单片机基本常识揭晓

单片机基本常识揭晓 2014年2月17日来源：233网校网校课程 在线题库评论 分享到 微信QQ好友新浪微博腾讯微博qq空间 导读：关注：电气专业工程设计工作有哪些? 单片机
概述
由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由仅有CPU的专用处理器芯片发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
现代人类生活中所用的几乎每件有电子器件的产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机。 汽车上一般配备40多片单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百片单片机在同时工作！单片机的数量远远超过PC机和其他计算机的总和。
单片机作为计算机发展的一个重要分支领域，根据发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。
这是按单片机适用范围来区分的。例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专门用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。
这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、 数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。
这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。 显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。
单片机诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段，早期的SCM单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8051，此后在8051上发展出了MCS51系列MCU系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
早期阶段
中期发展
Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。
SoC嵌入式系统 执行各种算术运算。
运算器所执行全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，并且，一个算术操作产生一个运算结果，一个逻辑操作产生一个判决。
控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令的“决策机构”，即协调和指挥整个微机系统的操作。其主要功能有：
对指令进行译码和测试，并产生相应的操作控制信号，以便于执行规定的动作。
微处理器内通过内部总线把ALU、计数器、寄存器和控制部分互联，并通过外部总线与外部的存储器、输入输出接口电路联接。外部总线又称为系统总线，分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。通过输入输出接口电路，实现与各种外围设备连接。
（1）累加器A
累加器A是微处理器中使用最频繁的寄存器。在算术和逻辑运算时它有双功能：运算前，用于保存一个操作数；运算后，用于保存所得的和、差或逻辑运算结果。
数据寄存器通过数据总线向存储器和输入/输出设备送（写）或取（读）数据的暂存单元。它可以保存一条正在译码的指令，也可以保存正在送往存储器中存储的一个数据字节等等。
指令包括操作码和操作数。
（4）程序计数器PC
（5）地址寄存器AR
显然，当CPU向存储器存数据、CPU从内存取数据和CPU从内存读出指令时，都要用到地址寄存器和数据寄存器。同样，如果把外围设备的地址作为内存地址单元来看的话，那么当CPU和外围设备交换信息时，也需要用到地址寄存器和数据寄存器。
单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
智能仪器
例如精密的测量设备（电压表、功率计，示波器，各种分析仪）。
