1.什么是單片機?
簡單地說，單片機就是一個小計算機系統(tǒng)。為了說明清楚這個問題，得要從計算機說起。提到計算機，大家可能馬上會想到“顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤”，不過，這不是一個計算機的核心和關(guān)鍵，計算機的核心部分在一邊的機箱里呢。打開機箱，可以看到，機箱里有主板、硬盤、光驅(qū)等。仔細觀察主板，這上面有CPU、內(nèi)存條、BIOS芯片，通常還有25針的打印機接口等，這些部件都是通過主板上的連線相互連接。
不論計算機復(fù)雜程度如何，它總是由運算器，控制器，存儲器，輸入/輸出接口，總線這五個部分組成。通常運算器和控制器被做成一塊芯片，也就是CPU(中央處理器)。在計算機主板上，內(nèi)存條和BIOS芯片就是存儲器，25針打印機接口就是輸出/輸出設(shè)備，而總線則被設(shè)計在主板上，即各部件相互連接的線路。
圖1
在一些應(yīng)用場合，人們不需要計算機完成十分復(fù)雜的運算，但卻希望計算機小巧，可靠，價格低。于是人們就把組成計算機的這5個部分全部集成到一塊芯片上，也說是一塊芯片就能構(gòu)成一個獨立的計算機，在當(dāng)時的技術(shù)條件下，這是一件了不起的事情，于是人們就用這個特征來為之命名，稱為“單片機”。
將構(gòu)成一個計算機所需要的5個部分全部都集成到一塊芯片中，這塊芯片是否要很大、價格是否很高呢?并非如此。如果要把圖1所示主板上的所有元件都集成到一塊芯片中，那當(dāng)然非常昂貴，可能技術(shù)上也無法實現(xiàn)，但很多單片機中所需要用到的功能完全沒必要那么強大，因此很多單片機體積很小，價格也很低。如市場上常見的單片機有8，14，16，18，20，28，40，84等引腳，有些甚至只有6個引腳，如圖2所示是微芯公司(Microchip)發(fā)布的一款6引腳單片機。而價格從幾元到幾十、上百元的都有，有些品種在大批量定購時甚至可以低至1元以下。
圖2
剛接觸到單片機的人往往會有個疑惑：既然人們已經(jīng)有能力制造功能強大的計算機，為何還要生產(chǎn)些功能不強的計算機?其實，功能強弱并不是決定是否生產(chǎn)的決定因素，市場需要才是關(guān)鍵。比如，用來控制一臺電箱的計算機顯然沒必要使用“奔騰”芯片的強大運算能力，只要進行非常簡單的計算，作個比較，看一看溫度是否在所控制區(qū)間之內(nèi)，然后再做出相應(yīng)的控制就行了。
單片機在人們的生活中、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中處處有應(yīng)用，例如各定時裝置、自動控制裝置等。愛好者學(xué)習(xí)單片機應(yīng)該注意觀察事物，找到自己周圍能夠使用單片機的場合，從而將學(xué)到的知識應(yīng)用到實際中去。例如，使用單片機技術(shù)改造傳統(tǒng)的機電設(shè)備、在特定的場合使用單片機替代PLC等就有著廣闊的應(yīng)用前景;又如，使用單片機控制電扇、抽油煙機、空調(diào)等，從而制作出具有更強功能、能夠通用的控制器，也是可以嘗試的。
2.單片機是如何工作的?
