intel16單片機控制輸出

1. 關於單片機的種類問題

單片機的分類Ⅰ 按生產廠家分
美國的英特爾(Intel) 公司、摩托羅拉（Motorola）公司、國家辦導體(NS) 公司、Atmel公司、微晶元(Microchip) 公司、洛克威爾(Rockwell)公司、莫斯特克公司(Mostek)、齊洛格(Zilog)公司、仙童(Fairchid)公司、德州儀器(TI)公司等等。日本的電氣(NS)公司、東芝(Toshiba)公司、富士通(Fujitsu)公司、松下公司、日立(Hitachi)公司、日電(NEC)公司、夏普公司等等。荷蘭的飛利浦(Philips)公司。德國的西門子(Siemens)公司等等。
Ⅱ 按字長分（1）4-BIT 單片機
4 位單片機的控制功能較弱,CPU 一次只能處理4 位二進制數。這類單片機常用於計算器、各種形態的智能單元以及作為家用電器中的控制器。典型產品有NEC 公司的UPD 75××系列、NS 公司的COP400 系列、松下公司的MN1400 系列、ROCKWELL 公司的PPS/1系列、富士通公司的MB88 系列、夏普公司的SM××系列、Toshiba 公司的TMP47×××系列等等。
① 華邦公司的W741系列的4位單片機帶液晶驅動,在線燒錄,保密性高,低操作電壓(1.2V~1.8V)。
② 東芝單片機的4位機在家電領域有很大市場。
（2）8-BIT 單片機
8 位單片機 8 位單片機的控制功能較強，品種最為齊全。和4 位單片機相比，它不僅具有較大的存儲容量和定址范圍，而且中斷源、並行I/O 介面和定時器/計數器個數都有了不同程度的增加，並集成有全雙工串列通信介面。在指令系統方面，普遍增設了乘除指令和比較指令。特別是8 位機中的高性能增強型單片機，除片內增加了A/D 和D/A 轉換器外，還集成有定時器捕捉/比較寄存器、監視定時器(Watchdog)、匯流排控制部件和晶體振盪電路等。這類單片機由於其片內資源豐富和功能強大，主要在工業控制、智能儀表、家用電器和辦公自動化系統中應用。代表產品有Intel 公司的MCS-48 系列和MCS-51 系列 、Microchip 公司的PIC16C××系列和PIC17C××系列以及PIC1400 系列、Motorola 公司的M68HC05 系列和M68HC11 系列、Zilog 公司的Z8 系列、荷蘭Philips 公司的80C51 系列(同MCS-51 兼容)、Atmel公司的AT89 系列(同MCS-51 兼容)、NEC 公司的UPD78××系列等等。
1）51系列單片機
8031/8051/8751是Intel公司早期的產品。應用的早，影響很大，已成為世界上的工業標准。後來很多晶元廠商以各種方式與Intel公司合作，也推出了同類型的單片機，如同一種單片機的多個版本一樣，雖都在不斷的改變製造工藝，但內核卻一樣，也就是說這類單片機指令系統完全兼容，絕大多數管腳也兼容；在使用上基本可以直接互換。人們統稱這些與8051內核相同的單片機為「51系列單片機」。
8031片內不帶程序存儲器ROM，使用時用戶需外接程序存儲器和一片邏輯電路373，外接的程序存儲器多為EPROM的2764系列。用戶若想對寫入到EPROM中的程序進行修改，必須先用一種特殊的紫外線燈將其照射擦除，之後再可寫入。寫入到外接程序存儲器的程序代碼沒有什麼保密性可言。
8051片內有4k ROM，無須外接外存儲器和373，更能體現「單片」的簡練。但是所編的程序無法寫入到其ROM中，只有將程序交晶元廠代為寫入，並是一次性的，不能改寫其內容。
8751與8051基本一樣，但8751片內有4k的EPROM，用戶可以將自己編寫的程序寫入單片機的EPROM中進行現場實驗與應用，EPROM的改寫同樣需要用紫外線燈照射一定時間擦除後再寫入。
在眾多的51系列單片機中，要算 ATMEL 公司的AT89C51、AT89S52更實用，因他不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內的4K程序存儲器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫，一般專為 ATMEL AT89xx 做的編程器均帶有這些功能。顯而易見，這種單片機對開發設備的要求很低，開發時間也大大縮短。寫入單片機內的程序還可以進行加密，這又很好地保護了你的勞動成果。而且，AT89C51、AT89S51目前的售價比8031還低，市場供應也很充足。
AT89S51、52是2003年ATMEL推出的新型品種，除了完全兼容8051外，還多了ISP編程和看門狗功能。
ATMEL公司的51系列還有AT89C2051、AT89C1051等品種，這些晶元是在AT89C51的基礎上將一些功能精簡掉後形成的精簡版。AT89C2051取掉了P0口和P2口，內部的程序FLASH存儲器也小到2K，封裝形式也由51的P40腳改為20腳，相應的價格也低一些，特別適合在一些智能玩具，手持儀器等程序不大的電路環境下應用；AT89C1051在2051的基礎上，再次精簡掉了串口功能等，程序存儲器再次減小到1k，當然價格也更低。
51 單片機目前已有多種型號，市場上目前供貨比較足的晶元還要算ATMEL 的51、52 晶元， HYUNDAI 的GMS97 系列，WINBOND 的78e52，78e58，77e58 等。
GMS97 系列是一次性燒寫，一般只有大量生產的人才買。at89c51,52 因可以很容易地解密，一般人們只用它來做實驗，或者用在一些即使解了密也無關緊要的場合。89c2051 只有20 腿，體積小巧，在一些簡單應用和體積有限的場合得到廣泛應用。
2）PIC系列單片機
由美國Microchip公司推出的PIC單片機系列產品，首先採用了RISC結構的嵌入式微控制器，其高速度、低電壓、低功耗、大電流LCD驅動能力和低價位OTP技術等都體現出單片機產業的新趨勢。
