1簡介
單片機(jī)又稱單片微控制器,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。
單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機(jī)，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞——“智能型”，如智能型洗衣機(jī)等 。
2應(yīng)用分類
單片機(jī)（Microcontrollers）作為計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要分支領(lǐng)域，根據(jù)發(fā)展情況，從不同角度，單片機(jī)大致可以分為通用型/專用型、總線型/非總線型及工控型/家電型。
通用型
這是按單片機(jī)（Microcontrollers）適用范圍來區(qū)分的。例如，80C51式通用型單片機(jī)，它不是為某種專門用途設(shè)計(jì)的；專用型單片機(jī)是針對一類產(chǎn)品甚至某一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，例如為了滿足電子體溫計(jì)的要求，在片內(nèi)集成ADC接口等功能的溫度測量控制電路。
總線型
這是按單片機(jī)（Microcontrollers）是否提供并行總線來區(qū)分的?？偩€型單片機(jī)普遍設(shè)置有并行地址總線、 數(shù)據(jù)總線、控制總線，這些引腳用以擴(kuò)展并行外圍器件都可通過串行口與單片機(jī)連接，另外，許多單片機(jī)已把所需要的外圍器件及外設(shè)接口集成一片內(nèi)，因此在許多情況下可以不要并行擴(kuò)展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機(jī)稱為非總線型單片機(jī)。
控制型
這是按照單片機(jī)（Microcontrollers）大致應(yīng)用的領(lǐng)域進(jìn)行區(qū)分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運(yùn)算能力強(qiáng)；用于家電的單片機(jī)多為專用型，通常是小封裝、低價(jià)格，外圍器件和外設(shè)接口集成度高。 顯然，上述分類并不是惟一的和嚴(yán)格的。例如，80C51類單片機(jī)既是通用型又是總線型，還可以作工控用。
3發(fā)展歷史
單片機(jī)（Microcontrollers）誕生于1971年，經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段，早期的SCM單片機(jī)都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8051，此后在8051上發(fā)展出了MCS51系列MCU系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢r(jià)比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90年代后隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大提高。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機(jī)迅速取代16位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場。
而傳統(tǒng)的8位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。高端的32位Soc單片機(jī)主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價(jià)格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元。
當(dāng)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機(jī)上。而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。
主要階段
早期階段
SCM即單片微型計(jì)算機(jī)（Microcontrollers）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。“創(chuàng)新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計(jì)算機(jī)完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展道路上，Intel公司功不可沒。
中期發(fā)展
MCU即微控制器（Micro Controller Unit）階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴(kuò)展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時(shí)，對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領(lǐng)域都與對象系統(tǒng)相關(guān)，因此，發(fā)展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)廠家。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展MCU方面，最著名的廠家當(dāng)數(shù)Philips公司。
