什么是单片机

单片机是什么？  ——写给没有见过单片机的同学    前言：   记得自己开始学单片机时，教材是《单片机原理与应用》。第一章的第一节也是“什么是单片机”（我 本来也想把文章的题目写成‘什么是单片机’，但是后来觉得不妥，因为说‘什么是单片机’有一层—— 什么东西可以作为单片机的歧义，所以把文字就改成了‘单片机是什么’，题外话）。然后直接给出了单片 机的定义，然后用一段包含了很多抽象词语的话做描述。    当时自己是非常想学会单片机的，所以很伤脑筋的去理解那些词语。这种教学式的教学方式，不能说 没有他的好处，但是有时让人望而生畏，所以我们今天尝试用一种轻松的方式了解“单片机是什么？”。    正文：     那么单片机是什么？我觉的最重要的就是先有一个视觉上的直观认识，那么就看看下面这些吧：      图 2‐1 Atmega32L‐8PU      图 2‐1 Atiny2313单片机      图 2‐3 ATmega8L单片机      上面这些都是单片机，可以看出单片机是有大有小的，有长有方的，中间是黑的，上面有型号，侧面 有引脚（引脚就是一些引出线）。单片机外表差不多就是这个样子的，就先有这样的一个感性认识吧！        那么，你也许会问，单片机为什么会长成这个样子呢？要回答这个问题，还要从半导体和集成电路说 起：      最初，电路都是通过分立元件的互连搭建的。一个庞大的系统可能由成千上万不同的组件组成：晶体 管、二极管、整流器和电容。可是，体积细小的电子零件带来另一个问题：就是需要花费大量时间和金钱 以人手焊接的方式把这些组件接起，但人手焊接始终不是绝对可靠，令电路中成千上万的焊接点都有机会 出现问题。因此，就要找出一种既可靠又合乎成本效益的方法以生产和焊接电子零件。        美国军方为寻求有效的方法，启动了一项名为Micro‐Module program的。计划的理念是将所有不 同类型的电子零件制成划一的大小和形状，并在生产时加上电线。这样，在组装零件时，便可将大小划一 的电阻、电容和晶体管等像砌积木般组装成的电路，免去焊接的烦恼。      Micro‐Module program当年由德州仪器承办，1958年，Jack Kilby加入德州仪器，他当时在米尔沃基的 中央实验室工作，他清楚明白到电子业当前所面对的问题，而且意识到Micro‐Module program只是治标不 治本（试想像当你设计一个像计算机处理器般复杂的电路时，那个由成千上万电子零件所组成的庞然大物）， 未能从根本解决将大量电子零件整合成电路时的困难。因此，Kilby开始构思他自己的一套解决方案，他认 为使用半导体去制作电路板会是一个可行的办法。1958年 7月，正当每名德州仪器员工都在享受两星期例 假的时候，Kilby 独自一人开始将他的半导体集成电路构思付诸实行。Kilby 在当时德州仪器新建成的半导 体大楼进行研究。直到 9月，他成功将一组电路安装在一片半导体上。于同年的 9月 12日，Kilby邀请了 几位德州仪器的高层职员，包括前主席 Mark  Shepherd，出席他的示范。当时众人眼前所见的是一片银色 的锗金属，上面接满电线。当 Kilby 启动这个看似简陋的装置后，示波器的显示屏上马上出现了一条正弦 曲线‐一个简单振动电路。Kilby 的发明成功了！他将电子业一直以来所面对的问题解决了，电子业从此踏 入一个新的领域。        这就是集成电路的前身。所以集成电路就是在一片半导体上（通常是硅晶片）做出各个电子元件和电 路。然后对其封装（通常为塑料封装）并将需要引出的导线引出。这就成了我们常见的芯片。      我们也可以看一个芯片的剖视图来直观的看看芯片内部的结构。      图 2‐4 集成电路内部结构      如上图，我们可以看到芯片中的半导体基片，引线和外面的塑料封装。集成电路的功能多种多样，而 单片机也属于集成电路。所以单片机也就长成了这个样子。      那么半导体基片上是什么呢？    刚才提到集成电路就是在一片半导体上（通常是硅晶片）做出各个电子元件和电路。那么，对于单片 机来讲，它内部集成了哪些功能电路又具有什么样的功能呢？      下面就来看看单片机内部框图，以 Atmel公司的单片机 ATmega32为例：      图 2‐5 ATmega32单片机内部电路框图      从上面的图看以看到，ATmega32 电路中包含很过的功能模块，其中上下两个横向的大箭头和一个竖 向的箭头是系统总线。两个横向箭头外侧的风别是 A、B、C、D 四个端口（PORT）。什么是端口呢？暂时 可以理解为若干控制线组合在一起构成一个端口。这些控制线就包含在图 2‐4芯片引出线（引脚）中。所 以单片机可以通过这些引脚对外部电路进行控制。      两个横向箭头中间有很多的功能单元，比如 AD 模数转换模块，USART 串行通信模块，还有具有逻辑 和算术运算功能的运算单元 ALU等。通过这些单元，单片机具有了处理和分析数据的能力。对于各个模块 的功能还需要慢慢学习，但是至少现在可以了解“原来单片机内部有这么复杂的电路，所以他才会有这样 那样的功能。”      总之，从内部讲，单片机内部有各种功能电路，从外部讲，单片机有具有不同功能的引脚。      所以，单片机是一个集成了丰富功能的集成电路。他具有通信和控制功能，所以也叫微控制器，他也 具有数据处理功能，所以也叫微处理器。      但是，单片机是如何实现控制、如何实现运算的呢？他到底是如何工作的呢，我们将在下篇分解！    【下一篇——单片机的工作原理】            作者：Flyaswing  网站：www.flyaswing.com    系列文章请参见网站的【软件设计】——【51单片机 C编程】目录        参考文献   【维基百科——集成电路发展史，网址：http://www.techcn.com.cn/index.php?doc‐view‐115469】