單片機(jī)

單片機(jī)是什么，單片機(jī)就是微控制器，一種通過運(yùn)行編寫的程序?qū)崿F(xiàn)控制功能的芯片，廣泛應(yīng)用于馬達(dá)控制、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)采集、照明、小家電、玩具等各種應(yīng)用。從事電子行業(yè)的人一般稱之為MCU，也就是微控制器?，F(xiàn)在大家似乎不怎么提單片機(jī)這個(gè)詞，筆者也只記得在大學(xué)里有門課叫單片機(jī)，有些網(wǎng)絡(luò)論壇還有單片機(jī)板塊。單片機(jī)這個(gè)詞似乎只有老工程師會(huì)這么說，現(xiàn)在年輕一代的工程師很多直接用ARM來(lái)指代單片機(jī)。

其實(shí)單片機(jī)的英文名很直接地表達(dá)了其本質(zhì)，Single Chip Machine/Microcomputer/Microcontroller，其字面理解就是單芯片實(shí)現(xiàn)的微電腦、微控制器。其核心就是高度集成化，集成了CPU與存儲(chǔ)器，以及外部設(shè)備，比如定時(shí)器、GPIO、SPI、IIC等等。

圖1：典型的混合信號(hào)MCU結(jié)構(gòu)（混合信號(hào)指模擬與數(shù)字外設(shè)并存）

（圖片來(lái)源：Silicon Labs C8051f數(shù)據(jù)手冊(cè)） 由于單片機(jī)在一般電子系統(tǒng)中負(fù)責(zé)控制功能，因而從功能的角度大家又稱單片機(jī)為微控制器單元，Microcontroller Unit簡(jiǎn)稱為MCU。 為了統(tǒng)一表達(dá)，本文往下用MCU來(lái)指代單片機(jī)。 目前市面上的MCU根據(jù)其CPU系統(tǒng)的指令與數(shù)據(jù)總線寬度主要分為8位、16位或32位MCU。在早期，各大主流半導(dǎo)體廠商的8位MCU在各細(xì)分領(lǐng)域取得了巨大的成功，8位MCU主要分為大名鼎鼎的51核系列和非51系列。

圖2：眾多8位機(jī)內(nèi)核（圖片來(lái)源：貿(mào)澤電子） 在8位機(jī)時(shí)代，各廠商的MCU架構(gòu)各有特色，差異較大，若想熟練掌握某系列MCU的編程技巧，并非易事。一般多采用“祖?zhèn)鳌钡能浖到y(tǒng)架構(gòu)及驅(qū)動(dòng)代碼，很少使用標(biāo)準(zhǔn)RTOS，俗稱”裸奔“。所以工程師在熟練掌握某系列MCU后，除非迫不得已，絕不愿意使用其他系列的MCU。 32位MCU，得益于32位的指令與數(shù)據(jù)系統(tǒng)，較8位MCU，其性能更強(qiáng)大，定位為高端MCU。知名的架構(gòu)有Cold fire、MIPS32、PIC32d等。后來(lái)NXP、三星、ST等廠商推出了32位的ARM7內(nèi)核MCU，作為高端MCU產(chǎn)品，在市場(chǎng)上取得了巨大的成功。直到那時(shí)，32位MCU還是以中高端MCU的身份出現(xiàn)在市場(chǎng)，高端MCU的特征有以下幾點(diǎn)： 1 跑的快，主頻在50MHZ以上。 2 集成有大容量的ROM與RAM，并多帶有外部存儲(chǔ)器總線。 3 集成有高級(jí)外設(shè)，比如USB、以太網(wǎng)、LCD控制器等。 再后來(lái)針對(duì)傳統(tǒng)8位/16位MCU市場(chǎng)，ST率先推出了ARM Cortex-M3內(nèi)核MCU，就是現(xiàn)在處于32位MCU王者地位的STM32系列。STM32系列簡(jiǎn)單易用，使用高效的IDE工具，即使是新手也很容易使用C語(yǔ)言從main（）函數(shù)直接編寫應(yīng)用程序，不需要過多考慮系統(tǒng)的啟動(dòng)與中斷系統(tǒng)的配置。由于簡(jiǎn)單易用，市場(chǎng)占有率越來(lái)越高，不少8/16位MCU用戶都采用Cortex-M3內(nèi)核MCU來(lái)升級(jí)自己的產(chǎn)品。各主流MCU廠商紛紛推出了ARM Cortex-M3內(nèi)核MCU，也就是采用ARM Cortex-M3內(nèi)核配上自家傳統(tǒng)MCU的外設(shè)。 ARM Cortex-M3 MCU的巨大成功，催生了更高性能的Cortex-M4、Cortex-M33、Cortex-M7以及多核MCU。這些高端MCU速度達(dá)到數(shù)百M(fèi)hz，具有浮點(diǎn)運(yùn)算等數(shù)學(xué)計(jì)算能力，甚至采用了Cache技術(shù)。其應(yīng)用范圍拓展到了圖像處理領(lǐng)域，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)MCU的標(biāo)準(zhǔn)，模糊了MCU與MPU的邊界，目前與MPU的區(qū)別僅僅在于高端MCU無(wú)MMU（存儲(chǔ)器管理單元）部分，無(wú)法運(yùn)行linux/android級(jí)別的高級(jí)操作系統(tǒng)。

圖3：STM32高端MCU H7系列(Cortex-M7內(nèi)核)（圖片來(lái)源：貿(mào)澤電子） 由于這些ARM MCU啟動(dòng)與中斷系統(tǒng)是一樣的，IDE也可以是一樣的，對(duì)于開發(fā)工程師而言，選用新的ARM MCU的難度要比以前換不同架構(gòu)MCU輕松很多。 為了解決不同廠商MCU外設(shè)的差異化，ARM又提出了微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)（CMSIS：Cortex Microcontroller Software Interface Standard）。在原廠提供的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)庫(kù)的支持下，設(shè)計(jì)工程師可以非常輕松的采用不同型號(hào)MCU完成設(shè)計(jì)工作。 時(shí)至今日，針對(duì)海量需求的低端MCU市場(chǎng)，越來(lái)越多的廠商推出了Cortex M0/M0+ MCU，價(jià)格低至0.1 USD。僅中國(guó)大陸地區(qū)，就有40家以上的MCU供應(yīng)商。似乎再?zèng)]有人會(huì)想到用8位MCU去做產(chǎn)品。ARM Cortex-M核MCU已經(jīng)完全覆蓋了從主頻1GHz，帶有DRAM控制器，引腳高達(dá)兩百多，采用BGA封裝高端MCU，到主頻15MHz，20條腿的低端MCU。 由于ARM Cortex-M核MCU的普及，也難怪有人用ARM來(lái)特指MCU。 MCU市場(chǎng)如此的火爆，貿(mào)澤官網(wǎng)提供了近45,000個(gè)可選料號(hào)，并按照其架構(gòu)分為8位，16位，32位以及ARM核MCU。如有需求，相信一定能找到符合您期望的MCU。