微控制器是指集成在一个芯片上的完整计算机系统。 虽然它的大部分功能都集成在一块小芯片上，但它却具备了一台完整计算机所需的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，现在大多数还带有外部存储器。 同时集成了通信接口、定时器、实时时钟等外围设备。 现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络以及复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
单片机又称单片机，因为它最早应用于工业控制领域。 微控制器是从专用处理器发展而来的，芯片中只有一个CPU。 最早的设计理念是将大量的外围器件和CPU集成到一颗芯片中，使计算机系统变得更小，更容易集成到体积要求严格的复杂控制设备中。 INTEL的Z80是第一个按照这个思想设计的处理器。 此后，微控制器和专用处理器的发展就分道扬镳了。
早期的微控制器都是8位或4位的。 最成功的是INTEL的8031，它以其简单、可靠和良好的性能而受到极大的赞誉。 此后，基于8031开发了MCS51系列微控制器系统。基于该系统的微控制器系统至今仍被广泛使用。 随着工业控制领域的要求提高，16位单片机开始出现，但由于性价比不理想，并未得到广泛应用。 随着20世纪90年代后消费电子产品的快速发展，微控制器技术得到了很大的提高。
随着INTEL i960系列，尤其是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代了16位单片机的高端地位，进入主流市场。 传统8位微控制器的性能也得到了迅速提升，处理能力比20世纪80年代提高了数百倍。 目前，高端32位微控制器的主频已超过300MHz，性能正在紧追90年代中期的专用处理器。 普通型号出厂价已降至1美元，最高端型号仅10美元。 现代微控制器系统不再仅在裸机环境中开发和使用。 全系列微控制器上广泛应用了大量的专用嵌入式操作系统。 而作为掌上电脑和手机的核心处理的高端微控制器甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
微控制器比专用处理器更适合嵌入式系统，因此应用最多。 事实上，微控制器是世界上数量最多的计算机。 微控制器几乎集成到现代人类生活中使用的所有电子和机械产品中。 手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑、鼠标等电脑配件都配备有1-2个微控制器。 个人计算机中还将有大量的微控制器工作。 汽车一般配备40多个微控制器，复杂的工业控制系统甚至可能有数百个微控制器同时工作！ 微控制器的数量不仅远远超过个人电脑和其他计算设备的总和，甚至超过了人类的数量。
2、单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三个阶段。
1、SCM（单片机）阶段主要是为最好的单片嵌入式系统寻求最好的架构。 “创新模式”的成功，为单片机和通用计算机建立了一条完全不同的发展道路。 英特尔在嵌入式系统自主开发的先驱中发挥了重要作用。
2、MCU（Micro Controller Unit）阶段，主要技术发展方向是不断扩展符合嵌入式应用中对象系统要求的各种外围电路和接口电路，突出其对象的智能控制能力。 它涉及到的领域都是与对象系统相关的。 因此，开发MCU的重任不可避免地落在了电气电子技术制造商身上。 从这个角度来看，Intel逐渐淡出MCU发展也是有其客观因素的。 在开发MCU方面，最著名的厂商是飞利浦。 飞利浦凭借其在嵌入式应用领域的巨大优势，迅速将MCS-51从单片机发展成为微控制器。 因此，当我们回顾嵌入式系统的发展道路时，不要忘记英特尔和飞利浦的历史成就。
3、单片机是嵌入式系统的独立发展道路。 发展到MCU阶段的一个重要因素是寻求片上应用系统的最大化解决方案； 因此，专用单片机的发展自然就形成了SoC的趋势。 随着微电子技术、IC设计和EDA工具的发展，基于SoC的微控制器应用系统设计将会有更大的发展。 因此，对单片机的理解可以从单片机、单片机延伸到单片机应用系统。
4、单片机的发展。 单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用范围广泛，发展迅速。 单片机自诞生以来，已发展到数百个系列、近千种型号。
5、如果以8位单片机的推出为起点，那么单片机的发展历史大致可以分为以下几个阶段：
(1)第一阶段(1976-1978)：单片机控制阶段。 采用英特尔的 MCS
——48是有代表性的。 MCS-48的推出是工业控制领域的一次控制。 参与此次控制的公司包括摩托罗拉、Zilog等，并且都取得了令人满意的效果。 这一年是单片机的诞生年，“单机电影”一词由此而来。
(2)第二阶段(1978-1982年)是单片机的改进阶段。 英特尔公司在MCS