Philips公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢，將MCS-51從單片微型計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展到微控制器。因此，當(dāng)我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時(shí)，不要忘記Intel和Philips的歷史功績。
當(dāng)前趨勢
SoC嵌入式系統(tǒng)(System on Chip）式的獨(dú)立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決，因此，專用單片機(jī)的發(fā)展自然形成了SoC化趨勢。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計(jì)、EDA工具的發(fā)展，基于SoC的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)有較大的發(fā)展。因此，對單片機(jī)的理解可以從單片微型計(jì)算機(jī)、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。
早期發(fā)展
1971年intel公司研制出世界上第一個(gè)4位的微處理器；Intel公司的霍夫研制成功世界上第一塊4位微處理器芯片Intel 4004，標(biāo)志著第一代微處理器問世，微處理器和微機(jī)時(shí)代從此開始。因發(fā)明微處理器，霍夫被英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)家》雜志列為“二戰(zhàn)以來最有影響力的7位科學(xué)家”之一。
1971年11月，Intel推出MCS-4微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微處理器）其中4004（下圖）包含2300個(gè)晶體管，尺寸規(guī)格為3mm×4mm，計(jì)算性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)年的ENIAC，最初售價(jià)為200美元。
1972年4月，霍夫等人開發(fā)出第一個(gè)8位微處理器Intel 8008。由于8008采用的是P溝道MOS微處理器，因此仍屬第一代微處理器。
1973年intel公司研制出8位的微處理器8080；1973年8月，霍夫等人研制出8位微處理器Intel 8080，以N溝道MOS電路取代了P溝道，第二代微處理器就此誕生。
主頻2MHz的8080芯片運(yùn)算速度比8008快10倍，可存取64KB存儲(chǔ)器，使用了基于6微米技術(shù)的6000個(gè)晶體管，處理速度為0.64MIPS（Million Instructions Per Second ）。
1975年4月，MITS發(fā)布第一個(gè)通用型Altair 8800，售價(jià)375美元，帶有1KB存儲(chǔ)器。這是世界上第一臺微型計(jì)算機(jī)。
1976年intel公司研制出MCS-48系列8位的單片機(jī)，這也是單片機(jī)的問世。
Zilog公司于1976年開發(fā)的Z80微處理器，廣泛用于微型計(jì)算機(jī)和工業(yè)自動(dòng)控制設(shè)備。當(dāng)時(shí)，Zilog、Motorola和Intel在微處理器領(lǐng)域三足鼎立。
20世紀(jì)80年代初，Intel公司在MCS-48系列單片機(jī)的基礎(chǔ)上，推出了MCS-51系列8位高檔單片機(jī)。MCS-51系列單片機(jī)無論是片內(nèi)RAM容量，I/O口功能，系統(tǒng)擴(kuò)展方面都有了很大的提高。
4硬件特性
1、主流單片機(jī)包括CPU、4KB容量的RAM、128 KB容量的ROM、 2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、4個(gè)8位并行口、全雙工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。
2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，實(shí)現(xiàn)模塊化；
3、單片機(jī)可靠性高，可工作到10^6 ~10^7小時(shí)無故障；
4、處理功能強(qiáng)，速度快。
5、低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品
6、控制功能強(qiáng)
7、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。
5基本結(jié)構(gòu)
運(yùn)算器