單片機的工作過程就是一個不斷“取指令-分析指令-執(zhí)行指令”的過程。單片機的程序以一條一條指令的形式存放在程序存儲器中，單片機開始工作后，就從程序存儲器的特定位置開始取指令，然后由單片機內(nèi)部的控制器對指令進行分析，根據(jù)指令要求，進行“取數(shù)、送數(shù)、算術(shù)運算、邏輯運算、跳轉(zhuǎn)”等基本操作中的一種或幾種，這些操作都在一個規(guī)定的周期中完成，執(zhí)行完了以后，到下一個存儲器單元中取指令，重復(fù)剛才的操作(當(dāng)然，這些要執(zhí)行的操作具體內(nèi)容可能跟上一次不一樣了)，如此不斷重復(fù)，直到斷電為止。這里所說的“存儲器特定位置”、“規(guī)定的周期”等與單片機的型號有關(guān)，下面以51系列單片機為例來說明。
在51系列單片機中有一個名為PC的寄存器(就是用來存數(shù)的一個容器)，在單片機復(fù)位后，這個寄存器中的內(nèi)容被置為0000H，單片機內(nèi)部的控制器總是根據(jù)PC寄存器中的值去相應(yīng)的程序存儲器單元取指令，因此，開機后，將從0000H單元取第一條指令，分析執(zhí)行，同時，PC值將作相應(yīng)的調(diào)整，指向?qū)⒁獔?zhí)行的下一條指令的位置，下一條指令的位置在哪里呢?對于51單片機來說，一條指令可能占用一個字節(jié)、二個字節(jié)或三個字節(jié)，如果第一條指令是單字節(jié)指令，取完第一條指令以后，PC的值就會變?yōu)?001H，因此，第一條指令執(zhí)行完畢以后，將從0001H單元中取出第二條指令來執(zhí)行，以此類推。如果程序是順序執(zhí)行的，PC的值將始終不斷增加，如果程序中有跳轉(zhuǎn)指令，該指令將影響PC中的值，使PC中的值指向?qū)⒁獔?zhí)行的下一條指令所在地址單元。這種跳轉(zhuǎn)既可能是正向的，例如由0000H跳轉(zhuǎn)到0030H，也可能是反向的，即往回跳轉(zhuǎn)，如由200H跳轉(zhuǎn)到100H。正是由于指令可以影響到PC中的值，才使得程序可以實現(xiàn)“分支”、“循環(huán)”等各種功能。那么，執(zhí)行一條指令的時間又是多少呢?對于51單片機來說，指令執(zhí)行時間有三種可能，單周期、雙周期和四周期，不管一條指令需要做多少工作，都必然在規(guī)定的時間內(nèi)完成。
3.單片機程序的作用是什么?如何編寫?如何寫入單片機?
單片機程序的用途是讓單片機“聽話”，按人們所預(yù)定的設(shè)計完成一系列動作，最終實現(xiàn)一個特定的功能。
例如使用單片機控制流水燈，接通電源后，第一次燈亮，然后延時一段時間，第二次燈亮，然后延時一段時間，第三次燈亮……，延時一段時間后又回到第一次燈亮，如此循環(huán)不已。這里就有這樣的一些問題：第一次亮幾盞燈、延時多少時間、一個循環(huán)中設(shè)置多少次不同的燈亮的情況……，這些決定了流水燈的花樣，流動的速度，而這些，單片機顯然沒有自我判斷能力，必須依靠人們給它“布置”任務(wù)，而它則是按人們的設(shè)計依次執(zhí)行。
要讓單片機“聽話”，就要用單片機能夠聽懂的語言發(fā)布命令，單片機能夠聽懂的語言稱之為“指令”。任何一種型號單片機能夠接受的指令都是有限的，51單片機的指令條數(shù)為111條，而PIC單片機的指令僅有35條。每一條指令完成一個最基本的動作，人們?yōu)榱艘瓿梢粋€特定的功能，就要將這些指令排列組合，成為一個指令序列，這就是程序。
指令的表示形式有兩種：機器語言和匯編語言。以51為例，如果要讓P1.0引腳變?yōu)榈碗娖剑脵C器語言來表示就是 C2H 90H，將這兩個數(shù)放進單片機的程序存儲器中，單片機執(zhí)行后，就可以讓P1.0引腳變?yōu)榈碗娖搅?而要讓P1.0引腳變?yōu)楦唠娖?，用機器語言來表示就是D2H，90H。至于為什么是這兩個數(shù)字，大家沒必要追究，這是設(shè)計這塊芯片的設(shè)計工程師規(guī)定的，我們不能更改，只能學(xué)習(xí)。
C2H，90H就是一條指令，顯然這樣的指令形式是很難記憶的，編程也非常困難，于是人們使用了“助記符”來代替這些數(shù)字。例如C2H，90H的助記符是CLR P1.0，而D2H，90H的助記符是SETB P1.0，由于助記符采用了英語字母的縮寫，有一定含義，因此比數(shù)字形式的指令易記、易用。使用助記符形式的指令來編寫程序就稱之為“匯編語言源程序”。但是匯編語言源程序是沒有辦法直接送到單片機內(nèi)部去的，使用助記符形式的指令編寫的程序最終還是要變成為諸如：C2H，90H，D2H，90H，這種形式的指令才能被送入單片機的程序存儲器。將助記符形式的指令變?yōu)閿?shù)字形式的指令的過程稱之“匯編”。匯編有兩種方法，一種是“手工匯編”，即人們通過查表的形式找到所寫匯編指令的數(shù)字形式然后寫下來;另一種是“機器匯編”，即編寫好匯編語言源程序以后，使用一個計算機軟件對這些源程序進行處理，從而得到數(shù)字形式的指令序列，這個指令序列通常被稱為“機器碼”，即可以直接被機器所執(zhí)行的代碼。
機器匯編后得到的數(shù)字形式的指令序列以一個文件的形式保存在磁盤上，這個文件的擴展名一般是HEX，即人們常說的HEX文件。得到了HEX文件后，就可以將其寫入程序存儲器中了。要將程序?qū)懭胄酒?，通常需要一個稱之為“編程器”的專用設(shè)備，在計算機上運行與之配套的編程軟件，然后在這個軟件中打開HEX文件，即可將其寫入芯片中。隨著技術(shù)的發(fā)展，編程方式越來越多，但總的概念是這樣的，具體的細節(jié)，將在另一個問題“單片機編程器是什么”中回答。
4. 8位、16位、32位單片機中的“XX位”指什么?