現在PIC系列單片機在世界單片機市場的份額排名中已逐年升位，尤其在8位單片機市場，據稱已從1990年的第20位上升到目前的第二位。PIC單片機從覆蓋市場出發，已有三種(又稱三層次)系列多種型號的產品問世，所以在全球都可以看到PIC單片機從電腦的外設、家電控制、電訊通信、智能儀器、汽車電子到金融電子各個領域的廣泛應用。現今的PIC單片機已經是世界上最有影響力的嵌入式微控制器之一。
① PIC 8位單片機的分類
PIC 8位單片機產品共有三個系列，即基本級、中級和高級。
a基本級系列該級產品的特點是低價位，如PIC16C5X，適用於各種對成本要求嚴格的家電產品選用。又如PIC12C5XX是世界第一個8腳的低價位單片機，因其體積很小，完全可以應用在以前不能使用單片機的家電產品的空間。
b中級系列該級產品是PIC最豐富的品種系列。它是在基本級產品上進行了改進，並保持了很高的兼容性。外部結構也是多種的，從8引腳到68引腳的各種封裝，如PIC12C6XX。該級產品其性能很高，如內部帶有A/D變換器、E2PROM數據存儲器、比較器輸出、PWM輸出、I2C和SPI等介面。PIC中級系列產品適用於各種高、中和低檔的電子產品的設計中。
c高級系列該系列產品如PIC17CXX，其特點是速度快，所以適用於高速數字運算的應用場合中，加之它具備一個指令周期內(160ns)可以完成8×8(位)二進制乘法運算能力，所以可取代某些DSP產品。再有PIC17CXX具有豐富的I/O控制功能，並可外接擴展EPROM和RAM，使它成為目前8位單片機中性能最高的機種之一。所以很適用於高、中檔的電子設備中使用。
上述的三層次(級)的PIC 8位單片機還具有很高的代碼兼容性，用戶很容易將代碼從某型號轉換到另一個型號中。PIC 8位單片機具有指令少、執行速度快等優點，其主要原因是PIC系列單片機在結構上與其它單片機不同。該系列單片機引入了原用於小型計算機的雙匯流排和兩級指令流水結構。這種結構與一般採用CISC(復雜指令集計算機)的單片機在結構上是有不同的。
雙匯流排結構
具有CISC結構的單片機均在同一存儲空間取指令和數據，片內只有一種匯流排。這種匯流排既要傳送指令又要傳送數據(如圖1－a所示)。因此，它不可能同時對程序存儲器和數據存儲器進行訪問。因與CPU直接相連的匯流排只有一種，要求數據和指令同時通過，顯然「亂套」，這正如一個「瓶頸」，瓶內的數據和指令要一起倒出來，往往就被瓶頸卡住了。所以具有這種結構的單片機，只能先取出指令，再執行指令(在此過程中往往要取數)，然後，待這條指令執行完畢，再取出另一條指令，繼續執行下一條。這種結構通常稱為馮•諾依曼結構，又稱普林斯頓結構。
在這里PIC系列單片機採用了一種雙匯流排結構，即所謂哈佛結構。這種結構有兩種匯流排，即程序匯流排和數據匯流排。這兩種匯流排可以採用不同的字長，如PIC系列單片機是八位機，所以其數據匯流排當然是八位。但低檔、中檔和高檔的PIC系列機分別有12位、14位和16位的指令匯流排。這樣，取指令時則經指令匯流排，取數據時則經數據匯流排，互不沖突。
② 兩級指令流水線結構
由於PIC系列單片機採用了指令空間和數據空間分開的哈佛結構，用了兩種位數不同的匯流排。因此，取指令和取數據有可能同時交疊進行，所以在PIC系列微控制器中取指令和執行指令就採用指令流水線結構。當第一條指令被取出後，隨即進入執行階段，這時可能會從某寄存器取數而送至另一寄存器，或從一埠向寄存器傳送數等，但數據不會流經程序匯流排，而只是在數據匯流排中流動，因此，在這段時間內，程序匯流排有空，可以同時取出第二條指令。當第一條指令執行完畢，就可執行第二條指令，同時取出第3條指令，……如此等等。這樣，除了第一條指令的取出，其餘各條指令的執行和下一條指令的取出是同時進行的，使得在每個時鍾周期可以獲得最高效率。
在大多數微控制器中，取指令和指令執行都是順序進行的，但在PIC單片機指令流水線結構中，取指令和執行指令在時間上是相互重疊的，所以PIC系列單片機才可能實現單周期指令。
只有涉及到改變程序計數器PC值的程序分支指令(例如GOTO、CALL)等才需要兩個周期。
此外，PIC的結構特點還體現在寄存器組上，如寄存器I/O口、定時器和程序寄存器等都是採用了RAM結構形式，而且都只需要一個周期就可以完成訪問和操作。而其它單片機常需要兩個或兩個以上的周期才能改變寄存器的內容。上述各項，就是PIC系列單片機能做到指令總數少，且大都為單周期指令的重要原因。
3）AVR系列單片機
AVR單片機是1997年由ATMEL公司研發出的增強型內置Flash的RISC(Reced Instruction Set CPU) 精簡指令集高速8位單片機。AVR的單片機可以廣泛應用於計算機外部設備、工業實時控制、儀器儀表、通訊設備、家用電器等各個領域。
①AVR單片機的優勢及特點
a AVR單片機易於入手、便於升級、費用低廉。 單片機初學者只需一條ISP下載線，把編輯、調試通過的軟體程序直接在線寫入AVR單片機，即可以開發AVR單片機系列中的各種封裝的器件。AVR單片機因此在業界號稱「一線打天下」。 AVR程序寫入是直接在電路板上進行程序修改、燒錄等操作，這樣便於產品升級。AVR單片機可使用ISP在線下載編程方式(即把PC機上編譯好的程序寫到單片機的程序存儲器中)，不需購買模擬器、編程器、擦抹器和晶元適配器等，即可進行所有AVR單片機的開發應用，這可節省很多開發費用。程序存儲器擦寫可達10000次以上，不會產生報廢品。
b高速、低耗、保密。首先，AVR單片機是高速嵌入式單片機： AVR單片機具有預取指令功能，即在執行一條指令時，預先把下一條指令取進來，使得指令可以在一個時鍾周期內執行。多累加器型，數據處理速度快。AVR單片機具有32個通用工作寄存器，相當於有32條立交橋，可以快速通行。中斷響應速度快。AVR單片機有多個固定中斷向量入口地址，可快速響應中斷。AVR單片機耗能低。對於典型功耗情況，WDT關閉時為100nA，更適用於電池供電的應用設備。有的器件最低1.8 V即可工作。AVR單片機保密性能好。它具有不可破解的位加密鎖Lock Bit技術，保密位單元深藏於晶元內部，無法用電子顯微鏡看到。