单片机具有体积小、控制功能强、功耗低、环境适应能力强、扩展灵活和使用方便等优点，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
家用电器广泛采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备和白色家电等。
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。
汽车电子
此外，单片机在工商、金融、科研、教育、电力、通信、物流和国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
基础理论
单片机属于数字电路，其概念、术语、硬件结构和原理都源自数字电路，如果数字电路基础扎实，对复杂的单片机硬件结构和原理就能容易理解，就能轻松地迈开学习的第一步，自信心也会树立起来。相反，基础不好，这个看不懂那个也弄不明白，越学问题越多，越学越没有信心。如果你觉得单片机很难，那就应该先放下单片机教材，去重温数字电路，搞清楚触发器、寄存器、门电路、COMS电路、时序逻辑和时序图、进制转换等理论知识。理解了这些知识之后再去看看单片机的结构和原理，我想你会大彻大悟，信心倍增。
单片机的学习离不开编程，在所有的程序设计中C语言运用的最为广泛。C语言知识并不难，没有任何编程基础的人都可以学，在我看来，初中生、高中生、中专生、大学生都能学会。当然，数学基础好、逻辑思维好的人学起来相对轻松一些。C语言需要掌握的知识就那么3个条件判断语句、3个循环语句、3个跳转语句和1个开关语句。别小看这10个语句，用他们组合形成的逻辑要多复杂有多复杂。学习时要一条语句一条语句的学，学一条活用一条，全部学过用过这些关键语句后，相信你的C基础建立了。
实验实践
1.有刻苦学习的决心
2.有一套完整的学习开发工具
3. 要注重理论和实践相结合
学习编写程序应该按照以下过程学习，效果会更好。看到例程题目先试着构思自己的编程思路，然后再看教材或视频教程里的代码，研究人家的编程思路，注意与自己思路的差异；接下来就照搬人家的思路亲自动手编写这个程序，领会其中每一条语句的作用；对有疑问的地方试着按照自己的思路修改程序，比较程序运行效果，领会其中的奥妙。每一个例程都坚持按照这个过程学习，你很快会找到编程的感觉，取其精华去其糟粕，久而久之会形成你独特的编程思想。当然，刚开始，看别人的程序源代码就像看天书一样，只要硬着头皮看，看到不懂的关键字和语句就翻书查阅、对照。只要能坚持下来，学习收获会事半功倍。在实践过程中不仅要学会别人的例程，还要在别人的程序上改进和拓展，让程序产生更强大的功能。同时，还要懂得通过查阅芯片数据手册（DATASHEET）里有关芯片命令和数据的读写时序来核对别人例程的可靠性，如果你觉得例程不可靠就把它修改过来，成为是你自己的程序。不仅如此，自己应该经常找些项目来做，以巩固所学的知识和积累更多的经验。
当编写自己的程序信手拈来、阅读别人的程序能够发现问题的时候，说明你的单片机编程水平相当不错了。接下来就应该研究硬件了。硬件设计包括电路原理设计和PCB板设计。学习做硬件要比学习做软件麻烦，成本更高，周期更长。但是，学习单片机的最终目的是做产品开发----软件和硬件相结合形成完整的控制系统。所以，做硬件也是学习单片机技术的一个必学内容。
做PCB板就比较简单了。只要懂得使用Protel软件或 AltiumDesigner软件就没问题了。但要想做的板子布局美观、布线合理还得费一番功夫了。
抗干扰设计
抗干扰
指令冗余
在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写称为指令冗余。通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP。这样即使乱飞程序飞到操作数上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被当作操作数执行，程序自动纳入正轨。
拦截技术
（1 ）软件陷阱的设计
（2 ） 陷阱的安排
NOPNOPRETI返回指令可用“RETI”，也可用“LJMP 0000H”。如果故障诊断程序与系统自恢复程序的设计可靠、 完善，用“LJMP 0000H”作返回指令可直接进入故障诊断程序，尽早地处理故障并恢复程序的运行。
软件“看门狗”技术
