微控制單元(Microcontroller Unit；MCU) ，又稱單片微型計(jì)算機(jī)(Single Chip Microcomputer )或者單片機(jī)，是把中央處理器(Central Process Unit；CPU)的頻率與規(guī)格做適當(dāng)縮減，并將內(nèi)存(memory)、計(jì)數(shù)器(Timer)、USB、A/D轉(zhuǎn)換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至LCD驅(qū)動(dòng)電路都整合在單一芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合做不同組合控制。諸如手機(jī)、PC外圍、遙控器，至汽車電子、工業(yè)上的步進(jìn)馬達(dá)、機(jī)器手臂的控制等，都可見到MCU的身影。

　　任何一款MCU，其基本原理和功能都是大同小異，所不同的只是其外圍功能模塊的配置及數(shù)量、指令系統(tǒng)等。對(duì)于指令系統(tǒng)，雖然形式上看似千差萬(wàn)別，但實(shí)際上只是符號(hào)的不同，其所代表的含義、所要完成的功能和尋址方式基本上是類似的。因此，對(duì)于任何一款MCU，主要應(yīng)從如下的幾個(gè)方面來(lái)理解和掌握。

　　MCU的特點(diǎn)

　　要了解一款MCU，首先需要知道就是其ROM空間、RAM空間、IO口數(shù)量、定時(shí)器數(shù)量和定時(shí)方式、所提供的外圍功能模塊(Peripheral Circuit)、中斷源、工作電壓及功耗等等。

　　了解這些MCU Features后，接下來(lái)第一步就是將所選MCU的功能與實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)的要求的功能進(jìn)行對(duì)比，明確那些資源是目前所需要的，那些是本項(xiàng)目所用不到的。對(duì)于項(xiàng)目中需要用到的而所選MCU不提供的功能，則需要認(rèn)真理解MCU的相關(guān)資料，以求用間接的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如，所開發(fā)的項(xiàng)目需要與PC機(jī)COM口進(jìn)行通訊，而所選的MCU不提供UART口，則可以考慮用外部中斷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn);

　　對(duì)于項(xiàng)目開發(fā)需要用到的資源，則需要對(duì)其Manua*進(jìn)行認(rèn)真的理解和閱讀，而對(duì)于不需要的功能模塊則可以忽略或?yàn)g覽即可。對(duì)于MCU學(xué)習(xí)來(lái)講，應(yīng)用才是關(guān)鍵，也是最主要的目的。

　　明確了MCU的相關(guān)功能后，接下來(lái)就可以開始編程了。對(duì)于初學(xué)者或初次使用此款MCU的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，可能會(huì)遇到很多對(duì)MCU的功能描述不明確的地方，對(duì)于此類問題，可以通過(guò)兩種方法來(lái)解決，一種是編寫特別的驗(yàn)證程序來(lái)理解資料所述的功能;另一種則可以暫時(shí)忽略，程序設(shè)計(jì)中則按照自己目前的理解來(lái)編寫，留到調(diào)試時(shí)去修改和完善。前一種方法適用于時(shí)間較寬松的項(xiàng)目和初學(xué)者，而后一種方法則適合于具有一定MCU開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的人或項(xiàng)目進(jìn)度較緊迫的情況;

　　指令系統(tǒng)千萬(wàn)不要特別花時(shí)間去理解。指令系統(tǒng)只是一種邏輯描述的符號(hào)，只有在編程時(shí)根據(jù)自己的邏輯和程序的邏輯要求來(lái)查看相關(guān)的指令即可，而且隨著編程的進(jìn)行，對(duì)指令系統(tǒng)也會(huì)越來(lái)越熟練，甚至可以不自覺地記憶下來(lái)。

　　MCU的基本功能

　　對(duì)于絕大多數(shù)MCU，下列功能是最普遍也是最基本的，針對(duì)不同的MCU，其描述的方式可能會(huì)有區(qū)別，但本質(zhì)上是基本相同的：

