不同的微控制器具有不同的硬件特性和软件特性，即它们的技术特性也不相同。 硬件特性取决于微控制器芯片的内部结构。 要使用某种单片机，用户必须了解该产品是否满足应用系统所需的功能和特性。 这里的技术特性包括功能特性、控制特性、电气特性等，这些信息需要从制造商的技术手册中获取。 软件特性是指指令系统特性和开发支撑环境。 指令特性是单片机熟悉的寻址方式、数据处理和逻辑处理方式、输入输出特性、电源要求等。开发支持环境包括指令兼容性和可移植性、支持软件（包括可以支持单片机开发的软件资源）。应用程序）和硬件资源。 要使用某种类型的单片机开发自己的应用系统，必须掌握其结构特点和技术特点。
单片机控制系统可以取代以前由复杂的电子电路或数字电路组成的控制系统。 可以通过软件控制来实现，可以实现智能化。 如今，单片机控制领域无处不在，如通讯产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和特种控制装置等，单片机的应用领域越来越广泛。 诚然，单片机的应用意义远不仅限于它的应用范围或者它带来的经济效益。 更重要的是，它从根本上改变了传统的控制方法和设计思路。 它是控制技术的一场革命，也是一个重要的里程碑。
单片机基本工作原理
单片机自动完成分配给它的任务的过程就是单片机执行程序的过程，即一条一条执行指令的过程。 所谓指令就是写下单片机需要执行的各种操作的命令形式。 这是在设计中由人员分配给它的指挥系统决定的，一个命令对应一个基本操作； 单片机所能执行的所有指令都是单片机的命令系统。 不同类型的微控制器有不同的命令系统。
单片机的组成、工作原理、分类、特点及发展趋势
为了让单片机自动完成特定的任务，必须将要解决的问题编译成一系列指令（这些指令必须是所选单片机能够识别和执行的指令）。 这一系列指令的集合就成为了一个程序，而该程序需要预先存储在一个具有存储功能的部件——内存中。 内存是由许多存储单元（最小的存储单元）组成的，就像一座大建筑物是由许多房间组成的一样。 指令存储在这些单元中。 单元中的指令的取出和执行就像大建筑物中的每个房间被分配到唯一的房间号一样，每个存储单元也必须被分配一个唯一的地址号，称为存储单元的地址。 这样，只要知道存储单元的地址，就可以找到该存储单元，并且可以将其中存储的指令取出来执行。
程序通常是顺序执行的，因此程序中的指令也是一一存储的。 单片机在执行程序时，必须能够将这些指令一一取出来执行。 必须有一个组件可以跟踪指令的地址。 该部件是程序计数器PC（包含在CPU中）。 当开始执行一个程序时，PC会被分配程序中第一条指令的地址，然后获得每一条要执行的命令。 PC的内容会自动增加。 增量的多少由该指令的长度决定，可以是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，以保证指令的顺序执行。
微控制器的组成
以MSC-51系列微控制器为例，微控制器由五个基本部分组成，包括中央处理器CPU、存储器、输入/输出端口、定时器/计数器、中断系统等。
单片机的组成、工作原理、分类、特点及发展趋势
微控制器CPU结构
51单片机内部有一个8位CPU，包括运算单元、控制器和多个寄存器。
从上图中我们可以看到，虚线框里面就是CPU的内部结构。 8位MCS-51微控制器的CPU具有算术逻辑单元ALU（算术逻辑单元）、累加器A（8位）和寄存器。 B（8位）、程序状态字PSW（8位）、程序计数器PC（有时也称为指令指针、IP，16位）、地址寄存器AR（16位）、数据寄存器DR（8位）、指令组成由寄存器IR（8位）、指令译码器ID、控制器等组成。
微控制器内存
内存是用于存储程序和数据的组件。 MCS-51单片机芯片的内部存储器包括两类：程序存储器和数据存储器。
1. 程序存储器（ROM）
一般用于存储固定的程序和数据。 特点是程序编写后可以长期保存，不会因断电而丢失。 MSC-51系列单片机内部程序存储空间为4KB，可外部扩展至64KB。
2. 数据存储器（RAM）