c I/O口功能強,具有A/D轉換等電路。AVR單片機的I/O口是真正的I/O口，能正確反映I/O口輸入/輸出的真實情況。工業級產品，具有大電流(灌電流)10mA～40mA,可直接驅動可控硅SSR或繼電器，節省了外圍驅動器件。AVR單片機內帶模擬比較器，I/O口可用作A/D轉換，可組成廉價的A/D轉換器。ATmega48/8/16等器件具有8路10位A/D。部分AVR單片機可組成零外設元件單片機系統，使該類單片機無外加元器件即可工作，簡單方便，成本又低。AVR單片機可重設啟動復位,以提高單片機工作的可靠性。有看門狗定時器實行安全保護,可防止程序走亂(飛),提高了產品的抗干擾能力。
d 有功能強大的定時器/計數器及通訊介面。定時/計數器T/C有8位和16位,可用作比較器。計數器外部中斷和PWM(也可用作D/A)用於控制輸出，某些型號的AVR單片機有3～4個PWM，是作電機無級調速的理想器件。AVR單片機有串列非同步通訊UART介面,不佔用定時器和SPI同步傳輸功能,因其具有高速特性，故可以工作在一般標准整數頻率下,而波特率可達576K。
②AVR 8-Bit MCU的最大特點
與其它8-Bit MCU相比，AVR 8-Bit MCU最大的特點是：
• 哈佛結構，具備1MIPS / MHz的高速運行處理能力；
• 超功能精簡指令集（RISC），具有32個通用工作寄存器，克服了如8051 MCU採用單一ACC進行處理造成的瓶頸現象；
• 快速的存取寄存器組、單周期指令系統，大大優化了目標代碼的大小、執行效率，部分型號FLASH非常大，特別適用於使用高級語言進行開發；
• 作輸出時與PIC的HI/LOW相同，可輸出40mA（單一輸出），作輸入時可設置為三態高阻抗輸入或帶上拉電阻輸入，具備10mA-20mA灌電流的能力；
• 片內集成多種頻率的RC振盪器、上電自動復位、看門狗、啟動延時等功能，外圍電路更加簡單，系統更加穩定可靠；
• 大部分AVR片上資源豐富：帶E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，Analog Comparator，WDT等；
• 大部分AVR除了有ISP功能外，還有IAP功能，方便升級或銷毀應用程序。
（3）16-BIT 單片機
16 位單片機是在1983 年以後發展起來的。這類單片機的特點是：CPU是16 位的，運算速度普遍高於8 位機，有的單片機的定址能力高達1MB，片內含有A/D 和D/A轉換電路，支持高級語言。這類單片機主要用於過程式控制制、智能儀表、家用電器以及作為計算機外部設備的控制器等。典型產品有Intel 公司的MCS-96/98 系列、Motorola 公司的M68HC16系列、NS 公司的783××系列、TI公司的MSP430系列等等。
其中，以MSP430系列最為突出。它採用了精簡指令集（ RISC ）結構，具有豐富的定址方式（ 7 種源操作數定址、 4 種目的操作數定址）、簡潔的 27 條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅動下指令周期為 125 ns 。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。
在運算速度方面， MSP430 系列單片機能在 8MHz 晶體的驅動下，實現 125ns 的指令周期。 16 位的數據寬度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬體乘法器（能實現乘加）相配合，能實現數字信號處理的某些演算法（如 FFT 等）。
MSP430 系列單片機的中斷源較多，並且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統處於省電的備用狀態時，用中斷請求將它喚醒只用 6us 。
超低功耗 MSP430 單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低晶元的電源電壓及靈活而可控的運行時鍾方面都有其獨到之處。
首先， MSP430 系列單片機的電源電壓採用的是 1.8~3.6V 電壓。因而可使其在 1MHz 的時鍾條件下運行時， 晶元的電流會在 200~400uA 左右，時鍾關斷模式的最低功耗只有 0.1uA 。
其次，獨特的時鍾系統設計。在 MSP430 系列中有兩個不同的系統時鍾系統：基本時鍾系統和鎖頻環（ FLL 和 FLL+ ）時鍾系統或 DCO 數字振盪器時鍾系統。有的使用一個晶體振盪器（ 32768Hz ） , 有的使用兩個晶體振盪器）。由系統時鍾系統產生 CPU 和各功能所需的時鍾。並且這些時鍾可以在指令的控制下，打開和關閉，從而實現對總體功耗的控制。
由於系統運行時打開的功能模塊不同，即採用不同的工作模式，晶元的功耗有著顯著的不同。在系統中共有一種活動模式（ AM ）和五種低功耗模式（ LPM0~LPM4 ）。在等待方式下，耗電為 0.7uA ，在節電方式下，最低可達 0.1uA 。
系統工作穩定 上電復位後，首先由 DCOCLK 啟動 CPU ，以保證程序從正確的位置開始執行，保證晶體振盪器有足夠的起振及穩定時間。然後軟體可設置適當的寄存器的控制位來確定最後的系統時鍾頻率。如果晶體振盪器在用做 CPU 時鍾 MCLK 時發生故障， DCO 會自動啟動，以保證系統正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復位。