8位、16位、32位是指單片機的“字長”，也就是一次運算中參與運算的數(shù)據(jù)長度，這個位是指二進制位。以8位為例，8位二進制的表達范圍是0000，0000~1111，1111即十進制的0~255，即每次參與運算的數(shù)據(jù)最大不能超過255。而16位機的字長是16位，其數(shù)據(jù)表達范圍是0~65535，即每次參與運算的數(shù)據(jù)最大不能超過65535;32位單片機的字長是32位，其數(shù)據(jù)表達范圍是0~4294967295，即每次參與運算的數(shù)據(jù)最大不能超過4294967295。
8位、16位、32位與單片機的性能密切相關(guān)，通常32位機的性能要高于16位機，而16位機的性能又要高于8位機。為什么會這樣呢?這要從2個方面來分析。第一，位數(shù)不同，運算效率不同。對于8位機而言，由于在一次運算中的每一個數(shù)都不能超過8位，因此即便如100+200=300這樣的運算，它也不能一次完成，因為300已超過了8位所能表達的最大范圍(255)，因此，要對這樣的一個式子進行運算，就要編寫一段程序，將運算分步完成，最后合成起來得到一個正確的結(jié)果。而如果采用16位單片機來運算的話，那么一次運算就夠了，顯然分步完成所需要的時間要遠遠大于單步完成所需要的時間。同樣道理，當(dāng)某個運算的結(jié)果或者中間值大于65535時，16位機也不能一次運算，要分步實現(xiàn)它，而32位機則可以一次運算完成。第二，商業(yè)因素。通常運算能力越高，表示這個單片機性能越強，當(dāng)然，價格高一些人們也可以接受，有了價格空間，生產(chǎn)商通常都會在這些芯片中提供更多的其他的功能，使得芯片的整體性能得到更大的提升。
典型的單片機中，80C51系列，PIC系列，AVR系列都是8位單片機;80C196、MSP430系列是16位機;而目前非常熱門的ARM系列則是32位機。
5. 單片機編程器、仿真器、燒寫器、下載線各是什么?有什么用處?
單片機編程器是用來將程序代碼寫入存儲器芯片或者單片機內(nèi)部的工具，如圖5-1所示是一個典型的編程的外形。圖中黑色的集成電路插座，通過拔動手柄可以將置于其中的集成電路芯片鎖緊或松開。編程時鎖緊以保證接觸良好，編程完畢松開，可以更換下一片芯片。
圖5-1編程器
當(dāng)芯片是雙列直插形式時，直接插在座子上就可以燒寫了，但如果遇到如圖5-2所示的各種封裝形式的芯片，又如何寫燒寫呢?一種方法是使用適配器，如圖5-3所示是各種封裝芯片所使用的適配器。
圖5-2 各種封裝形式的集成電路
QFN32 適配器 SOP28適配器
圖5-3 各種封裝的編程適配器
另一種方法是使用下載線。隨著技術(shù)的進步，越來越多的單片機芯片開始支持“ISP”功能，即In System Programmer，在線可編程技術(shù)。利用這種技術(shù)，將空白的(尚未編程的)芯片直接焊在印刷線路板上，利用預(yù)先留下的幾個引腳即可對芯片進行編程，不必將芯片拆下來放到編程器上，因此，這給小批量制作帶來了極大的方便，也省去了購買價格昂貴的適配器。如圖5-4所示是使用下載線對芯片進行在線編程的示意圖。
圖5-4 下載線對芯片進行在線編程示意圖
6.自學(xué)單片機必備的硬件設(shè)備有哪些?
