单片机也被称为单片微控器，属于一种集成式电路芯片。在单片机中主要包含CPU、只读存储器ROM和随机存储器RAM等，相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。多样化数据采集与控制系统能够让单片机完成各项复杂的运算，无论是对运算符号进行控制，还是对系统下达运算指令都能通过单片机完成。单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。下文会详细介绍什么是单片机，包括其特点、组成部分、工作原理、基本结构、分类、应用领域、及主流厂商等。

什么是单片机？

　　单片机(Single-Chip Microcomputer)是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。

　　单片机又称单片微控制器，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块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。

单片机有什么样的特点？

　　具有优异的性价比

　　单片机的这种高性能、低价格是它最显著的一个特点。单片机可以尽可能的应用所需要的存储器，各种功能的I/O口都集成在一个芯片内，使之成为名副其实的单片机。有的单片机为了提高速度和执行效率，开始采用了RISC流水线和DSP的技术。使单片机的性能明显的优于同性能的微处理器，有的单片机ROM可达64KB，片内可达2KB，单片机的寻址以突破64KB的限制，八位和十六位单片机寻址可达1MB和16MB。

　　单片机的另一个显著的特点是量大面广，因为世界上各大公司在提高单片机性能的同时，进一步降低价格，性能/价格之比是各个公司竞争的主要策略。

　　集成度高、体积小、可靠性高 

　　单片机把各个功能部件都集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连接，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣的环境下工作。

　　控制功能强

　　单片机是电子计算机这个庞大家庭的一个特是产品，体积虽小，但“五脏俱全”，它非常适合用于专门的控制用途。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中有极其丰富的转移指令，I/O口的逻辑操作以及为处理器功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微型计算机。

　　低电压、低功耗

　　单片机大量应用于便携式产品和家用消费产品，低电压和低功耗的特点尤为重要。许多单片机已可以在2.3.V的电压下运行，有的以突破1.2V或0.9V下工作;功耗至微按级，一个纽扣电池就可以使其长期使用。 

单片机是由哪几部分组成的？

单片机的组成部分包括：中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、随机存储器（RAM）、I/O设备。

中央处理器是单片机的核心单元，通常由算术逻辑运算部件（ALU）和控制部件构成。CPU就像人的大脑一样，决定了单片机的运算才能和处理速度。

ROM拿来寄存用户程序，分为EPROM、Mask ROM、OTP ROM和Flash ROM等。我们的ROM一般情况来说能够反复运用，而且掉电内容也还在。

RAM拿来寄存程序运行时的工作变量和数据，由于RAM的制作工艺复杂，价格比ROM高得多，所以单片机的内部RAM非常宝贵，通常仅有几十到几百字节。RAM的内容具有易失性（也称为易挥发性），掉电后数据会丢失。

I/O口就是与外围设备连接，进行数据传输或者控制。

单片机的工作原理是怎样的？

统一的时钟节拍

(1)这里有一个概念叫：同步。同步就是好多个独立的部分按照同一个节奏步调来动，以此来实现一个配合。

(2)和同步相对的一个概念叫异步，异步就是各自干各自的。

(3)单片机的各个模块之间是同步工作的，CPU和存储器和IO和单片机中其他东西这些模块之间通过一个统一的节拍来同步工作，这个统一节拍就是单片机的时钟。

(4)这个时钟节拍对单片机很重要，单片机内部在一个时钟节拍中只能做一件事情。所以单片机要发生一些变化或者做一些事情，最小的时间单位就是1个时钟节拍。单片机的时间单位都是时钟节拍的整数倍。

(5)单片机中的CPU、存储器、IO等都是以时钟节拍为动作节拍的，所以单片机是一个同步系统。

(6)时钟周期的长度（时钟节拍的快慢）影响了单片机的速度，所以这个时钟就叫做单片机的主频。主频越高性能越高，一般PC的主频都是2G多3G多，51单片机的主频MHz级别。一般手机CPU的主频也在1G-2G左右。一般高级单片机如STM32的主频在百MHz级别。

单片机的基本结构介绍

　　1.运算器

　　运算器由运算部件——算术逻辑单元(Arithmetic & Logical Unit，简称ALU)、累加器和寄存器等几部分组成。ALU的作用是把传来的数据进行算术或逻辑运算，输入来源为两个8位数据，分别来自累加器和数据寄存器。ALU能完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。例如，两个数6和7相加，在相加之前，操作数6放在累加器中，7放在数据寄存器中，当执行加法指令时，ALU即把两个数相加并把结果13存入累加器，取代累加器原来的内容6。