豐富的片上外圍模塊 MSP430 系列單片機的各成員都集成了較豐富的片內外設。它們分別是看門狗（ WDT ）、模擬比較器 A 、定時器 A （ Timer_A ）、定時器 B （ Timer_B ）、串口 0 、 1 （ USART0 、 1 ）、硬體乘法器、液晶驅動器、 10 位 /12 位 ADC 、 I 2 C 匯流排直接數據存取（ DMA ）、埠 O （ P0 ）、埠 1~6 （ P1~P6 ）、基本定時器（ Basic Timer ）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設計出 A/D 轉換器； 16 位定時器（ Timer_A 和 Timer_B ）具有捕獲 / 比較功能，大量的捕獲 / 比較寄存器，可用於事件計數、時序發生、 PWM 等；有的器件更具有可實現非同步、同步及多址訪問串列通信介面可方便的實現多機通信等應用；具有較多的 I/O 埠，最多達 6*8 條 I/O 口線； P0 、 P1 、 P2 埠能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入； 12/14 位硬體 A/D 轉換器有較高的轉換速率，最高可達 200kbps ，能夠滿足大多數數據採集應用；能直接驅動液晶多達 160 段；實現兩路的 12 位 D/A 轉換；硬體 I 2 C 串列匯流排介面實現存儲器串列擴展；以及為了增加數據傳輸速度，而採用直接數據傳輸（ DMA ）模塊。 MSP430 系列單片機的這些片內外設為系統的單片解決方案提供了極大的方便。
方便高效的開發環境 目前 MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三種類型的器件，這些器件的開發手段不同。對於 OPT 型和 ROM 型的器件是使用模擬器開發成功之後在燒寫或掩膜晶元；對於 FLASH 型則有十分方便的開發調試環境，因為器件片內有 JTAG 調試介面，還有可電擦寫的 FLASH 存儲器，因此採用先下載程序到 FLASH 內，再在器件內通過軟體控製程序的運行，由 JTAG 介面讀取片內信息供設計者調試使用的方法進行開發。這種方式只需要一台 PC 機和一個 JTAG 調試器，而不需要模擬器和編程器。開發語言有匯編語言和 C 語言。
MSP430 單片機目前主要以 FLASH 型為主。
（4）32-BIT 單片機
32 位單片機的字長為32 位，是單片機的頂級產品，具有極高的運算速度。近年來，隨著家用電子系統的新發展，32 位單片機的市場前景看好。
繼16 位單片機出現後不久，幾大公司先後推出了代表當前最高性能和技術水平的32 位單片微機系列。32 位單片機具有極高的集成度，內部採用新穎的RISC（精簡指令系統計算機）結構，CPU 可與其他微控制器兼容，主頻頻率可達33MHz 以上，指令系統進一步優化，運算速度可動態改變，設有高級語言編譯器，具有性能強大的中斷控制系統、定時/事件控制系統、同步/非同步通信控制系統。代表產品有Intel 公司的MCS-80960 系列、Motorola 公司的M68300 系列、Hitachi 公司的Super H(簡稱SH)系列等等。
這類單片機主要應用於汽車、航空航天、高級機器人、軍事裝備等方面。它代表著單片機發展中的高、新技術水平。
ARM在32位MCU中的主流地位是毫無疑問的。ARM公司於1991年成立於英國劍橋，主要出售晶元設計技術的授權。目前，採用ARM技術智能財產（IP）核心的處理器，即我們通常所說的ARM處理器，已遍及工業控制、消費類電子產品、通信系統、網路系統、無線系統等各類產品市場，基於ARM技術的處理器應用約占據了32位RISC微處理器75％以上的市場，ARM技術不止逐步滲入到我們生活的各個方面，我們甚至可以說，ARM於人類的生活環境中，已經是不可或缺的一環。
目前市面上常見的ARM處理器架構，可分為ARM7、ARM9以及ARM11，新推出的Cortex系列尚在進行開發驗證，市面上還未有相關產品推出。ARM也是嵌入式處理器中首先推出多核心架構的廠商。
ARM首個多核心架構為ARM11 MPCore，架構於原先的ARM11處理器核心之上。ARM11核心是發布於2002年10月份，為了進一步提升效能，其管線長度擴展到8階，處理單元則增加為預取、解碼、發送、轉換／MAC1、執行／MAC2、內存存取／MAC3和寫入等八個單元，體繫上屬於ARM V6指令集架構。ARM11採用當時最先進的0.13μm製造製程，運行頻率最高可達500到700MHz。如果採用90nm製程，ARM11核心的工作頻率能夠輕松達到1GHz以上—對於嵌入式處理器來說，這顯然是個相當驚人的程度，不過顯然1GHz在ARM11體系中不算是個均衡的設定，因此幾乎沒有廠商推出達到1GHz的ARM11架構處理器。
ARM11的邏輯核心也經過大量的改進，其中最重要的當屬「靜／動態組合轉換的預測功能」。ARM11的執行單元包含一個64位、4種狀態的地址轉換緩沖，它主要用來儲存最近使用過的轉換地址。當採用動態轉換預測機制而無法在定址緩沖內找到正確的地址時，靜態轉換預測功能就會立刻接替它的位置。在實際測試中，單純採用動態預測的准確率為88％，單純採用靜態預測機制的准確率只有77％，而ARM11的靜／動態預測組合機制可實現92％的高准確率。針對高時脈速度帶來功耗增加的問題，ARM11採用一項名為「IEM（Intelligent Energy Manager）」的智能電源管理技術，該技術可根據任務負荷情況動態調節處理器的電壓，進而有效降低自身的功耗。這一系列改進讓ARM11的功耗效能比得以繼續提高，平均每MHz只需消耗0.6mW（有快取時為0.8mW）的電力，處理器的最高效能可達到660 Dhrystone MIPS，遠超過上一代產品。
Ⅲ 按製造工藝分
① HMOS 工藝 高密度短溝道MOS 工藝,具有高速度、高密度的特點。
② CHMOS(或HCMOS)工藝 互補的金屬氧化物的HMOS 工藝，是CMOS 和HMOS 的結合，具有高密度、高速度、低功耗的特點。Intel 公司產品型號中若帶有字母「C」 ，Motorola 公司產品型號中若帶有字母「HC」或「L」 ，通常為CHMOS 工藝。

