【浅谈】单片机基本概念

机缘巧合知道了一本关于单片机的书，书名是《匠人手记：一个单片机工作者的实践和思考》，翻了翻，大有裨益，边学习边记录，算是对整个框架的重新梳理吧，仅供学习参考。

一 引言

一个单片机系统，就是一个微型化的计算机。
主要包括：中央处理器CPU、存储器、输入/输出（I/O）设备。
个人计算机是将这些模块分成若干个芯片或模块，安装在主板上，
而单片机是将这些部分集成到一颗芯片中。

中央处理器：主要负责进行算术和逻辑运算，以及对系统其它设备的控制。
存储器：主要用于存储数据和程序。【单片机的一个主要作用就是数据信息处理】
输入/输出设备：是系统与外界交换数据的通道。

一个单片机基础系统框图如下：

目前单片机继承了更多功能模块，如：A/D D/A PWM LCD驱动电路等。

二 存储器

存储器的物理实质是一组（或多组）具备数据输入/输出和数据存储功能的集成电路，用于充当设备缓存或保存固定的程序及数据。

按存储信息功能不同分为：ROM和RAM

1 ROM（read only memory）

ROM只读存储器：一次写入后只能被读出。一般用于存固定程序或数据表格。
但“只读”有时可被一些新特性的器件颠覆。
如EPROM 和 闪存就可以使用适当的方法进行擦除或改写。
(1) EPROM （Erasable Programmable ROM）
它与一般的ROM不同的是，可用特殊的装置擦除或重写其中的内容。
（2）闪存（flash memory）
也叫PEROM(programmable and erasable ROM)，它是完全非易失的，可在线写入，且可按页连续字节写入，读出速度快。

特点：电源关闭或端点后数据仍会保留下来。

2 RAM (random access memory)

随机存储器。即内存。
作用：用来存放各种输入/输出数据、中间计算结果，以及与外部存储器交换信息，或作堆栈用。其存储单元根据具体情况可读出或改写。

特点：暂时存放程序和数据，断电或电源关闭，数据会丢失。

3 累加器（ACC : accumulator）

是一种暂存器。
作用：存储计算所产生的的中间结果，提升计算效率。

三 I/O口

它是单片机与外界联系的通道，可多各类外部信号（开关量、模拟量、频率信号）进行检测、判断、处理，并可控制各类外部设备。

输入/输出大多是双向三态的。
有些单片机允许设置I/O口的输入/输出状态，当输入时，对外呈“高阻态”，输出时，对外可提供更大的灌电流或拉电流，可直接驱动一些负载（如LED）
输入口：用来读取外部输入的电平信号；
输出口：用来对外输出一个电平信号。

输入门槛电流、最大输出电流、输出电平（高电平、低电平）
I/O口附加功能，包括内部上拉/下拉电阻功能，R-OP-TION功能以及漏极开路功能。
I/O口功能的扩展和复用：中断、唤醒、ADC检测以及PWM输出等。

四 堆栈

堆栈(Stack）是一种线性数据结构，可简单看作是一维数组。

不同的是对一维数组进行元素插入、删除，可在任意位置。但对于堆栈来说，插入、删除操作是固定在一端进行，这一段为栈顶（TOP）,另一端为栈底（Bottom）

堆栈操作：压栈和出栈。
向栈中插入数据的操作称为“压入（push）”，从栈中删除数据称为“弹出（pop）”
“向上生长”型堆栈和“向下生长”型堆栈。向上则压栈时指针+1，向下压栈时指针-1

特性：“后进先出（LIFO）”。堆栈是只有一个进出口的一维空间，所以最后一个放入的要先出来。

堆栈指针(SP)：用于指示栈顶位置（地址）。发生压栈和出栈操作时，导致栈顶位置变化时，堆栈指针会随之变化。
有的单片机，堆栈指针可通过程序去设置，堆栈空间仅受整个系统的RAM空间大小制约。
有的不允许甚至堆栈指针。