運(yùn)算器由運(yùn)算部件——算術(shù)邏輯單元（Arithmetic & Logical Unit，簡稱ALU）、累加器和寄存器等幾部分組成。ALU的作用是把傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算，輸入來源為兩個(gè)8位數(shù)據(jù)，分別來自累加器和數(shù)據(jù)寄存器。ALU能完成對這兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減、與、或、比較大小等操作，最后將結(jié)果存入累加器。例如，兩個(gè)數(shù)6和7相加，在相加之前，操作數(shù)6放在累加器中，7放在數(shù)據(jù)寄存器中，當(dāng)執(zhí)行加法指令時(shí)，ALU即把兩個(gè)數(shù)相加并把結(jié)果13存入累加器，取代累加器原來的內(nèi)容6。
運(yùn)算器有兩個(gè)功能：
(1) 執(zhí)行各種算術(shù)運(yùn)算。
(2) 執(zhí)行各種邏輯運(yùn)算，并進(jìn)行邏輯測試，如零值測試或兩個(gè)值的比較。
運(yùn)算器所執(zhí)行全部操作都是由控制器發(fā)出的控制信號來指揮的，并且，一個(gè)算術(shù)操作產(chǎn)生一個(gè)運(yùn)算結(jié)果，一個(gè)邏輯操作產(chǎn)生一個(gè)判決。
控制器
控制器由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序發(fā)生器和操作控制器等組成，是發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”，即協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的操作。其主要功能有：
(1) 從內(nèi)存中取出一條指令，并指出下一條指令在內(nèi)存中的位置。
(2) 對指令進(jìn)行譯碼和測試，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號，以便于執(zhí)行規(guī)定的動(dòng)作。
(3) 指揮并控制CPU、內(nèi)存和輸入輸出設(shè)備之間數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向。
微處理器內(nèi)通過內(nèi)部總線把ALU、計(jì)數(shù)器、寄存器和控制部分互聯(lián)，并通過外部總線與外部的存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路聯(lián)接。外部總線又稱為系統(tǒng)總線，分為數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB和控制總線CB。通過輸入輸出接口電路，實(shí)現(xiàn)與各種外圍設(shè)備連接。
主要寄存器
（1）累加器A
圖1-2 單片機(jī)組成框圖
累加器A是微處理器中使用最頻繁的寄存器。在算術(shù)和邏輯運(yùn)算時(shí)它有雙功能：運(yùn)算前，用于保存一個(gè)操作數(shù)；運(yùn)算后，用于保存所得的和、差或邏輯運(yùn)算結(jié)果。
（2）數(shù)據(jù)寄存器DR
數(shù)據(jù)寄存器通過數(shù)據(jù)總線向存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備送（寫）或?。ㄗx）數(shù)據(jù)的暫存單元。它可以保存一條正在譯碼的指令，也可以保存正在送往存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)等等。
（3）指令寄存器IR和指令譯碼器ID
指令包括操作碼和操作數(shù)。
指令寄存器是用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，先把它從內(nèi)存中取到數(shù)據(jù)寄存器中，然后再傳送到指令寄存器。當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行給定的指令時(shí)，必須對操作碼進(jìn)行譯碼，以確定所要求的操作，指令譯碼器就是負(fù)責(zé)這項(xiàng)工作的。其中，指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入。
（4）程序計(jì)數(shù)器PC
PC用于確定下一條指令的地址，以保證程序能夠連續(xù)地執(zhí)行下去，因此通常又被稱為指令地址計(jì)數(shù)器。在程序開始執(zhí)行前必須將程序的第一條指令的內(nèi)存單元地址（即程序的首地址）送入PC，使它總是指向下一條要執(zhí)行指令的地址。
（5）地址寄存器AR
地址寄存器用于保存當(dāng)前CPU所要訪問的內(nèi)存單元或I/O設(shè)備的地址。由于內(nèi)存與CPU之間存在著速度上的差異，所以必須使用地址寄存器來保持地址信息，直到內(nèi)存讀/寫操作完成為止。
顯然，當(dāng)CPU向存儲(chǔ)器存數(shù)據(jù)、CPU從內(nèi)存取數(shù)據(jù)和CPU從內(nèi)存讀出指令時(shí)，都要用到地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。同樣，如果把外圍設(shè)備的地址作為內(nèi)存地址單元來看的話，那么當(dāng)CPU和外圍設(shè)備交換信息時(shí)，也需要用到地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。[2]
6應(yīng)用范圍
單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。更不用說自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及各種智能機(jī)械了。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。