　　运算器有两个功能：

　　(1) 执行各种算术运算。

　　(2) 执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。

　　运算器所执行全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，并且，一个算术操作产生一个运算结果，一个逻辑操作产生一个判决。

　　2.控制器

　　控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令的“决策机构”，即协调和指挥整个微机系统的操作。其主要功能有：

　　(1) 从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。

　　(2) 对指令进行译码和测试，并产生相应的操作控制信号，以便于执行规定的动作。

　　(3) 指挥并控制CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。

　　微处理器内通过内部总线把ALU、计数器、寄存器和控制部分互联，并通过外部总线与外部的存储器、输入输出接口电路联接。外部总线又称为系统总线，分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。通过输入输出接口电路，实现与各种外围设备连接。

　　3.主要寄存器

　　(1)累加器A

　　累加器A是微处理器中使用最频繁的寄存器。在算术和逻辑运算时它有双功能：运算前，用于保存一个操作数;运算后，用于保存所得的和、差或逻辑运算结果。

　　(2)数据寄存器DR

　　数据寄存器通过数据总线向存储器和输入/输出设备送(写)或取(读)数据的暂存单元。它可以保存一条正在译码的指令，也可以保存正在送往存储器中存储的一个数据字节等等。

　　(3)指令寄存器IR和 指令译码器ID

　　指令包括操作码和操作数。指令寄存器是用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存中取到数据寄存器中，然后再传送到指令寄存器。当系统执行给定的指令时，必须对操作码进行译码，以确定所要求的操作，指令译码器就是负责这项工作的。其中，指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。

　　(4)程序计数器PC

　　PC用于确定下一条指令的地址，以保证程序能够连续地执行下去，因此通常又被称为指令地址计数器。在程序开始执行前必须将程序的第一条指令的内存单元地址(即程序的首地址)送入PC，使它总是指向下一条要执行指令的地址。

　　(5)地址寄存器AR

　　地址寄存器用于保存当前CPU所要访问的内存单元或I/O设备的地址。由于内存与CPU之间存在着速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存读/写操作完成为止。

显然，当CPU向存储器存数据、CPU从内存取数据和CPU从内存读出指令时，都要用到地址寄存器和数据寄存器。同样，如果把外围设备的地址作为内存地址单元来看的话，那么当CPU和外围设备交换信息时，也需要用到地址寄存器和数据寄存器。

单片机的分类有哪些？

　　单片机(Microcontrollers)作为计算机发展的一个重要分支领域，根据发展情况，从不同角度，单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。

　　通用型

　　这是按单片机(Microcontrollers)适用范围来区分的。例如，80C51式通用型单片机，它不是为某种专门用途设计的;专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。

　　总线型

　　这是按单片机(Microcontrollers)是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、 数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。

　　控制型

　　这是按照单片机(Microcontrollers)大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强;用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。 显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。

单片机的应用领域有哪些？

　　单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

单片机基本功能及应用的介绍

对于绝大多数MCU，下列功能是最普遍也是最根本的，针对不同的MCU，其描述的方式可能会有区别，但本质上是根本相同的：

通讯接口：MCU所提供的通讯接口一般包括SPI接口，UART，I2C接口等，其分别描述如下：

SPI接口：此类接口是绝大多数MCU都提供的一种最根本通讯方式，其数据传输采用同步时钟来控制，信号包括：SDI(串行数据输写)、SDO(串行数据输出)、SCLK(串行时钟)及Ready信号;有些情况下则可能没有Ready信号;此类接口能够工作在Master方式或Slave方式下，通俗说法就是看谁提供时钟信号，提供时钟的一方为Master，相反的一方则为Slaver。

UART（Universal Asynchronous Receive Transmit）：属于最根本的一种异步传输接口，其信号线独有Rx和Tx两条，根本的数据格式为：Start Bit + Data Bit(7-bits/8-bits) + Parity Bit(Even， Odd or None) + Stop Bit(1~2Bit)。一位数据所占的时长称为Baud Rate(波特率)。

对于大多数的MCU来讲，数据位的长度、数据校验方式(奇校验、偶校验或没校验)、停下位(Stop Bit)的长度及Baud Rate是能够通过程序编程进行灵敏设定。此类接口最常用的方式就是与PC机的串口进行数据通讯。

