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MCU最強科普總結
2022-03-17
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MCU是Microcontroller Unit 的簡稱，中文叫微控制器，俗稱單片機，是把CPU的頻率與規(guī)格做適當縮減，并將內(nèi)存、計數(shù)器、USB、A/D轉換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至LCD驅(qū)動電路都整合在單一芯片上，形成芯片級的計算機，為不同的應用場合做不同組合控制，諸如手機、PC外圍、遙控器，至汽車電子、工業(yè)上的步進馬達、機器手臂的控制等，都可見到MCU的身影。
一
單片機發(fā)展簡史
單片機出現(xiàn)的歷史并不長，但發(fā)展十分迅猛。它的產(chǎn)生與發(fā)展和微處理器（CPU）的產(chǎn)生與發(fā)展大體同步，自1971年美國英特爾公司首先推出4位微處理器以來，它的發(fā)展到目前為止大致可分為5個階段。下面以英特爾公司的單片機發(fā)展為代表加以介紹。
1971年~1976年
單片機發(fā)展的初級階段。1971年11月英特爾公司首先設計出集成度為2000只晶體管/片的4位微處理器英特爾4004，并配有RAM、 ROM和移位寄存器， 構成了第一臺MCS—4微處理器， 而后又推出了8位微處理器英特爾8008， 以及其它各公司相繼推出的8位微處理器。
1976年~1980年
低性能單片機階段。以1976年英特爾公司推出的MCS—48系列為代表， 采用將8位CPU、 8位并行I/O接口、8位定時/計數(shù)器、RAM和ROM等集成于一塊半導體芯片上的單片結構， 雖然其尋址范圍有限（不大于4 KB）， 也沒有串行I/O， RAM、 ROM容量小， 中斷系統(tǒng)也較簡單， 但功能可滿足一般工業(yè)控制和智能化儀器、儀表等的需要。
1980年~1983年
高性能單片機階段。這一階段推出的高性能8位單片機普遍帶有串行口，有多級中斷處理系統(tǒng)， 多個16位定時器/計數(shù)器。片內(nèi)RAM、 ROM的容量加大，且尋址范圍可達64 KB，個別片內(nèi)還帶有A/D轉換接口。
1983年~80年代末
16位單片機階段。1983年英特爾公司又推出了高性能的16位單片機MCS－96系列，由于其采用了最新的制造工藝， 使芯片集成度高達12萬只晶體管/片。
1990年代
單片機在集成度、功能、速度、可靠性、應用領域等全方位向更高水平發(fā)展。
二
單片機的分類及應用
MCU按其存儲器類型可分為無片內(nèi)ROM型和帶片內(nèi)ROM型兩種。對于無片內(nèi)ROM型的芯片，必須外接EPROM才能應用（典型為8031）；帶片內(nèi)ROM型的芯片又分為片內(nèi)EPROM型（典型芯片為87C51）、MASK片內(nèi)掩模ROM型（典型芯片為8051）、片內(nèi)Flash型（典型芯片為89C51）等類型。
按用途可分為通用型和專用型；根據(jù)數(shù)據(jù)總線的寬度和一次可處理的數(shù)據(jù)字節(jié)長度可分為8、16、32位MCU。
目前，國內(nèi)MCU應用市場最廣泛的是消費電子領域，其次是工業(yè)領域、和汽車電子市場。消費電子包括家用電器、電視、游戲機和音視頻系統(tǒng)等。工業(yè)領域包括智能家居、自動化、醫(yī)療應用及新能源生成與分配等。汽車領域包括汽車動力總成和安全控制系統(tǒng)等。
三
單片機的基本功能
對于絕大多數(shù)MCU，下列功能是最普遍也是最基本的，針對不同的MCU，其描述的方式可能會有區(qū)別，但本質(zhì)上是基本相同的：
1、TImer(定時器)：TImer的種類雖然比較多，但可歸納為兩大類：一類是固定時間間隔的TImer，即其定時的時間是由系統(tǒng)設定的，用戶程序不可控制，系統(tǒng)只提供幾種固定的時間間隔給用戶程序進行選擇，如32Hz，16Hz，8Hz等，此類TImer在4位MCU中比較常見，因此可以用來實現(xiàn)時鐘、計時等相關的功能。
