中：
1 内部总线用于连接芯片内各个模块单元；
2 外部总线用于将外设连接到单片机上。
3 与复杂计算机系统相比，单片机内的总线相对要简单些。