主要用来存储各种数据。
优点：可随机读入或读出，读写速度快，读写方便。
缺点：断电后，存储的信息丢失。
微控制器的并行I/O
1.P0口
P0口的端口线逻辑电路如图所示
2.P1口
P1端口的端口线逻辑电路如图所示
3.P2口
P2口的端口线逻辑电路如图所示
4.P3口
P3口的端口线逻辑电路如图所示
微控制器时钟和定时
1.时钟电路
单片机时钟电路通常有两种形式：内部振荡方式和外部振荡方式
MCS-51 微控制器的振荡器中内置有一个高增益反相放大器。 引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大器的输入和输出端。 将放大器与晶体振荡器连接形成内部自振荡器并产生振荡时钟脉冲。
外部振荡方法是将外部现有时钟信号直接连接到XTAL1端子并引入单片机，而XTAL2端子不使用。
2. 时机
振荡周期：向单片机提供时钟信号的振荡源的周期。
时钟周期：是将振荡源信号二分频后形成的时钟脉冲信号。 因此，时钟周期是振荡周期的两倍，即一个S周期，分为两个节拍——P1、P2
指令周期：CPU执行一条指令所花费的时间（以机器周期表示。
各个时序之间的关系如图所示。
微控制器的特点
微控制器自问世以来所走的道路与微处理器不同。 微处理器正朝着高速计算、数据分析处理能力、大规模存储方向发展，以提高通用计算机的性能。 其接口接口也是为了满足外设和网络接口的需要而设计的。 微控制器从工业测控对象、环境和接口的特点出发，朝着增强控制功能、提高工业环境中的可靠性、与应用计算机系统形成灵活方便的接口等方向发展。 因此，单片机有其自身的特点，主要是：
1、品种型号多样
品种和型号逐年扩大，满足各种需求。 这为系统开发人员提供了很大的选择自由。 CPU的位数有4、8、16、32到64位，有的还采用RISC技术；
2. 提高性能，扩大容量
集成度已达到200万个晶体管以上。 总线运行速度已达到数十微秒。 工作频率达到30MHz甚至40MHz。 指令执行周期缩短至数十微秒。 内存容量RAM已发展到1K或2K，ROM已发展到32K或64K；
3.增加控制功能并扩展对外接口
将原本属于外围芯片的功能集成到该芯片中。 如今的微控制器已经发展到包含CPU的芯片。 除了嵌入式RAM、ROM存储器和I/O接口外，还有A/D、PWM、UART、定时器/计数器、DMA、看门狗、串行端口、传感器和驱动器。 ，以及显示驱动器、键盘控制、函数发生器、比较器等，构成了功能强大的完整计算机应用系统；
4、低功耗
电源电压从 5V 降至约 3V、2V 甚至 1V。 工作电流从mA级降低到LA级。 生产工艺上采用CMOS替代NMOS并向HCMOS过渡；
5、应用软件支持
提供软件库，包括标准应用软件和演示设计方法。 使得用户开发单片机应用系统更加快捷、方便。 使得一周内开发出一款新的应用产品成为可能；
6. 系统扩展及配置
总线结构有DB、AB、CB三种，用于扩展外部电路，方便构建各种应用系统。 根据单片机网络系统和多计算机系统的特点，专门开发了单片机串行总线。 此外，还专门配置了传感器、人机对话、网络多路等接口，组成网络、多机系统。
单片机的发展趋势
1.低功耗CMOS
MCS-51系列的8031推出时功耗为630mW，但如今的微控制器普遍在100mW左右。 随着微控制器的功耗要求越来越低，目前所有的微控制器制造商基本上都采用CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。 例如，80C51采用HMOS（高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。 CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特性，其工作速度不够高，而CHMOS则具有高速、低功耗的特点。 这些特性更适合电池供电等需要低功耗的应用。 因此，该技术将是未来微控制器发展的主要方式。
2. 微单体化