2. CPU和單片機區別在哪

隨著嵌入式科技的發展 CPU 和 單片機 無明顯的界限，單片機外形有DIP封裝 也有 SMT 封裝的，CPU一般都是 SMT封裝的。
其實在單片機系統里，單片機就是CPU。單片機就是在一塊矽片上集成了中央處理器，隨機存儲器，程序存儲器，定時器和各種I/O介面，也就是說集成在一塊晶元上的計算機。單片機的主要特點是體積比較小，重量輕，再加上良好的抗干擾性和可靠性，單片機已經成為工業控制的不可缺少的器件之一處理能力上單片機肯定趕不上CPU

3. MCU簡介及詳細資料

發展歷滲液史

​單片機出現的歷史並不長，但發展十分迅猛。 它的產生與發展和微處理器的產生與發展大體同步，自1971年美國Intel公司首先推出4位微處理器以來，它的發展到目前為止大致可分為5個階段。下面以Intel公司的單片機發展為代表加以介紹。

1971-1976

單片機發展的初級階段。 1971年11月Intel公司首先設計出集成度為2000隻電晶體/片的4位微處理器Intel 4004, 並配有RAM、 ROM和移位暫存器, 構成了第一台MCS-4微處理器, 而後又推出了8位微處理器Intel 8008, 以及其它各公司相繼推出的8位微處理器。

1976-1980

低性能單片機階段。 以1976年Intel公司推出的MCS-48系列為代表, 採用將8位CPU、 8位並行I/O介面、8位定時/計數器、RAM和ROM等集成於一塊半導體晶片上的單片結構, 雖然其定址范圍有限(不大於4 KB), 也沒有串列I/O, RAM、 ROM容量小, 中斷系統也較簡單, 但功能可滿足一般工業控制和智慧型化儀器、儀表等的需要。

1980-1983

高性能單片機階段。 這一階段推出的高性能8位單片機普遍帶有串列口, 有多級中斷處理系統, 多個16位定時器/計數器。片內RAM、 ROM的容量加大，且定址范圍可達64 KB，個別片內還帶有A/D轉換介面。

1983-80年代末

16位單片機階段。 1983年Intel公司又推出了高性能的16位單片機MCS-96系列, 由於其採用了最新的製造工藝, 使晶片集成度高達12萬只電晶體/片。

1990年代

單片機在集成度、功能、速度、可靠性、套用領域等全方位向更高水平發展。

按照單片機的特點，單片機的套用分為單機套用與多機套用。在一個套用系統中，只使用一片單片機稱為單機套用。單片機的單機套用的范圍包括:

(1) 測控系統。 用單片機可以構成各種不太復雜的工業控制系統、自適應控制系統、數據採集系統等, 達到測量與控制的目的。

(2) 智慧型儀表。 用單片機改造原有的測量、譽寬控制儀表, 促進儀表向數位化、智慧型化、多功能化、綜合化、柔性化方向發展。

(3) 機電一體化產品。單片機與傳統的機械產品相結合, 使傳統機械產品結構簡化, 控制智慧型化。

(4) 智慧型介面。 在計算機控制系統, 特別是在較大型的工業測、控系統中, 用單片機進行介面的控制與管理, 加之單片機與主機的並行工作, 大大提高了系統的運行速度。

(5) 智慧型民用產品。 如在家用電器、玩具、游戲機、聲像設備、電子秤、收銀機、辦公設備、廚房設備等許多產品中, 單片機控制器的引入, 不僅使產品的功能大大增強, 性能得到提高, 而且獲得了良好的使用效果。

單片機的多機套用系統可分為功能集散系統、並行多機處理及局部網路系統。

(1) 功能集散系統。 多功能集散系統是為了滿足工程系統多種外圍功能的要求而設定的多機系統。

(2) 並行多機控制系統。 並行多機控制系統主要解決工程套用系統的快速性問題, 以便構成大型實時工程套用系統。

(3) 局部網路系統。

單片機按套用范圍又可分成通用型和專用型。專用型是針對某種特定產品而設計的，例如用於體溫計的單片機、用於洗衣機的單片機等等。在通用型的單片慶喊亮機中，又可按字長分為4位、8位、16/32位，雖然計算機的微處理器現在幾乎是32/64位的天下，8位、16位的微處理器已趨於萎縮，但單片機情況卻不同，8位單片機成本低，價格廉，便於開發，其性能能滿足大部分的需要，只有在航天、汽車、機器人等高技術領域，需要高速處理大量數據時，才需要選用16/32位，而在一般工業領域，8位通用型單片機，仍然是目前套用最廣的單片機。

到目前為止，中國的單片機套用和嵌入式系統開發走過了二十餘年的歷程，隨著嵌入式系統逐漸深入社會生活各個方面，單片機課程的教學也有從傳統的8位處理器平台向32位高級RISC處理器平台轉變的趨勢，但8位機依然難以被取代。國民經濟建設、軍事及家用電器等各個領域，尤其是手機、汽車自動導航設備、PDA、智慧型玩具、智慧型家電、醫療設備等行業都是國內急需單片機人才的行業。行業高端目前有超過10餘萬名從事單片機開發套用的工程師，但面對嵌入式系統工業化的潮流和我國大力推動建設"嵌入式軟體工廠"的機遇，我國的嵌入式產品要溶入國際市場，形成產業，則必將急需大批單片機套用型人才，這為高職類學生從事這類高技術行業提供了巨大機會。

主要分類

按用途分類:

通用型:將可開發的資源(ROM、RAM、I/O、 EPROM)等全部提供給用戶。

專用型:其硬體及指令是按照某種特定用途而設計，例如錄音機機芯控制器、印表機控制器、電機控制器等。

按其基本操作處理的數據位數分類:

根據匯流排或數據暫存器的寬度，單片機又分為1位、4位、8位、16位、32位甚至64位單片機。4位MCU大部份套用在計算器、車用儀表、車用防盜裝置、呼叫器、無線電話、CD播放器、LCD驅動控制器、LCD游戲機、兒童玩具、磅秤、充電器、胎壓計、溫濕度計、遙控器及傻瓜相機等;8位MCU大部份套用在電表、馬達控制器、電動玩具機、變頻式冷氣機、呼叫器、傳真機、來電辨識器(CallerID)、電話錄音機、CRT顯示器、鍵盤及USB等;8位、16位單片機主要用於一般的控制領域，一般不使用作業系統， 16位MCU大部份套用在行動電話、數字相機及攝錄放影機等;32位MCU大部份套用在Modem、GPS、PDA、HPC、STB、Hub、Bridge、Router、工作站、ISDN電話、雷射印表機與彩色傳真機; 32位用於網路操作、多媒體處理等復雜處理的場合，一般要使用嵌入式作業系統。64位MCU大部份套用在高階工作站、多媒體互動系統、高級電視游樂器(如SEGA的Dreamcast及Nintendo的GameBoy)及高級終端機等。

8位MCU工作頻率在16~50MHz之間，強調簡單效能、低成本套用，在目前MCU市場總值仍有一定地位，而不少MCU業者也持續為8bit MCU開發頻率調節的節能設計，以因應綠色時代的產品開發需求。