另一類則是Programmable Timer(可編程定時器)，顧名思義，該類Timer的定時時間是可以由用戶的程序來控制的，控制的方式包括：時鐘源的選擇、分頻數(shù)(Prescale)選擇及預制數(shù)的設定等，有的MCU三者都同時具備，而有的則可能是其中的一種或兩種。此類Timer應用非常靈活，實際的使用也千變?nèi)f化，其中最常見的一種應用就是用其實現(xiàn)PWM輸出。
由于時鐘源可以自由選擇，因此，此類Timer一般均與Event Counter(事件計數(shù)器)合在一起。
2、IO口：任何MCU都具有一定數(shù)量的IO口，沒有IO口，MCU就失去了與外部溝通的渠道。根據(jù)IO口的可配置情況，可以分為如下幾種類型：
純輸入或純輸出口：此類IO口由MCU硬件設計決定，只能是輸入或輸出，不可用軟件來進行實時的設定。
直接讀寫IO口：如MCS-51的IO口就屬于此類IO口。當執(zhí)行讀IO口指令時，就是輸入口;當執(zhí)行寫IO口指令則自動為輸出口。
程序編程設定輸入輸出方向的：此類IO口的輸入或輸出由程序根據(jù)實際的需要來進行設定，應用比較靈活，可以實現(xiàn)一些總線級的應用，如I2C總線，各種LCD、LED Driver的控制總線等。
對于IO口的使用，重要的一點必須牢記的是：對于輸入口，必須有明確的電平信號，確保不能浮空(可以通過增加上拉或下拉電阻來實現(xiàn));而對于輸出口，其輸出的狀態(tài)電平必須考慮其外部的連接情況，應保證在Standby或靜態(tài)狀態(tài)下不存在拉電流或灌電流。
3、外部中斷：外部中斷也是絕大多數(shù)MCU所具有的基本功能，一般用于信號的實時觸發(fā)，數(shù)據(jù)采樣和狀態(tài)的檢測，中斷的方式由上升沿、下降沿觸發(fā)和電平觸發(fā)幾種。外部中斷一般通過輸入口來實現(xiàn)，若為IO口，則只有設為輸入時其中斷功能才會開啟;若為輸出口，則外部中斷功能將自動關閉(ATMEL的ATiny系列存在一些例外，輸出口時也能觸發(fā)中斷功能)。外部中斷的應用如下：
外部觸發(fā)信號的檢測：一種是基于實時性的要求，比如可控硅的控制，突發(fā)性信號的檢測等，而另一種情況則是省電的需要。
信號頻率的測量：為了保證信號不被遺漏，外部中斷是最理想的選擇。
數(shù)據(jù)的解碼：在遙控應用領域，為了降低設計的成本，經(jīng)常需要采用軟件的方式來對各種編碼數(shù)據(jù)進行解碼，如Manchester和PWM編碼的解碼。
按鍵的檢測和系統(tǒng)的喚醒：對于進入sleep狀態(tài)的MCU，一般需要通過外部中斷來進行喚醒，最基本的形式則是按鍵，通過按鍵的動作來產(chǎn)生電平的變化。
4、通訊接口：MCU所提供的通訊接口一般包括SPI接口，UART，I2C接口等，其分別描述如下：
SPI接口：此類接口是絕大多數(shù)MCU都提供的一種最基本通訊方式，其數(shù)據(jù)傳輸采用同步時鐘來控制，信號包括：SDI(串行數(shù)據(jù)輸入)、SDO(串行數(shù)據(jù)輸出)、SCLK(串行時鐘)及Ready信號;有些情況下則可能沒有Ready信號;此類接口可以工作在master方式或Slave方式下，通俗說法就是看誰提供時鐘信號，提供時鐘的一方為master，相反的一方則為Slaver。
UART（Universal Asynchronous Receive Transmit）：屬于最基本的一種異步傳輸接口，其信號線只有Rx和Tx兩條，基本的數(shù)據(jù)格式為：Start Bit + Data Bit(7-bits/8-bits) + Parity Bit(Even， Odd or None) + Stop Bit(1~2Bit)。一位數(shù)據(jù)所占的時間稱為Baud Rate(波特率)。
對于大多數(shù)的MCU來講，數(shù)據(jù)位的長度、數(shù)據(jù)校驗方式(奇校驗、偶校驗或無校驗)、停止位(Stop Bit)的長度及Baud Rate是可以通過程序編程進行靈活設定。此類接口最常用的方式就是與PC機的串口進行數(shù)據(jù)通訊。