　　TImer(定時(shí)器)：TImer的種類雖然比較多，但可歸納為兩大類：一類是固定時(shí)間間隔的TImer，即其定時(shí)的時(shí)間是由系統(tǒng)設(shè)定的，用戶程序不可控制，系統(tǒng)只提供幾種固定的時(shí)間間隔給用戶程序進(jìn)行選擇，如32Hz，16Hz，8Hz等，此類TImer在4位MCU中比較常見，因此可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘、計(jì)時(shí)等相關(guān)的功能;另一類則是Programmable Timer(可編程定時(shí)器)，顧名思義，該類Timer的定時(shí)時(shí)間是可以由用戶的程序來(lái)控制的，控制的方式包括：時(shí)鐘源的選擇、分頻數(shù)(Prescale)選擇及預(yù)制數(shù)的設(shè)定等，有的MCU三者都同時(shí)具備，而有的則可能是其中的一種或兩種。此類Timer應(yīng)用非常靈活，實(shí)際的使用也千變?nèi)f化，其中最常見的一種應(yīng)用就是用其實(shí)現(xiàn)PWM輸出(具體的應(yīng)用，后續(xù)會(huì)有特別的介紹)。由于時(shí)鐘源可以自由選擇，因此，此類Timer一般均與Event Counter(事件計(jì)數(shù)器)合在一起;

　　IO口：任何MCU都具有一定數(shù)量的IO口，沒有IO口，MCU就失去了與外部溝通的渠道。根據(jù)IO口的可配置情況，可以分為如下幾種類型：

　　純輸入或純輸出口：此類IO口有MCU硬件設(shè)計(jì)決定，只能是輸入或輸出，不可用軟件來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)的設(shè)定;

　　直接讀寫IO口：如MCS-51的IO口就屬于此類IO口。當(dāng)執(zhí)行讀IO口指令時(shí)，就是輸入口;當(dāng)執(zhí)行寫IO口指令則自動(dòng)為輸出口;

　　程序編程設(shè)定輸入輸出方向的：此類IO口的輸入或輸出由程序根據(jù)實(shí)際的需要來(lái)進(jìn)行設(shè)定，應(yīng)用比較靈活，可以實(shí)現(xiàn)一些總線級(jí)的應(yīng)用，如I2C總線，各種LCD、LED Driver的控制總線等;

　　對(duì)于IO口的使用，重要的一點(diǎn)必須牢記的是：對(duì)于輸入口，必須有明確的電平信號(hào)，確保不能浮空(可以通過(guò)增加上拉或下拉電阻來(lái)實(shí)現(xiàn));而對(duì)于輸出口，其輸出的狀態(tài)電平必須考慮其外部的連接情況，應(yīng)保證在Standby或靜態(tài)狀態(tài)下不存在拉電流或灌電流。

　　外部中斷：外部中斷也是絕大多數(shù)MCU所具有的基本功能，一般用于信號(hào)的實(shí)時(shí)觸發(fā)，數(shù)據(jù)采樣和狀態(tài)的檢測(cè)，中斷的方式由上升沿、下降沿觸發(fā)和電平觸發(fā)幾種。外部中斷一般通過(guò)輸入口來(lái)實(shí)現(xiàn)，若為IO口，則只有設(shè)為輸入時(shí)其中斷功能才會(huì)開啟;若為輸出口，則外部中斷功能將自動(dòng)關(guān)閉(ATMEL的ATiny系列存在一些例外，輸出口時(shí)也能觸發(fā)中斷功能)。外部中斷的應(yīng)用如下：

　　外部觸發(fā)信號(hào)的檢測(cè)：一種是基于實(shí)時(shí)性的要求，比如可控硅的控制，突發(fā)性信號(hào)的檢測(cè)等;而另一種情況則是省電的需要;

　　信號(hào)頻率的測(cè)量;為了保證信號(hào)不被遺漏，外部中斷是最理想的選擇;

　　數(shù)據(jù)的解碼：在遙控應(yīng)用領(lǐng)域，為了降低設(shè)計(jì)的成本，經(jīng)常需要采用軟件的方式來(lái)對(duì)各種編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，如Manchester和PWM編碼的解碼;

　　按鍵的檢測(cè)和系統(tǒng)的喚醒：對(duì)于進(jìn)入Sleep狀態(tài)的MCU，一般需要通過(guò)外部中斷來(lái)進(jìn)行喚醒，最基本的形式則是按鍵，通過(guò)按鍵的動(dòng)作來(lái)產(chǎn)生電平的變化;

　　通訊接口：MCU所提供的通訊接口一般包括SPI接口，UART，I2C接口等，其分別描述如下：

　　SPI接口：此類接口是絕大多數(shù)MCU都提供的一種最基本通訊方式，其數(shù)據(jù)傳輸采用同步時(shí)鐘來(lái)控制，信號(hào)包括：SDI(串行數(shù)據(jù)輸入)、SDO(串行數(shù)據(jù)輸出)、SCLK(串行時(shí)鐘)及Ready信號(hào);有些情況下則可能沒有Ready信號(hào);此類接口可以工作在Master方式或Slave方式下，通俗說(shuō)法就是看誰(shuí)提供時(shí)鐘信號(hào)，提供時(shí)鐘的一方為Master，相反的一方則為Slaver;

