汇春科技——“0基础”入门单片机

过去一年,“中国芯”话题一直被推在风口浪尖,始终热度不减。从中我们也会看到“MCU” “单片机” “集成电路”等名词出现。对于门外汉,相信很多小伙伴对于这方面的认知还不够清晰。如果你也是初识“单片机”的小白,那就随着小编一起来打开“单片机”的世界吧!


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01  MCU——“何方神圣”?

MCU(Microcontroller Unit;微控制单元),又称单片机(单片微型计算机的简称)。


MCU不是完成某一逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上,相当于一个微型计算机。由于单片机在工业控制领域的广泛应用,单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂的且对体积要求严格的控制设备当中。


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02  MCU——“崛起历程”

MCU萌芽于1971年11月。


单片机发展历史并不长,但发展速度十分迅猛。MCU的发展经历了初级阶段-低性能阶段-高性能阶段-全方位高水平发展阶段。MCU萌芽于1971年11月,Intel公司率先设计单片集成度为2000只晶体管的4位微处理器,并配置RAM/ROM以及移位寄存器,构成了第一台MCS-4位处理器。随着该领域的萌芽,其他公司也相继加入了MCU的研发征途,不断在这条路上完善和突破。从可以满足一般工业控制到覆盖测控系统、智能仪表、机电一体化、智能家居、智能医疗、智慧城市等领域,单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等持续地全方位、高水平发展。现如今随着物联网的快速发展,大数据、云计算、物联网、智能硬件、智能家居、5G通信、AI(人工智能)等,这些概念性的名词逐渐变成现实,近而迎来了当下单片机的“黄金时代”。


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MCU是运用集成电路技术把中央处理器(Central Process Unit;CPU)的频率与规格做适当缩减,并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口,甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上,形成芯片级的计算机。根据运用场合的不同,不同用途的MCU会集成不同组合的资源。在电子产品中,诸如手机、PC外围、遥控器,汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等,都可见到MCU的身影。不同电子产品的开发所选用的MCU也不同,MCU控制着电子产品的各项功能操作,可以说,MCU是电子产品的“灵魂”。


03  MCU——“麻雀虽小,五脏俱全”

单片机的功能部件连连看。


单片机的功能部件主要包括:

  • 中央处理单元(Ceartral Processing Unit,CPU)

  • 内存存储单元

  • 外设功能:内部外设(一般包含串口控制模块、SPI模块、I2C模块、 A/D模块、PWM模块、CAN模块EEPROM、比较器模块、定时器模块等等)和外部外设,外部外设指的是单片机外部的外围功能模块,比如键盘控制芯片,液晶,A/D转换芯片,等等。外设 可以通过单片机的I/O、SPI、I2C等总线控制。

  • 连接各种功能部件的总线


下图能使大家更直观的理解单片机的内部构造:


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现在我们了解到单片机是由CPU、内存、连接各个功能组件的总线以及不同功能的外设等部分组成的。存储器(ROM、RAM)用于保存将要执行的程序代码以及在程序中所需要用到的数据。CPU是单片机系统的大脑和中枢,它与不同地址空间的不同类型存储器(ROM、RAM)交换信息。CPU通过对存储器的读写操作与存储器进行信息的交换。CPU将获取的信息进行逻辑和算术运算,进而按照人们的意愿控制各个资源部件协调工作,以达到某种预期的目的。


04  MCU——“林林总总”

MCU分类知多少。


随着集成电路的发展,人类的生产和生活越来越趋于自动化和智能化。同时社会对科技发展的需求也逐渐提高,使得集成电路产业持续快速发展。目前我们生产和生活中接触到的电子以及机械自动化产品中都集成有单片机。通信设备、家用电器、电子玩具、智能医疗设备、照明系统、以及工业控制等领域都离不开单片机。为了适应不同应用场合的需求,MCU也在与时俱进,种类越来越丰富。以下仅列举几种常见的分类方式:


根据数据位数不同进行分类:


  • 4位MCU:内部数据或总线是4位宽度,ALU执行半字节长度的逻辑和算术运算。

4位单片机结构简单,价格便宜,适合用于控制单一小型电子类产品。目前随着8位单片机市场激烈的竞争,8位单片机更高的性能以及日趋低廉的价格优势,使得8位单片机逐渐替代了4位单片机的市场。


  • 8位MCU:内部数据或总线长度是8位宽度,ALU按顺序执行一个字节长度的逻辑和算术运算。

8位单片机是目前品种最为丰富、应用最为广泛的单片机,目前,8位单片机主要分为51系列和非51系列。汇春科技公司为例,MDT51F60X、YS8S003等属于51系列8位单片机; MDT10F272、MDT10F271、MDT10F687等属于非51系列8位单片机。


  • 16位MCU:内部数据或总线是16位宽度,ALU可以进行16位操作数的算术和逻辑运算。

与8位单片机相比,16位单片机的运算处理时间更快。8位单片机发展时间长,价格优势明显,在许多应用场合都能够胜任开发任务。16位单片机在功能上相对强大,只在某些特定的场合使用,8位单片机依旧占据较大市场份额。


  • 32位-内部数据或总线是32位宽度,ALU可以执行32位操作数的逻辑和算术运算。

32位单片机运行速度和性能大幅提高,随着技术的不断突破以及价格的下降,未来32位单片机将会与8位单片机并驾齐驱。目前主流的32位单片机大多数采用ARM系列处理器内核。


根据单片机的适用范围进行分类:


  • 通用型

通用型单片机不是为某种专门用途而设计的,涵盖大部分MCU相关资源(ROM、RAM、I/O、Timer、PWM等),可以用于多种电子产品的开发。通常通用型MCU会集成不同组合的资源,为电子产品的开发提供多种选择。以汇春科技公司的芯片为例,MDT10F272就属于通用型MCU,可以用于烟雾报警器、榨汁杯、豆浆机、烟感等多种电子产品的开发。


  • 专用型

专用型MCU是为某一类产品或者某一个产品而专门设计和生产的MCU。专用型MCU只集成该类产品开发所需要的相关资源,可以大大节约产品开发成本,提升市场竞争优势。以汇春科技公司的专营芯片为例,MDT10F272O以及MDT10F685O均为专用型的MCU。这两颗芯片专用于无线充产品的开发,只提供足够无线充产品开发所需的资源,目的是大大降低BOM成本,提升市场价格竞争优势。


根据存储类型进行分类:


MASK(掩膜)ROM:该类型单片机是指程序数据已经做成光刻版,程序在出厂时已经固化,该类型的单片机程序可靠、成本低廉,但是对批量要求比较大,每次修改程序就需要重新制作光刻版,不同程序不能同时生产,供货周期比较长。


OTP(One Timer Programable):是一次性可编程,程序烧进单片机以后,便不能再次更改和清除.该类单片机备货灵活、程序可以根据不同批次随时修改,供货周期快,没有批量要求,成本低廉。以汇春科技公司的芯片为例,MDT10P509、MDT2010即为OTP类型的MCU。


MTP(multiple time programmable):可以多次烧录程序的MCU,程序烧录进单片机以后,可以重复的更改和清除程序,开发调试方便,价格也日趋低廉且性能出色。以汇春科技公司的芯片为例,MDT10F272、MDT10F271、YS65F804等为此类型的MCU。

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