“看门狗”技术可由硬件实现，也可由软件实现。在工业应用中，严重的干扰有时会破坏中断方式控制字，关闭中断。则系统无法定时“喂狗”，硬件看门狗电路失效。而软件看门狗可有效地解决这类问题。
抗干扰技术
非正常复位的识别
（1 ）硬件复位与软件复位的识别
由于硬件复位时片内RAM状态是随机的，而软件复位片内RAM则可保持复位前状态，因此可选取片内某一个或两个单元作为上电标志。设40H用来做上电标志，上电标志字为78H，若系统复位后40H单元内容不等于78H，则认为是硬件复位，否则认为是软件复位，转向出错处理。若用两个单元作上电标志，则这种判别方法的可靠性更高。
开机复位与看门狗故障复位因同属硬件复位， 所以要想予以正确识别，一般要借助非易失性RAM或者EEROM。当系统正常运行时，设置一可掉电保护的观测单元。当系统正常运行时，在定时喂狗的中断服务程序中使该观测单元保持正常值（设为 AAH），而在主程中将该单元清零，因观测单元掉电可保护，则开机时通过检测该单元是否为正常值可判断是否看门狗复位。
识别测控系统中因意外情况如系统掉电等情况引起的开机复位与正常开机复位，对于过程控制系统尤为重要。如某以时间为控制标准的测控系统，完成一次测控任务需1小时。在已执行测控50分钟的情况下，系统电压异常引起复位，此时若系统复位后又从头开始进行测控则会造成不必要的时间消耗。因此可通过一监测单元对当前系统的运行状态、系统时间予以监控，将控制过程分解为若干步或若干时间段，每执行完一步或每运行一个时间段则对监测单元置为关机允许值，不同的任务或任务的不同阶段有不同的值，若系统正在进行测控任务或正在执某时间段，则将监测单元置为非正常关机值。那么系统复位后可据此单元判系统原来的运行状态，并跳到出错处理程序中恢复系统原运行状态。
对顺序要求严格的一些过程控制系统，系统非正常复位否，一般都要求从失控的那一个模块或任务恢复运行。所以测控系统要作好重要数据单元、参数的备份，如系统运行状态、系统的进程值、当前输入、输出的值，当前时钟值、观测单元值等，这些数据既要定时备份，同时若有修改也应立即予以备份。
应当说明的是，真实地恢复系统的运行状态需 要极为细致地对系统的重要数据予以备份，并加以数据可靠性检查，以保证恢复的数据的可靠性。
系统基本初始化是指对芯片、显示、输入输出方式等进行初始化，要注意输入输出的初始化不应造成误动作。而复位前任务的初始化是指任务的执行状态、运行时间等。
电子技术中单片机的应用
现在在家用电器的更新、市场开拓等方面，单片机的应用越来越广泛，比如电子玩具或者高级的电视游戏机中，会应用单片机实现其控制功能;而洗衣机可以利用单片机识别衣服的种类与脏污程度，从而自动选择洗涤强度与洗涤时间;在冰箱冷柜中采用单片机控制可以识别食物的种类与保鲜程度，实现冷藏温度与冷藏时间的自动选择;微波炉也可以通过单片机识别食物种类从而自动确定加热温度与加热时间等等，这些家用电器在应用单片机技术后，无论是性能还是功能，与传统技术相比均有长足的进步。
现代医疗条件越来越发达，人们对医疗灭菌消毒技术也越来越重视，但是一些偏远地区的小医院、小诊所其消毒灭菌设备还十分简陋，无法有效的控制消毒质量。随着单片机技术的发展，其体积较小、功能强大、具有灵活的扩展性、应用方便的特点也越来越突出，因此在医用呼吸机、分析仪与监护仪、超声诊断设备、病床呼叫系统等设备中得到了广泛的应用。
其实最早的单片机正是从工业领域开始兴起的，至今其在工业控制领域的应用仍然十分广泛，利用单片机技术构成多种多样的数据采集系统与智能控制系统，比如工厂流水线的智能化管理、智能化电梯、报警系统等等，均是通过单片机技术与计算机联网构成二级控制系统。
上文中也谈到单片机具备集成度高、体积小、较强的控制功能与扩展的灵活性等特点，并且处理速度快，具有较高的可靠性，所以在智能仪器仪表领域其应用也十分广泛。从某种程度而言，单片机带动了传统测量、控制仪器仪表技术的一项革命，通过单片机技术实现了仪器仪表技术的数字化、智能化、综合化以及多功能化，与传统的电子电路或者数字电路相比，其功能更强大，综合性更突出。
本段仅针对硬件设计人员和软件设计人员，为了便于对硬件的理解要有一定的汇编语言基础。
