【致敬未来的攻城狮计划】连续打卡第3天+单片机基础

开启攻城狮的成长之旅！这是我参与的由 CSDN博客专家 架构师李肯（http://yyds.recan-li.cn）和 瑞萨MCU （https://www.renesas.cn/cn/zh） 联合发起的「 致敬未来的攻城狮计划 」的第 3 天，点击查看活动计划详情 （https://bbs.csdn.net/topics/613916237）！

主要讲述单片机的系统结构、单片机处理器的分类和应用场景。

微处理器概述

微型计算机工作概述

微型计算机是由大规模集成电路组成的、体积较小的电子计算机。它是以微处理器为基础，配以内存储器及输入输出(I/O)接口电路和相应的辅助电路而构成的裸机。

• 单纯的微处理器和单纯的微型计算机都不能独立工作，只有微型计算机系统才是完整的信息处理系统，才具有实用意义。
• 一个完整的微型计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。硬件系统由运算器、控制器、存储器（含内存、外存和缓存）、各种输入输出设备组成，采用“指令驱动”方式工作。

指令集

计算机指令就是指挥机器工作的指示和命令，程序就是一系列按一定顺序排列的指令，执行程序的过程就是计算机的工作过程。指令集，就是CPU中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合，而每种新型的CPU在设计时就规定了一系列与其他硬件电路相配合的指令系统。而指令集的先进与否，也关系到CPU的性能发挥，它也是CPU性能体现的一个重要标志。每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效的工具之一。

ARM常用指令

微处理器的体系架构

嵌入式系统硬件架构的核心是处理器（CPU），负责从内存中取指令、译码并执行，在指令执行过程中进行相关数据运算。

根据处理器指令和数据存取实现方式不同，分为冯·诺伊曼结构和哈佛结构两种体系结构：

• 冯·诺伊曼结构，也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。
• 哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构，哈佛结构是一种并行结构。

微处理器的分类

按照子长宽度分：

嵌入式微控制器MCU：

• 4位处理器
• 8位处理器
• 16位处理器

嵌入式微处理器EMPU：

• 32位处理器
• 64位处理器

按照系统集成度分：

• 一般用途型微处理器：处理器内部仅包含单纯的CPU单元。
• 单芯片微控器（MCU）：将CPU、ROM、RAM及I/O等部件集成到同一个芯片中。

按照用途分：

• 嵌入式微控制器MCU，MCU上外设资源一般比较丰富，适合做控制用。
• 嵌入式微处理器EMPU，EMPU采用“增强型”通用微处理器。由于嵌入式系统通常应用于比较恶劣的环境中，因而嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼容性以及可靠性方面的要求较通用的标准微处理器高。
• 嵌入式DSP处理器，由大规模或超大规模集成电路芯片组成的用来完成数字信号处理任务的处理器。
• 嵌入式片上系统SoC，指的是在单个芯片上集成一个完整的系统，对所有或部分必要的电子电路进行包分组的技术，如CPU、存储器以及外围电路等，部分SoC还封装了网络芯片、人工智能芯片等功能。

单片机概述

单片机组成

MCU也叫单片机，MCU是指将CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上、形成芯片级的芯片。

内部除了CPU外还有RAM、ROM，可以直接加简单的外围器件（电阻、电容）就可以运行代码了。

单片机的应用系统

51系列单片机

51系列单片机是应用最广泛的的8位单片机，最早由Intel推出，是对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。

优点：

• 能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等。
• 能进行位的逻辑运算。
• I/O口的使用简单。

缺点：

• A/D、EEPROM等功能需要靠扩展，增加了硬件和软件负担。
• I/O口的带载能力相对较弱。
• 运行速度相对较慢。

MSP430系列单片机

MSP430系列单片机是德州仪器1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器，最大的亮点是功耗低而且速度快。

优点：

• 强大的处理能力，运算速度快，精简汇编指令，源码高效。
• 丰富的片上外围模块，集成了看门狗WDT、ADC、I2C总线和DMA等。
• 超低功耗。

缺点：

• 不适合初学者入门，资料也比较少。
• 占的指令空间较大，是16位单片机，程序以字节为单位，程序简洁，但空间占用很大。

PIC单片机

PIC单片机系列是微芯公司的产品，共分为三个级别：基本级、中级、高级，CPU采用RISC指令结构和哈弗双总线结构，运行速度快。

优点：

• 低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。
• 各个型号的兼容性强，功能全，型号多。
• 抗干扰能力强。

缺点：

• 成本较高。
• 解密容易。
• 寄存器的配置较为复杂。

STM32单片机/EMCU-ARM系列

STM32单片机是意法半导体（ST）推出的性价比超高的系列单片机，功能极其强大，基于高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M内核，具有一流的外设：1的双12位ADC，4Mb/s的UART，18Mb/s的SPI等。

优点：

• 低功耗、低成本、高性能等特点。
• 集成度高、外设丰富，基本上都需要外部的硬件扩展。
• 运算处理速度较快。

缺点：

• 相对复杂，不适合初学者。
• 多路的信号处理就需要很多片DSP来并行处理。

AVR单片机

AVR单片机是Atmel公司推出的增强型内置Flash的RISC指令集高速8位单片机，他取消了机器周期，以时间周期为指令周期，实行流水作业。

AVR单片机指令以字为单位，且大部分指令都为单周期指令，而单周期既可执行本指令功能，还可以同时完成下一条指令的读取。

优点：

• 低功耗、高速度、高性能等特点。
• I/O口具有方向控制寄存器，可以对输入输出进行控制。
• 驱动能力优于51单片机，指令周期执行较短。

缺点：

• C语言的写法与51单片机的C语言差异大，初学难度较大。
• 没有位操作，都是以字节形式来控制和判断相关寄存器位。

飞思卡尔单片机

Freescale系列单片机采用哈佛结构和流水线指令结构，在许多领域内都表现出低功耗，高性能的特点，它的体系结构为产品的开发节省了大量时间。此外，Freescale提供了多种集成模块和总线接口，可以在不同的系统中更灵活的自由发挥。

优点：

• 低功耗、高性能等特点。
• 可靠性高，抗干扰性强，多种引脚和封装选择。
• 单片机系列全，涵盖8位到32位全系列单片机。
• 提供了多种集成模块和总线接口。

缺点：

• 相对成本较高，需要对寄存器进行操作，学习资源较少。
• 开发难度相对51单片机更大，不适用于初学者学习。

单片机系统的应用

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，因此广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。