单片机

半导体芯片简称为单片机（也称µController、µC、MCU或单片机），它同时包含处理器和xxx功能。 在许多情况下，主存储器和程序存储器部分或全部位于同一芯片上。 单片机是单片机系统。 术语片上系统 (SoC) 也用于某些单片机。

复杂的xxx功能，例如CAN（控制器局域网）、LIN（本地互连网络）、USB（通用串行总线）、I²C（内部集成电路）、SPI（串行外设接口）、串行或以太网接口、PDM 输出、LCD 控制器和驱动器和模数转换器。 一些单片机还具有可编程数字和/或模拟或混合功能块。

单片机以嵌入式系统的形式出现在日常生活中，经常被忽视，出现在技术消费品中，例如洗衣机、芯片卡（现金卡和电话卡）、消费电子产品（录像机、CD/DVD 播放器、收音机、电视机、遥控器）、办公电子产品、赛格威、机动车辆（例如 ABS、安全气囊、发动机、组合仪表、ESP 等的控制单元）、手机甚至钟表和手表。 此外，它们几乎包含在所有计算机xxx设备（键盘、鼠标、打印机、显示器、扫描仪等）中。

单片机在性能和设备方面适应各自的应用。 因此，它们在成本和功耗方面优于“普通”计算机。 小单片机数量较多，只需几美分。

单片机和微处理器之间的界限是流动的，这也反映在一段时间后经常出现新微处理器架构的单片机变体这一事实。 在最简单的情况下，这是通过将在经典微处理器中作为支持和xxx组件实现的组件集成到芯片本身中来完成的，例如时钟和复位生成、中断控制器、定时器、接口组件，在某些情况下，还包括内存控制器，因此，功能正常的处理器系统通常只需要一个晶体（用于时钟）和存储芯片。 该属的典型代表是例如Intel 80186（源自 8086）、XScale 系列（ARM）和 Freescale（前身为摩托罗拉）的 ColdFire (MC680xx)。 这些控制器系列往往在相关主流 CPU 已停产（例如 6502、MC680xx）后很长时间内继续使用。

有时单片机也用作多芯片模块 (MCM) 的一部分。 当要组合难以或不可能组合在一个芯片上的不同半导体工艺时，通常会发生这种情况。 这方面的例子是单片机与无线电链路高频电路或早期闪存 ROM的组合. 当现有芯片要相互组合时，有时也会使用 MCM 解决方案，但要避免新设计的工作。 这方面的例子是与网​​络控制器或网络 (PHY) 或 LCD 控制器的连接驱动程序的组合。

相比之下，也有“经典”单片机架构从一开始就不是作为纯微处理器系统，而是主要针对控制任务。 例如，它们也可以在没有任何外部存储器元件的情况下用于单芯片操作，就像 CPU 的指令集通常提供专门的指令来控制各个信号线（通过所谓的位操作）。 尽可能短的中断延迟时间对于此类控制器也很重要，即控制器需要对信号源（定时器、xxx组件等）的中断请求做出反应的时间跨度。 为了监控单片机控制的功能，通常使用所谓的看门狗电路，但其中一些已经集成在单片机中。

这种分离发生在 Intel 8085 上——之后出现了纯数据处理器（微处理器；例如 8086 系列）和数据转换器（单片机；例如 8048、8051）作为硬件和中央微处理器之间的接口。 单片机也可以有一个无源总线接口（例如 8041A，8048 的一个变体）——从微处理器的角度来看就像一个xxx芯片。 无论是电视、录像机、X光机、汽车还是个人电脑，无处不在t 今天这两种类型之间的分工。 随着总线的引入，中央处理器可以完全专注于评估消息（电报）——例如 B. “按下 Handbrake_On 按钮”。 只有负责的控制器知道导致创建此消息的硬件或从属总线上的事件。 如果处理器现在发送消息，例如“松开手刹”，控制器相应激活硬件或通知下级总线。 然而，今天的控制器已经非常强大，它们通常不需要更高级的微处理器就可以自己处理所有任务。

安装的单片机数量远远超过微处理器的数量。 绝大多数使用的单片机都是基于 8 位处理器，其中一些基本架构可以追溯到 1970 年代上半叶。 但是，也有 4 位、16 位和 32 位单片机。 就数量而言，4 位单片机仍然具有很好的代表性，因为它们结构简单，生产成本低廉，可用于简单的任务。

8 位和 16 位单片机的市场份额正在被 32 位单片机抢走。 原因是在现代半导体处理器中，8 位、16 位和 32 位之间的生产工作量不再有很大差异，但 32 位单片机更简单的内存管理和相关的更简单编程的优势是相当大的。 然而，8 位和 16 位单片机需要更少的晶体管，这意味着它们通常比 32 位单片机更经济，前提是它们基于具有节能机制的现代处理器设计。

今天使用的许多单片机都是基于以前用作微处理器的处理器内核。 对于 8 位和 16 位单片机，微处理器现在通常不再生产。

多年来，单片机 中使用的内存类型发生了变化，部分取决于架构和经济方面的考虑。 在单片机的早期，甚​​至在 4 位架构的今天，几乎只使用 ROM 内存。 此类单片机的软件必须使用允许模拟单片机的适当开发系统创建，并且通常具有在线仿真器。 然后将以这种方式创建的软件发送给单片机制造商，后者在制造过程中为芯片提供该软件。 这通常发生在最后一个金属层应用于芯片时（最后一个“掩模”，因此也称为“掩模编程单片机”）。

这种方法的缺点是缺乏灵活性，因为在更改软件时会有数周甚至数月的延迟。 这种技术根本不能用于较小的项目，因为大多数制造商规定的最低订购量为 20,000 个芯片。 此外，由于软件无法在最终芯片上进行测试，只能使用开发系统，因此容易出错。 这被较低的芯片价格所抵消，因为 ROM 存储器的制造过程比可编程存储器的制造过程稍微简单一些，当然，编程不再是制造步骤。 出于这个原因，带有 ROM 存储器的变体今天仍然几乎专门用于数量非常大且因此单价低的产品。

为了简化开发过程并实现小批量项目，使用 EPROM（可擦除可编程只读存储器）的单片机在 1970 年代后半期出现在市场上。 有了这些单片机，程序存储器就可以用相应的编程设备写入，并用紫外线再次擦除。 这使得可用的开发工具便宜得多，这也允许进行非常实用的测试。 此外，数量较少的项目也是可能的。 然而，这些芯片比 ROM 版本贵得多，特别是由于复杂的陶瓷外壳带有用于擦除 EPROM 存储器的嵌入式石英窗口。

由于越来越多地使用基于 EPROM 的单片机，​​在 1980 年代也出现了安装在没有窗口的塑料外壳中的芯片，这意味着它们在编程后不能再被紫外线擦除。