學(xué)習(xí)單片機，除了需要電腦以外，還需要以下的一些器材。
1.實驗板
如果你對單片機還一無所知，那么自制或者購買一塊實驗板是比較好的選擇。通常在實驗板上會設(shè)計一些開關(guān)、LED指示燈、數(shù)碼管、各種接口芯片等常用器件，通過對這些器件的編程練習(xí)，逐步掌握單片機的編程技術(shù)。
2.仿真機
仿真機的用途是替代電路板上的單片機芯片，仿真機通過串行口、USB接口等方式與與PC機聯(lián)機通信，接收PC端控制軟件發(fā)出的指令，以單步、過程單步、全速運行等各種方式來執(zhí)行程序，以單步或過程單步方式執(zhí)行程時，每次執(zhí)行完程序后可以將執(zhí)行的結(jié)果反饋到PC端的控制軟件中顯示出來。由于單片機編程時必須要明確每一條指令執(zhí)行完畢后會有什么樣的結(jié)果，弄清實際運行后的結(jié)果是否與設(shè)想的結(jié)果相符，因此，仿真功能對于單片機的學(xué)習(xí)和開發(fā)可以起到很重要的幫助作用。
3.編程器或者下載線
其用途是將代碼寫入單片機芯片內(nèi)部。對于學(xué)習(xí)者來說，有了仿真機也可暫時不配編程器或下載線，因為有了實驗板、仿真機就可以做實驗了。但是建議配置一臺，這樣可以對單片機開發(fā)的各個環(huán)節(jié)都有所了解。
4.萬用表、電烙鐵等電子制作工具
單片機開發(fā)，不是簡單的編程，到目前為止，還少有純粹的“單片機程序員”，通常要求開發(fā)者軟、硬件方面都要熟悉，因此，這些電子制作工作還是要配備的。
需要說明的是，這里所說的仿真機、實驗板、下載線或編程器等都是就一般概念而言的，并不涉及到具體的產(chǎn)品，市場上也有一些產(chǎn)品在設(shè)計時將實驗板、仿真功能、下載或編程功能等中的一部分或者全部都集成到一塊板上，構(gòu)成一整套的實驗系統(tǒng)。
上面介紹的這些設(shè)備，都需要有一定的投入，愛好者未必一定能夠購買，其實，只要有一定動手能力，也可以自制一些簡易的實驗設(shè)備，同樣可以開始學(xué)習(xí)。這里推薦采用STC單片機進行學(xué)習(xí)的方案，STC系列單片機的特點是可以直接通過串口下載程序，從而將開發(fā)工具的成本降到最低。如圖6-1所示是一個完整的電路，器件成本僅20多元，但可以實現(xiàn)諸如單燈閃爍、流水燈、鍵控?zé)簟C控制燈等一些常用功能，從而學(xué)習(xí)基本指令、定時器、計數(shù)器、串口通信等單片機知識。
圖6-1 簡單的單片機實驗電路板
圖中R1~R9為1K電阻，D1~D8是發(fā)光二極管，E1用10u電解，Y1用11.0592M晶振，C1和C2用27P小磁片，C3~C7用104磁片，U1使用STC89C52芯片，U2用MAX232。再自制或購買一條串口電纜，用于和電腦的通信，制作線時使J1與電腦的串口端2，3，5分別相連即可。
制作好這個電路板以后，使用Keil軟件(在http://www.keil.com/demo/default.asp?bhcp=1可以下載DEMO版)編譯、鏈接程序，得到Hex文件，使用STC_ISP軟件(在http://www.mcu-memory.com下載)將Hex文件寫入芯片中，從而觀察程序運行的效果。
7.目前國內(nèi)常用的單片機有哪些?