16位MCU，則以16位運算、16/24位定址能力及頻率在24~100MHz為主流規格，部分16bit MCU額外提供32位加/減/乘/除的特殊指令。由於32bit MCU出現並持續降價及8bit MCU簡單耐用又便宜的低價優勢下，夾在中間的16bit MCU市場不斷被擠壓，成為出貨比例中最低的產品。

32位MCU可說是MCU市場主流，單顆報價在1.5~4美元之間，工作頻率大多在100~350MHz之間，執行效能更佳，套用類型也相當多元。但32位MCU會因為運算元與記憶體長度的增加，相同功能的程式代碼長度較8/16bit MCU增加30~40%，這導致內嵌OTP/FlashROM記憶體容量不能太小，而晶片對外腳位數量暴增，進一步局限32bit MCU的成本縮減能力。

內嵌程式存儲器類型

下面以51單片機為例(MCS-51系列MCU是我國使用最多的單片機)，根據其內部存儲器的類型不同可以分為以下幾個基本型:

1.無ROM型 :8031

2.ROM型:8051

3.EPROM型:8751

4.EEPROM 型:8951

5.增強型:8032/8052/8752/8952/C8051F

MCU按其存儲器類型可分為無片內ROM型和帶片內ROM型兩種。對於無片內ROM型的晶片，必須外接EPROM才能套用(典型晶片為8031)。帶片內ROM型的晶片又分為片內EPROM型(典型晶片為87C51)、MASK片內掩模ROM型(典型晶片為8051)、片內FLASH型(典型晶片為89C51)等類型，一些公司還推出帶有片內一次性可程式ROM(One Time Programming, OTP)的晶片(典型晶片為97C51)。MASKROM的MCU價格便宜，但程式在出廠時已經固化，適合程式固定不變的套用場合;FLASH ROM的MCU程式可以反復擦寫，靈活性很強，但價格較高，適合對價格不敏感的套用場合或做開發用途;OTPROM的MCU價格介於前兩者之間，同時又擁有一次性可程式能力，適合既要求一定靈活性，又要求低成本的套用場合，尤其是功能不斷翻新、需要迅速量產的電子產品。

由於MCU強調是最大密集度與最小晶片面積，以有限的程式代碼達成控制功能，因此當今MCU多半使用內建的MaskROM、OTP ROM、EEPROM或Flash記憶體來儲存韌體碼，MCU內建Flash記憶體容量從低階4~64KB到最高階512KB~2MB不等。

存儲器結構

MCU根據其存儲器結構可分為哈佛(Harvard)結構和馮▪諾依曼(Von Neumann)結構。現在的單片機絕大多數都是基於馮·諾伊曼結構的，這種結構清楚地定義了嵌入式系統所必需的四個基本部分:一個中央處理器核心，程式存儲器(唯讀存儲器或者快閃記憶體)、數據存儲器(隨機存儲器)、一個或者更多的定時/計時器，還有用來與外圍設備以及擴展資源進行通信的輸入/輸出連線埠，所有這些都被集成在單個積體電路晶片上。

指令結構

MCU根據指令結構又可分為CISC(Complex Instruction Set Computer,復雜指令集計算機)和RISC(Reced Instruction Set Comuter,精簡指令集計算機微控制器)

技術原理

MCU同溫度感測器之間通過I2C匯流排連線。I2C匯流排佔用2條MCU輸入輸出口線，二者之間的通信完全依靠軟體完成。溫度感測器的地址可以通過2根地址引腳設定，這使得一根I2C匯流排上可以同時連線8個這樣的感測器。本方案中，感測器的7位地址已經設定為1001000。MCU需要訪問感測器時，先要發出一個8位的暫存器指針，然後再發出感測器的地址(7位地址，低位是WR信號)。感測器中有3個暫存器可供MCU使用，8位暫存器指針就是用來確定MCU究竟要使用哪個暫存器的。本方案中，主程式會不斷更新感測器的配置暫存器，這會使感測器工作於單步模式，每更新一次就會測量一次溫度。

要讀取感測器測量值暫存器的內容，MCU必須首先傳送感測器地址和暫存器指針。MCU發出一個啟動信號，接著發出感測器地址，然後將RD/WR管腳設為高電平，就可以讀取測量值暫存器。

為了讀出感測器測量值暫存器中的16位數據，MCU必須與感測器進行兩次8位數據通信。當感測器上電工作時，默認的測量精度為9位，分辨力為0.5 C/LSB(量程為-128.5 C至128.5 C)。本方案採用默認測量精度，根據需要，可以重新設定感測器，將測量精度提高到12位。如果只要求作一般的溫度指示，比如自動調溫器，那麼分辨力達到1 C就可以滿足要求了。這種情況下，感測器的低8位數據可以忽略，只用高8位數據就可以達到分辨力1 C的設計要求。由於讀取暫存器時是按先高8位後低8位的順序，所以低8位數據既可以讀，也可以不讀。唯讀取高8位數據的好處有二，第一是可以縮短MCU和感測器的工作時間，降低功耗;第二是不影響分辨力指標。

MCU讀取感測器的測量值後，接下來就要進行換算並將結果顯示在LCD上。整個處理過程包括:判斷顯示結果的正負號，進行二進制碼到BCD碼的轉換，將數據傳到LCD的相關暫存器中。

數據處理完畢並顯示結果之後，MCU會向感測器發出一個單步指令。單步指令會讓感測器啟動一次溫度測試，然後自動進入等待模式，直到模數轉換完畢。MCU發出單步指令後，就進入LPM3模式，這時MCU系統時鍾繼續工作，產生定時中斷喚醒CPU。定時的長短可以通過編程調整，以便適應具體套用的需要。

主要區別

在20世紀最值得人們稱道的成就中，就有積體電路和電子計算機的發展。20世紀70年代出現的微型計算機，在科學技術界引起了影響深遠的變革。在70年代中期，微型計算機家族中又分裂出一個小小的派系--單片機。隨著4位單片機出現之後，又推出了8位的單片機。MCS48系列，特別是MCS51系列單片機的出現，確立了單片機作為微控制器(MCU)的地位，引起了微型計算機領域新的變革。在當今世界上，微處理器(MPU)和微控制器(MCU)形成了各具特色的兩個分支。它們互相區別，但又互相融合、互相促進。與微處理器(MPU)以運算性能和速度為特徵的飛速發展不同，微控制器(MCU)則是以其控制功能的不斷完善為發展標志的。

