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匯春科技——“0基礎”入門單片機

過去一年,“中國芯”話題一直被推在風口浪尖,始終熱度不減。從中我們也會看到“MCU” “單片機” “集成電路”等名詞出現。對于門外漢,相信很多小伙伴對于這方面的認知還不夠清晰。如果你也是初識“單片機”的小白,那就隨著小編一起來打開“單片機”的世界吧!


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01  MCU——“何方神圣”?

MCU(Microcontroller Unit;微控制單元),又稱單片機(單片微型計算機的簡稱)。


MCU不是完成某一邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統集成到一個芯片上,相當于一個微型計算機。由于單片機在工業控制領域的廣泛應用,單片機由芯片內僅有CPU的專用處理器發展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU集成在一個芯片中,使計算機系統更小,更容易集成進復雜的且對體積要求嚴格的控制設備當中。


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02  MCU——“崛起歷程”

MCU萌芽于1971年11月。


單片機發展歷史并不長,但發展速度十分迅猛。MCU的發展經歷了初級階段-低性能階段-高性能階段-全方位高水平發展階段。MCU萌芽于1971年11月,Intel公司率先設計單片集成度為2000只晶體管的4位微處理器,并配置RAM/ROM以及移位寄存器,構成了第一臺MCS-4位處理器。隨著該領域的萌芽,其他公司也相繼加入了MCU的研發征途,不斷在這條路上完善和突破。從可以滿足一般工業控制到覆蓋測控系統、智能儀表、機電一體化、智能家居、智能醫療、智慧城市等領域,單片機在集成度、功能、速度、可靠性、應用領域等持續地全方位、高水平發展。現如今隨著物聯網的快速發展,大數據、云計算、物聯網、智能硬件、智能家居、5G通信、AI(人工智能)等,這些概念性的名詞逐漸變成現實,近而迎來了當下單片機的“黃金時代”。


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MCU是運用集成電路技術把中央處理器(Central Process Unit;CPU)的頻率與規格做適當縮減,并將內存(memory)、計數器(Timer)、USB、A/D轉換、UART、PLC、DMA等周邊接口,甚至LCD驅動電路都整合在單一芯片上,形成芯片級的計算機。根據運用場合的不同,不同用途的MCU會集成不同組合的資源。在電子產品中,諸如手機、PC外圍、遙控器,汽車電子、工業上的步進馬達、機器手臂的控制等,都可見到MCU的身影。不同電子產品的開發所選用的MCU也不同,MCU控制著電子產品的各項功能操作,可以說,MCU是電子產品的“靈魂”。


03  MCU——“麻雀雖小,五臟俱全”

單片機的功能部件連連看。


單片機的功能部件主要包括:

  • 中央處理單元(Ceartral Processing Unit,CPU)

  • 內存存儲單元

  • 外設功能:內部外設(一般包含串口控制模塊、SPI模塊、I2C模塊、 A/D模塊、PWM模塊、CAN模塊EEPROM、比較器模塊、定時器模塊等等)和外部外設,外部外設指的是單片機外部的外圍功能模塊,比如鍵盤控制芯片,液晶,A/D轉換芯片,等等。外設 可以通過單片機的I/O、SPI、I2C等總線控制。

  • 連接各種功能部件的總線


下圖能使大家更直觀的理解單片機的內部構造:


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現在我們了解到單片機是由CPU、內存、連接各個功能組件的總線以及不同功能的外設等部分組成的。存儲器(ROM、RAM)用于保存將要執行的程序代碼以及在程序中所需要用到的數據。CPU是單片機系統的大腦和中樞,它與不同地址空間的不同類型存儲器(ROM、RAM)交換信息。CPU通過對存儲器的讀寫操作與存儲器進行信息的交換。CPU將獲取的信息進行邏輯和算術運算,進而按照人們的意愿控制各個資源部件協調工作,以達到某種預期的目的。