– 48、推出完整且典型的微控制器系列MCS –51。 它在以下几个方面建立了典型的通用总线型微控制器架构。
① 完整的外部总线。 MCS-51建立了经典的8位单片机总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线和具有多种计算机通信功能的串行通信接口。
②CPU外围功能单元的集中管理模式。
③反映工业控制特点的位地址空间和位操作方法。 ④指令系统趋于丰富、完善，增加了许多突出控制功能的指令。
(3)第三阶段(1982-1990)：8位单片机的巩固和发展以及16位单片机的推出。 也是微控制器从单片机到单片机的发展阶段。 英特尔公司推出的MCS
– 96系列单片机将一些测量和控制系统中使用的模数转换器、程序执行监视器、脉宽调制器等集成到芯片中，体现了单片机的微控制器特性。 随着MCS-51系列的广泛应用，许多电气制造商竞相以80C51为核心，将电路技术、接口技术、多路A/D转换元件、可靠性技术等应用于许多测量和控制系统中以单片机增强 完善了外围电路功能，强化了智能控制的特点。
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4）第四阶段（1990年-）：单片机的全面发展阶段。 随着单片机在各个领域的全面深入的发展和应用，出现了速度高、寻址范围大、计算能力强的8位/16位/32位通用单片机，以及小型化的单片机。和廉价的专用微控制器。
3、微控制器的发展趋势
目前，微控制器的发展趋势是向着高性能、多品种方向发展。 趋势将进一步向CMOS、低功耗、小尺寸、大容量、高性能、低价格和内置外围电路方向发展。
1.以下是微控制器的主要发展趋势：
(1) CMOS
近年来，由于CHMOS技术的进步，微控制器的CMOS技术得到了极大的推广。 除了低功耗之外，CMOS芯片还具有功耗的可控性，可以让微控制器工作在精细的功耗管理状态。 这也是80C51将来会取代8051成为标准MCU芯片的原因。 因为大多数微控制器芯片都是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产的。 CMOS电路具有低功耗、高密度、低速度、低价格等特点。 采用双极半导体技术的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。 随着技术和工艺水平的提高，出现了HMOS（高密度、高速MOS）和CHMOS工艺。 CHMOS和HMOS工艺的结合。 目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns。 其综合优势在于TTL电路。 因此，CMOS在微控制器领域正在逐渐取代TTL电路。
低功耗微控制器的功耗已从Ma级变为甚至低于1uA； 工作电压在3～6V之间，完全适应电池工作。 低功耗带来的效果不仅仅是低功耗，还带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力和便携性。
(2) 降低电压
几乎所有微控制器都具有 WAIT 和 STOP 等省电操作模式。 允许的电压范围越来越宽，一般工作在3~6V范围。 低压微控制器的供电电压下限已达到1~2V。 目前，0.8V供电的微控制器已经推出。
低噪声、高可靠性为了提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能够适应恶劣的工作环境，满足更高的电磁兼容标准，各单片机厂家在单片机的内部电路中采用了新技术。微控制器。 措施。
(3)容量更大
过去，单片机中的ROM为1KB~4KB，RAM为64~128B。 但在需要复杂控制的情况下，存储容量就不够用了，必须进行外部扩展。 为了满足这一领域的要求，必须采用新的工艺来增加片上存储器的容量。 目前单片机中ROM最大为64KB，RAM最大为2KB。
(4)高性能
主要指进一步提高CPU的性能，加快指令运算速度，提高系统控制的可靠性。 采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大大提高运行速度。 最高指令速度已达到100MIPS（每秒百万指令），并且位处理功能、中断和时序控制功能得到加强。 此类微控制器的计算速度比标准微控制器高10倍以上。 由于此类微控制器具有极高的指令速度，其I/O功能可以通过软件进行模拟，从而引入了虚拟外设的新概念。
(5)容量小、价格低
与上述相反，以4位和8位计算机为中心的小容量、低价格也是发展趋势之一。 这类微控制器的目的是将以前由数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，并可广泛应用于家用电器中。
外围电路的内部化也是单片机发展的主要方向。 随着集成度的不断提高，芯片上集成大量的各种外围功能器件成为可能。 除了一般必需的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等外，芯片上集成的组件还包括模拟/数字转换器、DMA控制器、声音发生器、看门狗定时器、液晶显示驱动器、彩电和锁相器录像机等电路
