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近年來，隨著科學技術的不斷完善，推動了單片機的發展速度，也進一步促進了單片機在各個領域內的應用。作為微型控制器，單片機以其自身強大的功能特點獲得了人們的認可，這也為其應用領域的不斷拓寬奠定了基礎。為了使人們對單片機有一個深入的了解和認識，本文就單片機的原理及應用進行淺談。 1.單片機的原理 所謂的單片機是單片微型計算機的簡稱，它是一種十分典型的嵌入式微控制器，即MCU。從技術層面看，單片機并不是完成某個簡單或復雜邏輯功能的芯片，實質上它是將一個計算機系統集成到一個芯片上，這是完全不同的兩個概念。與普通的計算機相比，單片機唯獨缺少的就是外圍設備，總體來講，每一個單片機都可以是一臺計算機。由于其具有體積小、質量輕、價值低等優點，從而使其被廣泛應用于多個領域當中。單片機剛剛被研制出來的時候，基本都是8位或是4位，其中最具代表性的要屬INTEL研制開發的8051系列單片機，在此基礎上開發出了MCS51 系列單片機，其基本原理如圖1所示。 圖1 MCS5系列單片機原理圖 現如今，人們生活中所用的每一件電子類產品幾乎都有單片機的身影，如手機、家用電器等等，同時，汽車以及復雜的工業控制中，單片機也成為不可或缺的重要組成部分之一，部分大型的工控系統中有時會有上百個單片機同時運行。由此可見，單片機的使用量現已遠遠超過了PC機和其它計算機。 1.1 單片機的構成 想要進一步了解單片機的原理，就必須對其各個組成部分有所了解。目前，常見的單片機絕大多數都是由以下幾個部分構成： 1.1.1 運算器。可將單片機中的運算器視作為執行單元，其主要負責執行各種算術和邏輯運算，同時可以進行相關的邏輯測試，如零值測試等。運算器主要是通過接收來自于控制器發出的各種控制信號來完成相關執行操作的。通常一個算術操作會產生出一個運算結果，而一個邏輯操作則會產生出一個判決。 1.1.2 控制器。可將其視作為單片機中的控制單元，其主要作用是指揮與協調。具體負責指揮并控制CPU、內存以及輸入輸出設備間的數據流方向，通過接口電路可以與外部設備相連接。 1.1.3 寄存器。這是單片機的存儲單元，主要由以下幾個部分組成：累加器、數據寄存器、指令寄存器、指令譯碼器、程序計數器、地址寄存器。通常情況下，單片機運行時，CPU需要向存儲器存儲數據，并從內存中讀取數據，此時需要用到數據寄存器和地址寄存器。 本文下一頁：單片機的特點/應用領域 1.2 單片機的特點 雖然單片機只是一塊體積較小的芯片，但是它卻有著普通微型計算機無法比擬的優越性，這主要是單片機自身的特點決定的。 1.2.1 RAM與ROM分工明確。RAM是單片機當中的數據存儲器，其主要負責變量的存放，而ROM 是程序存儲器，其中不存放任何變量，只存儲各種程序、常數以及數據表格。由此可見，兩者同為存儲器卻有著明確的分工，互不干擾、獨立運作，這使得單片機的整體性能顯著提高。 1.2.2 面向指令控制。為了充分滿足各種控制功能的實際需要，單片機的邏輯控制能力要遠遠高于等級相同的CPU，尤其是單片機本身的處理能力更強、運行速度也更快，能夠完成各種復雜的處理和控制。 1.2.3 多功能的I/O引腳。這是單片機獨有的特點，其多功能主要體現在以下幾個方面：可用作外部中斷、作為PPG 的輸出口、A/D的輸入口等等。 1.2.4 可擴展性強。單片機的系統相對比較齊全，并且具有較強的功能擴展性，能夠與各類微機接口芯片兼容，這為相關應用系統的開發設計提供了便利條件。 1.2.5 通用性強。單片機的應用具有較強的通用性。目前，一般都是將單片機作為控制器使用，雖然控制對象有所區別，但是單片機的控制功能卻是通用的，其能夠像微處理器一樣被廣泛應用于多個領域當中。 1.2.6 單片機是目前為止功能部件最齊全、體積最小的微型計算機，并且它的可靠性非常高，能夠滿足多個領域的應用需求。不僅如此，單片機的使用非常方便，響應速度較快，性價比超高。 1.3 單片機的應用領域 單片機作為一種高科技產品，其現已被廣泛應用于各個領域當中，并且在各個領域的應用中，單片機都發揮著非常重要的作用。目前，單片機應用較多的領域主要包括智能儀器儀表、工業控制、家用電器、網絡通信、模塊化系統、航空航天、汽車制造、電力電子等等。 本文下一頁：單片機的應用研究 2. 單片機的應用研究 上文中對單片機的主要應用領域進行介紹，這使我們對單片機的應用有了一個初步的了解。而對單片機應用的研究，并不是僅僅基于某個領域，而是要從應用系統的角度進行研究。下面重點對單片機的應用系統展開詳細論述。 2.1 主機電路 單片機應用系統屬于一種新型的人工智能系統，其主要是以軟件控制、綜合運算與分析為主的應用型系統。在該系統當中，主機電路為核心部分，也是整個系統的主控部件，其一般都是由單片機與擴展電路兩個部分組成。 2.1.1 擴展芯片。在對主機電路進行設計的過程中，芯片的選擇至關重要，應當依據系統的實際要求進行選擇，芯片確定之后，應當將之與單片機進行正確連接。 2.1.2 單片機。在應用系統當中，單片機為主控部件，其質量與性能直接關系到整個系統的使用效果。