1.1 微控制器的概念、特点与发展

随着微电子技术的不断发展，计算机技术也得到迅速发展，并且由于芯片的集成度的提高而使计算机微型化，出现了单片微型计算机（Single Chip Microcomputer），简称单片机，也可称为微控制器MCU（Micro Controller Unit）。单片机，即集成在一块芯片上的计算机，集成了中央处理器CPU（Central Processing Unit）、随机存储器RAM（Random Access Memory）、只读存储器（Read Only Memory）、定时器/计数器以及I/O接口电路等主要计算机部件。

单片机具有功能强、体积小、成本低、功耗小、配置灵活等特点，使其在工业控制、智能仪表、技术改造、通信系统、信号处理等领域以及家用电器、高级玩具、办公自动化设备等方面均得到应用。

随着大规模、超大规模集成电路技术的发展，单片机内还可以包含模/数（A/D）转换器、数/模（D/A）转换器、高速输入/输出部件、直接存储器访问通道（DMA通道）、脉宽调制电路（PWM）、看门狗定时器（WDT）、浮点运算等新的特殊功能部件，从而构成一个小而完善的计算机系统。

由于单片机的结构和指令功能都是按照工业控制要求设计的，特别适合于工业控制及与控制有关的数据处理场合，国际上已经将其正式命名为微控制器（Micro Controller Unit，MCU），单片机是其习惯称呼。

从1976年9月Intel公司推出MCS-48系列单片机以来，世界上的一些著名的器件公司都纷纷推出各自系列的单片机产品。主要有Intel公司的MCS-48、51、96系列单片机；Motorola公司的MC6801、6805系列单片机；ZiLOG公司的Z8系列单片机；近年有Atmel公司的AT89系列单片机和Microchip公司的PIC系列单片机等。各种系列的单片机由于其内部功能、单元组成及指令系统的不尽相同，形成了各具特色的系列产品。其中Intel公司生产的MCS系列单片机目前仍占市场主导地位。如图1.1所示为Atmel公司生产的AT89系列单片机的实物图。

单片机作为微型计算机的一个分支，同样具有快速、精确、记忆功能和逻辑判断能力强等特点，而且在硬件结构和指令设置上也具有其独到之处，主要特点有：

（1）体积小，重量轻；价格低，功能强；电源单一，功耗低；可靠性高，抗干扰能力强。这是单片机得到迅速普及和发展的主要原因。同时由于它的功耗低，后期投入成本也大大降低。

（2）使用方便灵活、通用性强。由于单片机本身就构成一个最小系统，只要根据不同的控制对象进行相应的改变即可，因而它具有很强的通用性。

（3）目前大多数单片机采用哈佛（Harvard）结构体系。单片机的数据存储器空间和程序存储器空间相互独立。单片机主要面向测控对象，通常有大量的控制程序和比较少的随机数据。为了将程序和数据分开，单片机使用较大容量的程序存储器来固化程序代码，使用较小容量的数据存储器来存取随机数据。程序在只读存储器ROM中运行，不易受外界侵害，可靠性高。

（4）突出控制功能的指令系统。单片机的指令系统中有大量的单字节指令，可以提高指令运行速度和操作效率；有丰富的位操作指令，满足了对开关量控制的要求；有丰富的转移指令，包括无条件转移指令和条件转移指令。

（5）较低的处理速度和较小的存储容量。因为单片机是一种小而全的微型机系统，它是牺牲运算速度和存储容量来换取其体积小、功耗低等特色的。

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，将进一步向着低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。单片机的主要发展趋势如表1.1所示。