单片机基础知识

一.单片机的基本概念
二.单片机的分类
-2.1.4位单片机
-2.2.8位单片机
-2.3.16位单片机
-2.4.32位单片机
三.单片机的应用领域
四.单片机最小系统
五.单片机的常用外设
六.知名单片机产品
七.电控系统的单片机选型
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# 单片机基础知识

## 一.单片机的基本概念<a name="单片机的基本概念"></a>

单片机又称微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机相当于一个微型的计算机主机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备（鼠标键盘显示器）。概括的讲：一块单片机芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

单片机诞生于20世纪70年代末，它是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。单片机具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统。同时集成诸如通信接口、定时器、ADC等外围设备。

## 二.单片机的分类<a name="单片机的分类"></a>

单片机的分类方法有很多，比如按照字长分类，按照指令集分类，按照用途分类等等。其中最具代表性的是按照字长分类，分为4位单片机、8位单片机、16位单片机与32位单片机。

### 2.1.4位单片机<a name="4位单片机"></a>

4位单片机一次运算只能处理4位二进制数，4位单片机的成本与价格非常低。它更多的是应用在小型电子产品中，用来控制单个产品，像是我们常见的鼠标、操纵杆、充电器以及小的电子玩具之类的，都有4位单片机的存在。

### 2.2.8位单片机<a name="8位单片机"></a>

8位单片机的功能相比4位单片机有了很大提升，最知名的8位单片机是51系列单片机，也是目前最常见，目前应用最多的一种单片机。8位单片机的种类非常丰富，所以它能适用的产品也多，市场自然也就比较广阔。

### 2.3.16位单片机<a name="16位单片机"></a>

16位单片机的性能相比8位单片机有很大提升，它的数据计算能力和速度都有明显的提高。16位单片机的典型产品有恩智浦S12系列与德州仪器MSP430系列。16位单片机目前由于受到32位单片机的挤压，市场前景一般。

### 2.4.32位单片机<a name="32位单片机"></a>

32位单片机的字长为32位，运算速度快，内存空间大，是单片机中的高端产品。目前，无论是嵌入式电控系统还是工业自动化控制系统，都选用32位单片机为主。32位单片机的应用领域覆盖汽车电子控制系统，工程机械与农业机械电子控制系统，轨道车辆电子控制系统，航空电子控制系统等。

## 三.单片机的应用领域<a name="单片机的应用领域"></a>

单片机的使用领域已十分广泛几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，在智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

**1、在智能仪器仪表中的应用**

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。

**2、在工业控制中的应用**

用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管芯片理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

**3、在家用电器中的应用**

可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。

**4、在计算机网络和通信领域中的应用**

现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

**5、在医用设备领域中的应用**

单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

**6、在各种大型电器中的模块化应用**

某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中，就需要复杂的类似于计算机的原理。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。

**7、在汽车设备领域中的应用**

单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，GPS导航系统，ABS防抱死系统，制动系统等等。

## 四.单片机最小系统<a name="单片机最小系统"></a>

单片机最小系统是由单片机芯片外部接上时钟电路、复位电路和电源构成的一个基本应用系统。主要包含的部分：单片机、时钟电路、复位电路、电源电路、程序加载口。

时钟电路的主要器件为晶振，为单片机提供时钟。

复位电路的作用是将单片机程序复位到初始状态，当系统上电时或者程序出问题时会使用。

电源电路是为单片机系统进行供电。

程序加载口是可以将编写好的单片机程序加载并运行。

## 五.单片机的常用外设<a name="单片机的常用外设"></a>

单片机需要接收外部信号的输入，进行运算之后输出，因此除了CPU与内存之外，单片机还需要外设。单片机的常用外设包括：

1. GPIO：General-purpose input/output，通用目的输入输出，GPI用于接收外部数字信号，GPO用于输出数字信号。通常单片机的大部分管脚（除了电源专用管脚）都可以工作在GPIO模式。

2. ADC：Analog to Digital Converter，模拟数字转换器，将模拟信号转换为数字信号以便于CPU进一步处理。

3. Timer：定时器，用于各种定时功能，比如频率测量，PWM输出等。

4. CAN/CAN FD：CAN/CAN FD总线控制器，详见《[CAN总线基础知识](./canbasic.html)》、《[CAN FD基础知识](./canfd.html)》。

5. Ethernet：以太网控制器，详见《[计算机网络基础知识](https://www.cnblogs.com/maybe2030/p/4781555.html)》。

6. SPI：Serial Peripheral Interface，详见《[SPI基础知识](./spi.html)》。

7. UART：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，详见《[UART基础知识](./uart.html)》。

8. I2C：Inter-Integrated Circuit，详见《[I2C基础知识](./i2c.html)》。

## 六.知名单片机产品<a name="知名单片机产品"></a>

知名单片机产品较多，此处只列举电控系统中较为常用的单片机产品

- 恩智浦：S32K系列，比如S32K344。

- 英飞凌：TriCore系列，比如TC397。

- 意法半导体：STM32系列，比如STM32F407。

- 德州仪器：C2000系列，比如TMS320F28335。

## 七.电控系统的单片机选型<a name="电控系统的单片机选型"></a>

电控系统的单片机选型主要考虑五个因素（不包括非技术因素）：

1. 根据应用场合选择芯片等级，通常车规级优于工业级优于消费级，车规级芯片可以用于车载或者非车载，工业级芯片用于车载时需要充分考虑各种风险因素（比如环境温度，静电防护等级，失效率等）。

2. 根据应用场合选择CPU性能，比如同为Cortex-M内核的单片机，M0~M7运算性能逐步增强，简单电控系统只需要M0内核的单片机，复杂电控系统则需要M7内核的单片机。

3. 根据软件的复杂程度选择内存，目前主流32位单片机的SRAM在8KB~1MB之间，简单电控系统只需要8KB或者16KB的SRAM，复杂电控系统则需要100KB以上的SRAM。通常，单片机的SRAM越大，匹配的FLASH也越大，大部分情况下并不需要刻意选择单片机的FLASH。

4. 根据ECU的IO需求选择外设，比如CAN/CAN FD通道的数量，UART的数量，ADC的数量，Ethernet的数量等。

5. 根据功能安全要求选择不同功能安全等级的单片机，比如对于整车控制器VCU，通常要求使用ASIL-D的单片机。

6. 根据ECU的IO需求选择芯片封装，同一系列的单片机往往会提供不同形式的封装，常见的比如100PIN，144PIN，176PIN等。引脚数量少的封装通常成本低一些占用的PCB电路板面积也比较小。如果ECU的IO数量较少，可以选择100PIN或者引脚更少的封装。如果ECU的IO数量较多，可以选择176PIN或者引脚更多的封装。