1.1 单片机的基本概念

单片机的全称为单片微型计算机（Single Chip Microcomputer），它是将计算机的基本部件微型化并集成在一块芯片上的微型计算机，在一块硅片上集成了中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM、FLASH、E2PROM等）、输入/输出接口（并行I/O接口、同步串行口、异步串行口等）及各种外围设备（定时器、计数器、A/D、D/A、PWM等）。从应用领域来看，单片机主要用于控制，所以又称为微控制器（Microcontroller Unit）或嵌入式控制器（Embedded Controller）。

1.1.1 单片机的分类

目前市面上的单片机品种很多，至少有五十多个系列、三百多个品种，可按以下方式进行分类。

（1）按适用范围分

通用型——是指可把开发资源（如FLASH、RAM、I/O接口、外设等）全部提供给应用者的单片机。其内部资源比较丰富，性能全面且适用性强，能覆盖多种应用需求，如80C51单片机。用户可以根据需要，设计不同的应用控制系统。

专用型——是指其硬件结构和指令是按照某个特定用途而专门设计的单片机。例如，打印机控制器、录音机机芯控制器等。这类单片机不属于本书讨论的范围。

（2）按制造工艺分

HMOS工艺——高密度短沟道MOS工艺，具有高速度、高密度的特点。

CHMOS（或HCMOS）工艺——互补的金属氧化物的HMOS工艺，是CMOS与HMOS的结合，具有高密度、高速度、低功耗的特点。

（3）按字长分

字长是指单片机内部参与运算的数的位数。它决定了单片机内部寄存器、算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit, ALU）和数据总线的位数，直接影响着机器的硬件规模和造价。字长直接反映了单片机的计算精度。

单片机按字长可分为4位机（如NEC公司的μPD75XX系列）、8位机（如Intel公司的MCS-51系列）、16位机（如Intel公司的MCS-96/98系列）和32位机（如Motorola公司的MC683XX系列）等，字长越长其运算处理的速度越快，功能越强大。从近年来的使用情况看，8位单片机使用率最高，其次是32位。前者主要用于满足大量低端控制领域应用的需求，后者主要用于满足一些高端新兴领域（如网络、通信、多媒体、数码产品和信息家电等）对海量数据处理能力的需要。对于工作速度不高、数据处理量不大、控制过程不很复杂的场合，如家用电器、商用产品等，可选用8位单片机；对于要求很高的实时控制及复杂的过程控制，如机器人、信号处理等，则最好选用32位单片机。

尽管单片机种类繁多，但它们的基本结构和功能类似，因此可以选择以一种单片机为主进行学习，并熟练掌握。目前，教学的首选机型仍然是8位单片机。

1.1.2 单片机的指标

衡量单片机的性能指标有很多，包括速度、位数、功耗、I/O接口数量、存储容量、工作电压、价格、体积、重量等。

（1）速度

CPU处理速度，用每秒执行百万条指令表征，单位是MIPS（Million Instruction Per Second），目前最快的单片机可达200MIPS。单片机的速度与系统时钟相关联，但并不是频率越高处理速度就越快。对于同一型号的单片机来说，采用频率高的时钟一般比频率低的速度快。

（2）位数

位数是指CPU一次基本操作处理的数据位数。它与CPU内部数据总线宽度是一致的。位数越多，所表示的数据精度就越高。在完成同样精度的运算时，位数较多的单片机比位数较少的单片机运算速度快。

（3）功耗

为了满足广泛使用于便携式系统的要求，目前许多单片机内的工作电压仅为1.8～3.6V，工作电流仅为数百毫安，一些低功耗单片机的静态电流甚至可以达到μA或nA级。几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。目前，低电压供电的单片机电源下限已达1～2V甚至更低。

（4）I/O接口数量

不同类型的单片机其输入/输出接口有很大差别。一般从几个到几十个。例如，MCS-51系列单片机有4个8位并行I/O接口，使用上很方便。在片内接口不够时，可考虑进行接口扩展。

（5）存储器

存储器包括数据存储器和程序存储器。数据存储器字节数通常在几十字节到几百字节之间。程序存储器空间较大，从几KB到几百MB。

（6）外设数量

随着半导体集成技术的高速发展，单片机集成的外设数量越来越多，功能也越来越强大，提供给用户的硬件资源非常丰富。例如，一些高性能单片机集成了A/D、D/A、PWM、SPI、I2C、CAN、比较器等多达十几个模块。

（7）扩展能力

当单片机片内资源不够时，需要扩展外部硬件模块，扩展能力决定了单片机最多能扩展多少容量的外部硬件设备。