I2C接口：I2C是由Philips开发的一种数据传输协议，同样采用2根信号来实现：SDAT(串行数据输写输出)和SCLK(串行时钟)。其最大的益处是能够在此总线上挂接多个设备，通过地址来进行识别和访问;I2C总线的一个最大的益处就是非常方便用软件通过IO口来实现，其传输的数据速率完全由SCLK来控制，可快可慢，不像UART接口，有严格的速率要求。

TImer(定时器)：TImer的品种虽然比较多，但可归纳为两大类：一类是固定时长间隔的TImer，即其定时的时长是由系统设定的，用户程序不可控制，系统只提供几种固定的时长间隔给用户程序进行选择，如32Hz，16Hz，8Hz等，此类TImer在4位MCU中比较常见，因此能够用来实现时钟、计时等相关的功能。

另一类则是Programmable Timer(可编程定时器)，顾名思义，该类Timer的定时时长是能够由用户的程序来控制的，控制的方式包括：时钟源的选择、分频数(Prescale)选择及预制数的设定等，有的MCU三者都同时具备，而有的则可能是其中的一种或两种。此类Timer应用非常灵敏，实际的使用也千变万化，其中最常见的一种应用就是用其实现PWM输出。

由于时钟源能够自由选择，因此，此类Timer一般均与Event Counter(事件计数器)合在一起。

IO口：任何MCU都具有一定数量的IO口，没有IO口，MCU就失去了与外部沟通的渠道。依据IO口的可配置情况，能够分为如下几品种型：

纯输写或纯输出口：此类IO口由MCU硬件设计决定，只能是输写或输出，不可用软件来进行实时的设定。

直接读写IO口：如MCS-51的IO口就属于此类IO口。当执行读IO口指令时，就是输写口;当执行写IO口指令则自动为输出口。

程序编程设定输写输出方向的：此类IO口的输写或输出由程序依据实际的须要来进行设定，应用比较灵敏，能够实现一些总线级的应用，如I2C总线，各种LCD、LED Driver的控制总线等。

对于IO口的使用，重要的一点必需牢记的是：对于输写口，必需有明确的电平信号，确保不能浮空(能够通过增加上拉或下拉电阻来实现);而对于输出口，其输出的状态电平必需考虑其外部的连接情况，应保证在Standby或静态状态下不存在拉电流或灌电流。

外部中断：外部中断也是绝大多数MCU所具有的根本功能，一般用于信号的实时触发，数据采样和状态的检测，中断的方式由回升沿、下降沿触发和电平触发几种。外部中断一般通过输写口来实现，若为IO口，则独有设为输写时其中断功能才会开启;若为输出口，则外部中断功能将自动关闭(ATMEL的ATiny系列存在一些例外，输出口时也能触发中断功能)。外部中断的应用如下：

外部触发信号的检测：一种是基于实时性的要求，假如可控硅的控制，突发性信号的检测等，而另一种情况则是省电的须要。

信号频次的测量：为了保证信号不被遗漏，外部中断是最理想的选择。

数据的解码：在遥控应用领域，为了降低设计的老本，经常须要采用软件的方式来对各种编码数据进行解码，如Manchester和PWM编码的解码。

按键的检测和系统的唤醒：对于进入Sleep状态的MCU，一般须要通过外部中断来进行唤醒，最根本的形式则是按键，通过按键的动作来产生电平的变化。

Watchdog（看门狗定时器）：Watchdog也是绝大多数MCU的一种根本配置(一些4位MCU可能没有此功能)，大多数的MCU的Watchdog只能允许程序对其进行复位而不能对其关闭(有的是在程序烧入时来设定的，如Microchip PIC系列MCU)，而有的MCU则是通过特定的方式来决定其是否翻开，如Samsung的KS57系列，只有程序访问了Watchdog寄存器，就自动开启且不能再被关闭。一般而言watchdog的复位时长是能够程序来设定的。Watchdog的最根本的应用是为MCU由于意外的故障而导致死机提供了一种自我恢复的才能。