目前，传统的微控制器通常集成中央处理单元(CPU)、随机存取数据存储器(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口、中断系统、定时电路和时钟电路。 增强型微控制器在单个芯片上集成了A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗），有些微控制器在单个芯片上集成了LCD（液晶）驱动电路。 这样，单片机包含了更多的单元电路，具有更强大的功能。 甚至单片机厂商也可以根据用户的要求，量身定制具有自己特点的单片机芯片。
另外，如今的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求微控制器除了功能强、功耗低之外，还要求体积小。 现在很多微控制器都有多种封装形式，其中SMD（表面贴装）越来越流行，使得由微控制器组成的系统朝着小型化的方向发展。
3、主流与多品种并存
虽然现在单片机的种类很多，各有特点，但以80C51为核心的单片机仍然是主流。 因此，基于C8051的微控制器占据了市场的半壁江山。 Microchip的PIC精简指令集（RISC）也有强劲的发展势头。 台湾HOLTEK的微控制器产量近年来日益增加。 以其价格低廉、品质优良的优势，占据了一定的市场份额。 此外，还有摩托罗拉公司的产品和日本几大公司的专用微控制器。 在一定时期内，这种情况还会持续下去，不会出现单一微控制器一统天下的垄断局面。 相反，我们将走依赖、互补、共同发展的道路。
主流单片机类型及特点
51单片机
使用最广泛的8位单片机当然也是初学者最容易学习的一种。 它首先由英特尔推出。 由于其典型的结构和对总线专用寄存器的完全集中管理、众多的逻辑位操作功能和丰富的面向控制的指令系统堪称一代“经典”，为业界其他单片机的发展奠定了基础。未来。
单片机的组成、工作原理、分类、特点及发展趋势
特征：
1、从内部硬件到软件都有一套完整的按位操作系统，称为位处理器。 处理对象不是字或字节，而是位。 它不仅可以处理芯片上一些特殊功能寄存器的某一位，如发送、设置、清除、测试等，还可以进行位逻辑运算。 它的功能非常齐全，而且使用起来也很方便。
2、同时在片内RAM区域专门开辟了一个双功能地址范围，使用起来极其灵活。 这一功能无疑为用户提供了极大的便利。
3.乘法和除法指令，这也给编程带来了方便。 许多八位微控制器不具备乘法功能。 做乘法时，必须写子程序调用，非常不方便。
缺点：
1、AD、EEPROM等功能需要扩展，增加了硬件和软件的负担。
2、I/O引脚虽然使用简单，但高电平时没有输出能力，这也是51系列单片机的最大弱点。
3、运行速度太慢，尤其是双数据指针。 如果能够改进的话，将会给编程带来很大的方便。
4、保护能力很差，容易烧坏芯片。
MSP430 微控制器
MSP430系列微控制器是德州仪器公司于1996年向市场推出的16位超低功耗混合信号处理器，留给人们的最大亮点就是它的低功耗和高速度。 汇编语言非常灵活。 寻址方式多，指令少，上手简单。 主要是因为它在一块芯片上集成了许多模拟电路、数字电路和微处理器，为实际应用需求提供了“单片”解决方案。
单片机的组成、工作原理、分类、特点及发展趋势
特征：
1、处理能力强大，采用精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址，4种目的操作数寻址），27条简单核心指令和大量模拟指令； 大量的寄存器和片内数据存储器可以参与多种操作； 还有高效的查表处理指令； 处理速度快，8MHz晶振驱动时指令周期为125ns。这些特性保证了可以编译出高效的源程序
2、运算速度方面，8MHz晶振驱动可实现125ns的指令周期。 16位数据宽度、125ns指令周期和多功能硬件乘法器（可实现乘法和加法）的结合，可以实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）