單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個(gè)范疇：
智能儀器
單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、電流、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。
例如精密的測量設(shè)備（電壓表、功率計(jì)，示波器，各種分析儀）。
工業(yè)控制
單片機(jī)具有體積小、控制功能強(qiáng)、功耗低、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、擴(kuò)展靈活和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信號檢測系統(tǒng)、無線感知系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、機(jī)器人等應(yīng)用控制系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。
家用電器
家用電器廣泛采用了單片機(jī)控制，從電飯煲、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備和白色家電等。
網(wǎng)絡(luò)和通信
現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)，電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動(dòng)通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動(dòng)電話，集群移動(dòng)通信，無線電對講機(jī)等。
設(shè)備領(lǐng)域
單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。
模塊化系統(tǒng)
某些專用單片機(jī)設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)特定功能，從而在各種電路中進(jìn)行模塊化應(yīng)用，而不要求使用人員了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如音樂集成單片機(jī)，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機(jī)的原理），就需要復(fù)雜的類似于計(jì)算機(jī)的原理。如：音樂信號以數(shù)字的形式存于存儲(chǔ)器中（類似于ROM），由微控制器讀出，轉(zhuǎn)化為模擬音樂電信號（類似于聲卡）。
在大型電路中，這種模塊化應(yīng)用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯(cuò)誤率，也方便于更換。
汽車電子
單片機(jī)在汽車電子中的應(yīng)用非常廣泛，例如汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，基于CAN總線的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)智能電子控制器、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、abs防抱死系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、胎壓檢測等。
此外，單片機(jī)在工商、金融、科研、教育、電力、通信、物流和國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。
7學(xué)習(xí)方法
基礎(chǔ)理論
基礎(chǔ)理論知識包括模擬電路、數(shù)字電路和C語言知識。模擬電路和數(shù)字電路屬于抽象學(xué)科，要把它學(xué)好還得費(fèi)點(diǎn)精神。在你學(xué)習(xí)單片機(jī)之前，覺得模擬電路和數(shù)字電路基礎(chǔ)不好的話，不要急著學(xué)習(xí)單片機(jī)，應(yīng)該先回顧所學(xué)過的模擬電路和數(shù)字電路知識，為學(xué)習(xí)單片機(jī)加強(qiáng)基礎(chǔ)。否則，你的單片機(jī)學(xué)習(xí)之路不僅會(huì)很艱難和漫長，還可能半途而廢。筆者始終認(rèn)為，扎實(shí)的電子技術(shù)基礎(chǔ)是學(xué)好單片機(jī)的關(guān)鍵，直接影響單片機(jī)學(xué)習(xí)入門的快慢。有些同學(xué)覺得單片機(jī)很難，越學(xué)越復(fù)雜，最后學(xué)不下去了。有的同學(xué)看書時(shí)似乎明白了，可是動(dòng)起手來卻一塌糊涂，究其原因就是電子技術(shù)基礎(chǔ)沒有打好，首先被表面知識給困惑了。
