單片機(jī)開發(fā)入門知識(shí)介紹

1.1 51單片機(jī)介紹

51單片機(jī)是對(duì)所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。

該系列單片機(jī)的始祖是Intel的8004單片機(jī)，后來隨著Flash rom技術(shù)的發(fā)展，8004單片機(jī)取得了長足的進(jìn)展，成為應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，其代表型號(hào)是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)之中。很多公司都有51系列的兼容機(jī)型推出, 51單片機(jī)是基礎(chǔ)入門的一個(gè)單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。

主要產(chǎn)品代表:

(1)、Intel(英特爾)的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；

(2)、ATMEL(愛特梅爾)的：89C51、89C52、89C2051，89S51（RC），89S52（RC）等；

(3)、Philips(飛利浦)、華邦、Dallas(達(dá)拉斯)、Siemens(西門子)等公司；

(4)、STC(國產(chǎn)宏晶)單片機(jī)：89c51、89c52、89c516、90c516等。宏晶科技是新一代增強(qiáng)型8位單片微型計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的制定者和領(lǐng)導(dǎo)廠商。

1.2市場(chǎng)上的主流單片機(jī)種類

單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

以下是目前市場(chǎng)上的主流單片機(jī)：

(1)、8051單片機(jī)

8051單片機(jī)最早由Intel公司推出,隨后Intel公司將80C51內(nèi)核使用權(quán)，以專利互換或出讓給世界許多著名IC制造廠商，這樣80C51單片機(jī)就變成了眾多芯片制造廠商支持的大家族，統(tǒng)稱為80C51系列單片機(jī)。客觀事實(shí)表明，80C51已成為8位單片機(jī)的主流。

(2)、AVR單片機(jī)

AVR單片機(jī)是1997年由ATMEL（愛特梅爾）公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU)精簡指令集高速8位單片機(jī)?？梢詮V泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。

AVR單片機(jī)最大的特點(diǎn)是精簡指令型單片機(jī)，執(zhí)行速度，在相同的振蕩頻率下是8位MCU中最快的一種單片機(jī)。

(3)、PIC單片機(jī)

PIC單片機(jī)是Microchip(美國微芯半導(dǎo)體)公司的產(chǎn)品，它也是一種精簡指令型的單片機(jī)，指令數(shù)量比較少，中檔的PIC系列僅僅有35條指令而已，低檔的僅有33條指令。

適用于用量大，檔次低，價(jià)格敏感的產(chǎn)品，在辦公自動(dòng)化設(shè)備，消費(fèi)電子產(chǎn)品，電訊通信，智能儀器儀表，汽車電子，金融電子，工業(yè)控制不同領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

PIC最大的特點(diǎn)是不搞單純的功能堆積，而是從實(shí)際出發(fā)，重視產(chǎn)品的性能與價(jià)格比，靠發(fā)展多種型號(hào)來滿足不同層次的應(yīng)用要求。PIC系列從低到高有幾十個(gè)型號(hào)，可以滿足各種需要。其中，PIC12C508單片機(jī)僅有8個(gè)引腳，是世界上最小的單片機(jī)。

(4)、MSP430

MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器（Mixed Signal Processor）。

MSP430單片機(jī)稱之為混合信號(hào)處理器，是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，將多個(gè)不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供“單片機(jī)”解決方案。該系列單片機(jī)多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。

MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，運(yùn)算速度快，超低功耗，MSP430系列單片機(jī)的電源電壓采用的是1.8-3.6V電壓。

(5)、ARM處理器

ARM即以英國ARM（Advanced RISC Machines）公司的內(nèi)核芯片作為CPU，同時(shí)附加其他外圍功能的嵌入式開發(fā)板，用以評(píng)估內(nèi)核芯片的功能和研發(fā)各科技類企業(yè)的產(chǎn)品。

ARM是一個(gè)32位元精簡指令集(RISC)處理器架構(gòu)，ARM處理器廣泛地使用在許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。ARM處理器的特點(diǎn)有指令長度固定，執(zhí)行效率高，低成本等。

ARM微處理器，已遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場(chǎng)，基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場(chǎng)份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各方面。

ARM微處理器目前包括下面幾個(gè)系列，以及其它廠商基于 ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器，除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)以外，每一個(gè)系列的 ARM微處理器都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。

－ ARM7系列

－ ARM9系列

－ ARM9E系列

－ ARM10E系列

－ ARM11系列

－ Cortex系列 : Cortex系列處理器是基于ARMv7架構(gòu)的，分為Cortex-M、Cortex-R和Cortex-A三類。由于應(yīng)用領(lǐng)域的不同，基于v7架構(gòu)的Cortex處理器系列所采用的技術(shù)也不相同?；趘7A的稱為“Cortex-A系列。

