嵌入式单片机全知道：发展历程、功能应用与学习窍门

　　在当今科技飞速发展的时代，嵌入式单片机作为电子领域的重要组成部分，发挥着至关重要的作用。MCU，即 Microcontroller Unit，中文名为微控制器，俗称单片机。它是将 CPU 的频率与规格适当缩减，并把内存、计数器、USB、A/D 转换、UART、PLC、DMA 等周边接口，甚至 LCD 驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，能为不同的应用场合进行不同组合控制。无论是手机、PC 外围、遥控器，还是汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等，都能见到 MCU 的身影。
　　单片机的发展历程虽然不长，但却十分迅猛。它的产生与发展和微处理器（CPU）大体同步，自 1971 年美国英特尔公司首先推出 4 位微处理器以来，其发展大致可分为 5 个阶段。1971 - 1976 年是单片机发展的初级阶段，英特尔公司推出了集成度为 2000 只晶体管 / 片的 4 位微处理器英特尔 4004，之后又推出了 8 位微处理器英特尔 8008。1976 - 1980 年为低性能单片机阶段，以英特尔公司的 MCS - 48 系列为代表，虽功能有限，但能满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需求。1980 - 1983 年是高性能单片机阶段，这一阶段的 8 位单片机普遍带有串行口、多级中断处理系统和多个 16 位定时器 / 计数器，片内 RAM、ROM 容量加大，寻址范围可达 64 KB，个别片内还带有 A/D 转换接口。1983 - 80 年代末是 16 位单片机阶段，英特尔公司推出了高性能的 16 位单片机 MCS－96 系列。到了 1990 年代，单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。
　　按其存储器类型可分为无片内 ROM 型和带片内 ROM 型两种。无片内 ROM 型的芯片必须外接 EPROM 才能应用，如典型的 8031；带片内 ROM 型的芯片又分为片内 EPROM 型（典型芯片为 87C51）、MASK 片内掩模 ROM 型（典型芯片为 8051）、片内 Flash 型（典型芯片为 89C51）等类型。按用途可分为通用型和专用型；根据数据总线的宽度和可处理的数据字节长度可分为 8、16、32 位 MCU。目前，国内 MCU 应用市场广泛的是消费电子领域，包括家用电器、电视、游戏机和音视频系统等；其次是工业领域，涵盖智能家居、自动化、医疗应用及新能源生成与分配等；还有汽车电子市场，如汽车动力总成和安全控制系统等。
　　对于绝大多数 MCU，都具备一些基本功能。定时器（TImer）可分为固定时间间隔的 TImer 和可编程定时器（Programmable Timer）。固定时间间隔的 TImer 定时时间由系统设定，用户程序不可控制，常见于 4 位 MCU，可用于实现时钟、计时等功能；可编程定时器的定时时间可由用户程序控制，可通过选择时钟源、分频数和设定预制数等方式实现，常用于实现 PWM 输出，且一般与事件计数器（Event Counter）合在一起。IO 口是 MCU 与外部沟通的渠道，可分为纯输入或纯输出口、直接读写 IO 口和程序编程设定输入输出方向的 IO 口。使用 IO 口时，输入口必须有明确的电平信号，防止浮空；输出口要考虑外部连接情况，避免在 Standby 或静态状态下存在拉电流或灌电流。外部中断用于信号的实时触发、数据采样和状态检测，中断方式有上升沿、下降沿触发和电平触发等。可用于外部触发信号的检测、信号频率的测量、数据的解码、按键的检测和系统的唤醒等。通讯接口包括 SPI 接口、UART 和 I2C 接口。SPI 接口采用同步时钟控制数据传输，可工作在 Master 或 Slave 方式下；UART 是基本的异步传输接口，可通过程序灵活设定数据位长度、校验方式、停止位长度和波特率，常用于与 PC 机串口通讯；I2C 接口由 Philips 开发，采用 2 根信号实现数据传输，可挂接多个设备，传输速率由 SCLK 控制。看门狗定时器（Watchdog）是绝大多数 MCU 的基本配置，可在 MCU 因意外故障死机时提供自我恢复能力。
　　有众多主流单片机制作商，包括欧美、日韩和中国地区。欧美地区有 Freescale + NXP（飞思卡尔 + 恩智浦）、Microchip + Atmel（微芯科技 + 爱特梅尔）、Cypress + Spansion（赛普拉斯 + 飞索半导体）、ADI（亚德诺半导体）、Infineon（英飞凌）、ST Microelectronics（意法半导体）、Qualcomm（高通）、Texas Instruments（德州仪器）、Maxim（美信）等；日韩地区有 Renesas（瑞萨）、Toshiba（东芝）、Fujitsu（富士通）、Samsung Electronics（三星电子）等；中国地区包括中国大陆和中国台湾地区，中国大陆有希格玛微电子、珠海欧比特、兆易创新等众多厂商，中国台湾有宏晶科技、盛群半导体、凌阳科技等。
　　在学习单片机时，要了解其 ROM 空间、RAM 空间、IO 口数量、定时器数量和定时方式、外围功能模块、中断源、工作电压及功耗等。将所选 MCU 的功能与实际项目开发的要求进行对比，明确所需资源。对于项目中需要但 MCU 不提供的功能，可用间接方法实现。对于需要用到的资源，要认真阅读其手册，不需要的功能模块可忽略。编程时，初学者可编写验证程序理解功能，有经验者或项目进度紧迫时可按当前理解编写，留到调试时完善。指令系统无需特别花时间理解，编程时根据逻辑查看即可。
　　工程师在单片机编程时要养成总结的好习惯，编写程序前要熟悉项目，列好框架，合理布局。对于 c 语言的模块化编程，要按顺序一个模块一个模块地编写，编写好模块后再编写头文件。出现警告要重视，分析来源并解决。
　　在单片机开发中，还需要掌握一些技巧。要减少程序中的 bug，需考虑系统运行中的超范围管理参数，如物理参数、资源参数、应用参数和过程参数。提高 C 语言编程代码的效率，要熟悉所使用的 C 编译器，试验每条 C 语言编译后的汇编语句行数，选择编译效率的语句。解决单片机的抗干扰性问题，在提高硬件抗干扰能力的同时，要重视软件抗干扰，处理好复位状态，可通过标志寄存器或在 RAM 中埋标志判断复位原因。测试单片机系统的可靠性，要测试软件功能的完善性、上电和掉电情况、老化情况以及 ESD 和 EFT 等，还可模拟人为破坏情况进行测试。