單片機(jī)屬于數(shù)字電路，其概念、術(shù)語、硬件結(jié)構(gòu)和原理都源自數(shù)字電路，如果數(shù)字電路基礎(chǔ)扎實(shí)，對復(fù)雜的單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理就能容易理解，就能輕松地邁開學(xué)習(xí)的第一步，自信心也會(huì)樹立起來。相反，基礎(chǔ)不好，這個(gè)看不懂那個(gè)也弄不明白，越學(xué)問題越多，越學(xué)越?jīng)]有信心。如果你覺得單片機(jī)很難，那就應(yīng)該先放下單片機(jī)教材，去重溫?cái)?shù)字電路，搞清楚觸發(fā)器、寄存器、門電路、COMS電路、時(shí)序邏輯和時(shí)序圖、進(jìn)制轉(zhuǎn)換等理論知識。理解了這些知識之后再去看看單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理，我想你會(huì)大徹大悟，信心倍增。
模擬電路是電子技術(shù)最基礎(chǔ)的學(xué)科，它讓你知道什么是電阻、電容、電感、二極管、三極管、場效應(yīng)管、放大器等等以及它們的工作原理和在電路中的作用，這是學(xué)習(xí)電子技術(shù)必須掌握的基礎(chǔ)知識。一般是先學(xué)習(xí)模擬電路再去學(xué)習(xí)數(shù)字電路。扎實(shí)的模擬電路基礎(chǔ)不僅讓你容易看懂別人設(shè)計(jì)的電路，而且讓你的設(shè)計(jì)的電路更可靠，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
單片機(jī)的學(xué)習(xí)離不開編程，在所有的程序設(shè)計(jì)中C語言運(yùn)用的最為廣泛。C語言知識并不難，沒有任何編程基礎(chǔ)的人都可以學(xué)，在我看來，初中生、高中生、中專生、大學(xué)生都能學(xué)會(huì)。當(dāng)然，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)好、邏輯思維好的人學(xué)起來相對輕松一些。C語言需要掌握的知識就那么3個(gè)條件判斷語句、3個(gè)循環(huán)語句、3個(gè)跳轉(zhuǎn)語句和1個(gè)開關(guān)語句。別小看這10個(gè)語句，用他們組合形成的邏輯要多復(fù)雜有多復(fù)雜。學(xué)習(xí)時(shí)要一條語句一條語句的學(xué)，學(xué)一條活用一條，全部學(xué)過用過這些關(guān)鍵語句后，相信你的C基礎(chǔ)建立了。
當(dāng)基礎(chǔ)打好以后，你會(huì)感覺到單片機(jī)不再難學(xué)了，而且越學(xué)越起勁。當(dāng)單片機(jī)乖乖的依照你的邏輯思維和算法去執(zhí)行指令，實(shí)現(xiàn)預(yù)期控制效果的時(shí)候，成就感會(huì)讓你信心十足、夜以續(xù)日、廢寢忘食的投入到單片機(jī)的世界里。可以這么說，扎實(shí)的電子技術(shù)基礎(chǔ)和C語言基礎(chǔ)能增強(qiáng)學(xué)習(xí)單片機(jī)信心，較快掌握單片機(jī)技術(shù)。
實(shí)驗(yàn)實(shí)踐
這是真正學(xué)習(xí)單片機(jī)的過程，既讓人興奮又讓人疲憊，既讓人無奈又讓人不服，既讓人孤獨(dú)又讓人充實(shí)，既讓人氣憤又讓人欣慰，既有失落感又有成就感。其中的酸甜苦辣只有學(xué)過的人深有體會(huì)。思想上要有刻苦學(xué)習(xí)的決心，硬件上要有一套完整的學(xué)習(xí)開發(fā)工具，軟件上要注重理論和實(shí)踐相結(jié)合。
1.有刻苦學(xué)習(xí)的決心
首先，明確學(xué)習(xí)目的。先認(rèn)真回答兩個(gè)問題：我學(xué)單片機(jī)來做什么？需要多長時(shí)間把它學(xué)會(huì)？這是你學(xué)單片機(jī)的動(dòng)力。沒有動(dòng)力，我想你堅(jiān)持不了多久。其次，端正學(xué)習(xí)心態(tài)。單片機(jī)學(xué)習(xí)過程是枯燥乏味、孤獨(dú)寂寞的過程。要知道，學(xué)習(xí)知識沒有捷徑，只有循序漸進(jìn)，腳踏實(shí)地，一步一個(gè)腳印，才能學(xué)到真功夫。再次，要多動(dòng)腦勤動(dòng)手。單片機(jī)的學(xué)習(xí)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，是一門很注重實(shí)際動(dòng)手操作的技術(shù)學(xué)科。不動(dòng)手實(shí)踐你是學(xué)不會(huì)單片機(jī)的。最后，虛心交流。在單片機(jī)學(xué)習(xí)過程中每個(gè)人都會(huì)遇到無數(shù)不能解決的問題，需要你向有經(jīng)驗(yàn)的過來人虛心求教，否則，一味的自己埋頭摸索會(huì)走許多彎路，浪費(fèi)很多時(shí)間。
2.有一套完整的學(xué)習(xí)開發(fā)工具
學(xué)習(xí)單片機(jī)是需要成本的。必須有一臺電腦、一塊單片機(jī)開發(fā)板（如果開發(fā)板不能直接下載程序代碼的話還得需要一個(gè)編程器）、一套視頻教程、一本單片機(jī)教材和一本C語言教材。電腦是用來編寫和編譯程序，并將程序代碼下載到單片機(jī)上；開發(fā)板用來運(yùn)行單片機(jī)程序，驗(yàn)證實(shí)際效果；視頻教程就是手把手教你單片機(jī)開發(fā)環(huán)境的使用、單片機(jī)編程和調(diào)試。對于單片機(jī)初學(xué)者來說，視頻教程必須看，要不然，哪怕把教材看了幾遍，還是不知道如何下手，尤其是院校里的單片機(jī)教材，學(xué)了之后，面對真正的單片機(jī)時(shí)可能還是束手無策；單片機(jī)教材和C語言教材是理論學(xué)習(xí)資料，備忘備查。不要為了節(jié)約成本不用開發(fā)板而光用Proteus軟件仿真調(diào)試，這和紙上談兵沒什么區(qū)別。