串行扩展技术 长期以来，通用单片机通过三总线结构扩展外围器件，成为单片机应用的主流结构。 随着低价OTP（一次性可编程）和各类片上程序存储器的发展，外围接口不断进入芯片，推动了微控制器“单芯片”应用结构的发展。 特别是I2C、SPI等串行总线的引入，使得单片机引脚的设计可以采用更少的引脚，单片机的系统结构更加简化和标准化。
随着半导体集成技术的不断发展，微控制器将集成度更高、尺寸更小、功能更强大。 在单片机家族中，80C51系列是佼佼者。 此外，Intel还以专利交换或出售的形式，将其MCS-51系列中80C51内核的使用权转让给全球多家知名IC厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、Winbond、等，这些公司在保持与80C51微控制器的兼容性的同时，改进了80C51的许多功能。 就这样，80C51已经成为一个得到众多厂家支持的大家族，并开发了上百个品种。 现在统称为80C51系列。 80C51单片机已成为单片机发展的主流。 专家认为，虽然世界上MCU种类繁多、功能各异、开发设备互不兼容，但客观发展表明80C51最终可能形成事实上的标准MCU芯片。
4、单片机的组成及特点
微控制器是微型计算机的一个主要分支。 其最大的结构特点是在一块超大规模集成电路芯片上集成了CPU、存储器、定时器和各种输入输出接口电路。 从其组成和功能来看，微控制器芯片就是一台计算机。
1、单片机的组成：
它通过内部总线连接计算机的主要部件，内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。 其中，地址总线的作用是在数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口； 数据总线的作用是在CPU和存储器或I/O接口之间，或者存储器和外部接口之间。 设备之间交换数据； 控制总线包括CPU发送的控制信号线和外部发送给CPU的响应信号线。 单片机中的CPU、存储器等部件将在后续章节中介绍。
2、单片机的特点 由于单片机的结构形式及其采用的半导体工艺，使其具有许多显着的特点，因此在各个领域得到了迅速的发展。
2、单片机主要特点如下：
(1)优良的性能价格比。
(2)集成度高、体积小、可靠性高。 该单片机将各种功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力。 此外，其体积小，易于对强磁场环境采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。
(3)控制功能强。 为了满足工业控制的要求，通用单片机的指令系统具有极其丰富的传送指令、I/O端口的逻辑操作和位处理功能。 单片机的逻辑控制功能和运算速度高于同档次的微型计算机。
(4)低功耗、低电压，易于生产便携式产品。
（5）外部总线增加了IC（内部集成电路）、SPI（串行外设接口）等串行总线方式，进一步减小了尺寸，简化了结构。
(6)单片机的系统扩展和系统配置比较典型和标准化，很容易组成各种规模的应用系统。
5、微控制器的分类
微控制器作为计算机发展的一个重要领域，采用了更为科学的分类方法。 根据目前的发展情况，微控制器从不同的角度大致可以分为通用/专用、总线型/非总线型以及工控/家电型等。
(1) 通用型/特殊型 根据单片机的应用范围来区分。 例如，80C51是通用单片机，它不是为特定用途而设计的； 专用微控制器是针对某一类产品甚至某种产品而设计和生产的。 例如，为了满足电子体温计的要求，它在芯片上集成了ADC接口等功能。 温度测量控制电路。
(2) 总线型/非总线型 根据单片机是否提供并行总线来区分。 总线型微控制器一般配备有并行的地址总线、数据总线和控制总线。 这些引脚用于扩展并行外围设备，可以通过串口连接到微控制器。 此外，许多微控制器已经集成了所需的外围设备和外围接口。 集成到一颗芯片中，很多情况下不需要并行扩展总线，大大降低了封装成本和芯片尺寸。 这种类型的微控制器称为非总线型微控制器。
(3)控制型/家电型这是根据单片机的一般应用领域来划分的。 一般来说，工控型寻址范围大，计算能力强； 用于家电的微控制器多为专用型，通常封装小、价格低、外围器件和外围接口集成度高。
显然，上述分类并不唯一和严格。 例如80C51型单片机既是通用型又是总线型，还可以用于工业控制。
6、单片机的应用
由于单片机的显着优点，它已成为科技领域的有力工具和人类生活的得力助手。 其应用涵盖各个领域，主要有以下几个方面：
（一）单片机在智能仪器中的应用单片机广泛应用于各种仪器仪表中，使其智能化，提高测量的自动化程度和准确性，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能-性价比。