3、超低功耗方面，MSP430单片机因其独特的降低芯片的供电电压和灵活可控的工作时钟而具有超低功耗。 电源电压为1.8~3.6V。 因此，当工作在1MHz时钟条件下时，芯片的电流约为200~400uA，时钟关闭模式下的最小功耗仅为0.1uA。
缺点：
1.个人感觉入门不太容易。 不太适合初学者入门。 相关信息也相对较少。 你只能去官方网站查找。
2、占用指令空间大。 由于是16位单片机，程序是以字为单位的，有的指令实际上占用了6个字节。虽然表面上程序很简单，但与pic单片机相比，占用的空间很大。
STM32微控制器
ST厂家推出的STM32系列单片机，业内的朋友都知道，这是一个性价比极高的系列单片机，应该是独一无二的，而且功能极其强大。它是基于ARM Cortex-M内核的专为需要高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而设计。 它还拥有一流的外设：1μs双12位ADC、4 Mbit/s UART、18 Mbit/s SPI等，在功耗和集成度方面也有良好的表现。 当然，它的功耗略逊于MSP430，但这并不影响工程师们对它的热情。 它以其简单的结构、易于使用的工具以及强大的功能而在业界享有盛誉。
特征：
1.内核：ARM32位Cortex-M3CPU，最大工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz，单周期乘法和硬件除法
2、存储器：芯片上集成32-512KB Flash存储器。 6-64KB SRAM 存储器
3、时钟、复位和电源管理：2.0-3.6V电源和I/O接口驱动电压。 POR、PDR 和可编程电压检测器 (PVD)。 4-16MHz晶体振荡器。 内嵌工厂调整的8MHz RC振荡电路。 内部 40 kHz RC 振荡电路。 用于 CPU 时钟的 PLL。32kHz 晶体振荡器，具有 RTC 校准功能
4.调试模式：串行调试（SWD）和JTAG接口。最多112个快速I/O端口，最多11个定时器，最多13个通信接口
PIC单片机
PIC单片机系列是美国Microchip公司（Microship）的产品。 它分为三个级别，即初级、中级和高级。 它是市场份额增长最快的微控制器之一。 CPU采用RISC结构，分别具有33和35个微控制器。 ，58条指令，简化的指令集，哈佛双总线结构，运行速度快。 它可以实现程序存储器访问和数据存储器访问的并行处理。 这种指令流水线结构在一个周期内完成两部分工作。 ，一是执行指令，二是从程序存储器中取出下一条指令。 一般来说，每条指令只需要一个周期，这也是高效率运行的原因之一。
单片机的组成、工作原理、分类、特点及发展趋势
特征：
1、具有工作电压低、功耗低、驱动能力强的特点。 PIC系列单片机的I/O口是双向的，其输出电路是CMOS互补推挽输出电路。 I/O引脚增加了一个方向寄存器，用于设置输入或输出状态，从而解决了51系列I/O引脚在高电平时既是输入又是输出的问题。
2、设置为1时，处于输入状态，无论该引脚为什么电平，都处于高阻状态； 设置为0时，处于输出状态，无论该引脚为何种电平，均为低电平。 电阻状态下，具有相当大的驱动能力，低电平灌电流可达25mA，高电平输出电流可达20mA，这是比51系列的一大优势
3、可直接驱动数码管显示，外围电路简单。 其A/D为10位，可以满足精度要求。 具有在线调试和编程（ISP）功能。
缺点：
其特殊用途寄存器（SFR）并不像51系列那样集中在固定的地址范围（80~FFH），而是分散在4个地址范围。 只有5个特殊寄存器PCL、STATUS、FSR、PCLATH和INTCON同时出现在4个存储体中。 然而，在编程过程中，不可避免地要与特殊寄存器打交道，必须反复选择相应的存储体，即状态寄存器STATUS。 位6（RP1）和位5（RP0）设置或清除。数据传输和逻辑运算基本上都要通过工作寄存器W（相当于51系列的累加器A）进行，51系列还可以通过寄存器直接相互传输，因此PIC单片机的瓶颈现象比51系列更大。 情况更严重了。 编程的朋友对此应该深有体会。