I2C接口：I2C是由Philips開發(fā)的一種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，同樣采用2根信號來實現(xiàn)：SDAT(串行數(shù)據(jù)輸入輸出)和SCLK(串行時鐘)。其最大的好處是可以在此總線上掛接多個設備，通過地址來進行識別和訪問;I2C總線的一個最大的好處就是非常方便用軟件通過IO口來實現(xiàn)，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率完全由SCLK來控制，可快可慢，不像UART接口，有嚴格的速率要求。
5、Watchdog（看門狗定時器）：Watchdog也是絕大多數(shù)MCU的一種基本配置(一些4位MCU可能沒有此功能)，大多數(shù)的MCU的Watchdog只能允許程序?qū)ζ溥M行復位而不能對其關閉(有的是在程序燒入時來設定的，如Microchip PIC系列MCU)，而有的MCU則是通過特定的方式來決定其是否打開，如Samsung的KS57系列，只要程序訪問了Watchdog寄存器，就自動開啟且不能再被關閉。一般而言watchdog的復位時間是可以程序來設定的。Watchdog的最基本的應用是為MCU因為意外的故障而導致死機提供了一種自我恢復的能力。
四
全球主流單片機制造商
單片機的學習竅門
單片機的程序編寫
要防止在中斷和主程序體中同時訪問或設置同一個變量或數(shù)據(jù)的情況。有效的預防方法是，將此類數(shù)據(jù)的處理安排在一個模塊中，通過判斷觸發(fā)標志來決定是否執(zhí)行該數(shù)據(jù)的相關操作；而在其他的程序體中(主要是中斷)，對需要進行該數(shù)據(jù)的處理的地方只設置觸發(fā)的標志。――這可以保證數(shù)據(jù)的執(zhí)行是可預知和唯一的。
在單片機應用開發(fā)中，代碼的使用效率問題、單片機抗干擾性和可靠性等問題仍困擾著。現(xiàn)歸納出單片機開發(fā)中應掌握的幾個基本技巧。
八
單片機開發(fā)技巧
1 如何減少程序中的bug
對于如何減少程序的bug，應該先考慮系統(tǒng)運行中應考慮的超范圍管理參數(shù)如下。
- 物理參數(shù)：這些參數(shù)主要是系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，它包括激勵參數(shù)、采集處理中的運行參數(shù)和處理結束的結果參數(shù)。
- 資源參數(shù)：這些參數(shù)主要是系統(tǒng)中的電路、器件、功能單元的資源，如記憶體容量、存儲單元長度、堆疊深度。
- 應用參數(shù)：這些應用參數(shù)常表現(xiàn)為一些單片機、功能單元的應用條件。過程參數(shù)：指系統(tǒng)運行中的有序變化的參數(shù)。
2 如何提高C語言編程代碼的效率
用C語言進行單片機程序設計是單片機開發(fā)與應用的必然趨勢。如果使用C編程時，要達到最高的效率，最好熟悉所使用的C編譯器。先試驗一下每條C語言編譯以后對應的匯編語言的語句行數(shù)，這樣就可以很明確的知道效率。在今后編程的時候，使用編譯效率最高的語句。各家的C編譯器都會有一定的差異，故編譯效率也會有所不同，優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)C編譯器代碼長度和執(zhí)行時間僅比以匯編語言編寫的同樣功能程度長5-20%。
對于復雜而開發(fā)時間緊的項目時，可以采用C語言，但前提是要求你對該MCU系統(tǒng)的C語言和C編譯器非常熟悉，特別要注意該C編譯系統(tǒng)所能支持的數(shù)據(jù)類型和算法。雖然C語言是最普遍的一種高級語言，但由于不同的MCU廠家其C語言編譯系統(tǒng)是有所差別的，特別是在一些特殊功能模塊的操作上。所以如果對這些特性不了解，那么調(diào)試起來問題就會很多，反而導致執(zhí)行效率低于匯編語言。
