1.1 单片机概述
单片微型计算机（简称单片机）是微型计算机发展的一个分支。单片机以其体积小、控制功能强、性价比高、易于产品化等特点，在机电一体化、汽车电子、智能仪器仪表、工业实时控制、家用电器等各个领域都得到了广泛的应用，对于各个行业的技术进步和产品更新起着重要的推动作用。
1.1.1 什么是单片机
单片机是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）的简称，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O接口和中断系统、定时器/计数器等部件（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A-D转换器、D-A转换器）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机。就其组成和工作原理而言，一块单片机芯片就是一台微型计算机。
单片机是微型计算机的一个发展分支，是为嵌入式应用而生的，可以嵌入各种对象（所嵌入的设备或系统）中，如家用电器、计算机外设、仪器仪表、通信设备、汽车电子等。由于其控制能力比较强和嵌入式应用的特点，单片机又称为“微控制器（Microcon-troller）”或“嵌入式微控制器（Embedded Microcontroller）”，通常简称为MCU（Micro Con-troller Unit）。
1.1.2 单片机的特点
单片机之所以在很多领域得到广泛的应用，是因为单片机具有以下显著的特点：
1）控制能力强。单片机的指令系统中有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位操作指令，实时控制功能特别强。
2）集成度高、体积小、可靠性强。由于CPU、存储器及I/O接口等功能部件集成在同一芯片内，内部采用总线结构，减小了体积，不易受环境的影响，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。
3）低功耗、低电压、性价比高、易于产品化。单片机大部分产品都具有低功耗、低电压的特点，有较高的性能价格比，从而易于产品化，满足各个领域广泛的需要。
4）易于进行系统扩展。单片机既可以采用并行总线进行系统扩展，也可以采用串行总线进行系统扩展。系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。
近年来推出的单片机产品，增加了I2C（Inter-Integrated Circuit）串行总线、SPI（Serial Peripheral Interface）串行接口，内部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低电压、低功耗和网络接口等方面都有进一步的增强。正是由于单片机的这些特点，使其在各个领域得到广泛的应用。
1.1.3 单片机的应用领域
单片机的应用十分广泛，在以下领域都有着广泛的应用：
1）智能仪器仪表。由于单片机具有超微型化的特点，并且有无可比拟的高性能价格比。单片机用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度，使仪器仪表智能化，另一方面还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。如各种智能电气测量仪表、智能传感器、智能数字化仪表等。
2）机电一体化产品。机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型的产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。
3）工业实时控制。单片机还可以用于各种物理量的测量与控制。电流、电压、温度、液位、压力、流量等物理参数的数据采集系统和控制系统均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能控制算法，实现期望的控制性能指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电动机转速控制、温度控制、自动生产线、数控机床、智能化机器人等。
4）分布式控制系统。在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端数据采集模块，系统具有运行可靠、数据采集方便灵活、成本低廉等一系列优点。
5）家用电器。家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、微波炉、电饭煲、热水器、遥控电视机、摄像机、数码照相机、智能充电器、各种报警器等都使用单片机进行控制。
6）电信。单片机在电信领域的应用包括电话机、无绳电话机、投币电话机、磁卡电话机、光卡电话机、模拟或数字蜂窝移动通信手持机、无线对话机、业余无线电台、传真机、调制解调器、通话计费器、智能线路、数字滤波、电话密码锁、来电显示器等。
7）计算机外围设备。很多外围设备使用单片机作为控制器，使这些外围设备具有智能化功能。计算机外围设备的应用有键盘、打印机、绘图仪、智能化终端、智能扩充卡、智能化硬盘驱动器、调制解调器、外设控制板等。
8）办公自动化。办公自动化方面的应用包括复印机、智能打字机、传真机、个人数字助理PDA、智能终端机等。
9）商用电子。商用电子的应用有自动售货机、自动柜员机、电子收款机、电子秤、智能卡、IC卡读写器等。
10）汽车电子。汽车电子的应用包括点火控制、变速控制、防滑控制、防撞控制、排气控制、最佳燃烧控制、计价器、交通控制、防盗报警、电子地图、车载通信装置等。
11）军用电子。各种导弹和鱼雷的精确制导、智能武器、雷达系统、电子战设备等军用电子设备。
在其他领域中单片机也有着广泛的应用，如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、精密机床、健身器械、医疗器械、玩具等。因此可以毫不夸张地说，现代人类生活中几乎所用的电子和机械产品中都会集成有单片机。
1.1.4 单片机的发展趋势
从20世纪70年代单片机诞生以来，至今已发展有16位单片机、32位单片机，但一直是以8位机为主流机型。作为面向控制领域应用的单片微型计算机，今后的发展趋势将是进一步向着高性能、低功耗、大存储容量、外围电路集成化等几个方面发展。
1）提高CPU处理能力。进一步提高单片机CPU的性能，包括增加数据总线的宽度，采用精简指令集（Reduced Instruction Set Computer，RISC）计算机结构和流水线技术等，大幅度提高运行速度，并加强了位处理、中断和定时控制功能。
2）加大存储器容量。以往单片机内的ROM和RAM较小，存储器容量不够。新型单片机片内ROM一般可达4KB至32 KB或更多，RAM为256B～1KB。而且，新型单片机一般采用EEPROM或Flash ROM，方便读写，为在系统编程（In System Programming，ISP）提供了条件，方便了单片机的开发。
3）外围电路集成化。随着芯片集成度的不断提高，有可能把众多的外围功能部件集成在芯片内。这是单片机以后发展的重要趋势。除了一般必须具有的ROM、RAM、定时/计数器、中断系统以外，根据不同检测系统、控制功能的需求，片内还可以集成A-D转换器、监视定时器WDT、D-A转换器、脉宽调制器PWM、DMA控制器、锁相器、频率合成器、译码驱动电路等。
4）低功耗、低电压。8位单片机中大部分的产品都已经CMOS化，CMOS芯片的单片机具有功耗小的优点，而且为了充分发挥低功耗的特点，这类单片机都有待机、掉电等低功耗工作方式。很多新型单片机都可以在+5V电压以下工作；包括降低外时钟要求和采用引脚的电磁干扰抑制技术，明显提高了单片机的电磁兼容性。
5）小容量、低价格。由于单片机的嵌入式特点，希望它的体积更小，价格更便宜。有的单片机系列具有8～28脚封装的产品。
6）串行总线结构。随着Philips公司开发的I2C（Inter-Integrated Circuit）总线以及Mo-torola公司推出的串行外围接口SPI（Serial Peripheral Interface）等串行总线的引入，采用串行接口可大大减少引脚数量，简化系统结构，使得单片机应用系统中的串行扩展技术有了较大发展。此外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成在芯片内，因此可以不要并行扩展总线，大大减少了封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。