【车载开发系列】MCU概念简介

一. 概念简介

MCU是Microcontroller Unit 的简称，中文叫微控制器，俗称单片机，是把CPU的频率与规格做适当缩减，并将内存、计数器、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制，诸如手机、PC外围、遥控器，至汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等，都可见到MCU的身影。

二. MCU发展历史

单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛。它的产生与发展和微处理器（CPU）的产生与发展大体同步，自1971年美国英特尔公司首先推出4位微处理器以来，它的发展到目前为止大致可分为5个阶段。下面以英特尔公司的单片机发展为代表加以介绍。

1）初始阶段

1971年~1976年单片机发展的初级阶段。1971年11月英特尔公司首先设计出集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器英特尔4004，并配有RAM、 ROM和移位寄存器， 构成了第一台MCS—4微处理器， 而后又推出了8位微处理器英特尔8008， 以及其它各公司相继推出的8位微处理器。

2）低性能阶段

1976年~1980年低性能单片机阶段。以1976年英特尔公司推出的MCS—48系列为代表， 采用将8位CPU、 8位并行I/O接口、8位定时/计数器、RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构， 虽然其寻址范围有限（不大于4 KB）， 也没有串行I/O， RAM、 ROM容量小， 中断系统也较简单， 但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需要。1980年~1983年高性能单片机阶段。这一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统， 多个16位定时器/计数器。片内RAM、 ROM的容量加大，且寻址范围可达64 KB，个别片内还带有A/D转换接口。
1983年~80年代末16位单片机阶段。1983年英特尔公司又推出了高性能的16位单片机MCS－96系列，由于其采用了最新的制造工艺， 使芯片集成度高达12万只晶体管/片。
1990年代单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。

三. 单片机的分类及应用

MCU按其存储器类型可分为无片内ROM型和带片内ROM型两种。对于无片内ROM型的芯片，必须外接EPROM才能应用（典型为8031）；带片内ROM型的芯片又分为片内EPROM型（典型芯片为87C51）、MASK片内掩模ROM型（典型芯片为8051）、片内Flash型（典型芯片为89C51）等类型。
按用途可分为通用型和专用型；根据数据总线的宽度和一次可处理的数据字节长度可分为8、16、32位MCU。
目前，国内MCU应用市场最广泛的是消费电子领域，其次是工业领域、和汽车电子市场。消费电子包括家用电器、电视、游戏机和音视频系统等。工业领域包括智能家居、自动化、医疗应用及新能源生成与分配等。汽车领域包括汽车动力总成和安全控制系统等。

四. 单片机的基本功能

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

1） Watchdog（看门狗定时器）

Watchdog也是绝大多数MCU的一种基本配置(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打开，如Samsung的KS57系列，只要程序访问了Watchdog寄存器，就自动开启且不能再被关闭。一般而言watchdog的复位时间是可以程序来设定的。Watchdog的最基本的应用是为MCU因为意外的故障而导致死机提供了一种自我恢复的能力。

2）通讯接口

MCU所提供的通讯接口一般包括SPI接口，UART，I2C接口。

1.SPI接口

此类接口是绝大多数MCU都提供的一种最基本通讯方式，其数据传输采用同步时钟来控制，信号包括：SDI(串行数据输入)、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;
此类接口可以工作在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Slave

2.UART

它的英文全称是Universal Asynchronous Receive Transmit。
他属于最基本的一种异步传输接口，其信号线只有Rx和Tx两条，基本的数据格式为：Start Bit + Data Bit(7-bits/8-bits) + Parity Bit(Even， Odd or None) + Stop Bit(1~2Bit)。一位数据所占的时间称为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、偶校验或无校验)、停止位(Stop Bit)的长度及Baud Rate是可以通过程序编程进行灵活设定。此类接口最常用的方式就是与PC机的串口进行数据通讯。

3.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。根据IO口的可配置情况，可以分为如下几种类型：
纯输入或纯输出口：此类IO口由MCU硬件设计决定，只能是输入或输出，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，就是输入口;当执行写IO口指令则自动为输出口。
程序编程设定输入输出方向的：此类IO口的输入或输出由程序根据实际的需要来进行设定，应用比较灵活，可以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，重要的一点必须牢记的是：对于输入口，必须有明确的电平信号，确保不能浮空(可以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须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。

4.外部中断

外部中断也是绝大多数MCU所具有的基本功能，一般用于信号的实时触发，数据采样和状态的检测，中断的方式由上升沿、下降沿触发和电平触发几种。外部中断一般通过输入口来实现，若为IO口，则只有设为输入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，比如可控硅的控制，突发性信号的检测等，而另一种情况则是省电的需要。
信号频率的测量：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，为了降低设计的成本，经常需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，一般需要通过外部中断来进行唤醒，最基本的形式则是按键，通过按键的动作来产生电平的变化。

5.TImer(定时器)

TImer的种类虽然比较多，但可归纳为两大类：一类是固定时间间隔的Timer，即其定时的时间是由系统设定的，用户程序不可控制，系统只提供几种固定的时间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，因此可以用来实现时钟、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的定时时间是可以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应用非常灵活，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。
由于时钟源可以自由选择，因此，此类Timer一般均与Event Counter(事件计数器)合在一起。