防止干擾最有效的方法是去除干擾源、隔斷干擾路徑，但往往很難做到，所以只能看單片機抗干擾能力夠不夠強了。在提高硬件系統(tǒng)抗干擾能力的同時，軟件抗干擾以其設計靈活、節(jié)省硬件資源、可靠性好越來越受到重視。
單片機干擾最常見的現(xiàn)象就是復位，至于程序跑飛，其實也可以用軟件陷阱和看門狗將程序拉回到復位狀態(tài)，所以單片機軟件抗干擾最重要的是處理好復位狀態(tài)。
一般單片機都會有一些標志寄存器，可以用來判斷復位原因；另外你也可以自己在RAM中埋一些標志。在每次程序復位時，通過判斷這些標志，可以判斷出不同的復位原因；還可以根據(jù)不同的標志直接跳到相應的程序。這樣可以使程序運行有連續(xù)性，用戶在使用時也不會察覺到程序被重新復位過。
4 如何測試單片機系統(tǒng)的可靠性
當一個單片機系統(tǒng)設計完成，對于不同的單片機系統(tǒng)產(chǎn)品會有不同的測試項目和方法，但是有一些是必須測試的：
- 測試單片機軟件功能的完善性
- 上電、掉電測試
- 老化測試
- ESD和EFT等測試
有時候，我們還可以模擬人為使用中，可能發(fā)生的破壞情況。例如用人體或者衣服織物故意摩擦單片機系統(tǒng)的接觸端口，由此測試抗靜電的能力。用大功率電鉆靠近單片機系統(tǒng)工作，由此測試抗電磁干擾能力等。
此外在開發(fā)和應用過程中我們更要掌握技巧，提高效率，以便于發(fā)揮它更加廣闊的用途。
九
芯片操作總結
對芯片的操作主要是對芯片內(nèi)寄存器的操作，芯片內(nèi)寄存器在存儲器上映射的都有自己的唯一地址，這也就是對相應的地址的操作。看芯片，首先看時序圖，再了解相應的寄存器，了解是如何操作的，定義需要的端口（程序可以識別），編寫寫操作程序和讀操作程序。
為了將漢字在顯示器或打印機上輸出，把漢字按圖形符號設計成點陣圖，就得到了相應的點陣代碼（字形碼）。
GB1616.h//------------------ 漢字字模的數(shù)據(jù)結構定義 ------------------------//structtypFNT_GB16 //漢字字模數(shù)據(jù)結構{unsignedcharIndex[3]; //漢字內(nèi)碼索引 unsignedchar Msk[32];//點陣碼數(shù)據(jù) };
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 漢字字模表//// 漢字庫: 宋體16.dot,橫向取模左高位,數(shù)據(jù)排列:從左到右從上到下///////////////////////////////////////////////////////////////////////////conststructtypFNT_GB16 codeGB_16[]= //數(shù)據(jù)表{/*------------------------------------------------------------------------------;源文件 /文字 :徐;寬×高（像素）:16×16------------------------------------------------------------------------------*/"徐",0x10,0x80,0x10,0x80,0x21,0x40,0x42,0x20,0x94,0x10,0x1B,0xEC,0x20,0x80,0x60,0x80,0xAF,0xF8,0x20,0x80,0x22,0xA0,0x24,0x90,0x2A,0x88,0x21,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00, 這個結構，很簡單的：一個是內(nèi)碼，一個點陣序列，以前的點陣庫是按內(nèi)碼順序放的，不需要內(nèi)碼索引的，如果只放部分漢字，就需要內(nèi)碼索引了。（前面的漢字“徐”是為了要輸出“徐”的時候找到該字的點陣序列，這個點陣序列是自己寫的，當用1602顯示時，因為該芯片內(nèi)存在英文的點陣序列，所以就不用寫了）一般內(nèi)碼兩個字節(jié)就行了，多用1個字節(jié)是加了個尾0而已，這樣，漢字內(nèi)碼處直接放漢字字符串就可；