CPU(Central Processing Unit，中央處理器)發展出來三個分枝，一個是DSP(Digital Signal Processing/Processor，數位訊號處理)，另外兩個是MCU(Micro Control Unit，微控制器單元)和MPU(Micro Processor Unit，微處理器單元)。

MCU集成了片上外圍器件;MPU不帶外圍器件(例如存儲器陣列)，是高度集成的通用結構的處理器，是去除了集成外設的MCU;DSP運算能力強，擅長很多的重復數據運算，而MCU則適合不同信息源的多種數據的處理診斷和運算，側重於控制，速度並不如DSP。MCU區別於DSP的最大特點在於它的通用性，反應在指令集和定址模式中。DSP與MCU的結合是DSC，它終將取代這兩種晶片。

1.對密集的乘法運算的支持

GPP不是設計來做密集乘法任務的，即使是一些現代的GPP，也要求多個指令周期來做一次乘法。而DSP處理器使用專門的硬體來實現單周期乘 法。DSP處理器還增加了累加器暫存器來處理多個乘積的和。累加器暫存器通常比其他暫存器寬，增加稱為結果bits的額外bits來避免溢出。同時，為了 充分體現專門的乘法-累加硬體的好處，幾乎所有的DSP的指令集都包含有顯式的MAC指令。

2. 存儲器結構

傳統上，GPP使用馮.諾依曼存儲器結構。這種結構中，只有一個存儲器空間通過一組匯流排(一個地址匯流排和一個數據匯流排)連線到處理器核。通常，做一次乘法會發生4次存儲器訪問，用掉至少四個指令周期。

大多數DSP採用了哈佛結構，將存儲器空間劃分成兩個，分別存儲程式和數據。它們有兩組匯流排連線到處理器核，允許同時對它們進行訪問。這種安排將處理器存儲器的頻寬加倍，更重要的是同時為處理器核提供數據與指令。在這種布局下，DSP得以實現單周期的MAC指令。

典型的高性能GPP實際上已包含兩個片內高速快取，一個是數據，一個是指令，它們直接連線到處理器核，以加快運行時的訪問速度。從物理上說，這種片內的雙存儲器和匯流排的結構幾乎與哈佛結構的一樣了。然而從邏輯上說，兩者還是有重要的區別。

GPP使用控制邏輯來決定哪些數據和指令字存儲在片內的高速快取里，其程式設計師並不加以指定(也可能根本不知道)。與此相反，DSP使用多個片內 存儲器和多組匯流排來保證每個指令周期記憶體儲器的多次訪問。在使用DSP時，程式設計師要明確地控制哪些數據和指令要存儲在片記憶體儲器中。程式設計師在寫程式時，必 須保證處理器能夠有效地使用其雙匯流排。

此外，DSP處理器幾乎都不具備數據高速快取。這是因為DSP的典型數據是數據流。也就是說，DSP處理器對每個數據樣本做計算後，就丟棄了，幾乎不再重復使用。

3.零開銷循環

如果了解到DSP演算法的一個共同的特點，即大多數的處理時間是花在執行較小的循環上，也就容易理解，為什麼大多數的DSP都有專門的硬體，用於 零開銷循環。所謂零開銷循環是指處理器在執行循環時，不用花時間去檢查循環計數器的值、條件轉移到循環的頂部、將循環計數器減1。

與此相反，GPP的循環使用軟體來實現。某些高性能的GPP使用轉移預報硬體，幾乎達到與硬體支持的零開銷循環同樣的效果。

4.定點計算

大多數DSP使用定點計算，而不是使用浮點。雖然DSP的套用必須十分注意數字的精確，用浮點來做應該容易的多，但是對DSP來說，廉價也是非 常重要的。定點機器比起相應的浮點機器來要便宜(而且更快)。為了不使用浮點機器而又保證數字的准確，DSP處理器在指令集和硬體方面都支持飽和計算、舍 入和移位。

5.專門的定址方式

DSP處理器往往都支持專門的定址模式，它們對通常的信號處理操作和演算法是很有用的。例如，模組(循環)定址(對實現數字濾波器延時線很有用)、位倒序定址(對FFT很有用)。這些非常專門的定址模式在GPP中是不常使用的，只有用軟體來實現。

6.執行時間的預測

大多數的DSP套用(如蜂窩電話和數據機)都是嚴格的實時套用，所有的處理必須在指定的時間內完成。這就要求程式設計師准確地確定每個樣本需要多少處理時間，或者，至少要知道，在最壞的情況下，需要多少時間。如果打算用低成本的GPP去完成實時信號處理的任務，執行時間的預測大概不會成為什麼問題，應為低成本GPP具有相對直接的結構，比較容易預測執行時間。然而，大多數實時DSP套用所要求的處理能力是低成本GPP所不能提供的。 這時候，DSP對高性能GPP的優勢在於，即便是使用了高速快取的DSP，哪些指令會放進去也是由程式設計師(而不是處理器)來決定的，因此很容易判斷指令是從高速快取還是從存儲器中讀取。DSP一般不使用動態特性，如轉移預測和推理執行等。因此，由一段給定的代碼來預測所要求的執行時間是完全直截了當的。從而使程式設計師得以確定晶片的性能限制。

7.定點DSP指令集

定點DSP指令集是按兩個目標來設計的:使處理器能夠在每個指令周期內完成多個操作，從而提高每個指令周期的計算效率。將存貯DSP程式的存儲器空間減到最小(由於存儲器對整個系統的成本影響甚大，該問題在對成本敏感的DSP套用中尤為重要)。為了實現這些目標，DSP處理器的指令集通常都允許程式設計師在一個指令內說明若干個並行的操作。例如，在一條指令包含了MAC操作，即同時的一個或兩個數據移動。在典型的例子里，一條指令就包含了計算FIR濾波器的一節所需要的所有操作。這種高效率付出的代價是，其指令集既不直觀，也不容易使用(與GPP的指令集相比)。 GPP的程式通常並不在意處理器的指令集是否容易使用，因為他們一般使用象C或C++等高級語言。而對於DSP的程式設計師來說，不幸的是主要的DSP應用程式都是用匯編語言寫的(至少部分是匯編語言最佳化的)。這里有兩個理由:首先，大多數廣泛使用的高級語言，例如C，並不適合於描述典型的DSP演算法。其次， DSP結構的復雜性，如多存儲器空間、多匯流排、不規則的指令集、高度專門化的硬體等，使得難於為其編寫高效率的編譯器。 即便用編譯器將C原始碼編譯成為DSP的匯編代碼，最佳化的任務仍然很重。典型的DSP套用都具有大量計算的要求，並有嚴格的開銷限制，使得程式的最佳化必不可少(至少是對程式的最關鍵部分)。因此，考慮選用DSP的一個關鍵因素是，是否存在足夠的能夠較好地適應DSP處理器指令集的程式設計師。