(2)单片机在机电一体化中的应用机电一体化是机械工业的发展方向。 机电一体化产品是指集机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特点的机电产品，如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，可以充分发挥其优势体积小、可靠性高、功能强，可大大提高机器的自动化、智能化。
(3)单片机在实时控制中的应用单片机广泛应用于各种实时控制系统中。 例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以采用微控制器作为控制器。 单片机的实时数据处理能力和控制功能可以使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。
(4)单片机在分布式多机系统中的应用。 在更复杂的系统中，经常使用分布式多机系统。 多机系统一般由若干个具有不同功能的微控制器组成，每个微控制器完成特定的任务。 它们通过串行通信相互通信并协调工作。 在此类系统中，常采用单片机作为终端，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时测量和控制。 单片机的高可靠性和强抗干扰能力使其能够在恶劣的环境下工作在前端。
（五）单片机在人类生活中的应用单片机自从诞生以来，就进入了人类的生活。 洗衣机、冰箱、电子玩具、收录机等家用电器都配备了单片机，以提高其智能化程度，增加功能。 ，深受人们喜爱。 微控制器将使人类的生活更加方便、舒适、丰富多彩。 综上所述，单片机已成为计算机开发和应用的一个重要方面。 另一方面，单片机应用的重要意义在于它从根本上改变了传统控制系统的设计思路和设计方法。 过去必须通过模拟电路或数字电路实现的大部分功能现在都可以使用微控制器通过软件方法来实现。 这种以软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是对传统控制技术的一场革命。
目前，单片机已经渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到一个没有单片机踪迹的区域。 导弹导航装置、飞机上各种仪表的控制、计算机网络通信和数据传输、工业自动化过程的实时控制和数据处理、广泛使用的智能IC卡、民用豪华汽车的安全系统、视频机、摄像机的控制、全自动洗衣机，以及程控玩具、电子宠物等都离不开单片机。 更不用说自动控制领域的机器人、智能仪器、医疗设备了。 因此，单片机的学习、开发和应用将造就一批计算机应用和智能控制方面的科学家和工程师。
微控制器广泛应用于仪器仪表、家用电器、医疗器械、航空航天、特种设备智能管理和过程控制等领域，大致可分为以下几类：
1、在智能仪表中的应用
微控制器具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、小型化、易用等优点。 它们广泛应用于仪器仪表中。 与不同类型的传感器组合，可实现电压、功率、频率、湿度、温度等功能。流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制，使仪器数字化、智能化、小型化，其功能比采用电子或数字电路的仪器更加强大。 例如精密测量设备（功率计、示波器、各种分析仪）。
2、在工业控制中的应用
使用微控制器可以构建各种控制系统和数据采集系统。 例如工厂流水线的智能化管理、电梯的智能控制、各种报警系统、与计算机联网形成二次控制系统等。
3、在家用电器中的应用
可以说，如今的家用电器基本上都是由单片机控制的，大到电饭锅、洗衣机、冰箱、空调、彩电等音视频设备，大到电子称重设备，种类繁多，无处不在。
4.计算机网络与通信领域的应用
现代微控制器一般都具有通信接口，可以方便地与计算机进行通信，为计算机网络和通信设备中的应用提供了优良的物质条件。 当今的通信设备基本实现了单片机的智能控制。 手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通讯呼叫系统、列车无线通讯，再到日常工作中随处可见的手机、集群移动通讯、无线对讲机等。
5、单片机在医疗设备领域的应用
微控制器还广泛应用于医疗设备，如医用呼吸机、各种分析仪、监护仪、超声波诊断设备和病床呼叫系统等。
6. 各种大型电器的模块化应用
一些特殊用途的微控制器旨在实现特定的功能，允许在各种电路中进行模块化应用，而不需要用户了解其内部结构。 例如，音乐集成微控制器将看似简单的功能小型化在纯电子芯片中（与磁带机的原理不同），这需要复杂的类似计算机的原理。 例如：音乐信号以数字形式存储在存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，并转换为模拟音乐电信号（类似于声卡）。
在大型电路中，这种模块化应用大大减小了尺寸，简化了电路，降低了损坏和错误率，并且方便更换。
此外，单片机还广泛应用于工商、金融、科研、教育、国防、航空航天等领域。