国内主流单片机制造商有哪些？

大陆地区（排名部分先后）

兆易创新：主要提供32位MCU，应用范围：工业自动化、人机界面、电机控制、安防监控、智能家居、物联网。

北京君正：主要提供32位MCU，应用范围：可穿戴式设备、物联网、智能家电、汽车、消费类电子、平板电脑。

国芯科技：主要提供32位MCU，应用范围：信息安全领域、办公自动化领域、通讯网络领域、信息安全领域。

中天微：主要提供32位MCU，应用范围：智能手机、数字电视、机顶盒、汽车电子、GPS、电子浏览器、打印机。

贝特莱：主要提供32位MCU，应用范围：智能家居、工业控制以及消费类产品领域。

灵动微电子：主要提供32位，应用范围：电机控制、蓝牙控制、高清显示、没线充、没人机、微型打印机、智能标签、电子烟、LED点阵屏等。

希格玛微电子：主要提供32位MCU，应用范围：电信、制造、能源、交通、电力等。

珠海欧比特：主要提供32位MCU，应用范围：航空航天：星箭站船、飞行器;高端工控：嵌入式计算机;舰船控制、工业控制、电力设备、环境监控。

神州龙芯集成电路：主要提供32位MCU，应用范围：电力监控、智能电网、工业数字控制、物联网、智能家居、数据监控。

时代民芯：主要提供32位MCU，应用范围：汽车导航、交通监控、渔船监管、电力电信网络。

炬芯科技：主要提供8位至32位MCU，应用范围：平板电脑、智能家居、多媒体、蓝牙、wifi音频。

芯海科技：主要提供16、32位MCU，应用范围：仪器仪表、物联网、消费电子、家电、汽车电子。

晟矽微电子：主要提供8位、32位MCU，应用范围：小家电、消费类电子、遥控器、鼠标、锂电池、数码产品、汽车电子、医疗仪器及计量、玩具、工业控制、智能家居及安防等领域。

东软载波：主要提供8位、32位MCU，应用范围：家电、智能家居、仪器仪表、液晶面板控制器、工业控制等。

中颖电子：主要提供4位、8位、16位、32位MCU，应用范围：家电、电机。

航顺芯片：主要提供8位、32位MCU，应用范围：汽车、物联网等。

复旦微电子：主要提供16位、32位MCU，应用范围：智能电表、智能门锁等。

华大半导体：主要提供8位、16位、32位MCU，应用范围：工业控制、智能制造、智慧生活及物联网等。

上海贝岭（华大半导体控股）：主要提供8位、16位、32位MCU，应用范围：计算机周边、HDTV、电源管理、小家电、数字家电。

联华集成电路：主要提供8位、16位MCU，应用范围：消费电子、白色家电、工业控制、通信设备、汽车电子、计算机。

爱思科微电子：主要提供8位、16位MCU，应用范围：消费类芯片、通讯类芯片、信息类芯片、家电。

珠海建荣：主要提供8位MCU，应用范围：家用电器、挪动电源。

紫光微电子：主要提供8位、16位MCU，应用范围：智能家电。

海尔集成电路：主要提供14位、15位、16位MCU，应用范围：消费电子、汽车电子、工业、智能仪表。

华芯微电子：主要提供8位、4位MCU，应用范围：卫星接管器、手机充电器、万年历、多合一遥控器。

中微半导体：主要提供8位MCU，应用范围：智能家电、汽车电子、安防监控、LED照明及景观、智能玩具、智能家居、消费类电子。

华润矽科微电子（华润微旗下公司）：主要提供8位、16位MCU，应用范围：消费电子、工业控制、家电。

华润微电子：主要提供8位、16位MCU，应用范围：家电，消费类电子、工业自动化控制的通用控制电路。

新唐科技：主要提供8位MCU，应用范围：照明、物联网等。

笙泉科技：主要提供8位MCU，应用范围：车用、教育、工控、医疗等中小型显示面板。

台湾地区（排名部分先后）

宏晶科技：主要提供32位MCU。应用范围：通信、工业控制、信息家电、语音。

松翰科技：主要提供8位、32位MCU。应用范围：摇控器、智能型充电器、大小系统、电子秤、耳温枪、血压计、胎压计、各类量测及强健器材。

盛群半导体：主要提供8位、32位MCU。应用范围：消费电子、LED照明等。

凌阳科技：主要提供8位、16位MCU。应用范围：家庭影音。

华邦电子：主要提供8位、16位MCU。应用范围：车用电子、工业电子、网络、计算机、消费电子、物联网。

义隆电子：主要提供8位、16位MCU。应用范围：消费电子、电脑、智能手机。

中颖电子：主要提供4位、8位MCU。应用范围：充电器、挪动电源、家电、工业控制。

十速科技：主要提供4位、8位、51位MCU。应用范围：遥控器、小家电。

佑华微电子：主要提供4位、8位MCU。应用范围：录音集成电路产品、消费电子、家用产品。

应广科技单片机：主要提供4位、8位MCU。应用范围：机械、自动化、家电、机器人。