　　UART(Universal Asynchronous Receive Transmit)：屬于最基本的一種異步傳輸接口，其信號(hào)線只有Rx和Tx兩條，基本的數(shù)據(jù)格式為：Start Bit + Data Bit(7-bits/8-bits) + Parity Bit(Even， Odd or None) + Stop Bit(1~2Bit)。一位數(shù)據(jù)所占的時(shí)間稱為Baud Rate(波特率)。對(duì)于大多數(shù)的MCU來(lái)講，數(shù)據(jù)為的長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式(奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或無(wú)校驗(yàn))、停止位(Stop Bit)的長(zhǎng)度及Baud Rate是可以通過(guò)程序編程進(jìn)行靈活設(shè)定。此類接口最常用的方式就是與PC機(jī)的串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

　　I2C接口：I2C是由Philips開發(fā)的一種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，同樣采用2根信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)：SDAT(串行數(shù)據(jù)輸入輸出)和SCLK(串行時(shí)鐘)。其最大的好處是可以在此總線上掛接多個(gè)設(shè)備，通過(guò)地址來(lái)進(jìn)行識(shí)別和訪問;I2C總線的一個(gè)最大的好處就是非常方便用軟件通過(guò)IO口來(lái)實(shí)現(xiàn)，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率完全由SCLK來(lái)控制，可快可慢，不像UART接口，有嚴(yán)格的速率要求。

　　Watchdog(看門狗定時(shí)器)：Watchdog也是絕大多數(shù)MCU的一種基本配置(一些4位MCU可能沒有此功能)，大多數(shù)的MCU的Watchdog只能允許程序?qū)ζ溥M(jìn)行復(fù)位而不能對(duì)其關(guān)閉(有的是在程序燒入時(shí)來(lái)設(shè)定的，如Microchip PIC系列MCU)，而有的MCU則是通過(guò)特定的方式來(lái)決定其是否打開，如Samsung的KS57系列，只要程序訪問了Watchdog寄存器，就自動(dòng)開啟且不能再被關(guān)閉。一般而言watchdog的復(fù)位時(shí)間是可以程序來(lái)設(shè)定的。Watchdog的最基本的應(yīng)用是為MCU因?yàn)橐馔獾墓收隙鴮?dǎo)致死機(jī)提供了一種自我恢復(fù)的能力。

　　MCU程序的編寫

　　MCU的程序的編寫與PC下的程序的編寫存在很大的區(qū)別，雖然現(xiàn)在基于C的MCU開發(fā)工具越來(lái)越流行，但對(duì)于一個(gè)高效的程序代碼和喜歡使用匯編的設(shè)計(jì)者來(lái)講，匯編語(yǔ)言仍然是最簡(jiǎn)潔、最有效的編程語(yǔ)言。對(duì)于MCU的程序編寫，其基本的框架可以說(shuō)是大體一致的，一般分為初始化部分(這是MCU程序設(shè)計(jì)與PC最大的不同)，主程序循環(huán)體和中斷處理程序三大部分，其分別說(shuō)明如下：

　　初始化：對(duì)于所有的MCU程序的設(shè)計(jì)來(lái)講，出世化是最基本也是最重要的一步，一般包括如下內(nèi)容：

　　屏蔽所有中斷并初始化堆棧指針：初始化部分一般不希望有任何中斷發(fā)生;

　　清除系統(tǒng)的RAM區(qū)域和顯示Memory：雖然有時(shí)可能沒有完全的必要，但從可靠性及一致性的角度出發(fā)，特別是對(duì)于防止意外的錯(cuò)誤，還是建議養(yǎng)成良好的編程習(xí)慣;

　　IO口的初始化：根據(jù)項(xiàng)目的應(yīng)用的要求，設(shè)定相關(guān)IO口的輸入輸出方式，對(duì)與輸入口，需要設(shè)定其上拉或下拉電阻;對(duì)于輸出口，則必須設(shè)定其出世的電平輸出，以防出現(xiàn)不必要的錯(cuò)誤;

　　中斷的設(shè)置：對(duì)于所有項(xiàng)目需要用到的中斷源，應(yīng)該給予開啟并設(shè)定中斷的觸發(fā)條件，而對(duì)于不使用的多余的中斷，則必須給予關(guān)閉;

