单片机开发入门知识介绍

1.1 51 单片机介绍

51 单片机是对所有兼容 Intel 8031 指令系统的单片机的统称。

该系列单片机的始祖是 Intel 的 8004 单片机，后来随着 Flash rom 技术的发展，8004 单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的 8 位单片机之一，其代表型号是 ATMEL 公司的 AT89 系列，它广泛应用于工业测控系统之中。很多公司都有 51 系列的兼容机型推出, 51 单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。

主要产品代表:

(1)、Intel(英特尔)的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52 等；

(2)、ATMEL(爱特梅尔)的：89C51、89C52、89C2051，89S51（RC），89S52（RC）等；

(3)、Philips(飞利浦)、华邦、Dallas(达拉斯)、Siemens(西门子)等公司；

(4)、STC(国产宏晶)单片机：89c51、89c52、89c516、90c516 等。宏晶科技是新一代增强型 8 位单片微型计算机标准的制定者和领导厂商。

1.2 市场上的主流单片机种类

单片机是一种集成电路芯片，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 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能（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 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。

以下是目前市场上的主流单片机：

(1)、8051 单片机

8051 单片机最早由 Intel 公司推出,随后 Intel 公司将 80C51 内核使用权，以专利互换或出让给世界许多著名 IC 制造厂商，这样 80C51 单片机就变成了众多芯片制造厂商支持的大家族，统称为 80C51 系列单片机。客观事实表明，80C51 已成为 8 位单片机的主流。

(2)、AVR 单片机

AVR 单片机是 1997 年由 ATMEL（爱特梅尔）公司研发出的增强型内置 Flash 的 RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精简指令集高速 8 位单片机。可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。

AVR 单片机最大的特点是精简指令型单片机，执行速度，在相同的振荡频率下是 8 位 MCU 中最快的一种单片机。

(3)、PIC 单片机

PIC 单片机是 Microchip(美国微芯半导体)公司的产品，它也是一种精简指令型的单片机，指令数量比较少，中档的 PIC 系列仅仅有 35 条指令而已，低档的仅有 33 条指令。

适用于用量大，档次低，价格敏感的产品，在办公自动化设备，消费电子产品，电讯通信，智能仪器仪表，汽车电子，金融电子，工业控制不同领域都有广泛的应用。

PIC 最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。PIC 系列从低到高有几十个型号，可以满足各种需要。其中，PIC12C508 单片机仅有 8 个引脚，是世界上最小的单片机。

(4)、MSP430

MSP430 系列单片机是美国德州仪器（TI）1996 年开始推向市场的一种 16 位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。

MSP430 单片机称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。

MSP430 系列单片机是一个 16 位的单片机，运算速度快，超低功耗，MSP430 系列单片机的电源电压采用的是 1.8-3.6V 电压。

(5)、ARM 处理器

ARM 即以英国 ARM（Advanced RISC Machines）公司的内核芯片作为 CPU，同时附加其他外围功能的嵌入式开发板，用以评估内核芯片的功能和研发各科技类企业的产品。

ARM 是一个 32 位元精简指令集(RISC)处理器架构，ARM 处理器广泛地使用在许多嵌入式系统设计。ARM 处理器的特点有指令长度固定，执行效率高，低成本等。

ARM 微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于 ARM 技术的微处理器应用约占据了 32 位 RISC 微处理器 75%以上的市场份额，ARM 技术正在逐步渗入到我们生活的各方面。

ARM 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于 ARM 体系结构的处理器，除了具有 ARM 体系结构的共同特点以外，每一个系列的 ARM 微处理器都有各自的特点和应用领域。

－ ARM7 系列

－ ARM9 系列

－ ARM9E 系列

－ ARM10E 系列

－ ARM11 系列

－ Cortex 系列 : Cortex 系列处理器是基于 ARMv7 架构的，分为 Cortex-M、Cortex-R 和 Cortex-A 三类。由于应用领域的不同，基于 v7 架构的 Cortex 处理器系列所采用的技术也不相同。基于 v7A 的称为“Cortex-A 系列。

－ SecurCore 系列

－ OptimoDE Data Engines

－ Intel 的 Xscale

－ Intel 的 StrongARM ARM11 系列

1.3 FPGA 与单片机区别

(1)、FPGA 和单片机在概念上的区别

单片机:

单片机可以简单理解为集成在单一芯片上的微型计算机，也有运算器、控制器、存储器、总线及输入输出设备，采用也是存储程序执行的方式，对单片机的编程就是对其中的 ROM 写入程序，在加电后 ROM 中的程序会像计算机内存中的程序一样得到逐条的执行。

单片机有很强的接口性能，非常适合于工业控制，因此又叫微控制器(MCU) 。

FPGA:

FPGA 则是操控层次更低,所以自由度更大的芯片，对 FPGA 的编程在编译后是转化为 FPGA 内的连线表，相当于 FPGA 内提供了大量的与非门、或非门、触发器(可以用与非门形成吧)等基本数字器件，编程决定了有多少器件被使用以及它们之间的连接。只要 FPGA 规模够大，这些数字器件理论上能形成一切数字系统，包括单片机甚至 CPU。

FPGA 是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

(2)、FPGA 和单片机在结构上的区别

单片机是一种微处理器，类似于电脑 CPU 的，它一般采用的是哈佛总线结构，或者冯诺依曼结构，对单片机的编程很大程度上要考虑到它的结构和各个寄存器的作用，单片机用途比较广，一般用在控制流水线上，还有日 常你看得到的东西上!

FPGA 它的结构是查找表结构，其程序不用去太考虑芯片的结构，要注意的是时序上问题，它的结构比较复杂，功能也很强大，一般应用在通信领域等比较高端的场合，目前在 FPGA 还算是一个新兴的行业，当然它的价格也要比单片机贵得多!

单片机是一个微控制器，通过加载模块软件来实现某种功能，单片机是成型的芯片;FPGA 是用来设计芯片的芯片。

(3)、FPGA 和单片机速度上的区别

FPGA 由于是硬件电路，运行速度直接取决于晶振速度，系统稳定，特别适合高速接口电路。单片机由于是单线程，哪怕是常用的 M3 系列流水线也是单线程执行，程序语句需要等待单片机周期才能执行。

(4)、单片机和 FPGA 的本质区别

FPGA 和单片机的区别，本质上是软件和硬件的区别，FPGA 更偏向于硬件电路，而单片机更偏于软件。

单片机设计属软件范畴;它的硬件(单片机芯片)是固定的，通过软件编程语言描述软件指令在硬件芯片上的执行;

FPGA 设计属硬件范畴，它的硬件(FPGA)是可编程的，是一个通过硬件描述语言在 FPGA 芯片上自定义集成电路的过程;

1.4 DSP 和单片机区别

从实现运算的角度，单片机、ARM、DSP 都可以称之为 CPU。

DSP 是通用数字信号处理器，是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器。

DSP 适用于数字信号处理，例如 FFT、数字滤波算法、加密算法和复杂控制算法等。

DSP 实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序。DSP 器件比 16 位单片机单指令执行时间快 8～10 倍，完成一次乘加运算快 16～30 倍，其采用的设计是数据总线和地址总线分开，使程序和数据分别存储在两个分开的空间，允许取指令和执行指令完全重叠，其工作原理是接收模拟信号，转换为 0 或 1 的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式，它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。

DSP 芯片，由于它运算能力很强，速度很快，体积很小，而且采用软件编程具有高度的灵活性，因此为从事各种复杂的应用提供了一条有效途径。其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。