04  MCU——“林林總總”

MCU分類知多少。


隨著集成電路的發展,人類的生產和生活越來越趨于自動化和智能化。同時社會對科技發展的需求也逐漸提高,使得集成電路產業持續快速發展。目前我們生產和生活中接觸到的電子以及機械自動化產品中都集成有單片機。通信設備、家用電器、電子玩具、智能醫療設備、照明系統、以及工業控制等領域都離不開單片機。為了適應不同應用場合的需求,MCU也在與時俱進,種類越來越豐富。以下僅列舉幾種常見的分類方式:


根據數據位數不同進行分類:


  • 4位MCU:內部數據或總線是4位寬度,ALU執行半字節長度的邏輯和算術運算。

4位單片機結構簡單,價格便宜,適合用于控制單一小型電子類產品。目前隨著8位單片機市場激烈的競爭,8位單片機更高的性能以及日趨低廉的價格優勢,使得8位單片機逐漸替代了4位單片機的市場。


  • 8位MCU:內部數據或總線長度是8位寬度,ALU按順序執行一個字節長度的邏輯和算術運算。

8位單片機是目前品種最為豐富、應用最為廣泛的單片機,目前,8位單片機主要分為51系列和非51系列。匯春科技公司為例,MDT51F60X、YS8S003等屬于51系列8位單片機; MDT10F272、MDT10F271、MDT10F687等屬于非51系列8位單片機。


  • 16位MCU:內部數據或總線是16位寬度,ALU可以進行16位操作數的算術和邏輯運算。

與8位單片機相比,16位單片機的運算處理時間更快。8位單片機發展時間長,價格優勢明顯,在許多應用場合都能夠勝任開發任務。16位單片機在功能上相對強大,只在某些特定的場合使用,8位單片機依舊占據較大市場份額。


  • 32位-內部數據或總線是32位寬度,ALU可以執行32位操作數的邏輯和算術運算。

32位單片機運行速度和性能大幅提高,隨著技術的不斷突破以及價格的下降,未來32位單片機將會與8位單片機并駕齊驅。目前主流的32位單片機大多數采用ARM系列處理器內核。


根據單片機的適用范圍進行分類:


  • 通用型

通用型單片機不是為某種專門用途而設計的,涵蓋大部分MCU相關資源(ROM、RAM、I/O、Timer、PWM等),可以用于多種電子產品的開發。通常通用型MCU會集成不同組合的資源,為電子產品的開發提供多種選擇。以匯春科技公司的芯片為例,MDT10F272就屬于通用型MCU,可以用于煙霧報警器、榨汁杯、豆漿機、煙感等多種電子產品的開發。


  • 專用型

專用型MCU是為某一類產品或者某一個產品而專門設計和生產的MCU。專用型MCU只集成該類產品開發所需要的相關資源,可以大大節約產品開發成本,提升市場競爭優勢。以匯春科技公司的專營芯片為例,MDT10F272O以及MDT10F685O均為專用型的MCU。這兩顆芯片專用于無線充產品的開發,只提供足夠無線充產品開發所需的資源,目的是大大降低BOM成本,提升市場價格競爭優勢。


根據存儲類型進行分類:


MASK(掩膜)ROM:該類型單片機是指程序數據已經做成光刻版,程序在出廠時已經固化,該類型的單片機程序可靠、成本低廉,但是對批量要求比較大,每次修改程序就需要重新制作光刻版,不同程序不能同時生產,供貨周期比較長。


OTP(One Timer Programable):是一次性可編程,程序燒進單片機以后,便不能再次更改和清除.該類單片機備貨靈活、程序可以根據不同批次隨時修改,供貨周期快,沒有批量要求,成本低廉。以匯春科技公司的芯片為例,MDT10P509、MDT2010即為OTP類型的MCU。


MTP(multiple time programmable):可以多次燒錄程序的MCU,程序燒錄進單片機以后,可以重復的更改和清除程序,開發調試方便,價格也日趨低廉且性能出色。以匯春科技公司的芯片為例,MDT10F272、MDT10F271、YS65F804等為此類型的MCU。

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