3. 要注重理論和實(shí)踐相結(jié)合
單片機(jī)C語言編程理論知識并不深?yuàn)W，光看書不動(dòng)手也能明白。但在實(shí)際編程的時(shí)候就沒那么簡單了。一個(gè)程序的形成不僅需要有C語言知識，更多需要融入你個(gè)人的編程思路和算法。編程思路和算法決定一個(gè)程序的優(yōu)劣，是單片機(jī)編程的大問題，只有在實(shí)際動(dòng)手編寫的時(shí)候才會(huì)有深切的感悟。一個(gè)程序能否按照你的意愿正常運(yùn)行就要看你的思路和算法是否正確、合理。如果程序不正常則要反復(fù)調(diào)試(檢查、修改思路和算法)，直到成功。這個(gè)過程耗時(shí)、費(fèi)腦、疲精神，意志不堅(jiān)強(qiáng)者往往被絆倒在這里半途而廢。
學(xué)習(xí)編寫程序應(yīng)該按照以下過程學(xué)習(xí)，效果會(huì)更好。看到例程題目先試著構(gòu)思自己的編程思路，然后再看教材或視頻教程里的代碼，研究人家的編程思路，注意與自己思路的差異；接下來就照搬人家的思路親自動(dòng)手編寫這個(gè)程序，領(lǐng)會(huì)其中每一條語句的作用；對有疑問的地方試著按照自己的思路修改程序，比較程序運(yùn)行效果，領(lǐng)會(huì)其中的奧妙。每一個(gè)例程都堅(jiān)持按照這個(gè)過程學(xué)習(xí)，你很快會(huì)找到編程的感覺，取其精華去其糟粕，久而久之會(huì)形成你獨(dú)特的編程思想。當(dāng)然，剛開始，看別人的程序源代碼就像看天書一樣，只要硬著頭皮看，看到不懂的關(guān)鍵字和語句就翻書查閱、對照。只要能堅(jiān)持下來，學(xué)習(xí)收獲會(huì)事半功倍。在實(shí)踐過程中不僅要學(xué)會(huì)別人的例程，還要在別人的程序上改進(jìn)和拓展，讓程序產(chǎn)生更強(qiáng)大的功能。同時(shí)，還要懂得通過查閱芯片數(shù)據(jù)手冊（DATASHEET）里有關(guān)芯片命令和數(shù)據(jù)的讀寫時(shí)序來核對別人例程的可靠性，如果你覺得例程不可靠就把它修改過來，成為是你自己的程序。不僅如此，自己應(yīng)該經(jīng)常找些項(xiàng)目來做，以鞏固所學(xué)的知識和積累更多的經(jīng)驗(yàn)。
硬件設(shè)計(jì)
當(dāng)編寫自己的程序信手拈來、閱讀別人的程序能夠發(fā)現(xiàn)問題的時(shí)候，說明你的單片機(jī)編程水平相當(dāng)不錯(cuò)了。接下來就應(yīng)該研究硬件了。硬件設(shè)計(jì)包括電路原理設(shè)計(jì)和PCB板設(shè)計(jì)。學(xué)習(xí)做硬件要比學(xué)習(xí)做軟件麻煩，成本更高，周期更長。但是，學(xué)習(xí)單片機(jī)的最終目的是做產(chǎn)品開發(fā)----軟件和硬件相結(jié)合形成完整的控制系統(tǒng)。所以，做硬件也是學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)的一個(gè)必學(xué)內(nèi)容。
電路原理設(shè)計(jì)涉及到各種芯片的應(yīng)用，而這些芯片外圍電路的設(shè)計(jì)、典型應(yīng)用電路和與單片機(jī)的連接等在芯片數(shù)據(jù)手冊（DATASHEET）都能找到答案，前提是要看得懂全英文的數(shù)據(jù)手冊。否則，照搬別人的設(shè)計(jì)永遠(yuǎn)落在別人的后面，你做的產(chǎn)品就沒有創(chuàng)意。電子技術(shù)領(lǐng)域的第一手資料（DATASHEET）都是英文，從第一手資料里你所獲得的知識可能是在教科書、網(wǎng)絡(luò)文檔和課外讀物等所沒有的知識。雖然有些資料也都是在DATASHEET的基礎(chǔ)上撰寫的，但內(nèi)容不全面，甚至存在翻譯上的遺漏和錯(cuò)誤。當(dāng)然，閱讀DATASHEET需要具備一定的英文閱讀能力，這也是阻礙單片機(jī)學(xué)習(xí)者晉級的絆腳石。良好的英文閱讀能力能讓你在單片機(jī)技術(shù)知識的海洋里自由遨游。
做PCB板就比較簡單了。只要懂得使用Protel軟件或 AltiumDesigner軟件就沒問題了。但要想做的板子布局美觀、布線合理還得費(fèi)一番功夫了。
嫻熟的單片機(jī)C語言編程、會(huì)使用Protel軟件或 AltiumDesigner軟件設(shè)計(jì)PCB板和具備一定的英文閱讀能力，你就是一個(gè)遇強(qiáng)則強(qiáng)的單片機(jī)高手了。
抗干擾設(shè)計(jì)
在提高硬件系統(tǒng)抗干擾能力的同時(shí)，軟件抗干擾以其設(shè)計(jì)靈活、節(jié)省硬件資源、可靠性好越來越受到重視。下面以MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)為例，對微機(jī)系統(tǒng)軟件抗干擾方法進(jìn)行研究。
抗干擾
在工程實(shí)踐中，軟件抗干擾研究的內(nèi)容主要是：一、消除模擬輸入信號的噪聲（如數(shù)字濾波技術(shù)）；二、程序運(yùn)行混亂時(shí)使程序重入正軌的方法。本文針對后者提出了幾種有效的軟件抗干擾方法。
指令冗余
