单片机简介
单片机（Microcontroller, MCU）是一种集成了 中央处理器 (CPU)、存储器 和 外围设备接口 于一体的微型计算机，广泛应用于各种嵌入式系统中，如家电、汽车电子、智能硬件等。
与普通计算机（PC）相比，单片机专注于控制特定任务或设备，强调实时性、低功耗和成本控制。
单片机的组成
单片机一般由以下几个部分组成：
1. 中央处理器（CPU）
作用：负责执行程序指令，完成算术运算和逻辑操作。
特点：
简单的指令集（RISC 架构）或复杂指令集（CISC 架构）。
频率较低，通常在几 MHz 到百 MHz 之间。
2. 存储器
用于存储程序和数据。
程序存储器（Flash ROM）：
存储用户编写的程序代码。
通常为非易失性存储器，断电后数据不会丢失。
数据存储器（RAM）：
用于存储运行时的临时数据。
易失性存储器，断电后数据会丢失。
EEPROM（部分单片机支持）：
存储需要永久保存的少量数据（如设备配置）。
3. I/O 接口
数字 I/O 接口：
GPIO（General Purpose Input/Output）引脚，用于与外部设备通信。
可以配置为输入或输出模式。
模拟接口：
ADC（模数转换器）：将模拟信号（如电压）转换为数字信号。
DAC（数模转换器）：将数字信号转换为模拟信号。
4. 定时器/计数器
定时器：产生定时中断，用于实时任务或事件调度。
计数器：用于计数外部事件的发生次数。
5. 串行通信接口
用于与外部设备或其他单片机通信。
UART：通用异步收发器（如串口）。
I2C：用于短距离、低速设备通信。
SPI：高速同步通信协议。
单片机的通信接口-CSDN博客
6. 电源管理
支持低功耗模式，如休眠（Sleep）、待机（Standby），以降低能耗。
7. 中断系统
提供中断功能，支持外部设备或内部事件打断 CPU 的正常运行流程。
中断系统概述-CSDN博客
单片机的特点
高度集成：CPU、存储器、定时器、I/O 等集成在一个芯片中。
低成本：适合批量生产。
低功耗：支持低功耗模式，非常适合便携式设备。
实时性：具备较强的实时任务处理能力。
小尺寸：适合嵌入式场景，易于集成到各种设备中。
单片机的工作原理
上电初始化：
单片机通电后，复位电路让 CPU 从程序存储器的起始地址执行指令。
执行初始化操作（如配置 I/O、设定时钟频率等）。
执行程序：
单片机按照程序的逻辑，逐条读取指令并执行。
程序代码通常存储在 Flash 中，运行时数据存储在 RAM 中。
处理外部输入：
单片机通过 I/O 引脚采集外部数据（如按键输入、传感器数据）。
通过中断机制，及时响应外部事件。
控制输出设备：
根据程序逻辑，控制外部设备（如显示屏、继电器、电机等）。
单片机的开发流程
硬件设计：
选择合适的单片机芯片（如 8051、STM32、AVR、PIC 等）。
根据需求设计电路板，包括电源、外设接口、传感器等。
软件开发：
使用 C 或汇编语言编写程序。
程序功能包括：
I/O 配置。
定时器与中断。
数据处理与逻辑实现。
常用的开发工具：
IDE（如 Keil、STM32CubeIDE、IAR）。
调试器（如 JTAG、SWD）。
烧录与调试：
使用烧录工具将程序写入单片机的 Flash 存储器。
调试代码，确保逻辑正确性和实时性。
示例：基于 51 单片机的简单程序
假设我们需要开发一个简单的程序，控制一个 LED 每隔一秒闪烁一次，且使用外部中断按钮来停止闪烁。以下是该程序的设计流程和实现代码：
1. I/O 配置
我们需要配置两个 I/O 引脚：
LED 控制引脚：假设使用 P1.0 控制一个 LED。
外部中断按钮：假设按钮连接到 P3.2，引脚作为外部中断源。
#include <reg51.h>
// 定义 I/O 引脚
#define LED P1_0 // LED 引脚
#define BUTTON P3_2 // 外部中断按钮引脚
// 定义中断标志位
bit stopFlag = 0; // 用于标记是否停止 LED 闪烁
// 外部中断 0 中断服务程序
void externalInterrupt0() interrupt 0 {
stopFlag = 1; // 设置标志位，停止 LED 闪烁
}
void main() {