8.開發工具的要求

因為DSP套用要求高度最佳化的代碼，大多數DSP廠商都提供一些開發工具，以幫助程式設計師完成其最佳化工作。例如，大多數廠商都提供處理器的模擬工具，以准確地模擬每個指令周期內處理器的活動。無論對於確保實時操作還是代碼的最佳化，這些都是很有用的工具。 GPP廠商通常並不提供這樣的工具，主要是因為GPP程式設計師通常並不需要詳細到這一層的信息。GPP缺乏精確到指令周期的模擬工具，是DSP套用開發者所面臨的的大問題:由於幾乎不可能預測高性能GPP對於給定任務所需要的周期數，從而無法說明如何去改善代碼的性能。

套用大會

MCU技術創新與嵌入式套用大會是伴隨著高交會電子展一起開展的一個有關MCU技術的交流套用論壇。由深圳市創意時代會展有限公司承辦，內容上安排通常是上午由國內專業人士對mcu知識和創新套用進行演講，下午論壇，自由暢談交流技術及行業趨勢等。

第四屆

時間: 2012年8月21日

地點: 深圳會展中心

相關展會: 2012年嵌入式系統展

大會全稱: 第四屆MCU技術創新與嵌入式套用大會

支持媒體: 電子展覽網

主題演講(上午):

從MCU到SoC

MCU技術的融合、開放與創新

將嵌入式系統無縫升級32位MCU

更綠色可靠的嵌入式設計，等

分論壇(下午)深入更多嵌入式套用市場:

分論壇1: 家用電器/智慧型家居

分論壇2: 人機界面/IPC

分論壇3: 電機控制

第三屆

將重點呈現:嵌入式世界創新關鍵 及 中國企業產品升級轉型所需MCU與嵌入式方案。

時間:2011年11月18日

地點:深圳

主辦單位:第十三屆深圳高交會電子展組委會

承辦單位:創意時代會展 電子展覽網

主題演講(上午)內容包括:

多核MCU發展趨勢

MCU到SoC

智慧型系統的安全性與可靠性等

MCU!MCU!2011觸角深入最新套用市場(下午):

分論壇1: 家用電器/智慧型家居

分論壇2: 智慧型計量

分論壇3: 人機界面/IPC

分論壇4: 電機控制

以往回顧

2009年有460多為專業人士出席

2010年有606位專業人士出席

2010年專業聽眾分析

MCU!MCU!2010吸引了來自IBM、西門子、研祥、艾默生、TCL、創維、康佳、美的、中興、聯想、富士康、偉創力、比亞迪等上百家國內外知名企業606位技術及管理人員到會參與:

專業聽眾中研發技術人員超過了一半

技術研發人員佔到52%，其次是中、高層管理人員佔33%;少部分為市場/行銷人員，佔13%，其他佔2%

專業聽眾從事的領域分布 參會人員所在的企業，消費電子佔37%;工業電子佔24%;嵌入式系統設計佔22%;醫療電子佔19%;汽車電子，嵌入式軟體開發，各佔15%;家電14%;手機與通訊11%;IT與網路10%;其他佔9%。

4. 常用單片機的型號

常用單片機的型號有8 位單片機、16位單片機、32位單片機。

1、8 位單片機

這類單片機的控制功能較強，品種最為齊全，由於其片內資源豐富和功能強大，主要在工業控制、智能儀表、家用電器和辦公自動化系統中應用。

2、16位單片機

CPU是16 位的，運算速度普遍高於8 位機，有的單片機的定址能力高達1MB，片內含有A/D 和D/A轉換電路，支持高級語言。

3、32位單片機

32位單片機的字長為32位，是單片機的頂級產品，具有極高的運算速度。代表產品有Intel公司的MCS-80960系列、Motorola公司的M68300系列、Hitachi公司的Super H(簡稱SH)系列等。

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單片機的特點

1、低功耗3種低功耗模式

休眠，停止，待機模式。為RTC和備份寄存器供電的VBAT。

2、調試模式

串列調試(SWD)和JTAG介面。

3、DMA

12通道DMA控制器。支持的外設：定時器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。3個12位的us級的A/D轉換器(16通道)

4、A/D測量范圍

0-3.6V。雙采樣和保持能力。片上集成一個溫度感測器。

5. 單片機類型有哪些

按匯流排分有：8位機、16位機、32位機、64位機。

單片機的發展先後經歷了4位、8位、16位和32位等階段。8位單片機由於功能強，被廣泛用於工業控制、智能介面、儀器儀表等各個領域，8位單片機在中、小規模應用場合仍佔主流地位，代表了單片機的發展方向，在單片機應用領域發揮著越來越大的作用。

80年代初，Intel公司推出了8位的MCS-51系列的單片機。MCS-51單片機的邏輯部件，包括一個8位CPU及片內振盪器、 80514B掩膜ROM、87514KBEPROM、8031無ROM。

特殊功能寄存 器SFR128BRAM、定時器/計數器T0及T1、並行I/O介面：P0、P1、P2、P3；串列介面：TXD、RXD；中斷系統：INT0，INT1。

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硬體特徵

1、單片機的體積比較小， 內部晶元作為計算機系統，其結構簡單，但是功能完善，使用起來十分方便，可以模塊化應用。

2、單片機有著較高的集成度，可靠性比較強，即使單片機處於長時間的工作也不會存在故障問題。

3、單片機在應用時低電壓、低能耗，是人們在日常生活中的首要選擇， 為生產與研發提供便利。

4、單片機對數據的處理能力和運算能力較強，可以在各種環境中應用，且有著較強的控制能力。