13、12864液晶：
每個顯示點對應一位二進制數(shù)，1 表示亮，0 表示滅。存儲這些點陣信息的RAM稱為顯示數(shù)據(jù)存儲器。要顯示某個圖形或漢字就是將相應的點陣信息寫入到相應的存儲單元中。
繪圖RAM的地址計數(shù)器（AC）只會對水平地址(X 軸)自動加一, 當水平地址=0FH 時會重新設為00H 但并不會對垂直地址做進位自動加一，故當連續(xù)寫入多筆資料時，程序需自行判斷垂直地址是否需重新設定
繪圖顯示RAM提供128×8 個字節(jié)的記憶空間，在更改繪圖RAM時，先連續(xù)寫入水平與垂直的坐標值，再寫入兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)到繪圖RAM，而地址計數(shù)器（AC）會對水平地址（X 地址）自動加一，當水平地址為0XFH 時會重新設為00H ；不會對垂直地址做進位自動加 1. 。在寫入繪圖 RAM的期間，繪圖顯示必須關閉，
[cpp] view plain copy// 顯示漢字voiddispString (uchar X, Y,uchar *msg)//X為哪一行，Y 為哪一列。msg為漢字 {if(X==0) X = 0x80;// 第一行，漢字顯示坐標 else if(X==1) X = 0x90; // 第二行else if(X==2) X = 0x88; // 第三行else X = 0x98;//第四行Y = X + Y;//Y 為1 往右移一位 write_com(Y); // 寫入坐標 while (*msg){ write_data(*msg++); //顯示漢字 }}//////////////////////////////// //////////////// ///////////////// 顯示圖象voiddisppicture(uchar code *adder){ uint i,j;//*******顯示上半屏內(nèi)容設置 for(i=0;i<32;i++)// 上半屏32個列地址 { write_com(0x80 + i);//SET垂直地址 VERTICALADD write_com(0x80);//SET 水平地址 HORIZONTAL ADDfor(j=0;j<16;j++) { write_data(*adder); adder++; }}//*******顯示下半屏內(nèi)容設置 for(i=0;i<32;i++) //{ write_com(0x80 + i); //SET 垂直地址 VERTICALADD write_com(0x88); //SET水平地址 HORIZONTAL ADDfor(j=0;j<16;j++){write_data(*adder);adder++;} }} 對于C語言，定義的變量，自動為其分配空間，其地址為該變量的名稱。通過該名稱，可以在內(nèi)存中招到該數(shù)據(jù)，經(jīng)過運算得到新數(shù)據(jù)，而匯編中需要編程者自己定義存儲空間及把數(shù)據(jù)送到累加器等進行運算，每一步都需要編程者操作。而C語言這些過程由編譯器去完成。
①、單片機C語言，其變量的內(nèi)存開辟是如何進行的？難道是編譯器，在編譯過程中智能地加入分配與回收的代碼？關鍵之處在于我所做的程序，如何保證其沒有內(nèi)存溢出錯誤？如果我進行的是遞歸運算，這樣的話，內(nèi)存需求是很難自己計算的。
如果變量過多，編譯會提示數(shù)據(jù)段too large，要保證其沒有內(nèi)存溢出錯誤，主要考慮堆棧是否溢出，要靠經(jīng)驗
單片機可以定義位變量，但是不可以定義位數(shù)組。用c語言寫只是看著簡單，實際生成的代碼量是最多的，用于控制的單片機幾乎不用浮點數(shù)運算，不僅慢還麻煩還占地方，如果是DSP芯片，本身有適合的硬件結構，會好很多。
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