我们知道，一个电路总是由元器件通过电线连接而成的，在模拟电路中，连线并不成为一个问题，因为各器件间一般是串行关系，各器件之间的连线并不很多，但计算机电路却不一样，它是以微处理器为核心，各器件都要与微处理器相连，各器件之间的工作必须相互协调，所以需要的连线就很多了，如果仍如同模拟电路一样，在各微处理器和各器件间单独连线，则线的数量将多得惊人，所以在微处理机中引入了总线的概念，各个器件共同享用连线，所有器件的8根数据线全部接到8根公用的线上，即相当于各个器件并联起来，但仅这样还不行，如果有两个器件同时送出数据，一个为0，一个为1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？这种情况是不允许的，所以要通过控制线进行控制，使器件分时工作，任何时候只能有一个器件发送数据（可以有多个器件同时接收）。器件的数据线也就被称为数据总线，器件所有的控制线被称为控制总线。在单片机内部或者外部存储器及其它器件中有存储单元，这些存储单元要被分配地址，才能使用，分配地址当然也是以电信号的形式给出的，由于存储单元比较多，所以，用于地址分配的线也较多，这些线被称为地址总线。
这三者的本质都是一样的——数字，或者说都是一串‘0’和‘1’组成的序列。换言之，地址、指令也都是数据。指令：由单片机芯片的设计者规定的一种数字，它与我们常用的指令助记符有着严格的一一对应关系，不可以由单片机的开发者更改。地址：是寻找单片机内部、外部的存储单元、输入输出口的依据，内部单元的地址值已由芯片设计者规定好，不可更改，外部的单元可以由单片机开发者自行决定，但有一些地址单元是一定要有的（详见程序的执行过程）。数据：这是由微处理机处理的对象，在各种不同的应用电路中各不相同，一般而言，被处理的数据可能有这么几种情况：
2.方式字或控制字（如MOV TMOD，#3），3即是控制字。
4.实际输出值（如P1口接彩灯，要灯全亮，则执行指令：MOV P1，#0FFH，要灯全暗，则执行指令：MOV P1，#00H）这里0FFH和00H都是实际输出值。又如用于LED的字形码，也是实际输出的值。
功能
执行过程
堆栈
开发过程
单片机试验板
LJMP START
START：
LOOP：
LJMP LOOP ；循环
单片指令
助记符代码 说明
MOV A,direct E5 direct 直接字节送A
MOV A,#data 74 data立即数送A
MOV Rn,direct A8~AF direct 直接字节送寄存器
MOV direct,A F5 direct A送直接字节
MOV direct1,direct2 85 direct1 direct2 直接字节送直接字节
MOV direct,#data 75 direct data立即数送直接字节
MOV @Ri,direct 76~77 direct 直接字节送间接RAM
MOV DPTR,#data16 90 data 15~8 16位常数送数据指针
MOVC A,@A+DPTR 93 由（（A)+）寻址的程序存贮
MOVC A,@A+PC 83 由（（A)+ 绝对子程序调用
addr
RETI addr 11 32 中断调用返回
LJMP addr 16 02addr 长转移
SJMP rel 80 rel 短转移，相对转移
JZ rel 60 rel A为零转移
CJNE A,direct,rel B5 direct rel 直接字节与A比较，不等则转移
CJNE A,Rn,#data,rel B8~BF data rel立即数与寄存器比较，不等则转移
DJNZ Rn,rel D8~DF rel 寄存器减1，不为零则转移
NOP 00 空操作
CLR C C3 清零进位
SETB C D3 置位进位
CPL C B3 进位取反
ANL C,bit 82 dit 直接数“与”到进位
ORL C,bit 72 bit 直接位“或”到进位
MOV C,bit A2 bit 直接位送进位
JC rel 40 rel 进位位为1转移
JB bit,rel 20 bit rel 直接位为1相对转移
JBC bit,rel 10 bit rel 直接位为1相对转移，然后清零该位
STC单片机
PIC单片机：
EMC单片机：
ATMEL单片机（51单片机）：
PHLIPIS 51LPC系列单片机（51单片机）：
HOLTEK单片机：
TI公司单片机（51单片机）：
松翰单片机（SONIX）：
飞思卡尔单片机
英飞凌单片机
深联华单片机（51单片机）
三星单片机
SST 单片机
还有很多优秀的单片机生产企业这里没有收集,每个企业都有自己的特点,大家根据需要选择单片机,在完全实现功能的前提下追求低价位,当然并不是这样最好,实际中选择单片机跟开发者的应用习惯和开发经验是密不可分的.