CPU取指令過程是先取操作碼，再取操作數(shù)。當(dāng)PC受干擾出現(xiàn)錯(cuò)誤，程序便脫離正常軌道“亂飛”，當(dāng)亂飛到某雙字節(jié)指令，若取指令時(shí)刻落在操作數(shù)上，誤將操作數(shù)當(dāng)做操作碼，程序?qū)⒊鲥e(cuò)。若“飛” 到了三字節(jié)指令，出錯(cuò)機(jī)率更大。
在關(guān)鍵地方人為插入一些單字節(jié)指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重寫稱為指令冗余。通常是在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個(gè)字節(jié)以上的NOP。這樣即使亂飛程序飛到操作數(shù)上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被當(dāng)作操作數(shù)執(zhí)行，程序自動(dòng)納入正軌。
此外，對系統(tǒng)流向起重要作用的指令如RET、 RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入兩條NOP，也可將亂飛程序納入正軌，確保這些重要指令的執(zhí)行。
攔截技術(shù)
所謂攔截，是指將亂飛的程序引向指定位置，再進(jìn)行出錯(cuò)處理。通常用軟件陷阱來攔截亂飛的程序。因此先要合理設(shè)計(jì)陷阱，其次要將陷阱安排在適當(dāng)?shù)奈恢谩?/div>
（1 ）軟件陷阱的設(shè)計(jì)
當(dāng)亂飛程序進(jìn)入非程序區(qū)，冗余指令便無法起作用。通過軟件陷阱，攔截亂飛程序，將其引向指定位置，再進(jìn)行出錯(cuò)處理。軟件陷阱是指用來將捕獲的亂飛程序引向復(fù)位入口地址0000H的指令。通常在EPROM中非程序區(qū)填入以下指令作為軟件陷阱：
（2 ） 陷阱的安排
最后一條應(yīng)填入020000，當(dāng)亂飛程序落到此區(qū)，即可自動(dòng)入軌。在用戶程序區(qū)各模塊之間的空余單元也可填入陷阱指令。當(dāng)使用的中斷因干擾而開放時(shí)，在對應(yīng)的中斷服務(wù)程序中設(shè)置軟件陷阱，能及時(shí)捕獲錯(cuò)誤的中斷。如某應(yīng)用系統(tǒng)雖未用到外部中斷1，外部中斷1的中斷服務(wù)程序可為如下形式：
NOPNOPRETI返回指令可用“RETI”，也可用“LJMP 0000H”。如果故障診斷程序與系統(tǒng)自恢復(fù)程序的設(shè)計(jì)可靠、 完善，用“LJMP 0000H”作返回指令可直接進(jìn)入故障診斷程序，盡早地處理故障并恢復(fù)程序的運(yùn)行。
考慮到程序存貯器的容量，軟件陷阱一般1K空間有2-3個(gè)就可以進(jìn)行有效攔截。
軟件“看門狗”技術(shù)
若失控的程序進(jìn)入“死循環(huán)”，通常采用“看門狗”技術(shù)使程序脫離“死循環(huán)”。通過不斷檢測程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時(shí)間超過最大循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”，需進(jìn)行出錯(cuò)處理。
“看門狗”技術(shù)可由硬件實(shí)現(xiàn)，也可由軟件實(shí)現(xiàn)。在工業(yè)應(yīng)用中，嚴(yán)重的干擾有時(shí)會(huì)破壞中斷方式控制字，關(guān)閉中斷。則系統(tǒng)無法定時(shí)“喂狗”，硬件看門狗電路失效。而軟件看門狗可有效地解決這類問題。
筆者在實(shí)際應(yīng)用中，采用環(huán)形中斷監(jiān)視系統(tǒng)。用定時(shí)器T0監(jiān)視定時(shí)器T1，用定時(shí)器T1監(jiān)視主程序，主程序監(jiān)視定時(shí)器T0。采用這種環(huán)形結(jié)構(gòu)的軟件“看門狗”具有良好的抗干擾性能，大大提高了系統(tǒng)可靠性。對于需經(jīng)常使用T1定時(shí)器進(jìn)行串口通訊的測控系統(tǒng)，則定時(shí)器T1不能進(jìn)行中斷，可改由串口中斷進(jìn)行監(jiān)控（如果用的是MCS-52系列單片機(jī)，也可用T2代替T1進(jìn)行監(jiān)視）。這種軟件“看門狗”監(jiān)視原理是：在主程序、T0中斷服務(wù)程序、T1中斷服務(wù)程序中各設(shè)一運(yùn)行觀測變量，假設(shè)為MWatch、T0Watch 、T1Watch，主程序每循環(huán)一次，MWatch加1，同樣T0、T1中斷服務(wù)程序執(zhí)行一次，T0Watch、 T1Watch加1。在T0中斷服務(wù)程序中通過檢測T1Watch的變化情況判定T1運(yùn)行是否正常，在T1中斷服務(wù)程序中檢測MWatch的變化情況判定主程序是否正常運(yùn)行，在主程序中通過檢測T0Watch的變化情況判別T0是否正常工作。若檢測到某觀測變量變化不正常，比如應(yīng)當(dāng)加1而未加1，則轉(zhuǎn)到出錯(cuò)處理程序作排除故障處理。當(dāng)然，對主程序最大循環(huán)周期、定時(shí)器T0和T1定時(shí)周期應(yīng)予以全盤合理考慮。限于篇幅不贅述。
抗干擾技術(shù)
單片機(jī)系統(tǒng)因干擾復(fù)位或掉電后復(fù)位均屬非正常復(fù)位，應(yīng)進(jìn)行故障診斷并能自動(dòng)恢復(fù)非正常復(fù)位前的狀態(tài)。