－ SecurCore系列

－ OptimoDE Data Engines

－ Intel的Xscale

－ Intel的StrongARM ARM11系列

1.3 FPGA與單片機(jī)區(qū)別

(1)、FPGA和單片機(jī)在概念上的區(qū)別

單片機(jī):

單片機(jī)可以簡單理解為集成在單一芯片上的微型計(jì)算機(jī)，也有運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、總線及輸入輸出設(shè)備，采用也是存儲(chǔ)程序執(zhí)行的方式，對(duì)單片機(jī)的編程就是對(duì)其中的ROM寫入程序，在加電后ROM中的程序會(huì)像計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的程序一樣得到逐條的執(zhí)行。

單片機(jī)有很強(qiáng)的接口性能，非常適合于工業(yè)控制，因此又叫微控制器(MCU)。

FPGA:

FPGA則是操控層次更低,所以自由度更大的芯片，對(duì)FPGA的編程在編譯后是轉(zhuǎn)化為FPGA內(nèi)的連線表，相當(dāng)于FPGA內(nèi)提供了大量的與非門、或非門、觸發(fā)器(可以用與非門形成吧)等基本數(shù)字器件，編程決定了有多少器件被使用以及它們之間的連接。只要FPGA規(guī)模夠大，這些數(shù)字器件理論上能形成一切數(shù)字系統(tǒng)，包括單片機(jī)甚至CPU。

FPGA是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

(2)、FPGA和單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別

單片機(jī)是一種微處理器，類似于電腦CPU的，它一般采用的是哈佛總線結(jié)構(gòu)，或者馮諾依曼結(jié)構(gòu)，對(duì)單片機(jī)的編程很大程度上要考慮到它的結(jié)構(gòu)和各個(gè)寄存器的作用，單片機(jī)用途比較廣，一般用在控制流水線上，還有日常你看得到的東西上!

FPGA 它的結(jié)構(gòu)是查找表結(jié)構(gòu)，其程序不用去太考慮芯片的結(jié)構(gòu)，要注意的是時(shí)序上問題，它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，功能也很強(qiáng)大，一般應(yīng)用在通信領(lǐng)域等比較高端的場(chǎng)合，目前在FPGA還算是一個(gè)新興的行業(yè)，當(dāng)然它的價(jià)格也要比單片機(jī)貴得多!

單片機(jī)是一個(gè)微控制器，通過加載模塊軟件來實(shí)現(xiàn)某種功能，單片機(jī)是成型的芯片;FPGA是用來設(shè)計(jì)芯片的芯片。

(3)、FPGA和單片機(jī)速度上的區(qū)別

FPGA由于是硬件電路，運(yùn)行速度直接取決于晶振速度，系統(tǒng)穩(wěn)定，特別適合高速接口電路。單片機(jī)由于是單線程，哪怕是常用的M3系列流水線也是單線程執(zhí)行，程序語句需要等待單片機(jī)周期才能執(zhí)行。

(4)、單片機(jī)和FPGA的本質(zhì)區(qū)別

FPGA和單片機(jī)的區(qū)別，本質(zhì)上是軟件和硬件的區(qū)別，F(xiàn)PGA更偏向于硬件電路，而單片機(jī)更偏于軟件。

單片機(jī)設(shè)計(jì)屬軟件范疇;它的硬件(單片機(jī)芯片)是固定的，通過軟件編程語言描述軟件指令在硬件芯片上的執(zhí)行;

FPGA設(shè)計(jì)屬硬件范疇，它的硬件(FPGA)是可編程的，是一個(gè)通過硬件描述語言在FPGA芯片上自定義集成電路的過程;

1.4 DSP和單片機(jī)區(qū)別

從實(shí)現(xiàn)運(yùn)算的角度，單片機(jī)、ARM、DSP都可以稱之為CPU。

DSP是通用數(shù)字信號(hào)處理器，是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來處理大量信息的器件。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器。

DSP適用于數(shù)字信號(hào)處理，例如FFT、數(shù)字濾波算法、加密算法和復(fù)雜控制算法等。

DSP實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序。DSP器件比16位單片機(jī)單指令執(zhí)行時(shí)間快8～10倍，完成一次乘加運(yùn)算快16～30倍，其采用的設(shè)計(jì)是數(shù)據(jù)總線和地址總線分開，使程序和數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在兩個(gè)分開的空間，允許取指令和執(zhí)行指令完全重疊，其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)，再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式，它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。

DSP芯片，由于它運(yùn)算能力很強(qiáng)，速度很快，體積很小，而且采用軟件編程具有高度的靈活性，因此為從事各種復(fù)雜的應(yīng)用提供了一條有效途徑。其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。

審核編輯：湯梓紅