1.80C51及其兼容系列
(1)80C51系列，這是最基本的系列。包括80C31，80C51，87C51，80C32，80C52，87C52等芯片，雖然這些芯片已基本不再使用，但它們是后續(xù)發(fā)展的芯片的基礎(chǔ)。其中80C31單片機片內(nèi)沒有ROM，80C51內(nèi)部是一次性可寫4K的PROM，87C51內(nèi)部是4K的EEPROM，這幾種芯片內(nèi)部RAM均為128字節(jié)。而后三種芯片其內(nèi)部RAM均為8K，后兩種芯片的片內(nèi)ROM為8K字節(jié)。
(2)80C51兼容系列
這些芯片通常都與51系列單片機在指令一級兼容，但都擴充了諸多的新功能。常見的主要有以下一些。
STC89系列單片機，其主要特點有：直接通過串口對單片機編程;可編程為倍速運行;超低功耗;內(nèi)置看門狗;內(nèi)部FLASH ROM可作為EEPROM作斷電保存數(shù)據(jù)之用。
STC12系列單片機，其主要特點有：單時鐘周期，工作頻率0~35M，相當(dāng)于普通80C510~420M;寬電壓范圍;低功耗;芯片內(nèi)置E2PROM功能;內(nèi)置硬件看門狗;通用I/O口可以設(shè)置為四種工作模式，在強上拉模式時可以“吐出”電流。
菲利普的LPC系列，其主要特點有：內(nèi)置RC置振蕩器，選擇RC振蕩器時不需外接振蕩器件;所有口線均有20mA的LED驅(qū)動能力;有較寬的工作電壓范圍。
C8051F系列，其主要特點有：一個機器周期僅為一個時鐘周期;增加了中斷源;有內(nèi)部獨立的時鐘源或接外部時鐘，并能在程序運行時實現(xiàn)內(nèi)、外部時鐘的切換。每個I/O口引腳都可以設(shè)置為推挽或漏極開路輸出，C8051F系列單片機I/O口最為獨特的是增加了數(shù)字交叉開關(guān)，利用數(shù)字交叉開關(guān)可將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源定向到P0、P1和P2端口I/O引腳。這個系列很多型號的芯片具有ADC、DAC、PCA等功能。
2.PIC系列
PIC單片機的發(fā)展思路與51單片機不同，它不搞單純的功能堆積，而是從實際出發(fā)，重視產(chǎn)品的性能與價格比，依靠發(fā)展多種型號來滿足不同層次的應(yīng)用要求;精簡指令使其執(zhí)行效率大為提高。目前有PIC10、PIC12、PIC16、PIC18系列數(shù)百個品種。以PIC16F676芯片為例，該芯片內(nèi)置1K字FLASH ROM，128字節(jié)EEPROM，64字節(jié)RAM，8路10位AD轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置精度高達±1%的振蕩器，極低功耗，寬工作電壓范圍，這樣一款高性能的14腳芯片，價格不到￥7，性價比相當(dāng)高。
3.AVR系列
AVR系列單片機是增強型RISC結(jié)構(gòu)的單片機，其主要特點是：速度快，一個機器周期僅為一個時鐘周期;品種豐富，與PIC系列類似，依靠發(fā)展多種型號來滿足不同層次的應(yīng)用要求;支持ISP、IAP功能，可在線編程，方便遠程維護;工作范圍寬、抗干擾能力強。以ATMEGA8芯片為例，該芯片內(nèi)置8K Flash ROM，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)的RAM，8路10位AD，內(nèi)置RC振蕩器。這樣一款高性能28引腳的芯片，價格僅在￥7左右，性價比也相當(dāng)高。
4.其他
其他常用的單片機包括：ST、EMC、摩托羅拉、三星等等。這些單片機有些市場用量很大，但我們并沒有重點介紹，因為我們介紹的內(nèi)容主要針對業(yè)余愛好者，有些芯片雖然功能強大、性價比也很高，但其并不針對業(yè)余愛好者，小批量的芯片很難買到，仿真機、C編譯器等開發(fā)工具價格極其昂貴，所以這里不作介紹，有興趣可以在網(wǎng)絡(luò)上搜索有關(guān)資料。
8.常用單片機的大致價位是多少?
單片機的價格相差很大，從小于1元到幾十元，上百元不等。下面就大致介紹一下常用單片機的價格。
單片機的價格與其出貨量、性能等有很大的關(guān)系。以80C51系列單片機為例，這是一個龐大的系列，這個系列中的單片機性能有很大差別。如內(nèi)部ROM不同，從1K~64K不等;引腳數(shù)不同，從14腳到84腳不等;內(nèi)部RAM不同，從128字節(jié)到2K不等;內(nèi)部模塊不等，如有一些單片機內(nèi)部配置了8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，有一些配置了10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，有一些內(nèi)部帶有CCP模塊等等。不同配置的單片機價格不同，一般愛好者常用的89S52單片機芯片價格約為6元左右。這款芯片片內(nèi)ROM為8K，片內(nèi)RAM為128字節(jié)，內(nèi)部有看門狗電路。一種常用的PIC單片機PIC16F676,14引腳，帶有10位的AD轉(zhuǎn)換器，價格僅7元左右。通常功能越強，價格也越高，但這并不絕對，尤其是不同廠商的同內(nèi)類產(chǎn)品，往往沒法直接加以比較，因此，讀者如希望了解各種芯片的價格，還是要針對具體的型號進行查找，有一些網(wǎng)站有相關(guān)報價，可以供參考。
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