非正常復(fù)位的識別
程序的執(zhí)行總是從0000H開始，導(dǎo)致程序從 0000H開始執(zhí)行有四種可能：一、系統(tǒng)開機(jī)上電復(fù)位；二、軟件故障復(fù)位；三、看門狗超時(shí)未喂狗硬件復(fù)位； 四、任務(wù)正在執(zhí)行中掉電后來電復(fù)位。四種情況中除第一種情況外均屬非正常復(fù)位，需加以識別。
（1 ）硬件復(fù)位與軟件復(fù)位的識別
此處硬件復(fù)位指開機(jī)復(fù)位與看門狗復(fù)位，硬件復(fù)位對寄存器有影響，如復(fù)位后PC=0000H， SP=07H，PSW=00H等。而軟件復(fù)位則對SP、SPW無影響。故對于微機(jī)測控系統(tǒng)，當(dāng)程序正常運(yùn)行時(shí)，將SP設(shè)置地址大于07H，或者將PSW的第5位用戶標(biāo)志位在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)設(shè)為1。那么系統(tǒng)復(fù)位時(shí)只需檢測PSW.5標(biāo)志位或SP值便可判此是否硬件復(fù)位。
由于硬件復(fù)位時(shí)片內(nèi)RAM狀態(tài)是隨機(jī)的，而軟件復(fù)位片內(nèi)RAM則可保持復(fù)位前狀態(tài)，因此可選取片內(nèi)某一個(gè)或兩個(gè)單元作為上電標(biāo)志。設(shè)40H用來做上電標(biāo)志，上電標(biāo)志字為78H，若系統(tǒng)復(fù)位后40H單元內(nèi)容不等于78H，則認(rèn)為是硬件復(fù)位，否則認(rèn)為是軟件復(fù)位，轉(zhuǎn)向出錯(cuò)處理。若用兩個(gè)單元作上電標(biāo)志，則這種判別方法的可靠性更高。
（2 ）開機(jī)復(fù)位與看門狗故障復(fù)位的識別
開機(jī)復(fù)位與看門狗故障復(fù)位因同屬硬件復(fù)位， 所以要想予以正確識別，一般要借助非易失性RAM或者EEROM。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，設(shè)置一可掉電保護(hù)的觀測單元。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，在定時(shí)喂狗的中斷服務(wù)程序中使該觀測單元保持正常值（設(shè)為 AAH），而在主程中將該單元清零，因觀測單元掉電可保護(hù)，則開機(jī)時(shí)通過檢測該單元是否為正常值可判斷是否看門狗復(fù)位。
（3 ）正常開機(jī)復(fù)位與非正常開機(jī)復(fù)位的識別
識別測控系統(tǒng)中因意外情況如系統(tǒng)掉電等情況引起的開機(jī)復(fù)位與正常開機(jī)復(fù)位，對于過程控制系統(tǒng)尤為重要。如某以時(shí)間為控制標(biāo)準(zhǔn)的測控系統(tǒng)，完成一次測控任務(wù)需1小時(shí)。在已執(zhí)行測控50分鐘的情況下，系統(tǒng)電壓異常引起復(fù)位，此時(shí)若系統(tǒng)復(fù)位后又從頭開始進(jìn)行測控則會(huì)造成不必要的時(shí)間消耗。因此可通過一監(jiān)測單元對當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)時(shí)間予以監(jiān)控，將控制過程分解為若干步或若干時(shí)間段，每執(zhí)行完一步或每運(yùn)行一個(gè)時(shí)間段則對監(jiān)測單元置為關(guān)機(jī)允許值，不同的任務(wù)或任務(wù)的不同階段有不同的值，若系統(tǒng)正在進(jìn)行測控任務(wù)或正在執(zhí)某時(shí)間段，則將監(jiān)測單元置為非正常關(guān)機(jī)值。那么系統(tǒng)復(fù)位后可據(jù)此單元判系統(tǒng)原來的運(yùn)行狀態(tài)，并跳到出錯(cuò)處理程序中恢復(fù)系統(tǒng)原運(yùn)行狀態(tài)。
非正常復(fù)位后系統(tǒng)自恢復(fù)運(yùn)行的程序設(shè)計(jì)
對順序要求嚴(yán)格的一些過程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)非正常復(fù)位否，一般都要求從失控的那一個(gè)模塊或任務(wù)恢復(fù)運(yùn)行。所以測控系統(tǒng)要作好重要數(shù)據(jù)單元、參數(shù)的備份，如系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)的進(jìn)程值、當(dāng)前輸入、輸出的值，當(dāng)前時(shí)鐘值、觀測單元值等，這些數(shù)據(jù)既要定時(shí)備份，同時(shí)若有修改也應(yīng)立即予以備份。
當(dāng)在已判別出系統(tǒng)非正常復(fù)位的情況下，先要恢復(fù)一些必要的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如顯示模塊的初始化、片外擴(kuò)展芯片的初始化等。其次再對測控系統(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)等予以恢復(fù)，包括顯示界面等的恢復(fù)。之后再把復(fù)位前的任務(wù)、參數(shù)、運(yùn)行時(shí)間