在對系統各項指標參數進行分析之后，便可以確定單片機的具體機型，同時按照系統要求的分辨率、準確度以及程序的容量等指標確定單片機的位數及其容量。 2.1.3 擴展電路。它的主要作用是增加主機電路的容量以及I/O接口數。大體上可將擴展分為兩個部分，即數據存儲器的擴展和程序存儲器的擴展。在進行擴展的過程中，可以利用估算的方法估計被控數據的容量以及軟件程序的大小，并以此作為選擇芯片的主要依據。需要注意的是，在選擇存儲器時必須留有足夠的余量，這是因為程序運行以及數據輸入和輸出時全部都需要占用一定的內存。 2.2 過程通道 這是單片機應用系統實現現場數據控制的關鍵部分。通常情況下，過程通道主要是由兩大部分組成，即輸入和輸出通道。單片機應用系統控制的外部對象的狀態信息全部都是經由輸入通道傳輸給單片機系統，并成為它的數據，隨后單片機按照相應的程序對這些數據進行處理之后，再經由輸出通道傳輸給外部控制元件，以此來實現對外部對象的控制。根據被控制對象的不同，大體上又可將過程通道分為以下兩種：一種是模擬量通道，它是主機對模擬量信號的控制通道；另一種是開關型通道，它是主機對數字量信號的控制通道。這兩種通道的結構存在較大的差異，在設計過程中，需要根據實際情況進行選擇。 2.3 接口技術 為了使單片機應用系統的智能化特點得以充分體現，便需要通過人機接口或是通信接口與系統進行連接，以此來實現更高等級的智能控制。人機接口用于單片機系統與操作者之間進行信息交流，人機聯系部件包括顯示器、掃描儀、鍵盤、打印機等。單片機可以在接受人工操作命令的同時，將處理結果直觀地展示給操作者，從而實現人機操作智能化；通信接口和數據總線負責多個單片機之間、單片機與計算機之間、單片機與外設之間的數據通信。合理選擇通信接口和數據總線是確保數據通信的重要基礎，通信接口主要分為并行和串行通信接口，在單片機之間的數據通信一般選用串行通信。 2.4 控制軟件 如果說主機電路是單片機應用系統的核心，那么控制軟件就是整個系統的靈魂之所在，軟件程序的優劣將會直接影響到系統的使用功能、參數指標等。這就要求在系統開發設計階段必須對軟件程序進行優化，除了應當使軟件程序滿足系統的要求之外，還必須做到操作簡單、速度快、內存占用少。目前，單片機應用系統的軟件程序一般采用的都是模塊化設計，在具體設計的過程中，需要重點考慮以下內容：主控程序模塊，初始化程序模塊、輸入/ 輸出程序模塊以及功能模塊等等。 本文下一頁：單片機未來的發展方向 3. 單片機未來的發展方向 3.1 微型單片化 目前，常規單片機一般是將CPU、RAM、ROM、中斷系統、并行和串行接口、時鐘電路、定時電路等集成在單一芯片上。對于增強型單片機而言，不僅集成了常規單片機的單元，而且還集成了A/D 轉換器、看門狗（WDT）、脈寬調制器（PMW）、液晶（LCD）驅動電路等，極大地豐富了單元電路，增加了功能。隨著技術的發展，單片機廠商可以根據用戶的需求為其量身定做單片機芯片，滿足用戶對單片機低功耗、小體積、強功能的要求。不同單片機擁有不同的封裝形式，其中表面封裝（SMD）越來越受到用戶歡迎，推動了單片機構成系統向微型化發展。 3.2 容量大、性能強 傳統單片機內的RAM為64-128B，ROM為1KB-4KB，如果將其運用到較為復雜控制系統中，其存儲容量是遠遠不足的，此時還需外接擴充。為了滿足單片機在復雜控制系統中的應用，必須運用新工藝擴大單片機的內存儲器容量。現階段，單片機內RAM 可達到2KB，ROM 可達到64KB。除此之外，單片機還可以改善CPU 的性能，提高指令運算速度和系統控制的可靠性。單片機可采用流水線技術和精簡指令集，提升其自身的運行速度，當前最高指令速度已經達到100MIPS 以上，并且具備位處理、定時控制、中斷等功能。相比較標準單片機而言，該類型單片機的運算速度提升10 倍以上。在如此高速的指令速度下，單片機可使用軟件模擬I/O 功能，增加虛擬外設。 3.3 外圍電路內裝化 隨著集成技術的發展，將多種功能器件集成在單片機內，使其外圍電路內裝化，已經成為單片機的發展趨勢之一。單片機不僅可集成CPU、RAM、ROM、計數器等，還可以集成A/D、串行口、PWM、EEPROM、LCD驅動器等多功能單元。 3.4 功耗低 單片機功耗已經達到了1uA 以下，使電壓范圍拓寬在3~6V 之間，僅用電池就可以滿足其能耗需求。在單片機達到低功耗化的同時，還可提高其可靠性、抗干擾能力，使單片機更為低電壓化、便攜化。現在的單片機均具備STOP、WAIT 等省電運行方式，允許使用的電壓范圍也在不斷拓寬，尤其對于低電壓供電的單片機而言，其電源下限可達1~2V，甚至出現了0.8V。為了使單片機具備更高的可靠性，實現噪聲最小化，增強抗電磁干擾能力，單片機廠商在單片機內部電路上采用了新的技術措施，以確保單片機可在惡劣的工作環境下，滿足電磁兼容性方面的更高工作要求。 結論： 總而言之，自單片機問世以來，其便被應用于生產和生活當中，隨著單片機技術的不斷發展和完善，現如今的單片機性能越來越強大，這使其在一些重要領域內獲得了應用，如工業控制、航天機電等等，這也預示著單片機將會在不久的將來逐步滲透到各個領域當中。 |
