單片機

單片機是什么，單片機就是微控制器，一種通過運行編寫的程序?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。現(xiàn)在大家似乎不怎么提單片機這個詞，筆者也只記得在大學(xué)里有門課叫單片機，有些網(wǎng)絡(luò)論壇還有單片機板塊。單片機這個詞似乎只有老工程師會這么說，現(xiàn)在年輕一代的工程師很多直接用ARM來指代單片機。

其實單片機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與存儲器，以及外部設(shè)備，比如定時器、GPIO、SPI、IIC等等。

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

（圖片來源：Silicon Labs C8051f數(shù)據(jù)手冊） 由于單片機在一般電子系統(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為微控制器單元，Microcontroller Unit簡稱為MCU。 為了統(tǒng)一表達(dá)，本文往下用MCU來指代單片機。 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位機內(nèi)核（圖片來源：貿(mào)澤電子） 在8位機時代，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，其性能更強大，定位為高端MCU。知名的架構(gòu)有Cold fire、MIPS32、PIC32d等。后來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，在市場上取得了巨大的成功。直到那時，32位MCU還是以中高端MCU的身份出現(xiàn)在市場，高端MCU的特征有以下幾點： 1 跑的快，主頻在50MHZ以上。 2 集成有大容量的ROM與RAM，并多帶有外部存儲器總線。 3 集成有高級外設(shè)，比如USB、以太網(wǎng)、LCD控制器等。 再后來針對傳統(tǒng)8位/16位MCU市場，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系列簡單易用，使用高效的IDE工具，即使是新手也很容易使用C語言從main（）函數(shù)直接編寫應(yīng)用程序，不需要過多考慮系統(tǒng)的啟動與中斷系統(tǒng)的配置。由于簡單易用，市場占有率越來越高，不少8/16位MCU用戶都采用Cortex-M3內(nèi)核MCU來升級自己的產(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Mhz，具有浮點運算等數(shù)學(xué)計算能力，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MMU（存儲器管理單元）部分，無法運行linux/android級別的高級操作系統(tǒng)。

圖3：STM32高端MCU H7系列(Cortex-M7內(nèi)核)（圖片來源：貿(mào)澤電子） 由于這些ARM MCU啟動與中斷系統(tǒng)是一樣的，IDE也可以是一樣的，對于開發(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)動庫的支持下，設(shè)計工程師可以非常輕松的采用不同型號MCU完成設(shè)計工作。 時至今日，針對海量需求的低端MCU市場，越來越多的廠商推出了Cortex M0/M0+ MCU，價格低至0.1 USD。僅中國大陸地區(qū)，就有40家以上的MCU供應(yīng)商。似乎再沒有人會想到用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來特指MCU。 MCU市場如此的火爆，貿(mào)澤官網(wǎng)提供了近45,000個可選料號，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。