攻击单片机主要有四种技术，分别是：
该技术通常使用处理器通信接口并利用协议、加密算法或这些算法中的安全漏洞来进行攻击。软件攻击取得成功的一个典型事例是对早期ATMEL AT89C 系列单片机的攻击。攻击者利用了该系列单片机擦除操作时序设计上的漏洞，使用自编程序在擦除加密锁定位后，停止下一步擦除片内程序存储器数据的操作，从而使加过密的单片机变成没加密的单片机，然后利用编程器读出片内程序。
该技术通常以高时间分辨率来监控处理器在正常操作时所有电源和接口连接的模拟特性，并通过监控它的电磁辐射特性来实施攻击。因为单片机是一个活动的电子器件，当它执行不同的指令时，对应的电源功率消耗也相应变化。这样通过使用特殊的电子测量仪器和数学统计方法分析和检测这些变化，即可获取单片机中的特定关键信息。
该技术使用异常工作条件来使处理器出错，然后提供额外的访问来进行攻击。使用最广泛的过错产生攻击手段包括电压冲击和时钟冲击。低电压和高电压攻击可用来禁止保护电路工作或强制处理器执行错误操作。时钟瞬态跳变也许会复位保护电路而不会破坏受保护信息。电源和时钟瞬态跳变可以在某些处理器中影响单条指令的解码和执行。
该技术是直接暴露芯片内部连线，然后观察、操控、干扰单片机以达到攻击目的。为了方便起见，人们将以上四种攻击技术分成两类，一类是侵入型攻击（物理攻击），这类攻击需要破坏封装，然后借助半导体测试设备、显微镜和微定位器，在专门的实验室花上几小时甚至几周时间才能完成。所有的微探针技术都属于侵入型攻击。另外三种方法属于非侵入型攻击，被攻击的单片机不会被物理损坏。在某些场合非侵入型攻击是特别危险的，但是因为非侵入型攻击所需设备通常可以自制和升级，因此非常廉价。
加密方法
硬件加密：8031/8052单片机就是8031/8052掩模产品中的不合格产品，内部有ROM，可以把8031/8052 当8751/8752 来用，再扩展外部程序器，然后调用8031 内部子程序。当然你所选的同批8031芯片的首地址及所需用的中断入口均应转到外部程序区。
用高电压或激光烧断某条引脚，使其读不到内部程序，用高电压会造成一些器件损坏重要RAM 数据采用电池（大电容，街机采用的办法）保护，拔出芯片数据失去机器不能起动，或能初始化，但不能运行。
擦除芯片标识
用激光（或丝印）打上其它标识如有的单片机引脚兼容，有的又不是同一种单片机，可张冠李戴，只能意会了，这要求你知识面广一点 。
DIP封装改成PLCC,TQFP,SOIC,BGA等封装，如果量大可以做定制ASIC，或软封装，用不需外晶振的单片机工作（如AVR 单片机中的AT90S1200），使用更复杂的单片机，FPGA+AVR+SRAM=AT40K系列。
利用单片机未公开，未被利用的标志位或单元，作为软件标志位，如8031/8051有一个用户标志位，PSW.1 位，是可以利用的程序入口地址不要用整地址，如：XX00H,XXX0H，可用整地址-1，或-2，而在整地址处加二字节或三字节操作码，在无程序的空单元也加上程序机器码，最好要加巧妙一点用大容量芯片，用市场上仿真器不能仿真的芯片，如内部程序为64KB 或大于64KB 的器件，如：AVR 单片机中ATmega103 的Flash 程序存储器为128KBAT89S8252/AT89S53中有EEPROM，关键数据存放在EEPROM 中，或程序初始化时把密码写到EEPROM 中，程序执行时再查密码正确与否，尽量不让人家读懂程序。关于单片机加密，讲到这里，就算抛砖引玉。
1单片机正常工作的三个条件
2单片机内部是否正常工作的检测
单片机在更换时，我们最好采用同型号的单片机，然后写入公司给予的目标代码，单片机的价格目前一般比较便宜，零售价格大概也就5元左右。 12