// 配置 I/O 引脚
P1 = 0x00; // 将 P1 端口全部初始化为输出，关闭所有 LED
BUTTON = 1; // 设置 P3.2 为输入引脚，外部中断
IT0 = 1; // 设置外部中断 0 为边沿触发
EX0 = 1; // 使能外部中断 0
EA = 1; // 开启总中断
while(1) {
if (stopFlag == 0) {
LED = ~LED; // 切换 LED 状态（闪烁）
delay(1000); // 延时 1 秒
} else {
LED = 0; // 如果外部中断触发，关闭 LED
}
}
}
// 延时函数
void delay(unsigned int time) {
unsigned int i, j;
for(i = 0; i < time; i++)
for(j = 0; j < 120; j++);
}
代码解析
I/O 配置：在上面的代码中，P1_0 被配置为 LED 控制引脚，P3_2 被配置为外部中断源。按钮按下时触发中断，导致 LED 闪烁停止。
定时器与中断：外部中断 0（EX0）被配置为触发中断，当按钮被按下时，externalInterrupt0 函数会执行，stopFlag 被置为 1，停止 LED 闪烁。
数据处理与逻辑实现：main 函数中使用 stopFlag 判断是否停止 LED 闪烁。延时函数 delay 用于实现 LED 每秒闪烁一次。
2. 使用开发工具进行开发
IDE：Keil：我们使用 Keil 作为集成开发环境（IDE）来编写、编译和调试程序。Keil 提供了对 51 单片机的支持，包括设备驱动库和调试工具。
创建一个新工程，选择目标设备（如 8051 系列），然后将上述代码添加到工程中。
编译生成 .hex 文件，准备烧录到单片机中。
调试工具：JTAG：使用 JTAG 调试器进行硬件调试，可以实时查看寄存器、内存、I/O 端口状态，帮助开发者检测程序执行过程中的问题。通过调试工具，能够检查单片机的执行流程、外部中断是否被正确触发、LED 是否按预期闪烁等。
3. 烧录与调试
烧录工具：USB 仿真器（如 ST-Link 或 Flash Programmer）：在开发过程中，我们将编译好的 .hex 文件通过烧录工具（如 USB 仿真器）将程序写入到单片机的 Flash 存储器中。
连接单片机和开发板，启动烧录软件。
选择目标设备，并选择 .hex 文件。
开始烧录并验证是否成功。
调试过程：使用调试工具（如 JTAG 或 SWD）连接到单片机，检查程序是否正确运行，查看寄存器的状态和外部中断是否按预期触发。在调试过程中，开发者可以逐步执行代码，设置断点、查看变量值，帮助快速定位问题。
单片机的常见分类
按位数分类：
8 位单片机：
如 8051、AVR。
简单、低成本，适合轻量级应用。
16 位单片机：
性能和功能更强，如 MSP430。
32 位单片机：
如 STM32、ARM Cortex-M 系列。
高性能，支持复杂计算。
按品牌分类：
Intel 8051 系列：最经典的单片机架构，简单易学。
ST（意法半导体）STM32 系列：基于 ARM Cortex-M 内核，广泛应用。
Microchip PIC 系列：低功耗、稳定性高。
TI MSP430 系列：超低功耗单片机。
单片机的应用场景
家用电器：
微波炉、电饭煲、洗衣机等的控制核心。
工业控制：
生产线的自动化控制、数据采集设备等。
汽车电子：
如仪表盘、车身控制模块（BCM）。
医疗设备：
血压计、心率监测仪等。
消费电子：
智能手表、玩具、遥控器等。
单片机与嵌入式系统的关系
单片机是嵌入式系统的核心控制器。
嵌入式系统包括硬件（如单片机、传感器）和软件（运行在单片机上的程序）。
单片机专注于实现特定功能，而嵌入式系统是更广泛的概念，可能包括操作系统（如 RTOS）。
————————————————
版权声明：本文为博主原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。
原文链接：https://blog.csdn.net/weixin_73376914/article/details/144326262
|
楼主
标题置顶
标题高亮