　　其他功能模塊的初始化：對(duì)于所有需要用到的MCU的外圍功能模塊，必須按項(xiàng)目的應(yīng)用的要求進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，如UART的通訊，需要設(shè)定Baud Rate，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，校驗(yàn)方式和Stop Bit的長(zhǎng)度等，而對(duì)于Programmer Timer，則必須設(shè)置其時(shí)鐘源，分頻數(shù)及Reload Data等;

　　參數(shù)的出世化：完成了MCU的硬件和資源的出世化后，接下來(lái)就是對(duì)程序中使用到的一些變量和數(shù)據(jù)的初始化設(shè)置，這一部分的初始化需要根據(jù)具體的項(xiàng)目及程序的總體安排來(lái)設(shè)計(jì)。對(duì)于一些用EEPROM來(lái)保存項(xiàng)目預(yù)制數(shù)的應(yīng)用來(lái)講，建議在初始化時(shí)將相關(guān)的數(shù)據(jù)拷貝到MCU的RAM，以提高程序?qū)?shù)據(jù)的訪問速度，同時(shí)降低系統(tǒng)的功耗(原則上，訪問外部EEPROM都會(huì)增加電源的功耗)。

　　主程序循環(huán)體：大多數(shù)MCU是屬于長(zhǎng)時(shí)間不間斷運(yùn)行的，因此其主程序體基本上都是以循環(huán)的方式來(lái)設(shè)計(jì)，對(duì)于存在多種工作模式的應(yīng)用來(lái)講，則可能存在多個(gè)循環(huán)體，相互之間通過(guò)狀態(tài)標(biāo)志來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。對(duì)于主程序體，一般情況下主要安排如下的模塊：

　　計(jì)算程序：計(jì)算程序一般比較耗時(shí)，因此堅(jiān)決反對(duì)放在任何中斷中處理，特別是乘除法運(yùn)算;

　　實(shí)時(shí)性要求不高或沒有實(shí)時(shí)性要求的處理程序;

　　顯示傳輸程序：主要針對(duì)存在外部LED、LCD Driver的應(yīng)用;

　　中斷處理程序：中斷程序主要用于處理實(shí)時(shí)性要求較高的任務(wù)和事件，如，外部突發(fā)性信號(hào)的檢測(cè)，按鍵的檢測(cè)和處理，定時(shí)計(jì)數(shù)，LED顯示掃描等。一般情況下，中斷程序應(yīng)盡可能保證代碼的簡(jiǎn)潔和短小，對(duì)于不需要實(shí)時(shí)去處理的功能，可以在中斷中設(shè)置觸發(fā)的標(biāo)志，然后由主程序來(lái)執(zhí)行具體的事務(wù)――這一點(diǎn)非常重要，特別是對(duì)于低功耗、低速的MCU來(lái)講，必須保證所有中斷的及時(shí)響應(yīng)。

　　對(duì)于不同任務(wù)體的安排，不同的MCU其處理的方法也有所不同。例如，對(duì)于低速、低功耗的MCU(Fosc=32768Hz)應(yīng)用，考慮到此類項(xiàng)目均為手持式設(shè)備和采用普通的LCD顯示，對(duì)按鍵的反應(yīng)和顯示的反應(yīng)要求實(shí)時(shí)性較高，應(yīng)此一般采用定時(shí)中斷的方式來(lái)處理按鍵的動(dòng)作和數(shù)據(jù)的顯示;而對(duì)于高速的MCU，如Fosc》1MHz的應(yīng)用，由于此時(shí)MCU有足夠的時(shí)間來(lái)執(zhí)行主程序循環(huán)體，因此可以只在相應(yīng)的中斷中設(shè)置各種觸發(fā)標(biāo)志，并將所有的任務(wù)放在主程序體中來(lái)執(zhí)行;

　　在MCU的程序設(shè)計(jì)中，還需要特別注意的一點(diǎn)就是：要防止在中斷和主程序體中同時(shí)訪問或設(shè)置同一個(gè)變量或數(shù)據(jù)的情況。有效的預(yù)防方法是，將此類數(shù)據(jù)的處理安排在一個(gè)模塊中，通過(guò)判斷觸發(fā)標(biāo)志來(lái)決定是否執(zhí)行該數(shù)據(jù)的相關(guān)操作;而在其他的程序體中(主要是中斷)，對(duì)需要進(jìn)行該數(shù)據(jù)的處理的地方只設(shè)置觸發(fā)的標(biāo)志。――這可以保證數(shù)據(jù)的執(zhí)行是可預(yù)知和唯一的。