堆栈的应用：
1、调用子程序，或响应中断，堆栈用作保存现场。
2、临时变量存取。

注意事项：
1、堆栈溢出：覆盖老的数据，造成数据丢失或错乱，或程序结构发生混乱。
2、压栈和出栈的匹配（对应关系）

五 定时/计数器

定时/计数器，实质都是计数器。
定时器：对微机内部时钟脉冲进行计数；
计数器：对微机外部输入的脉冲进行计数。
若输入脉冲周期相同，也可将计数器作为定时器来使用。

作用：
（1）计时、定时或延时控制
（2）脉冲计数
（3）测量脉冲宽度或频率（捕获功能）

实现定时的几种方式：
（1）软件延时。（占用系统时间）
（2）可编程定时/计数器方法
（3）不可编程的硬件方法（设计一个数字逻辑电路，如555定时器）

六 中断

优先级更高的事件发生，打断优先级低的事件进程时，称为中断。引起中断的事件称为中断源。
通常我们将主应用程序称为后台程序；
中断服务程序称为：前台程序。

1、一些中断词汇：

现场保护、中断响应，现场恢复、中断返回、中断嵌套（一个中断事件没做完，更高级别的中断又来了，优先级）、中断屏蔽等

中断嵌套处理示意图：

2 中断的响应过程：

（1）现场保护。将当前地址、ACC、状态寄存器保存到堆栈中。
（2）切换指针。切换到相应的入口地址。
（3）执行中断处理程序。
（4）现场回复。将保存在堆栈中的数据恢复。
（5）中断返回。执行完中断指令后，从中断处返回到主程序，继续执行。

有的单片机会自动执行现场保护和恢复，有的需编写这部分程序。
有的的那篇及为每个中断源分配了不同的入口地址，甚至可自定义，有的则将所有中断源共用一个入口，就需要进行中断查询。

3 作用：

某个任务对实时性要求较高时，应交由中断服务程序去做。
当主应用程序对实时性要求较高时，应避免被打扰。

七 复位

复位是通过外部电路给单片机的复位引脚一个复位信号，让系统重新开始运行。

1 启动方式：

（1）冷启动：上电复位
（2）热启动：不断电，复位引脚一个复位信号；内部看门狗计时溢出导致的复位等。

常见的复位动作：

• PC指针从起始位置开始运行；
• I/O扣变成缺省状态（高阻态，或输出低电平）；
• 部分专用控制寄存器恢复到缺省值状态；
• 普通RAM不变；

注意事项：
（1）注意复位信号的电平状态及持续时间必须满足系统要求。
（2）注意避免复位不良。

2 常见的复位电路：

（1）简易的上电复位电路。（有一个电阻和一个电容构成）
在上电时，电容被充电。在电容充电期间，系统复位。电容充电结束后，系统复位结束，开始正常工作。
复位电平的宽度（持续时间）由电阻值和电容值共同决定。

如下复位电路图，为高电平复位有效。

（2）防电源抖动复位电路

可以防止因电源抖动而产生的反复复位。

（3）残余电压保护复位电路

以上两个为欠压保护复位电路，在电源频繁插拔过程中，这两个电路可有效保证复位。

（4）施密特特性复位电路

避免在Vcc在复位阈值附近时复位振荡，关键器件是反馈电阻R3

(5)掉电预警复位电路

当前一级电源电压（假设为I2V）开始下降时，Vcc由于电容C2的保护作用，还没有下降，这为系统弄的可靠复位提供了宝贵时间。当复位电路检测到I2V电源下降后，利用时间差让cpu提前进入复位状态，从而避免复位不良。

八 看门狗（watchdog tinmer）

需求：程序需要一个独立于系统之外的单元对系统的工作进行监测，在发生异常状况时及时予以纠正。

1 看门狗的作用：

防止程序发生死循环，或程序抛费。

看门狗的工作状态：
看门狗是一个定时器电路，平时只要一通电，就会不断计时。计时达到设置，产生一个溢出信号，该型号被接到RST端，引发系统复位。
CPU正常工作时，每隔一段时间就输出一个信号到喂狗端，用来让定时器清零（也称“喂狗”），从而避免在正常工作状态复位。当程序跑飞或死机，程序异常，若超过规定时间不喂狗，看门狗会发生计时溢出，出发系统复位。

2 看门狗的4大本质要素：

定时器
复位电路
可清零
独立性。

喂狗注意事项：

• 喂狗间歇不得大于看门狗溢出时间。
• 避免在中断中喂狗。
• 尽可能避免多处喂狗。

看门狗电路发展阶段：
（1）片外分立器件电路（用555或4060等构成）
（2）专用WDT集成电路。
（3）CPU片内集成。（虽是内置，一般都有独立的RC振荡源）

九 时钟电路和振荡源

单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，所以需有个专门的时钟电路。

1常见的时钟电路：

（1）外置晶振+内置振荡器

（2）外置陶振+内置振荡器
（3）RC振荡器
（4）外部直接给时钟输入

2 片内锁相环（PLL）技术

有时，高时效性和低功耗是矛盾的。有了锁相环技术，就可以控制的单片机的工作频率。
作为编程者需要知道如何去设置系统的工作评率，以及何时选择怎样何种工作频率。

几个概念：
振荡周期：指振荡源的振荡节拍
机器周期：一个机器周期包含了多个振荡周期
指令周期：执行一条指令，需要几个机器周期。不同指令操作需要的机器周期不同。

十 脉宽调制（PWM）

pulse width modulation (脉冲宽度调制)，简称脉宽调制。

PWM技术原理：
通过调整一个周期固定的方波的占空比，来调节输出的平均电压、电流或功劳簿等被控量。

应用场景：

• 控制电机转速；
• 控制充电电流；
• 控制磁场力矩大小。

PWM技术的种类：
相电压控制PWM、脉宽PWM、随机PWM、SPWM、线电压控制PWM等。

十一 模拟/数字转换（ADC）

1常用的ADC方法：

• 积分型ADC
• 逐次逼近型ADC
• (sigma-delta)型ADC
• 闪速ADC
• 平行比较型ADC
• 电容阵列逐次比较型
• 压频变换器

2 A/D转换器的主要技术指标

（1）分辨率
（2）转换速率
（3）量化误差
（4）偏移误差
（5）满刻度误差
（6）线性度
(7) 其它：绝对精度、相对精度等

3 采样后的滤波处理

经过ADC获得的数据一般不能直接用，需要去除其中干扰成分，并且让数据曲线更平滑、稳定。所以要对采样值进行软件滤波，常用的方法有：算数平均滤波法、一阶滤波法、程序判断滤波法等

十二 串行通信

1 概念：

外设和计算机间使用一根数据信号线。数据在数据信号线上逐位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。

并行通信：数据是被分组同步传输的，每次可传输N位数据；
串行通信：数据是被逐位传输的。其占用的通信端口资源比并行通信少的多。

2 串行通信最主要的问题：

是数据收发同步问题。只有一根数据线。

3 实现同步的方法：

（1）双方约定一个相同的通信速度（如RS232协议），即波特率（bps=bit/s）。波特率决定了通信的速度。

（2）引入时钟信号（如I2C通信协议），意味着增加一段时钟线。该线上每发生一个同步时钟脉冲，双方就完成一个位（bit）的传输。

（3）类似红外通信那样采用特殊的编码方式。
在这种通信方式中，每一位数据都是用一个脉冲来表示。该脉冲有两种不同的脉冲宽度或占空比，分别代表数据0和1。而脉冲边沿则用来实现同步的目的。

串行通信的数据校验：
数据校验是确保通信正常的手段。具体方法包括：奇偶校验、和校验、冗余数据表决校验、CRC校验等

学习书目：《匠人手记：一个单片机工作者的实践和思考》
借用作者的一句话勉励自己，也和大家共勉。“技术源于积累，成功源于执着。”